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， 武汉 430074)【 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 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 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的影响关系 关 键 词 】: 收 缩 率 ， 坯 体 密 度 ， 堇 青 石 玻 璃 陶 瓷， 粉煤灰，液相烧结表 1 实验原料主要成分和平均粒度练 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℃ 恒 温 下 烘 干 再 将 烘 干 的 样 品 坯 体 放 入1600℃ 硅 钼 棒 高 温 炉 中 ,以 3℃ /min 的 升 温 速 率 升 温 到1300℃ 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 :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图 1 是 样 品 的 SEM 显 微 形 貌 图 , 图 1(a) 放 大 1000 倍 , 并 对 图 中 白 色 和 黑 色 部 位 进 行 成 分 分 析 , 图 1(b) 中业 氧 化 镁 (MgO)， 工 业 氧 化 铝 (Al O )， 少 量 糊 精 , 并 混2 3合均匀。

表 1 列出了实验用原料的主要成分和平均粒度向 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 (a)图 1(b)样品 SEM 微观形貌图收稿日期 :2008-3-31E-mail:wjiang1985@ (a 为 1000× 局部图 ,b 为 5000× 局部图 )46 │中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2008(44) 第 11 期2008 年 第 11 期 中 国 陶 瓷表 2 样品电子探针成分分析结果 (%)图 3 样品不同方向上的收缩率与坯体体积密度的关系范 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/cm3 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 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 ， 只图 2 样品的体积收缩率与坯体体积密度关系曲线标 有 “+0” 的 白 色 凹 凸 不 平 区 域 的 某 个 局 部 区 域 放 大 5000 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 ） ：是 Y 的 取 值 与 不 同 方 向 上 收 缩 率 有 关 当 坯 体 体 积 密 度0小 于 2.040g/cm3 时 , A 与 B 曲 线 的 收 缩 率 值 都 在 大 于 10% 的 范 围 内 变 化 缓 慢 , 坯 体 密 度 增 长 到 2.040g/cm3 以 后 , 收 缩 率 快 速 变 小 但 是 由 于 坯 体 在 直 径 方 向 的 致 密 性 比 较 小 , 其 收 缩 率 不 能 被 降 低 到 4.0% 以 下 而 由 于 直 接 受 到 压 力 在 坯 体 中 各 向 异 性 的 的 影 响 , 坯 体 高 度 方 向 受 到 的 压 力 相 对 较 大， 坯 体 密 度 相 对 较 致 密 , 收 缩 率 可 以 降 低 到 1.46%。

从 图 中 还 可 以 看 出， 如 果 希 望 获 得 的 产 品 尺 寸 变 化 小 并 且 各 个 方 向 收 缩 率 差 值 也 很 小 的 产 品 , 只 需 要 制 备 出 比 较 合 适 的 体 积 密 度 的 坯 体 就 可 以 达 到 目 的2.2 练泥造粒过程对坯体体积密度的影响练 泥 过 程 能 减 小 粉 料 颗 粒 的 间 隙 , 降 低 坯 体 的 孔 隙 率 [14-16] 对 辊 练 泥 机 的 双 辊 间 距 ， 练 泥 的 时 间 长 短 和 单 位 时 间 内 的 给 料 量 决 定 了 练 泥 过 程 对 减 。