日用细瓷汤锅热稳定性的研究进展

林伟河 许名传 张银凤 王文君

(广东顺祥陶瓷有限公司 广东 潮州 521031)

随着人们生活水平的日益提高，现代化厨具如空气炸锅、微波炉、电磁炉等电器不断涌入普通家庭，陶瓷锅具作为一种传统的烹调食品工具，在家居厨房用品中仍然占据着重要地位。近年来，随着人们的健康意识日益增强，对食物烹调、健康养生日益重视，陶瓷汤锅作为一种健康养生厨具受到广泛欢迎。国内外日用陶瓷的种类很多，但传统陶器或一般瓷器在耐磨性、抗热震性等方面的性能不高，难以满足消费者对高性能陶瓷炊具日益增长的需求[1]，高抗热震性日用细瓷汤锅成为业内的研究热点。

1 日用耐热陶瓷的分类

热稳定性是陶瓷材料使用的一个重要性能指标。传统日用陶瓷结构中，由于主晶相及玻璃相的热膨胀系数相差较大，从而导致其热稳定性较差，其工作温度一般在180℃～220℃。日用耐热陶瓷，又称低膨胀陶瓷，可以承受300℃～600℃冷热冲击不破裂。日用细瓷汤锅一般选用锂质瓷、堇青石质瓷、锆石质瓷等耐热瓷。

1.1 锆石质耐热陶瓷

锆石又称锆英石，化学组成为ZrSiO4，是ZrO2—SiO2二元系统中唯一稳定的化合物。锆石极耐高温，其熔点高达2750℃。锆石具有较低的热膨胀性、较高的导热性，而且较其他普通耐热材料有较强的化学稳定性。由于锆石具备如此优良的耐热性能，因此在耐热陶瓷领域获得了广泛应用[2]。

1.2 堇青石质耐热陶瓷

堇青石化学成分为Mg2Al4Si5O18，同时具有膨胀系数低和介电常数低两种性能，大受耐热瓷行业青睐。其高温稳定性远低于二元化合物镁铝尖晶石、莫来石和镁橄榄石。作为三元化合物，原料混合的均化过程较二元化合物困难，合成过程伴随着莫来石、镁铝尖晶石等物相，从而大大降低了堇青石陶瓷的使用性能[3]。

1.3 锂质耐热陶瓷

锂质耐热陶瓷是采用锂辉石、透锂长石和锂云母等含锂矿物为主要原料生产的耐热陶瓷。锂辉石是主要含锂矿物之一，锂辉石的化学组成是LiAl[Si2O6]，锂辉石具有热膨胀系数低、热稳定性好、强度高等优点，广泛应用于耐热陶瓷领域并迅速发展。Li2O—Al2O3—SiO2三元体系制备低膨胀耐热瓷坯体被广泛采用，而Li2O的引入主要依靠使用锂辉石[4]。

2 日用耐热陶瓷的研究进展

2.1 锆石质耐热陶瓷

杨少朋[5]对锆英石质耐热陶瓷进行了研究，研究结果表明，锆英石耐热瓷在低于1360℃温度时，结构稳定，无相变，烧结温度范围宽，适合于制作新型日用耐热陶瓷炊餐具。目前，由于锆英石矿物原料来源相对较少。同时，锆石质耐热瓷在高温下靠固相扩散作用烧结，烧结温度高、烧成周期长，能耗高，制备成本较其他日用耐热瓷成本高，国内外学者对日用耐热锆质瓷的研究较少，主要集中于锆质瓷高温结构材料领域。

2.2 堇青石质耐热陶瓷

由于堇青石陶瓷用途广泛，需求量巨大，堇青石的合成与制备技术一直以来是研究的重点。堇青石的合成方式可分为3种，即固态反应法、溶胶—凝胶法和玻璃—陶瓷合成法。近年来，关于固态合成堇青石的报道主要集中在原料的选用上，尤其是选用工业和农业废料合成堇青石的较多。Sembiring等研究了氧化铝添加量对由非晶态稻壳二氧化硅制备的耐火堇青石陶瓷的相变和结晶性能的影响，氧化铝添加量为15%～30%时，试样的热膨胀系数达到相对恒定的9.5×10-6/℃。此外，石雯怡系统研究了掺杂硅藻土、La2O3、TiO2等对SiC/堇青石复合多孔陶瓷抗弯强度、气孔率、介电性能等的影响，当掺杂5.17wt%硅藻土,在1250℃烧结所制得的样品，其抗弯强度达到49.19MPa,气孔率达到37.72%。Khattab等以不同的烧结温度制备了堇青石陶瓷，并对其物理、热学等性能进行了研究，结果表明在1350℃烧结制备的堇青石陶瓷强度高、热膨胀系数低，综合性能优异。Kuscer等的研究表明，添加粒径5μm大小的氧化铝在1300℃烧结制备的复相陶瓷，由堇青石、玻璃、石英、莫来石和氧化铝组成，具有最高的密度、抗弯强度和热膨胀系数。目前，由于堇青石存在晶格间隙大、力学强度低等缺陷尚待解决，使得堇青石质陶瓷材料在高档日用细瓷领域的应用受到了一定的限制。

2.3 锂质耐热陶瓷

锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)陶瓷兼具具备热膨胀系数低、热力学性能优良等特性，因此在日用抗热震性陶瓷领域广受青睐。 Li2O—Al2O3—SiO2三元物相体系作为锂质耐热瓷的常用体系，其Li2O对锂质耐热陶瓷性能的影响亦受到学者们的关注。吴明亮[6]等人采用40%～50%锂辉石、中夏土、乌土、红黏土等制备出抗热震性能良好、机械强度高的耐热陶瓷砂锅，其热膨胀系数小于2×10-6/℃，800℃～20℃水中热震一次不裂。徐晓虹等人[7]以锂辉石、高岭土和石英为主要原料，制备出了可以多次在 1000℃下热震的锂辉石低膨胀陶瓷，其热膨胀系数小于 2×10-6/℃。谭训彦等人[8]采用锂辉石为主要原料，向样品中添加15%的膨润土、球磨120 min，制备的锂辉石基陶瓷泥浆注浆性能优良，经过1300℃烧结制备的样品致密度高，吸水率低，其线热膨胀系数为2.744×10-6/℃，抗折强度为56.6 MPa，坯体白度为69.8，耐急冷急热性能10次不裂，综合性能优良，非常适用于日用耐热瓷炊具。

3 锂辉石在日用细瓷汤锅中的应用

3.1 锂辉石日用细瓷汤锅生产工艺

锂辉石是主要含锂矿物之一，在陶瓷制备中具有以下优点：(1)锂辉石具有较低的热膨胀系数，在陶瓷坯体中加入锂辉石，可以提高材料抗热震性[9]；(2)锂辉石可以作为助熔剂，促进陶瓷材料烧结致密化，提高陶瓷材料强度性能；(3)在陶瓷材料中添加锂辉石，在不降低烧成温度前提下，可缩短峰值温度保温时间，缩短烧成周期，从而实现节能减排。近年来，在日用细瓷汤锅制备领域，锂辉石获得了广泛应用。

3.2 锂辉石日用细瓷汤锅的制备及性能

早期，国内市场日用细瓷汤锅以中低端产品为主，产品强度、耐磨性、抗热震性等性能普遍不高。近年来，日用细瓷汤锅的性能得到了较大提升，市场上出现了一系列高质量高档日用细瓷汤锅产品。其中，锂辉石日用细瓷汤锅以其较低的烧结温度，优良的抗热震性能，以及价格亲民等优势，获得了消费者的广泛欢迎。

武传菊[10]等采用锂辉石可以降低烧成温度到1300℃以下，同时烧成周期由16h下降到13h，而且产品质量接近高档骨质瓷产品。余炳锋[11]等采用国产锂辉石制备日用耐热瓷，研究结果表明，当加入40%～50%宜春锂辉石，制备的耐热陶瓷样品热膨胀系数低于2×10-6/℃，抗热震性能优良。同时在釉料中加入锂辉石，制备出光泽度好、硬度高、高温流动性好性能优异的坯釉，该研究为国产锂辉石生产日用细瓷汤锅提供了借鉴。

近年来，人们对陶瓷汤锅的抗热震性能要求也越来越高。改善日用陶瓷的抗热震性能，除了从原材料、配方、制备工艺等方面采取措施，目前先进陶瓷领域的抗热震制备技术也值得日用陶瓷行业进一步借鉴。很多学者研究表明，通过增加陶瓷材料的韧性和导热系数，降低陶瓷材料的热膨胀系数和弹性模量，能够有效改善陶瓷材料抗热震性能。同时，通过设计颗粒组成级配、设计多相组成都可以显著提高陶瓷制品的抗热震性[12]。利用含锂矿物采用普通耐热日用瓷生产工艺和设备生产出的耐热瓷器，具有膨胀系数低、抗热震性好、烧成温度低等优点，是日用陶瓷汤锅来重点发展的方向。