高强度镁质日用瓷的性能研究

余 辉，罗凌虹，石纪军，程 亮

(景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333001)

高强度镁质日用瓷的性能研究

余 辉，罗凌虹，石纪军，程 亮

(景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333001)

以MgO-A12O3-SiO2三元系统相图为理论依据确定镁质瓷配方范围。通过考察滑石用量、长石用量、高岭土用量、烧成温度对镁质瓷抗折强度的影响，对镁质瓷配方进行优化，得到抗折强度较高(160．5MPa)、白度高的镁质日用瓷配方。

镁质瓷；日用瓷；抗折强度

0 引 言

镁质瓷具有机械强度高、热稳定性好、瓷质细腻洁白、透光性好等优点，该材质的日用瓷餐具、茶具与传统瓷相比别有一番风味，在国内外市场上倍受青睐[1]。由于镁质瓷机械强度高、绝缘性好，最早作为一种电瓷材料。七十年代镁质日用瓷才被成功研制，并用于生产各种艺术瓷、餐具、茶具等[2]。随着人们生活质量的提高，细腻白透、机械强度高的镁质日用瓷在陶瓷行业中有较好的发展前景。

试验根据MgO-A12O3-SiO2三元系统相图系统分析镁质瓷较为合理的配方范围，并通过实验研究了滑石用量、长石用量、高岭土用量、烧成温度对镁质瓷强度的影响，得到抗折强度较高的镁质日用瓷配方和最佳烧成温度，并制得抗折强度较高，瓷质细腻，透白柔和的镁质瓷。

1 试验内容与结果

1.1 镁质瓷坯体配方的初定

组成镁质瓷坯体配方主要矿物原料有滑石、长石、高岭土和少量碱土金属矿物，成瓷后的镁质瓷主晶相为原顽火辉石；其次为玻璃物质、斜顽火辉石、少量气孔和堇青石[3]。从图1镁硅铝三元系统相图[4]中可以看出，顽火辉石初晶区等温线较密集，说明在此配料范围内烧结过程中液相量的变化比较缓慢。为此在此组成温度范围内的镁质瓷坯体会有较宽的烧成范围，而偏高岭土与偏滑石的连线上等温线稀疏，该段配合点的烧成温度高且烧成范围窄[5]。

钾长石的引入可以在瓷体烧成过程中产生高粘度的液相。随着温度的升高，液相量的变化也较缓慢。因此，镁质瓷的烧成范围变宽且烧成温度降低，烧成的瓷体变形度小，其主晶相原顽火辉石的晶型转变受到抑制。钾长石用量与滑石用量比一般在1∶7．2～1∶2．7之间。高岭土过量地引入会使组成偏向堇青石区域，烧成范围变窄，一般高岭土用量不超过15wt．%为好。滑石的用量增多，瓷体的膨胀系数增加，热稳定性会变差。一般滑石用量大于高岭土用量的四倍时，该配方有较宽的烧成温度范围[6]。

图1 MgO—A12O3—SiO2三元系统相图Fig.1 MgO - A12O3- SiO2ternary phase diagram

碱土金属的引入有利于玻璃相的生成促进瓷体烧成，形成高粘度的玻璃相拓宽烧成范围。其中适量方解石(2wt．%左右)的引入还可以提高瓷体的透明度和耐磨性；适量氧化锌(3wt．%左右)的引入可以提高瓷体的光泽度；适量碳酸钡(3wt．%左右)的引入可生成硅钡质玻璃。原顽火辉石在常温下会缓慢发生晶型转变，生成斜顽火辉石，导致瓷体强度降低甚至粉化。硅钡质玻璃包裹在原顽火辉石晶体表面能有效地抑制晶型转变的发生[3]。由以上理论得配方范围为：滑石65wt．%～75wt．%、高岭土 10wt．%～15wt．%、钾长石 6wt．%～10wt．%、碳酸钡2wt．%～5wt．%、其他碱土金属矿物：4wt．%～6wt．%。

1.2 镁质瓷配方的优化试验

本试验主要考虑到滑石用量、长石用量、高岭土用量及烧成温度四者对镁质日用瓷抗折强度的影响。根据1．1得出的镁质瓷配方范围设计了四因素三水平的正交试验，因素和水平见表1。

实验中固定碱土金属矿物的添加量，根据正交试验对各配方进行称料球磨，球磨料∶球磨子∶水=1∶1∶0．8。球磨后的浆料90 ℃烘干、造粒，将粉料在769YP-24B粉末压片机下10 MPa压制20 s。制得7 mm×7 mm×50 mm的长方形试条。试条烘干后，在箱式电炉按烧成曲线(见图2)进行烧制。制得的镁质瓷试条在WOW-10电子万能材料试验机测试抗折强度。

正交试验以镁质瓷试条的抗折强度为评价指标，并进行极差分析。以下讨论各因素对镁质瓷抗折强度的影响及原因。

1．2．1 滑石用量对镁质瓷抗折强度的影响

在长石质瓷中，滑石的用量小于5wt．%，只起到简单的助溶作用。而在镁质瓷中，滑石的用量可达65wt．%以上，大量的滑石引入能在瓷体中生成均匀分布的原顽火辉石和少量的堇青石晶粒，对整个瓷体起到弥散增强作用。由图3可知：滑石用量在65wt．%～75 wt．%范围内时，随着滑石的用量增多，镁质瓷的抗折强度逐渐增大。滑石用量增加则生成镁质玻璃和原顽火辉石的反应物增多，对镁质瓷瓷体起到更好的助熔和增强作用。

1．2．2 高岭土用量对镁质瓷抗折强度的影响

由图4可知：高岭土用量在8wt．%～16wt．%范围内，随高岭土用量增加，镁质瓷强度先降后升。少量的高岭土能参与玻璃相的生成，起到助熔作用，促进坯体烧结致密；当高岭土用量为12wt．%左右时，高岭土的分解消耗了大量能量，抑制了玻璃相的生成，导致坯体难以烧结完全致密；当高岭土用量大于15wt．%时，高岭土能在高温下生成莫来石纤维，对瓷体起到纤维增强作用，但高岭土用量过多，镁质瓷的烧成温度会增高。

1．2．3 钾长石用量对镁质瓷抗折强度的影响

由图5可知：钾长石用量在6wt．%～14wt．%范围内，随着钾长石用量增加，镁质瓷的抗折强度呈下降趋势。钾长石的引入能拓展烧成范围，但在65wt．%以上都是滑石的镁质瓷中，其助熔能力得到更好的体现，过多玻璃相的生成导致坯体容易发生过烧现象，镁质瓷强度反而降低。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and levels

图2 镁质瓷烧成制度曲线Fig.2 Magnesia porcelain firing curve

图3 滑石用量对镁质瓷抗折强度的影响Fig.3 Effect of talc content on the flexural strength of magnesia porcelain

图4 高岭土用量对镁质瓷抗折强度的影响Fig.4 Effect of kaolinite content on the flexural strength of magnesia porcelain

图5 钾长石用量对镁质瓷抗折强度的影响Fig.5 Effect of potassium feldspar content on the flexural strength of magnesia porcelain

1．2．4 烧成温度对镁质瓷抗折强度的影响

由图6可知：烧成温度越高，镁质瓷的强度越高，但曲线斜率减小，且抗折强度差值最大只有10 MPa。此正交试验配方在1270 ℃以上易出现过烧现象(如粘板、变形)，因此镁质瓷在最高温度1250 ℃～1270 ℃下烧制时具有较好的烧结性能。

根据以上分析各因素对镁质日用瓷抗折强度的影响，得出在选定的四个因素中对镁质日用瓷抗折强度影响的主次秩序为：滑石用量、高岭土用量、钾长石用量、烧成温度，并确定了各因素最合理组合A3B1C1D3，其坯体式为：

经测试因素最佳组合的镁质瓷抗折强度为160．5 MPa、白度为82%。

2 讨论几种常见日用瓷的强度

高强度的日用瓷，无论是正常家庭使用，还是批量的机械洗涤，都对其强度有较高的要求。几种常见的日用瓷强度指标见表2。

长石质瓷的由莫来石、方石英、玻璃相和少量气孔组成。莫来石晶体为纤维状或针状，交织成网络结构，石英颗粒夹杂在莫来石网缝间，并有玻璃相填充，使长石质瓷亦有一定的抗折强度。

表2 常见日用瓷的抗折强度Tab.2 Common bending strength of porcelain

骨质瓷由磷酸三钙、钙长石、玻璃相和少量气孔组成。其中纤维状的磷酸三钙与短柱状的钙长石晶粒形成坚实骨架，还有足够的玻璃相填入网状的骨架之中，使骨质瓷有较高的机械强度[9]。

镁质瓷的主晶相为原顽火辉石，次晶相是堇青石、方石英、原顽火辉石晶型转变得到的斜顽火辉石，还有玻璃相和少量气孔。一定数量的原顽火辉石和堇青石颗粒均匀地分布在瓷体内，形成大量的晶界，增加了裂纹的扩展路径和不规则性，使镁质瓷的机械强度提高。

试验制得的镁质日用瓷试样抗折强度高达160．5 MPa，满足一般镁质瓷的强度标准，且相对其他日用瓷有较高的抗折强度，能够经受刀叉刮划、机械洗涤等，加上镁质瓷特有的细腻洁白、纯朴透亮质感使其在日用陶瓷行业中有较好的发展前景。

3 结 论

(1)通过系统分析MgO-A12O3-SiO2三元系统相图和各碱土金属矿物在镁质瓷中的作用，得镁质瓷坯体配方范围为：滑石65wt．%～75wt．%、高岭土 10wt．%～15wt．%、钾长石 6wt．%～10wt．%、碳酸钡2wt．%～5wt．%，其他碱土金属矿物：4wt．%～6wt．%。

(2)当滑石用量75wt．%、高岭土用量8wt．%、长石用量6wt．%、烧成温度1270 ℃时，镁质瓷的试条抗折强度高达160．5 MPa。

(3)镁质日用瓷与其他日用瓷比有较高的抗折强度，有利于抵抗一些物理破坏，有较长的使用寿命。且镁质瓷质感柔和细腻、白度高、透性好，在日用瓷市场有较大的发展前景。

[1] 王志义, 李 辉． 高级日用镁质强化瓷的研究[J]． 中国陶瓷, 2005, 41(3): 16-20．

[2] 孙淑芝． 唐山滑石瓷[J] ． 河北陶瓷, 1991, 4: 3-8．

[3] 耿谦． 滑石质日用细瓷的显微结构及性质 [J]． 江苏陶瓷, 2004, 37(1): 15-17．

[4] 胡志强． 无机材料科学基础[M]． 北京: 化学工业出版社, 2003．

[5] 李 辉． 镁质强化瓷的研究[D]． 学位论文, 2005．

[6] 桑建华, 王秀峰． 镁质强化瓷的研制[J]． 山东陶瓷, 1994, 17(1): 3-9．

[7] 谭秀武, 等． 原顽辉石—堇青石瓷的研究[J]． 中国陶瓷, 1984, (2):1-9．

[8] 郑 怀,陈占东, 等． 关于增韧骨灰瓷的研究[J]． 中国陶瓷, 1995, 12, 31(6): 1-5．

[9] 王潍栋． 强化瓷和高强度日用瓷[J]． 河北陶瓷, 1995, 23(1): 19-21．

Performance of High Strength Magnesia Porcelain

YU Hui, LUO Linghong, SHI Jijun, CHENG Liang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

Using the MgO-Al2O3-SiO2ternary phase diagram as theoretical basis, the formulation range of magnesia porcelain was determined. It was optimized by investigating the effects of talc dosage, kaolin dosage, feldspar dosage and sintering temperature on the flexural strength, and the formula for magnesia porcelain with high bending strength (160.5MPa) and high whiteness was obtained.

magnesia porcelain; daily use porcelain; flexural strength

TQ174.73

A

1006-2874(2014)03-0018-04

2014-04-12。

2014-04-16。

罗凌虹， 女，教授。

Received date: 2014-04-12. Revised date: 2014-04-16.

Correspondent author:LUO Linghong, female, Professor.

E-mail:luolinghong@tsinghua.org.cn