熔剂对长石质瓷坯体性能的影响

陈婧 余峰 程磊 万萍 朱宇飞

摘 要：以钾长石、高岭土、萍乡石英、滑石和碳酸钙为主要原料，采用单因素法研究熔剂化学组成对长石质瓷坯体的性能影响，采用阿基米德排水法、万能试验机、XRD和SEM等测试手段分别对长石质瓷样品密度、抗折强度、物相和显微结构等进行了表征。研究结果表明，当MgO、CaO、K2O和Na2O含量分别为1.00%、1.50%和3.00%时，样品的密度和抗折强度达到最佳值，晶相主要为莫来石和游离石英，构成晶相、玻璃相和少量气孔的长石质瓷的显微结构。

关键词：长石质瓷；抗折强度；莫来石；石英

1 前言

长石质瓷是以"K2O-Al2O3-SiO2"三元相图为理论基础而制备的一种瓷质，具有化学稳定性好、胎体半透明、瓷质洁白、吸水率低及质地坚硬等特点，被广泛应用于日用瓷、陈设瓷以及一般的工业技术用瓷等领域[1-3]。依据化学组成的不同，我国长石质瓷的烧成温度范围处于1250～1350℃之间，对应的各项性能指标也有所差异。现有的文献主要从制备工艺、原料细度等方面对长石质瓷的性能进行了研究，而从熔剂的种类和含量对长石质瓷的性能影响方面研究较少[4-5]。而实际上，熔剂的化学组成对长石质瓷的性能具有很大的影响。为了考察熔剂化学组成对长石质瓷性能的影响，本文利用钾长石、高岭土、萍乡石英、滑石和碳酸钙为主要原料，采用单因素法，分别研究CaO、MgO、K2O和Na2O熔剂对长石质瓷坯体致密度和抗折强度等性能的影响，旨在为长石质瓷的性能调试提供科学依据。

2实验部分

本文以钾长石、高岭土、萍乡石英、滑石和碳酸钙为主要原料，采用单因素法研究熔剂化学组成对长石质瓷坯体的性能影响，所用原料化学成分如表1所示。

依照表1原料的化学组成，经计算配方组成，按照化学计量比称量相应原料，放入球磨罐中，按料：球：水=1：1.5：0.8比例加入氧化铝球和水，以转速400r/min进行行星球磨1h，得到的浆料经除铁、过200目筛，筛余0.5%。干燥后的粉体造粒，利用压力成型φ50mm×8mm的圆饼及4mm×6mm×40mm长条，在烘箱中105℃干燥3h后经电炉烧成。烧成制度为：以3℃/min的升温速率从室温升至600℃，600℃保温30min，以6℃/min升温速率从600℃升至1000℃，以5℃/min升温速率从1000℃升至1250℃，在1250℃保温30min，自然冷却。

采用阿基米德排水法测量样品密度，运用WOW-10型万能试验机以三点弯曲法测试样品的抗折强度，采用D8 advance型X-射线衍射仪分析样品物相，以SU8010型扫描电镜对样品形貌进行了表征。

3分析讨论

3.1 MgO含量对长石质瓷材料性能的影响

长石质瓷中的MgO主要通过滑石引入，不同MgO含量的样品性能如图1所示。

从图1可以看出，随着MgO含量的增加，样品的密度和抗折强度出现相同的变化趋势，都是先增大后减小，在MgO含量为1.0%时出现最大值。

配方中少量的MgO起助熔剂作用，能够迅速降低配方熔点，在较低的温度下产生液相，有利于颗粒之间的迁移和连接，从而提高了坯体的致密度和强度。但随着MgO含量的增加，坯体的液相量迅速增加，由于坯体分解产生的气体未及时排出，被周围的液相封闭在坯体内，导致坯体的致密度降低；气泡会影响坯体强度，而且过多的玻璃相也会影响其强度，从而导致瓷体强度相应减小。适量的MgO有利于坯体低温产生液相，随着MgO含量的增加，坯体的高温粘度降低，离子越容易迁移，降低坯瓷的烧成温度，有利于莫来石晶体的生成，从而提高了坯体的强度和致密度。

3.2 CaO含量对长石质瓷材料性能的影响

长石质瓷中不仅含有少量的MgO，且含有适量的CaO，它與MgO一起形成高温熔剂，对长石质瓷的性能具有很大的影响。长石质瓷主要通过CaCO3引入CaO，这是由于CaCO3在800℃以上易分解，释放出CO2而留下CaO。图2为不同含量CaO对长石质瓷材料性能的影响。 从图2可以看出，随着CaO含量的增加，长石质瓷的密度和强度先增大后减小，当CaO含量为1.5%时，其密度和强度出现最大值。

CaO在低温时对坯体的粘度影响较小，而在高温时却起着重要的作用，通常将MgO和CaO作为高温熔剂。在长石质瓷中加入少量的CaO，助熔效果显著，能降低坯体的烧成温度，提高坯体的机械强度和透明度。但CaO过量，容易导致坯体的烧成温度范围变窄，引起产品的变形。这是由于CaO属于网络外体氧化物，在高温环境条件下易于放出游离氧，破坏玻璃网络结构，降低坯体粘度，是良好的高温熔剂，能够降低长石质瓷的烧成温度；而在低温时，Ca2+为了满足自身的配位要求，将周围网络断点进行连接，牢固玻璃网络结构，提高了坯体粘度。对于长石质瓷，其烧成温度为1250℃，CaO是很好的高温熔剂，只需少量的CaO就能达到良好的助熔效果，有利于提高长石质瓷的密度和强度，过多的CaO则达不到助熔的作用，反而影响其性能。

3.3 K2O、Na2O含量对长石质瓷材料性能的影响

长石质瓷具有较高含量的K2O和Na2O，在坯体中起着很好的熔剂作用。而K2O和Na2O主要来源于长石。图3为不同含量的K2O和Na2O对长石质瓷性能的影响。

从图3可以看出，随着K2O和Na2O含量的增加，长石质瓷的密度和抗折强度都是先增大后减小，在K2O和Na2O含量为3%时出现最大值。纯的钾长石和钠长石对应的熔融温度分别为1150℃和1100℃。可见钾长石的熔融温度不是太高，且其熔融温度范围宽，而钠长石的熔融温度相对钾长石更低些，并对应熔融温度范围窄些。K2O和Na2O易与SiO2、Al2O3反应形成玻璃相，填充在它们的缝隙中，有利于长石质瓷的密度和强度的提高。坯体中K2O、Na2O含量过低，导致坯体烧成温度提高，影响材料的烧结性能，反之，则会降低坯体烧成温度，并出现变形等缺陷。

3.4 长石质瓷的XRD和SEM表征

在熔剂CaO、MgO、K2O/Na2O合适的条件下获得的样品的XRD和SEM图分别如图4和图5所示。

从图4可以看出，长石质瓷样品的X射线衍射峰分别与Al6Si2O13（卡片号#15-0776）和SiO2（卡片号43-0596）的衍射峰相对应，说明该样品的主要物相为莫来石和游离的石英相组成。

从图5可以看出，长石质瓷断面含有一些气孔，同时含有适量的晶体和玻璃相。结合XRD结果可知，晶体主要为莫来石和游离石英，可以定性地判断尖锐棱角状晶体为石英，而具有片状的晶体为莫来石。

由于实验以钾长石、高岭土、萍乡石英、滑石和碳酸钙为原料，配方主要成分为Al2O3和SiO2，CaO、MgO、K2O和Na2O等为熔剂，这些熔剂在合适的比例情况下，能够对配方起到很好的助熔效果，在较低温度下产生液相，容易填充于颗粒之间，同时系统的粘度降低，也促进了Al2O3和SiO2合成莫来石晶体，但石英过量，在坯体中存在游离石英，其他化学组成形成玻璃相。由于钾钠长石在较低温度下产生液相，而坯体中部分原料在高温阶段分解产生的气体来不及排出体外，导致部分气孔封闭于系统中，因此长石质瓷的显微结构主要由晶相莫来石与石英、玻璃相、少量气孔构成。适量的晶体和玻璃相有利于长石质瓷密度、强度的提高，但过量的玻璃相却影响坯体的强度；另一方面，由于坯体中的气孔也会对强度产生较大的影响。因此，通过配方和烧成工艺的调整，尽量减少坯体中的气孔率、提高坯體的致密性和控制玻璃相含量是提高长石质瓷性能的有效措施。

4结论

（1）长石质瓷坯体MgO、CaO含量分别为1.00%、1.50%N，K2O和Na2O含量为3.00%时，长石质瓷样品的密度和抗折强度性能最优；

（2）长石质瓷的主要晶相为莫来石和游离的石英；

（3）长石质瓷的显微结构主要由晶相莫来石与石英、玻璃相、少量气孔构成，尽量减少坯体中的气孔率、提高坯体的致密性和控制玻璃相含量是提高长石质瓷性能的有效措施。

参考文献

[1] 高雅春，耿谦. 长石质瓷物相组成计算方法的研究[J]. 陶瓷科学与艺术， 2003， （4）： 13-17.

[2] 苗立锋. 原位莫来石晶须增强高透硬质瓷及机理研究[D]. 景德镇陶瓷大学， 2021.

[3] Carla Müller Ramos， Paulo Francisco Cesar， Rafael Francisco Lia Mondelli， et al. Bond strength and Raman analysis of the zirconia-feldspathic porcelain interface[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry， 2014， 112（4）： 886-894

[4] 龚民， 卢日高. 长石质坯体料细度对坯体料性能的影响[J]. 陶瓷科学与艺术， 2017， 51（5）： 64-65

[5] 罗日军. 长石-骨灰质瓷的研制[J]. 陶瓷， 2003， （4）： 33-36

Influence of Flux on Performance of Body for Feldspar Ceramic

CHEN jing， YU feng， CHENG Lei， WAN Ping， ZHU Yu-fei

（Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen， 333403）

Abstract： Using potash feldspar， Kaolin， quartz of Pingxiang， talc and calcite as raw materials， the influence of flux on performance of body for feldspar ceramic were investigated by single factor method. The density， rupture strength， phase and microstructure were characterized by Archimedes， universal testing machine， XRD， SEM and so on， respectively. The results show that density and rupture strength of samples reached the best value when the contents of MgO， CaO， K2O and Na2O were 1.00%， 1.50% and 3.00%， respectively. The crystalline phases were mainly mullite and free quartz， the microstructure of feldspar ceramic was composed of crystalline phase， glassy phase and a few pores.

Keywords：  feldspar ceramic; rupture strength; mullite; quartz