精确控制堇青石玻璃陶瓷的烧成收缩率.docx

精确控制堇青石玻璃陶瓷的烧成收缩率王 江，何 涌，张 谦（ 中国地质大学材料科学与化学工程学院，430074）武汉堇青石玻璃陶瓷 , 确定了 产品的烧成收缩率与坯体的体积密度有对应的负相关的曲 线摘 要】 : 液相烧结体系的产品烧成收缩率很难得到 精确控制 , 用粉煤灰作原料烧结的影响关系可以通过这种曲线关系用坯体的体积密度来预测 产品的烧成收缩率和产品在不 同方向上的收缩率 , 并且通 过控制坯体的体积密度来精确控制产品的尺寸还从产品 制备工艺上确定了粉料加水量 , 练泥造粒过程 , 坯体成型 压力对坯体的体积密度关键词】: 收缩率， 坯体密度，堇青石玻璃陶瓷， 粉煤灰，液相烧结引言粉煤灰是一种工业废弃物，利用粉煤灰烧结堇青石 玻璃陶瓷可以大量消耗粉煤灰，缓解对环 境的压力，节 约矿物资源，减小生产成本 ［1-3］用粉煤灰作为原料制备 堇青石玻璃陶瓷的过程是液 相烧结的过程 ［4］液相烧结过 程分三步 :（1） 玻璃物质熔融成液体 , 由于毛细管力的作 用 使颗 粒重排 ;（2） 完成重排 , 颗粒挤压接触 , 压应 力使颗粒物质向液相溶解 , 并在压应力较小的 地方析出 , 称 为”溶解—沉淀”过程 ;（3）烧结后期的气孔生长与融合 等 ［5-6］。

液相烧结过程中 ,样品的收缩主要发生颗粒重排 过程 ［7-8］有关液相烧结产品的收缩率的精确控制的研究 受到了比较 大的重视 ［9-11］虽然在液相烧结体系中后期的 致密化 过程中 , 坯体的 收缩 规律已经 有了 微观上用 热力 学作定量分析的工具 ［5-6,12］但是这个分析工具涉及多个 热力学 参数 , 在实际生产过程 ,对液相烧结体系的样 品 在烧成前期产生液相并伴随颗粒重排过程的收缩的控制 仍然是困难的 ［13］如果能寻找到制品的最终烧成收缩率 与制品烧结前的坯体的某些性质之间的对应关系， 我们就直接控制产品坯体的性质来控制产品收缩 率，达到精 确控制产品的外形尺寸的目的甚至可以 通过这种关系 , 直接预测产品的尺寸大小 , 为玻璃 陶瓷精细化生 产过程 提供有利手段1实验本试验按设计配方分别称取原料粉 煤灰（Fa）工业氧化镁（MgO）,工业氧化铝（AI2 O 3）, 少量糊精 , 并混合均匀表 1 列出了实验用原料的主要成分和平均粒度表 1 实验原料主要成分和平均粒度名称主要成分平均粒径粉煤灰59.5% SiO：, 25.32% AhOs5.95 p mk氧化镁M^O1.45 ju m工］1＜氧化铝A1O6.95 m in糊精(CoHQjn • XH2O向混合粉料中加预定量的水 , 再次混合 , 使水分尽 量在混合粉料中分散均匀。

将湿润的混 合粉料放在对辊 练泥机上进行练泥 , 然后将练好的片状泥料打碎成团粒 ,并全 部通过 16目 （ 孔 径1.25mm）筛子将团粒充填到圆形模具中,加压成型成型所得的样品坯体成圆片状,直径为 42mm,厚度约为13mm将压制成型的坯体放在烘箱中在80°C恒温下烘干再将烘干的样品坯 体放入1600C硅钼棒高温炉中，以3°C /min的升温速率升温到13O0C并保温6h,最终获得堇青石 玻璃陶瓷样品样品坯体为规整的圆片状 , 用游标卡尺测定坯体的直径和厚度 , 通过圆柱体体积计 算公式：T ” nhd2来计算获得坯体体积其中 h 是坯体的厚度 ,d 是坯体的直径可以直接用坯体的质量与坯体体积的比值 来获得坯体的密度 通过阿基米德排水法获得烧成后样品的体积 , 样品 的体积烧成收缩率是烧成后样品的 体积变化值与样品坯 体的体积之比对样品进行电子显微镜（quanta200,香港）观察,并用电子探针分析其中不同物 相的成分2 结果与讨论通过对样品进行电子显微镜 （SEM） 观察 , 并对其中 的物相进行电子探针成分分析下面列出 了实验结果a为1000x局部图,b为5Qx局部图）图1是样品的SEM显微形貌图,图1（a）放大1Q倍,并对图中白色和黑色部位进行 成分分析,图1（b）中标有“+Q”的白色凹凸不平区域的某个局部区域放大5Q倍的SEM显微形貌图，并对其中不同形貌区域进行 成分分析。

分析结果列于表2中圧图1000 x表2右图5000 x120AbOs18.5234.6630.15MgO1.7011*66.79SiO：61,3749.0547.90阻00.930.210.59K：O5.931.914.09CaO4.500.06*2.30TiCh2.390.47L40FeO3.69L955.83P2O50.960.09*0.95Total100.00100.00100.00表 2 样品电子探针成分分析结果 （%）SEM 显微形貌图的左图中白色区域 （ 标有“+1”区 域 ） 是玻璃相 , 黑色区域 （ 标有“+2” 区域 ） 是堇青石相 [4] SEM 形貌图显示出堇青石相区域占据整个形貌图的面 积 很 大 , 说 明 堇 青 石 相的含量比较丰富 同时 , 样品中 含有一些未完全晶化的玻璃 相图 1 的右图中显示 是一 些针状夕线石晶相以及少量中间相这说明通过本实验 途径可以制备出堇青石玻璃陶瓷2.1 样品坯体的体积密度与烧成收缩率的关系 在实验中通过改变各种工艺参数来获得不同体积密 度的坯体烧结后 , 得到不同体积烧成 收缩率的样品 制备的堇青石玻璃陶瓷的烧成收缩率与其坯体密度的关 系曲线如图 2 所示。

经 过数据拟合获得如下方程式（y是体积烧成收缩率，X是坯体的体积密度：其中 y =3Q.49Q1,A=-3.1554,W=Q.Q896,X =2.13Q8此方程式的自变 量与因变量的相关系数 为 0.983 这说明它们之间有一个匹配良好的负相关性曲线关系我们成功地利用这个经验方程式预测了 已知体积密度的 坯体的烧成收缩率图2中，坯体密度在1.738-2.040g/cm范围内变化时，坯体体积收缩率值变化缓慢, 这个坯体密度的 范围可以用来保持样品的体积稳定 性 , 但是又存 在体积收缩率过大的弊端；当坯体体积密度从2.040g/cm到2.106g/cm3 的范围内变化时 , 坯体的体积收缩率变化非 常大 , 从 27.5%迅速减小到 11.95%值得注意的是 , 当 坯体密度在这个范围内变化 , 即使坯体密度相差比较小 , 所得到的坯 体收缩率相差可以很大 , 不易获得稳定尺寸的 产品在坯体密度大 于 2.106g/cm3 的范围内 , 坯 体的收 缩率对坯体密度的变化反应有所变缓 ,在 11.95%-7.20%范围内变化 , 而且坯体的收 缩率都很小 ,用这个范围内 的坯体密度来控制坯体的收缩率并保持产品的尺寸稳定 性是有 效的。

图 3 样品不同方向上的收缩率与坯体体积密度的关系图3中A,B曲线分别是坯体在高度方向和直径方向 的收缩率随坯体体积密度的变化情况把坯 体体积密度 作为一个参照 量 , 比较坯体在 高度和直 径方向上的收 缩 率随坯体体积密度的变化 情况坯体高度方向是坯体受 到压力的方向 , 而直径方向没有直 接受到成 型压力的挤 压 , 只 是压力在坯体中扩散导致坯体直径方向变得致密 这样就使坯体在这两个方向上的致密性不一致 [14], 从而导 致了不同方向上有不同的收缩率坯体不同方向上地收 缩率与坯体体积密度同样有上述 经验方程式的关系，只 是 Y 的取值与不同方向上收缩率有关当坯体体积密度坯体密唯机卑/m円« a - ■ ■ H n V d V tb2 o -K- 6- 4- 2 o中国陶瓷丨 CHINA CERAMICS | 2008(44)第 11 期 |47坯体密度iii 2 2 2 2 2 2 29990 OOOOii4680 2468021 . 1 . 1 . 1 . I . I . 1 . 1 . I_._._.~■___■_-~~~~~~_■_-~~-~-~ ~—17 才 17 2_0 2「2-2 • 2_3 - 2_4 2W&>»(％)坯体体积密度P（g.cm3）2 2 2 2 2 2 2 2。