陶瓷工艺学课件

陶瓷工艺学课件内容摘要：

达到最大值时， 称为完全烧结，此时的温度叫烧结温度。 从粘土试样完全烧结开始，温度继续上升，会出现一个体积密度及收缩较稳定的阶段。 持续一段时间后，如再继续升温，试样中的液相不断增多，以至于不能维持试样原有形状而变形，此时因发生一系列化学变化，使试样内气孔率增大，出现了膨胀现象。 出现此情况的最低温度就叫软化温度，如图 l3 中的 t3。 通常将烧结温度到软化温度之间试样处于相对衡定的阶段的温度区间称作烧结范围，如图 13 中的 t2t3。 粘土的烧结范围对无机非金属材料制品生产来说是一个十分重要的特性，它直接影响到配方、窑炉种类、烧成 制度等的确定。 （ 7）耐火度 耐火度系粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。 它反映了材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性。 粘土的耐火度主要取决于粘土的化学成分，如粘土中 Al2O3 含量多则耐火度较高，含碱类氧化物多则耐火度较低。 一般常用 Al2O3／ SiO2 的比值来判断粘土耐火度的高低。 比值大、耐火度高，烧成温度范围宽。 反之，耐火度就低，烧成温度范围窄。 耐火度的测定是将欲测粘土制成高 3Omm、下底边长为 8mm、上顶边长为2mm的截头三角锥，干燥后，在电炉中以一定升温速度加热，当 加热到锥顶端软化弯倒至底平面时的温度，即为该试样的耐火度。 高铝质矿物原料 这类原料主要是高铝矾土及硅线石族矿物。 它们可用于制造高铝陶瓷、窑具和耐火材料。 （ 1）高铝矾土 (bauxite)，又称铝土矿 ,由铝的氢氧化物 —一水硬铝石、一水软铝石和三水铝石三种矿物组成（化学沉积岩）。 常含高岭石、绿泥石、赤铁矿、水云母、石英等杂质，并为呈胶状态的含水氧化铁、含水铝硅酸盐、蛋白石等矿物质所胶结。 化学成分变化较大，一般含 Al2O3 4075%, SiO2 12%, Fe2O3 037%, %, H2O %。 因胶结物质不同，铝土矿颜色变化较大，自淡灰白、灰褐到黑色，有时有红色斑点。 隐晶质结构，豆状或块状构造，密度约。 吸水性小，有时有磁性，具粗糙感。 铝土矿是提炼金属铝的重要矿石，优质铝土矿可作人工磨料、矾土水泥原料和耐火材料。 （ 2）硅线石族原料，硅线石族原料指硅线石、红柱石和蓝晶石三种矿物，它们是同质多象变体。 硅线石 (silimanite)，化学组成 Al2O3 %, SiO2 %,含 Fe2O3 可达 23%。 斜方晶系，常呈针状和柱 状晶体，集合体呈放射状和纤维状，有时在其它矿物中呈毛发状包裹体存在。 灰色、浅褐、浅绿等色。 硬度 7，密度。 熔点 1850℃ ，是一种高温变质矿物。 硅线石加热至 1545℃ 变为富铝红柱石，再加热至 1810℃时变为刚玉与玻璃，反应时产生的体积不明显。 硅线石具有高的耐火度、不溶于氢氟酸和良好的机械性能等优良性质，因此可以用作高级耐火材料、特种陶瓷、炼制铝硅合金等。 蓝晶石 (cyanite)，又名二硬石，化学组成 Al2O3 %, SiO2 %,常含 Fe、Cr 等混合物。 三方晶系，晶体呈扁平柱 状，有时呈放射状集合体。 常为兰色或青色。 硬度随方向而异，平行于晶体延长方向硬度 ，而垂直晶体延长方向为，故有二硬石之称。 密度。 蓝晶石在高温煅烧时，于 1200℃ 开始分解生成莫来石和游离 SiO2，伴随这种反应产生约 15%的体积膨胀，所以需预先煅烧方能在耐火材料和陶瓷工业中应用。 红柱石 (andalusite)，俗称菊花石。 化学组成与蓝晶石相同，常含有 Mn、 Fe等杂质。 斜方晶系，晶体呈柱状，集合体呈粒状或放射状。 呈灰色、褐色或浅红色。 硬度 ，密度。 工业 用矿石一般含 7585%的红柱石，少量叶腊石、云母、金红石褐刚玉等伴生矿物。 高温煅烧红柱石时，于 1900℃ 开始分解，生产莫来石和游离 SiO2，分解时无明显的体积膨胀。 红柱石具有高的耐火度及化学稳定性和良好的机械强度，可用作高铝质耐火材料、高技术陶瓷原料，色美透明者可作宝石。 第二节 石英类原料 二氧化硅在地壳中的丰度约为 60%。 含二氧化硅的矿物种类很多，大部分以硅酸盐矿物形成岩石。 无机非金属材料工业用的二氧化硅原料主要是结晶状的矿石 ——石英。 石英的种类 由于地质产状不同，石英呈现 为多种状态，其中最纯的石英称为水晶。 因水晶产量很少，除了制造石英玻璃外，一般无机非金属材料制品无法采用。 在陶瓷、玻璃、耐火材料生产中采用得较多的石英类原料主要有脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、硅藻土、隧石等。 脉石英 ，由含二氧化硅的熔融岩浆充填于地壳表层的岩隙中经急冷凝固成致密结晶态的石英，这些呈脉状分布的火成岩就称为脉石英。 含 SiO2 大于 99％，杂质很少，外观呈白色，半透明，有油脂光泽，具有贝壳状断口，硬度高，是陶瓷釉料和优质玻璃的好原料。 砂岩 ，石英颗粒被胶结物结合而成的碎屑沉积岩。 砂岩成 分较复杂，根据胶结物质的不同可分为粘土质、石膏质、石灰质、云母质及硅质砂岩等。 砂岩多呈白、黄、红等颜色， SiO2 含量在 90％～ 95％之间。 石英岩 ，硅质砂岩经地质变化石英颗粒又重新结晶的一种变质岩。 又叫再结晶硅岩，含 SiO2 量一般在 97％以上，外观多呈灰白色，有鲜明光泽，硬度高，断面致密。 石英砂 ，由花岗岩、伟晶岩等风化成细粒后，在水流冲击淘汰后自然聚积而成。 可分为河砂、湖砂、山砂等数种，因其粒细，不用破碎，可大大简化工艺过程、降低成本。 但因其杂质含量多，成分波动大，一般工厂采用时需进行控制。 硅藻 土 ，由吸收溶解于水中的部分二氧化硅的微细硅藻类水生物死亡后演变而成的产物。 其本质为含水的非晶质二氧化硅，杂含少许粘土，具有一定的可塑性，因其具有多孔性，常用于制造绝热材料、轻质材料及过滤体等。 隧石 ，含 SiO2 溶液经化学沉积在岩石夹层或岩石中的隐晶质 SiO2，属沉积岩。 呈层状、结核状、钟乳状、葡萄状等。 以钟乳状、葡萄状产出者即为玉髓。 多呈浅灰、深灰、白色，因其硬度高，可作球磨机内村及研磨介质等。 石英的性质 石英的外观因种类不同多呈乳白色、灰白色、半透明状，其断面具玻璃或脂肪光泽 ，莫氏硬度为 7。 密度波动于 ～。 在常压下石英有七种结晶态和一个玻璃态，这些晶态在常压和在一定的温度条件下其结晶型态、结构会互相转化，并伴有体积会发生变化。 一般说来，石英原料在温度升高时，其比重减少，结构松散，体积膨胀；当冷却时，其比重增大，体积收缩。 表 12 列出了我国一些优质石英的化学组成。 第三节 长石类原料 长石是熔剂性原料。 在陶瓷坯料、釉料和玻璃配合料中作为熔剂的基本组分。 长石的种类及一般性质 表 12 石英的化学组成 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O 烧失 山东泰安 痕迹 湖南长沙 广东潮安 痕迹 内蒙包头 痕迹 山西闻喜 长石是地壳中分布极广的造岩矿物，约占地壳总重量的 50%，广泛分布于岩浆岩、变质岩和沉积岩中。 从化学组成来看，它是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，主要是含钾、钠、 钙和少量钡的铝硅酸盐。 自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由钾长石、钠长石、钙长石和钡长石四种简单的长石组合而成。 钾长石 SiO2，这种矿物有两种形态：正长石和微斜长石。 具有很宽的熔融范围，在大约 1200℃ 以不连惯的形式熔化，并转变成白榴石 (K2O. )和氧化硅。 在 1000℃ 正长石和石英结合形成低共熔物。 加热到1200℃ ，钾长石熔融形成粘稠玻璃体。 钠长石 ，在自然界中以钠长石矿物存在，不同于呈现淡红色和黄色 的正长石，钠长石呈白色。 与钾长石相比较，能迅速烧结和熔融，并能大量溶解石英和粘土。 钠长石的熔点为 1100℃。 条纹长石是钠长石和微斜长石的混合物，当微斜长石为主要成分时为条纹长石，如果钠长石占主导地位则为反条长石。 两种形式的长石都有较低的熔融温度。 钙长石 ，自然界中存在钙长石矿物。 钠长石和钙长石可以同晶型混合，它们的同晶混合物叫做斜长石。 在斜长石中钙长石相对含量少于10％为钠长石；钙长石含量 10～ 30％为钠钙长石； 30～ 50％为中长石； 50～ 70％为拉长石（富玄武岩） ； 70～ 90％为培长石。 钡长石 ，纯的钡长石在自然界中很稀少。 在特种陶瓷和耐火材料行业多采用高纯高岭石或纯氧化铝、氧化硅与碳酸钡在高温下合成。 钡长石的电学性能很好，特别是介电损耗很低（室温下 tgδ2 104），而且温度对介电损耗影响很小。 在 300 ℃ 以下，它的 tgδ 值几乎与温度无关。 表 13 列出了四种纯长石的重要性质。 但在实际上，由于长石矿物是多种长石的混溶物，且含云母、石英、角门石及铁的化合物 等杂质，因此使其性质有所变化。 就熔融性能而言，天然长石无一固定的熔点而只能在一个不太固定的温度范围内逐渐熔融，变为玻璃态物质。 一般熔融温度范围为：钾长石 11301450℃ ；钠长石 11201250℃ ；钙长石 12501550℃。 表 13 长石的特性 种 类 矿 物 组 成 熔点 ℃ 比重 g/cm3 摩尔重量 g/mol 化学组成（理论） % SiO2 Al2O3 K2O Na2O CaO BaO 钾长石 1150 钠长石 1100 524 钙长石 1550 518 钡长石 1715 我国长石资源丰富，分布很广，其化学组成和矿物组成也有很大差别。 表14 列出了我国几种优质长石的化学组成。 表 14 几种典型长石的化学组成 化学组成（ %） 名 称 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO M。