艺术陶瓷材料的制备与性能研究

赖双安

(泉州工艺美术职业学院，福建 泉州 362500)

瓷艺术品是一种“既能观赏、还能把玩；既能使用，还能投资、收藏”的艺术品种，重新组织语言，语句不通顺。艺术陶瓷也以其精巧的装饰美、梦幻的意境美、陶艺的个性美、独特的材质美，形成了特有的陶瓷文化，受到了人们的喜爱，并逐渐成为人们投资收藏的首选，其中SiC多孔陶瓷材料由于其具有耐高温、耐腐蚀以及力学与化学性能稳定等特性而受到了人们的普遍关注[1]，但是由于其制备工艺中影响最终成品质量的因素较多，目前市场上的陶瓷制品往往存在折弯强度低和透气度低等缺陷[2-3]，急需对SiC多孔陶瓷的制备工艺进行研究，以期为气孔率高、常温和高温折弯强度大的多孔艺术陶瓷的制备提供技术支撑。

1 材料与方法

以SiC细粉(D50=90 μm)、SiC微粉(D50=2.8 μm)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，D50=32 μm)为原料，化学成分见表1。

表1 试验原料的化学成分 质量分数，单位：%

采用SiC重结晶烧结法制备了多孔陶瓷材料，配方表见表2，包括改变成型压力、SiC微粉含量和造孔剂(PMMA)的加入量。制备工艺包括：配料、磨料(混合后研磨6 h)、结合剂加入(加入质量分数5%的PVA溶液，然后混炼30 min并过100目筛)、液压成型、干燥(105 ℃/24 h)、排胶(550 ℃/5 h)和烧结(真空碳化硅烧结炉中进行2 300 ℃/2 h保温)。

参照GB/T2997—2000《致密定形耐火制品体积密度、显气孔率和真气孔率试验方法》测试陶瓷材料的体积密度、显气孔率[4]；参照GB/T3002—2004《耐火材料高温抗折强度试验方法》测试陶瓷试样的常温和高温(条件为1 150 ℃，保温30 min)折弯强度；采用日立S-4800扫描电子显微镜对微观形貌进行观察。

表2 陶瓷的配方表

2 结果及讨论

2.1 成型压力

图1为成型压力对A100陶瓷试样体积密度和显气孔率的影响。可见，当成型压力为20 MPa时，体积密度和显气孔率分别为1.63 g/cm3和49.2%，增加成型压力至120 MPa，陶瓷试样的体积密度和显气孔率分别为1.82 g/cm3和43.6%。随着成型压力升高，A100陶瓷试样的体积密度逐渐增加，而显气孔率逐渐减小。

图2为成型压力对A100陶瓷试样常温抗折强度的影响。成型压力为20 MPa时，陶瓷试样的抗折强度约为23.6 MPa，增加成型压力至120 MPa，陶瓷试样的抗折强度达到45.2 MPa。随着成型压力升高，A100陶瓷试样的抗折强度逐渐增大，但是当成型压力高于100 MPa时，折弯强度变化幅度较小。综合而言，多孔陶瓷适宜的成型压力为100 MPa。

2.2 SiC微粉加入量

图3为 SiC微粉加入量对陶瓷试样体积密度和显气孔率的影响。可见，当 SiC微粉加入量为30%时，体积密度和显气孔率分别为2.30 g/cm3和28.6%，增加SiC微粉加入量至100%，陶瓷试样的体积密度和显气孔率分别为1.81 g/cm3和44.3%。随着 SiC微粉加入量的增加，A100陶瓷试样的体积密度逐渐减小，而显气孔率逐渐增加，这主要是因为SiC微粉加入量越大，则微粉吸入的空气量会越多，相应地显气孔率越大[5]。

图2 成型压力对陶瓷常温抗折强度的影响

图3 SiC微粉加入量对陶瓷体积密度和显气孔率的影响

图4为SiC微粉加入量对A100陶瓷试样折弯强度的影响。当SiC微粉加入量为30%时，陶瓷试样的常温和高温抗折强度分别约为32.6 MPa和42.1 MPa，增加SiC微粉加入量至100%，陶瓷试样的常温和高温抗折强度分别约为45.2 MPa和53.6 MPa。随着SiC微粉加入量的增加，陶瓷试样的常温和高温抗折强度都呈现出先增加而后减小，然后又逐渐增加的特征，在SiC微粉加入量为70%时，陶瓷试样的常温和高温抗折强度最低。此外，相同SiC微粉加入量下，陶瓷试样的高温抗折强度高于常温抗折强度。当SiC微粉加入量在40%～70%时，虽然SiC微粉含量的增加有利于烧结颈部生长并有利于提高折弯强度[6-7]，但同时显气孔率的增加会减小折弯强度。综合而言，当SiC微粉加入量为40%时，陶瓷试样具有较高的常温和高温折弯强度，且此时的体积密度较高、显气孔率较低。

图4 SiC微粉加入量对陶瓷抗折强度的影响

2.3 造孔剂加入量

图5为造孔剂加入量对陶瓷试样(A40B40C40D40)体积密度和显气孔率的影响。可见，当造孔剂加入量为0%时，体积密度和显气孔率分别为2.23 g/cm3和30.7%，增加造孔剂加入量至9%，陶瓷试样的体积密度和显气孔率分别为1.81 g/cm3和43.4%。随着造孔剂加入量的增加，陶瓷试样的体积密度逐渐减小，而显气孔率逐渐增加。

图5 造孔剂加入量对陶瓷体积密度和显气孔率的影响

图6为 SiC微粉加入量对陶瓷试样(A40B40C40D40)折弯强度的影响。当造孔剂加入量为0时，陶瓷试样的常温和高温抗折强度分别约为48.3 MPa和55.2 MPa，增加造孔剂加入量至9%，陶瓷试样的常温和高温抗折强度分别约为19.8 MPa和20.6 MPa。随着造孔剂加入量的增加，陶瓷试样的常温和高温抗折强度都呈现逐渐减小的特征。在相同的造孔剂加入量下，陶瓷试样的高温抗折强度高于常温抗折强度。

对A40、C40和D40多孔艺术陶瓷试样进行扫描电镜显微形貌观察，结果如图7，其中灰色区域为SiC，而黑色区域为气孔。对于A40陶瓷试样，基体中气孔数量较多，形状呈不规则特征，三维交错的网状孔洞贯穿其中，整体气孔率较高；在陶瓷试样中添加造孔剂后，气孔数量增多，平均孔径变大，D40陶瓷试样中已经密集分布着尺寸不等的气孔，此时的折弯强度会减小[8]。

图6 造孔剂加入量对陶瓷抗折强度的影响

图7 多孔艺术陶瓷的显微形貌

3 结语

1)当成型压力为20 MPa时，体积密度和显气孔率分别为1.63 g/cm3和49.2%，增加成型压力至120 MPa，陶瓷试样的体积密度和显气孔率分别为1.82 g/cm3和43.6%。成型压力为20 MPa时，陶瓷试样的抗折强度约为23.6 MPa，增加成型压力至120 MPa，陶瓷试样的抗折强度达到45.2 MPa。

2)随着SiC微粉加入量的增加，A100陶瓷试样的体积密度逐渐减小，而显气孔率逐渐增加，陶瓷试样的常温和高温抗折强度都呈现出先增加而后减小，然后又逐渐增加的特征，在SiC微粉加入量为70%时，陶瓷试样的常温和高温抗折强度最低。

3)当造孔剂加入量为0时，体积密度和显气孔率分别为2.23 g/cm3和30.7%，增加造孔剂加入量至9%，陶瓷试样的体积密度和显气孔率分别为1.81 g/cm3和43.4%。随着造孔剂加入量的增加，陶瓷试样的常温和高温抗折强度都呈现逐渐减小的特征。在相同造孔剂加入量下，陶瓷试样的高温抗折强度高于常温抗折强度。