大规格高石英透光陶瓷板的研究＊

刘一军 谢志军 王秀峰 黄剑锋 刘 杰 汪庆刚

（1陕西科技大学 西安 710021）（2广东蒙娜丽莎新型材料集团有限公司 广东 佛山 528211）

大规格高石英透光陶瓷板的研究＊

刘一军1，2谢志军2王秀峰1黄剑锋1刘 杰2汪庆刚2

（1陕西科技大学 西安 710021）（2广东蒙娜丽莎新型材料集团有限公司 广东 佛山 528211）

研制了一种大规格高石英透光陶瓷板，其可见光透射比达到0.72%（陶瓷板厚度为3.6mm），白炽灯光从板材中透出，发出黄绿色的光，可以将背面的图案显现出来，给人以幽雅、朦胧的视觉效果。与天然石材及人造石板材相比，该板材在理化性能和产品成本上具有明显的优势，具有良好的市场前景。

透光陶瓷 高石英瓷 可见光透射比

以往一般装饰手法在板材与灯光的结合上是将灯光从外面打到板材的表面上，形成一种明快、光洁的效果。而透光板材是将灯光从板材内部透出，发出迷朦的光线，给人以一种幽雅、朦胧的感觉，可以充分表现板材的颜色和质感，最大限度地提升板材的装饰效果［1］。

目前大规格透光板材材质主要有石材和人造石两类，透光石材是利用先进的石材加工设备和工艺技术，将半透明的石材的厚度减薄到4～6mm，甚至是2mm的超薄石材板，其原料一般是大理石、松香黄、广西白、黄水晶、黄玛瑙、白水晶等。而透光人造板材是选用半透明的石材粉和半透明的树脂以及浅色颜料按照合成石的工艺生产出来的透光合成石材板。由于原料原因，两类板材价格较高，另外石材具有较大的放射性，而人造石容易软化，不易长久使用。因此开发一种透光陶瓷板材，具有很实用的价值和美好的市场前景。

高石英瓷具有强度高，透光性好，瓷质细腻，色泽柔和等特点。而洁白光润，透光度高的瓷器总是让人联想到珍贵的玉石，给人以玲珑剔透之感。本技术在工艺上借鉴了日用陶瓷领域成熟的高石英瓷生产工艺［2］。由于日用陶瓷尺寸小，以圆形或对称形状居多，使其能有效消除瓷器中石英晶型转变产生的应力，生产难度相对较小。但在建筑陶瓷领域，由于制品形状特殊（本产品为900 mm×1 800mm×3.5mm大规格陶瓷板材），石英晶型转变产生的应力难以通过制品的形状对称来消除，所以在原料加工、成形、烧成控制等各方面更加严格。该产品首次将日用高石英瓷的工艺特点融合到建筑陶瓷，开创了建筑陶瓷材料应用领域的先河。

1 实验

1.1 实验原料

本实验所用原料化学成分及原料工艺性能见表1与表2。

表1 所用原料化学成分（质量%）

1.2 试验配方和工艺

在相关文献和大量试验的基础上，确定了透光板材的配方。坯体化学组成（质量%）为：SiO275～78，Al2O312～15，Fe2O3＋TiO2＜0.6，CaO＋MgO 2～4，K2O＋Na2O 2.0～3.5。试验工艺过程如图1所示。

图1 试验工艺过程

工艺参数：

浆料容重：1.68～1.72g/ml；

浆料细度：0.5%～0.8%（325目筛余）；

造粒颗粒级配：30目以上5%～10%，30～60目≥70%，60～80目8%～15%，80目下≤8%；

粉料含水量：6.5%～7.0%；

砖坯干燥周期：25min；

坯体入烧成窑水分：≤0.5% ；

烧成周期：70min；

烧成温度：1 215℃。

表2 原料工艺性能

2 试验结果分析与讨论

2.1 基础配方的研究

根据散射损耗理论，由于受到气孔、杂质、晶粒晶界、表面粗糙度、添加剂种类和含量、烧结温度、烧成制度（如升降温方式、保温方式等）、烧结气氛、成形压力、产品厚度、表面活性物质等因素影响，陶瓷会对入射光线进行散射、折射和反射，见图2。因此，通常陶瓷透光率较低［3］。气孔和杂质颗粒在陶瓷中作为散射粒子，对光的损耗机理相似，不同的只是折射率。另外，陶瓷的晶界上拥有第二相或多相时，其光学性能与主晶相不同，从而破坏陶瓷体的光学均匀性。当单位体积内晶界数量较多，晶粒配置杂乱无序时，入射光透过晶界时，将引起光的连续反射、折射，从而降低光的透过率。而玻璃相具有均匀稳定的性质，对光的损耗少，可以降低相界表面的粗糙度，光的透过率高。因此，陶瓷中气孔和杂质越少，晶相越少，玻璃相含量越多，透明度越高［4～7］。

图2 陶瓷主要散射效应

我们采取增加玻璃相，增加坯料中熔剂性原料，相应减少粘土用量的方法来达到高的透明度。由于Na2O、CaO对石英熔解力强，故在配方中引入钠长石和含CaO高的原料白云石作为主熔剂。

杂质如TiO2、Fe2O3过多不仅会降低白度，也会降低透光度。故在配方中使用的砂石料白度要好，对石英的熔解性强。粘土则要求白度好，强度高。通过正交试验及计算机辅助设计优化，最终我们选择的是白球土、水磨低温料、超白低温砂、烧滑石、白云石、石英。针对石英含量高，膨胀系数大，容易风裂的问题，石英采用325目熔融石英玻璃粉及普通325目石英粉搭配使用。

2.2 烧成制度的研究

坯体中含有一定量的石英，由于石英的晶型转变容易造成砖裂，在573℃时，β－石英转化为α－石英时伴随有0.82%的体积膨胀，破坏性强。故要求在此温度附近升温平稳，完全可以避免因石英晶型转变引起的风裂问题，同时高温区要高温慢烧以促进石英熔解。采用HX－JC－090型热膨胀测定仪检测试样坯体的热膨胀系数，该坯体在40～600℃时膨胀系数为9.27×10－6/K，与普通抛光砖坯体（9.0～9.5×10－6/K）差别不大。由于采用一次布料工艺，上下同质，不存在底面料膨胀系数不合的问题。

较高的石英含量使坯体烧成时高温液相粘度增大，熔融范围增宽，故其烧结范围较之普通坯体有很大的拓宽。本实验采用德国耐驰型号为DIL402PC的热膨胀仪测试，结果如图3所示。其中a号样是本坯体烧结范围，烧结点为1 266.3℃，烧结范围为1 250.5～1 288.6℃。b号样为普通坯体烧结范围，其烧结点为1 263.4℃，烧结范围为1 252.3～1 274.8℃（根据经验实际烧结温度比测试温度要低90℃左右）。可见该坯体烧结范围接近38℃，比普通坯体烧结范围要宽约10℃，有利于烧成。

图3 本实验坯体a与普通坯体b烧结范围之比较

由于坯体内引入了一定量的白云石，其分解产物需要在坯体进行液相烧结前排除，以免形成气孔。实际操作中通过适当延长分解带，并在950℃时保温3min以促进白云石分解。最终确定烧成温度为1 215℃，烧成周期为70min。烧成曲线见图4。

图4 本产品烧成曲线图

2.3 性能测试

2.3.1 透光度

依据GB/T 2680—1994《建筑玻璃可见光透射比，太阳光直接透射比，太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》的规定，对试样的可见光透射比进行测量。试样制备方法为：将待测样品与普通产品切成规格为10cm×10cm的小片。试样要求平整光洁，厚薄一致。表3为该产品与普通美感白瓷质板材透光度的对比结果。

表3 本产品与美感白瓷质板材可见光透射比比较

图5 大规格高石英透光陶瓷板在有光透过和无光透过时的照片

由表3可知，3.6mm厚度的该产品透光度达到0.72%，是相同厚度及白度的陶瓷板材的36倍。

图5为大规格高石英透光陶瓷板在有光透过和无光透过时的照片，可以看到当有光从板材里面透过时，可以清晰看到板材里的图案。图6为该陶瓷板的XRD图谱，由图可知透光陶瓷板有两种晶相，主晶相为石英相，副晶相为钙长石晶相。

图6 大规格高石英透光陶瓷板的XRD图谱

2.3.2 断裂模数、吸水率和光泽度

采用SKZ型数显式抗折仪测试产品的断裂模数；采用CXK型陶瓷砖吸水率测量仪测试产品吸水率。对天然玉质石材薄板、人造合成石（石英石）和本试验所生产的透光陶瓷板材的各种性能、生产工艺和产品价格进行对比。其结果如表4所示。

3 结论

表4 几种透光型板材性能比较

1）研制出一种大规格高石英透光陶瓷板材，具有较好的装饰效果和市场前景。

2）研制的3.6mm厚度的透光陶瓷板材的可见光透射比为0.72%，是相同厚度及白度的陶瓷板材透光率的36倍。

3）根据XRD图谱分析可知，该透光陶瓷含有两种晶相，主晶相为石英晶相，第二晶相为钙长石晶相。

4）与其他大规格透光板材相比，大规格高石英透光陶瓷板材在材料力学性能，光泽度和价格上具有明显的优势。

1 韩爱丰，林涧坪.石材装饰的新潮流——透光石材.石材，2005（7）：42～43

2 李伦，钱玉东.高石英质瓷烧结过程中物相变化的研究.陶瓷学报，1996，17（2）：18～21

3 应建新，张彬，崔鑫，等.透明陶瓷透光性能的影响因素.强激光与离子束，2011，23（3）：581～584

4 Germer T A.Predicting，modeling and interpreting light scattered by surfaces.SPIE Short Course SC492，2002

5 刘得利.影响氧化物透明陶瓷透光率的因素.陶瓷工程，1984，32（2）：20～22

6 Daniel C Harris.Durable 3～5μm transmitting infrared window materials.Infrared Physics ＆ Technology，1998，39：185～201

7 李长青，张明福，左洪波，等.影响透明陶瓷透光性能的因素.兵器材料科学与工程，2006，29（2）：26～30

TQ174

A

1002－2872（2012）01－0026－03

刘一军（1971－），博士，教授级高工；主要从事陶瓷工艺方面研究工作。E－mail：lyj108@gmail.com