探究氧化铝微粉对高档日用瓷物理性能的影响

颜真革 林金良

福建省德化真泰尔陶瓷有限公司

探究氧化铝微粉对高档日用瓷物理性能的影响

颜真革 林金良

福建省德化真泰尔陶瓷有限公司

本实验探究氧化铝微粉对高档日用瓷物理性能的影响，实验采用材料为高岭土、瓷石、滑石、石英和长石等，并将氧化铝微粉添加在上述材料中，从而制备日用瓷，并以此来探究氧化铝微粉的加入量对高档日用瓷坯体在变形情况、透光性和抗折强度三方面的影响。

氧化铝微粉；日用瓷；物理性能

一、氧化铝微粉及日用瓷介绍

氧化铝(Al2O3)是一种高硬度、高熔点的化合物，适合生产耐火材料，工业级Al2O3是由铝矾土和硬水铝石制备而成的，其不溶于水，无臭且无味，在制陶业和矿业等方面又被称为矾土，可用于有机溶剂的脱水，作为有机反应的催化剂，也可作为抛光剂、研磨剂。用途极为广泛。

现如今，氧化铝粉的生产精度逐渐提高，可以达到一微米以下，可以应用于导热、抛光、电镀等方面，也可以作为催化剂使用。可以用做各种涂层材料以及各类精密仪器的材料。

日用瓷是指日常生活中所使用的瓷器，其主要材料有瓷石、石英石、高岭土和长石等，一般的瓷器胎中只有不到3%的铁元素，耐磨性与不透水性都较高。使用范围非常广，市场上主要流通的瓷器有以下几种：日用细瓷器、日用普瓷器、日用精陶器、普通陶瓷、精细陶瓷、玲珑日用瓷器等。等级分为优等品、一等品与合格品三类。因其成本较为低廉，易于洗涤与日常的清洁，热稳定性比较好，可以经受一定的温差而不炸裂，传热较为缓慢，可以用来承装温度较高的水或食品，使用时不会烫手，化学性质稳定，抗酸碱能力较强，不会发生生锈老化的现象，且可以减少食物的水分挥发，延长食品的保质期，无毒无害，可大胆地使用，装饰丰富多彩，非常漂亮，因此受到广大人们的喜爱，应用领域极为广泛。

二、氧化铝微粉对高档日用瓷物理性能试验

(一)实验原料

实验原料选用高岭土、瓷石、滑石、石英、长石等材料，高岭土是一种非金属的矿产，颜色为白色，且质地比较细腻，具有非常良好的可塑性、耐火性，晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O，高岭土晶体是绍氢氧八面体和硅氧四面体的组合。大多数高岭土光泽度较低，外观上会呈现松土状或质地严密的岩块状，将高岭土加水弄湿可以被塑成各式各样的形状，并保持当前形状不改变。根据其质地的不同，可以分为硬质高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三类，硬质高岭土因其质地较硬，不具有可塑性，只有把硬质高岭土粉碎后才会具有一定的可塑性；软质高岭土因其质地较软，所以可塑性很强；而砂质高岭土尽管质地同样比较松软，但其中的砂质成分占到了总体质量的百分之五十以上，故其可塑性一般较弱。实验采用的高岭土为云南高岭土，在这种高岭土中，三氧化二铝的含量一般在37.5%左右，二氧化硅大约占46.5%，经过烧瓷后会显出很明显的白色。

瓷石是一种石质的原料，质地分为坚硬和半坚硬两种，因其成分包含了制作瓷器的全部成分，是制作瓷器的原料，颜色一般为白色，助熔能力较强。瓷石主要有两种类型：第一类是高温瓷石，在1200°C的温度下也不容易变形，硬度较高，耐火度也较高，故其一般用作制作瓷胎。第二类为低温瓷石，质地较软，又被称为釉石，因其中碱金属氧化物占比较高，所以耐火度比较低，一般是制作釉料的材料，只有和高岭土混合后才可以制作瓷器的胚胎。

滑石是一种很常见的硅酸盐矿物，由含镁的矿物经过热液蚀变转化而成，硬度非常低，在莫氏硬度中，滑石是第一等级，是最软的一类，手感滑腻，用指甲即可在其表面留下划痕，所以可以替代粉笔在地上画出白色的痕迹，颜色有白色或其他较浅的颜色，因其光轴角在10°以下，故呈现半透明感，滑石无臭无味，绝热性与绝缘性都很高，其耐火度较高，可以用作耐火材料或雕刻材料等。

石英是岩石中主要的成分之一，主要成分为二氧化硅，无色且呈透明状，质地非常的坚硬，硬度较高，一般含有一定的杂质，化学式为SiO2，化学性质非常稳定，不溶于酸，所以不易发生腐蚀、老化现象。晶体属于三方晶系或者六方晶系，硬度在莫氏硬度表中为7，矿物密度为2.65克每立方厘米，可以在大部分的岩石中发现它的存在，熔点较高，为1750°C。石英在地球上分布极为广泛，因其较高的硬度，耐磨度也较高，所以不具有可塑性，但和粘土在较高温度中发生反应后，可以提高瓷器的强度和稳定性，可用来制作白釉。因石英自身的各项性能比较稳定，所以石英的用途极为广泛，可用于制作玻璃、陶瓷以及各种硅酸盐材料和硅化物材料，还可以用于冶炼金属、铸造等。

长石是一种含钙、钾和钠的铝硅酸盐类化合物，其主要成分有二氧化硅、三氧化二铝、氧化钾、三氧化二铁、氧化纳和氧化钙等，是地表岩石中最重要的成分，颜色分为无色、白色、黄色、黑色或其他颜色等。在地壳中的比例在百分之六十以上，具有玻璃类的光泽，晶体属于四方晶系，硬度在莫氏硬度表中在6到6.5之间波动，基本结构单位为四面体，长石分为正长石和斜长石两类，正长石又被成为钾长石，其解理夹角为九十度，而斜长石的解理夹角小于九十度。 火成岩的主要成分就是长石，长石也可以在沉积岩和变质岩中被发现，有些长石的颜色比较美丽，可以作为宝石。用途一般用作制作陶瓷、玻璃和搪瓷制品等。

实验中采用的氧化铝微粉的颗粒直径有三类，分别是0.5μm，10μm和40μm.

(二)实验目的

陶瓷材料在性能上的优劣很大程度上和陶瓷制品的制作工艺有关，该实验在原有的日用陶瓷制作配方中加入一定量的氧化铝微粉，因氧化铝微粉对坯体各项性能指标，如硬度、强度、耐火性、抗腐蚀性等的影响，很多陶瓷制品的致密性较高，分析在加入不同量的氧化铝微粉对坯体的影响，并研究相关数据，确保氧化铝微粉对坯体各项性能产生积极的影响，从而改进制备日用陶瓷的方法，使制备出的日用陶瓷强度更高，抗损毁性和抗腐蚀性更高，从而改进日用陶瓷的整体性能指标，得到最合适的配方原料，使日用瓷的质量得到提高。

(三)实验仪器

实验中采用的仪器如下：西安力创材料检测技术有限公司产WDW-30型万能试验机，日本JEOL公司产JSM-6700F型扫描式电子显微 镜，深圳市雅域 光源开发有限公司X-Ritem 8200台式分光光度计。西安力创材料检测技术有限公司产 WDW-30型万能试验机可以测试坯体的抗折强度，日本JEOL公司产JSM-6700F型扫描式电子显微 镜可以观察烧成样品的断面微观结构，而用深圳市雅域光源开发有限公司X-Ritem 8200台式分光光度计可以测试坯体的透光性能。

(四)实验原理

本次实验通过测量坯体变形 程度来测试坯体整体性能。用经过烧瓷的坯体和水平面形成的夹角大小来表示其抗变形的性能指标，在烧成的温度相同的情况下，如果弯曲的角度较大，则坯体的抗变形的性能便较差，反之则较好。

三、实验过程

通过对德化等制造瓷器较为出名的地方制瓷方法的研究，制备的大体工艺流程主要分为以下几个步骤：配制相关制备原料，球磨，进行细度的检测，注浆成型，脱模，修坯，进行烧瓷，最后进行相应的性能检测。注意事项如下：烧瓷的温度要控制在1380°C左右，球磨的时间在六十分钟左右，细度的检测指标为千分之0.5上下，脱模干燥时，温度大致在60摄氏度左右。

在配方选择上，根据对德化当地制造瓷器传统的“高岭土=瓷石”配方，经过反复的配方实验，从而确定高岭土和瓷石之间的最优比例，同时加入其他材料，研究出制造瓷器的最优材料比，确定最佳配方。

在研究出制造瓷器的最佳基础材料配方之后，在配方中加入不同数量的氧化铝微粉，分为四组，第一组不加入氧化铝微粉作为参照对象，第二组加入量为3wt.%，第三组加入量为6wt.%，第四组为9wt.%，这四组的烧瓷温度需保持相同，为1380°C。

四、实验结果

(一)氧化铝微粉加入量对于坯体变形情况的影响

因为生坯的各个部分密度不同，在密度较低的部分，烧成的收缩率较高，而在密度较高的部分，烧成的收缩率较低，故瓷体表面会发生变形情况，而生坯的密度不够均匀的原因是由于坯料本身的密度问题和压力的不均匀，采用坯泥的收缩率也会影响陶瓷制品的变形，如果成型方法不好，压力大小不够，坯体的变形也会较大，如果采用滚压成型的方法，原料在滚头和模型的挤压下，接触面会变大，使坯体受到的压力增大，使坯体的结构较为均匀致密，变形量会较小，而当采用旋压成型的方法，刀片对原料的作用只是相对滑动，坯体受到的压力较小，所以经过旋压成形的坯体，变形量会较大。经实验表明，坯体的抗变形性能会随着氧化铝微粉的加入量的增加，坯体的抗变形性能会随之变强，因氧化铝微粉加入量的增加，在1380°C的高温下，会生成较多数量的刚玉，从而使坯体自身的结构发生改变，抗高温性增强，抗变形能力也随之增强，减少坯体变形的程度，当三价铝离子在硅酸盐呈碱性时扩散，坯体中会产生莫来石，莫来石是Al2O3一SiO2系中唯一稳定的二元化合物，是一种耐火性能极高的材料，在铝硅酸盐经过高温烧灼中产生，天然的莫来石产量极为稀少，一般由人工方法生产。莫来石的形成可以使坯体中的结晶体相互嵌合，形成较稳定的结构，减少坯体的变形，氧化铝微粉加入量的增加提高了坯体的抗变形性能，在9wt.%的加入量的情况下，变形角度达到最小值，为7度，此时，坯体的抗变形性能最大。

(二)氧化铝微粉的粒径大小对于坯体透光性的影响

坯体的透光性是指光通过坯体时，对于这类材料介质的吸收、反射、折射以及散射效应使光的强度降低，日用瓷坯体的透光性受到环境温度、制备条件、制备原料、晶体结构、气孔率和表面加工粗糙度的影响，因日用瓷的致密度较高，晶体上无空隙，杂质较少，表面比较光洁干净，所以日用瓷坯体的透光性较好，本实验表明，日用瓷坯体的透光性也受到氧化铝微粉自身的粒径大小的影响。此次实验分为三组，每组的氧化铝微粉加入量保持相同，均为9wt.%，粒径大小分别是0.5μm，10μm和40μm，烧瓷温度也相同，为1380°C。

根据相关实验表明，当加入的氧化铝微粉的粒径大小为0.5μm时，坯体的透射率和其对应加入的氧化铝微粉的透射率比较接近，坯体的透光性较好，而当氧化铝微粉的粒径为10μm和40μm时，其透射率显著降低，坯体的透光性也变差。当氧化铝微粉的直径为40μm时，坯体的主要晶体材料以石英和莫来石为主，同时含有一定量的刚玉成分，在此时的坯体里面，刚玉的衍射峰值较高，所以坯体的透光性较差。在加入的氧化铝微粉的粒径大小为0.5μm和10μm时，坯体的主要晶体材料为莫来石和石英，而刚玉的衍射峰值较低，因加入的氧化铝微粉的粒径变小，使整个反应的反应活性升高，较细的氧化铝微粉颗粒在温度较高时，部分会溶入其中，而其中的硅酸盐成分会就此析出较多的莫来石成分，当氧化铝微粉的颗粒较大时，其颗粒就会难以溶入其中，并在坯体中残留下来，同时使坯体的透光性降低，此实验表明：刚玉成分的增加会导致坯体的半透光性降低，而加入9wt.%粒径为0.5μm的氧化铝微粉会降低对坯体透光性的影响。

(三)氧化铝微粉的加入量对于坯体的抗折性能的影响

坯体的抗折性能是指在日用瓷坯体上单位面积承受弯矩时的极限折断应力的大小，当坯体材料破裂时，破裂点一般是在坯体材料的表面，其抗折强度往往受到坯料组成、制造工艺等方面的影响，保持各组实验温度相同，在氧化铝微粉的加入量分别为为0wt.%、3wt.%、6wt.%、9wt.%的情况下，根据实验表明，在氧化铝微粉的加入量增加的情况下，坯体的抗折强度会随之增加，但趋势会逐渐放慢，加入量超过3wt.%时，坯体的抗折强度虽然还在增加，但其增速会明显放缓，在氧化铝微粉的加入量达到9wt.%时，坯体的抗折强度最大，为112.8兆帕，氧化铝微粉中的成分可以完全地融入到坯体基质中去，进而提高坯体的抗折强度，当氧化铝微粉加入量增大时，坯体的吸水率随之降低，硬度随之提高，坯体中的刚玉含量也会随之升高，而刚玉自身具有高强度、高弹性模量，从而增加坯体在承受弯矩时的极限折断应力，增加坯体的抗折强度，并同时起到钉扎裂痕的作用。随着氧化铝微粉加入量的增多，部分粒径较小的氧化铝微粉溶入到坯体中去，使莫来石大量形成，并在坯体中形成类似于网状结构，同样使坯体的抗折强度得到提升。

结语

经过以上几组实验表明，随着氧化铝微粉的加入量的增加，坯体的抗变形性能会随之变强，变形量会减小，坯体的抗折性能也会随之增加，当加入的氧化铝微粉的粒径变小时，坯体的透光性也会随之变强，所以，在日用瓷的原有配方中加入适当数量、适当粒径大小的氧化铝微粉，会提升日用瓷在抗变形性、抗折强度和透光性等方面的性能，使日用瓷的整体性能得到提升。这就要求制作日用瓷时，要多研究其自身物理性能，多次进行相关试验，研究相关数据，不断改进配方原料，使日用瓷的质量得到稳步的提升。

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