纳米材料对紫砂陶器强度及抗热震性能的影响

彭虎++王平++简广++简觉非++匡猛++叶骏

摘 要：以紫砂土为主要原料，加入纳米紫砂和纳米石英短纤，采用塑性成型并煅烧。通过XRD物相分析，采用急冷—强度法表征试样的抗热震性能，研究纳米材料添加量对紫砂陶器强度及抗热震性能的影响。结果表明：随着纳米材料的加入，紫砂陶器抗折强度与抗热震性能都有所提高。当纳米材料加入量为1.19%时，两者性能均达到最大，抗折强度达68.7 MPa，抗热震强度达 26.0 MPa。

关键词：紫砂陶；纳米紫砂；纳米石英短纤；抗折强度；抗热震性能

1 前言

紫砂陶历史悠久[1]，是我国非物质文化[2]。紫砂以粘土矿物为主，另外含有少量石英、铁质矿物[3]。紫砂内胆是紫砂电炊器具的核心部件，具有保温性好、耐腐蚀性强等特点，经紫砂煲烹煮的食物色香味俱全，营养丰富，深受欢迎[4]。紫砂陶器有较好的热传导率和热稳定性，紫砂煲加热过程中，一般高于100 ℃。存在更高热震冲击温度，故提高紫砂产品抗热震性能是其适应市场要求亟待解决的问题。影响陶瓷材料抗热震性能的主要因素有：热膨胀系数[5]、导热系数[6-8]、弹性模量[9]、断裂韧性[10、11]、坯体气孔率[12]等。本实验以紫砂原料为主要原料，重点研究石英纳米短纤和纳米紫砂加入量对紫砂陶强度及抗热震性能的影响。

2 实验内容

2.1 实验原料组成及含量

本实验采用佛山简氏依立电器有限公司提供的紫砂煲配方，中位径为5.6 μm，化学成份及含量为：SiO2 72.71%、Al2O3 20.63%、 Fe2O3 1.38%、TiO2 0.20%、CaO 0.24%、 MgO 0.08%、K2O 0.54%、Na2O 0.70%、Li2O 2.44%、FeO 0.21%、MnO 0.02%。纳米紫砂土中位径为600 nm，化学成份及含量为：SiO2 65.51%、Al2O3 21.50%、Fe2O3 4.54%、TiO2 0.93%、CaO 0.02%、MgO 1.44%、K2O 0.18%、Na2O 0.23%。纳米石英短纤为实验室前期合成，直径为20 nm，长径比大于30，SiO2 含量大于98%。

2.2 试样制备

本文以紫砂土为原料，加入纳米紫砂和不同含量的纳米石英短纤，经可塑成型，制备规格为12 mm×12 mm×120 mm的条状试样，其工艺流程如图1所示。其中，纳米石英短纤的加入量分别为0%、0.90%、1.19%、1.49%，实验方案如表1所示，烧成制度如图2所示。

2.3 样品表征

本文采用电子万能试验机（型号UTM4204X）测试试样抗折强度；采用德国Bruker X射线衍射仪分析样品的物相组成，测试条件：Cu靶，管电压40 kV。

抗热震性能采用急冷强度法测试紫砂试样，实验条件：将烧结后的样品在箱式炉加热以3 ℃/min的升温速率加热至300 ℃、保温30 min，立即将试样置于室温水浴中，5 min后取出试样干燥测量其抗折强度。

3 实验结果分析与讨论

3.1 试样物相分析

图3是紫砂试样烧结后的XRD图谱。

由图3可知，试样中存在三种物相，分别为透锂长石、石英和莫来石。透锂长石热膨胀系数低，可以有效降低坯体的热膨胀系数，改善抗热震性能。莫来石相强度高（部分为纳米紫砂贡献），热稳定性好，可提高坯体强度。烧结后的石英物相部分是纳米石英短纤的贡献，其不发生相变，同样起支撑体作用。

3.2 紫砂试样抗折强度

图 4 为不同石英纳米短纤加入量与紫砂试样的抗折强度关系。

由图 4 可见，紫砂试样强度随着纳米材料的增加表现出先增加后降低的规律。其中，纳米石英短纤含量为0%时，试样抗折强度为42.2 MPa；当含量为1.19% 时，试样抗折强度达到最大，为68.7 MPa；随后含量增加至1.49%时，抗折强度降低，但仍有59.2 MPa。

3.3 紫砂试样抗热震强度

图5是紫砂试样经300 ℃热震后不同石英短纤含量的抗折强度。

由图 5 可知，热震后试样强度与常温试样强度呈现出相同的规律，随着石英纳米短纤的含量增加，试样强度先增大后减小。未加入纳米石英短纤时，热震后紫砂试样强度为12.4 MPa，与常温试样相比，强度保持率为29.43%；石英短纤加入量为1.19%时，紫砂热震试样强度达到最大，为26.0 MPa，强度保持率为37.82%。

3.4 紫砂试样抗折强度与热震性的机理分析

加入纳米石英短纤后紫砂强度均比未加入强度大，原因可能是因为，石英短纤尺寸在纳米级别比表面积大、活性高，加入的短纤与基体颗粒尺寸相差较大，烧结后，短纤粘附在基体颗粒表面（见图6），作为第二相粒子弥散分布于基体中，对晶界具有扎钉作用提高基体强度。同时，石英纳米短纤的加入，可消耗部分晶界移动的能量，在一定程度上可以抑制晶粒的异常长大，起到强化坯体作用。石英纳米短纤作为增强相，与紫砂基体结合性能较好。石英短纤的加入，可以起到填充紫砂间隙和桥梁作用，以分散的单丝纤维存在于基体中，通过纤维桥接和纤维拔出机制，消耗裂纹扩展功，使得紫砂试样强度提高。由于未加入分散剂，当石英短纤的含量较大时，可能会影响紫砂基体烧结致密化，石英短纤之间可能发生团聚现象，使得增强作用下降，导致试样强度降低。

4 结论

石英纳米短纤的加入可以有效提高紫砂试样的强度，随着石英短纤含量的增加，紫砂试样强度与抗热震强度都表现出先增加后减小的规律。当石英短纤加入量为1.19%时，两者均达到最大，常温强度为68.7 MPa，比未加纳米石英短纤时提高了三分之二；抗热震强度为26.0 MPa，比未加纳米石英时提高了一倍。随后，石英短纤含量继续增加，短纤间发生团聚，试样强度和抗热震强度反而减小。

参考文献

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