无机材料工艺学--陶瓷2-原料

塑性泥料区 干 粉 区
◆ 粘土根据塑性大小分类：
塑 限
强塑性粘土：指数＞ 15 或 指标＞3.6
最佳塑性范围
中等塑性粘土：指数7~15 或 指标2.5~3.6
弱塑性粘土：指数1~7 或 指标＜2.5
瘠性原料：可塑性指数＜1.
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泥 浆 区
液 含水率 限
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粘土的矿物组成2018714河南省精品课程陶瓷工艺原理13粘土矿物是具有层状结构硅酸盐矿物其基本结构单位是硅氧四面体层和铝氧八面体层由于四面体层和八面体层的结合方式不等价离子同晶置换以及层间阳离子等不同从而构成了不同类型的层状结构粘土矿物如下图所示的结构模型图
绪言
第一章 陶瓷原料
◆ 原料选择的重要性
（5） H2O、有机质：含量多时可塑性较好，但收缩大——从“烧失 量”一项判断。
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2. 粘土的矿物组成
粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。因 此，粘土所含各种微细矿物的种类和数量是决定其工艺性能的主 要因素。
粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类 （包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。
b. 蒙脱石：可塑性好，阳离子交换容量大，遇水膨胀，干燥 收缩大，烧结温度较低。
c. 伊利石：与高岭石相近。可塑性差，阳离子交换容量小， 遇水不膨胀，干燥收缩小，烧结温度低、烧结范围窄。绢云 母和瓷石也划归为伊利石类原料。
◆ 叶腊石(Al2O3·2SiO2·H2O), 其结构与蒙脱石（ Al2O3·4SiO2·nH2O ） 相似，但晶格中的同晶置换现象轻微，故阳离子交换容量很小。遇
2. 瓷石：是由长英岩或石英粗面岩经过长期的热液蚀变作用形成的一种
多矿物混合体。风化程度深的瓷石，其中的绢云母会逐渐高岭石化，部
分地转变为高岭石。所以，瓷石的矿物组成大致为：
石 英：40~60%
绢云母：20~40%
长 石：5~30%
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高岭石河：南0省~精1品0%课程——陶瓷工艺原理
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物（如SiO2）将成为粘土矿中的杂质矿物。
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一、粘土的概念与分类
（三）分类：
● 根据粘土的成因分类： I. 一次粘土（原生粘土）：母岩风化后的产物滞留于原地，再 经地质作用而形成的粘土。
II. 二次粘土（次生粘土）：母岩的风化产物经过自然力（洪水、 大风）搬迁，在别处沉积下来而形成的粘土。此即为沉积型粘 土矿，如唐山子木节土、黑山膨润土。
层河状南结省构精品粘课土程—矿—物陶瓷晶工体艺原结理构模型图
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● 各种粘土矿物的结构特点
多
高 岭 石
水
伊
高
叶
利
岭 石
腊 石
蒙脱石
石
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● 各种粘土矿物的工艺性质
a. 高岭石：可塑性较差，阳离子交换容量小，遇水不膨胀， 干燥收缩较小，耐火度较高（烧结温度较高）。
● 关于绢云母和瓷石：
1. 绢云母：一种矿物。是一种细小鳞片状的白云母，因其表面呈丝 绢光泽而得名。其化学组成和结构与白云母极相似，两者在矿物学 上并无区别。但绢云母外观多呈粘土状，具有粘土特性，是瓷石中 的主要组成矿物，可塑性与高岭石相当；高温下具有一定的熔剂作 用。
绢云母可视为白云母与伊利石之间的过渡矿物。
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3）继续加热，偏高岭石进一步反应形成硅－铝尖晶石：
4）温度超过1050℃左右，硅－铝尖晶石逐渐分离出晶格中的 方石英（SiO2），形成热力学稳定的莫来石：
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2、粘土的矿物组成
◆ 粘土中的杂质矿物
第一章 陶瓷原料
◆ 陶瓷原料的分类
高
1. 从工艺性能分： 可塑性原料
岭 土
非可塑性原料（瘠性原料）
Байду номын сангаас
钾长石
2. 从来源分： 天然原料
石 英
化工原料
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第一章 陶瓷原料
§1-1 粘土类原料 一、粘土的概念与分类
（一）概念：粘土（clay）是由多种微细矿物（主要是含水铝 硅酸盐矿物）构成的混合体，其矿物晶体粒径一般小于2 µm。
所以，粘土的化学全分析数据包括上述各成分，外加烧失量 一项。
◆ 不同成因的粘土，其化学组成有差别。如一次粘土一般SiO2含量
较高，而A12O3含量较低；铁多于钛，富含游离石英和长石残岩。
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§1-1 粘土类原料
● 粘土的化学组成在一定程度上反映了其工艺性质:
原料是陶瓷制品质量的基础。影响产品质量的两 因素：（1）原料质量；（2）生产工艺过程。
石
● 传统陶瓷制品所用原料多为天然矿物原料；陶瓷制品
英
的性质不仅与叶工艺腊过石程有关，而且与原料的种类有关钾。 长石
钠长石
高岭石
伊利石
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硅灰石
第一章 陶瓷原料
◆ 原料选择的重要性
水也不膨胀，硬度低，是一种优良的陶瓷原料。
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作 业：
1. 选择原料时应考虑哪些主要因素？ 2. 粘土的化学全分析数据在生产上有何指导意义？
3. 比较高岭石、蒙脱石及伊利石三者的结构特点和工艺性 能。
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三、粘土的工艺性质
1.可塑性 ● 影响可塑性大小的因素
1. 矿物组成； 2. 颗粒组成（细度）及颗粒形状； 3. 阳离子交换容量； 4. 分散介质的含量及种类（润湿能力及
表面张力）。
● 改善粘土可塑性的途径
1. 淘洗除杂；
2. 风化处理；
3. 坯料陈腐和真空练泥处理；
4. 加入适量塑化剂。
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从外观看：（i）由于所含杂质种类及数量不同，粘土可呈多种颜色。 (ii) 由于地质成因不同，粘土有的松软，有的坚硬。
● 但只要是粘土，或多或少都具有一定的可塑性。
（二）成因：粘土主要是由铝硅酸盐类岩石，如长石、片麻岩、 伟晶花岗岩等经过漫长的自然风化作用形成的。
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◆ 可塑性的产生机理
生产上，常用塑限、液限、可塑性指数、可塑性指标等参数来反映 粘土的可塑性大小。
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可
三、粘土的工艺性质
塑 性
1.可塑性
塑限：粘土由干粉状态变为 塑性状态时的最低含水率。
干 液限：粘土由塑性状态变为 粉 无塑性的泥浆状态时的含水 区 率。
●瓷石的形成过程示意图：
石英
部分绢云母化 石
长石
英
长 完全绢云母化 石
石
英
部
分
高
岭
石 英
高
石
岭
化
石
◆ 瓷石可单独制瓷。烧成时，绢云母兼有高岭土和长石之作用。
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● 粘土的加热变化
各 种 粘 土 的 差 热 曲 线
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耐火粘土：耐火度＞1580℃ 难熔粘土：耐火度介于 1350℃ ~1580℃ 易熔粘土：耐火度＜1350℃
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二、粘土的组成
粘土的性能取决于粘土的组成，包括粘土的矿物组成、 化学组成和颗粒组成。
1、粘土的化学组成
主要化学成分为 SiO2、A12O3和结晶水（H2O）。 杂质化学成分：含有少量的碱金属氧化物 K2O、Na2O，碱土金属 氧化物 CaO、MgO，以及着色氧化物 Fe2O3、TiO2等。
高岭石
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叶腊石
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伊利石
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2. 粘土的矿物组成
a．高岭石类（Kaolinite，Al2O3·2SiO2·2H2O）
高岭石族矿物包括高岭石、地开石、珍珠陶土和多水高岭石等。高岭石 是粘土中常见的粘土矿物，主要由高岭石组成的粘土称为高岭土。
b．蒙脱石类（Montmorillonite, Al2O3·4SiO2·nH2O (n＞2) ） 蒙脱石也是一种常见的粘土矿物，以蒙脱石为主要组成矿物的粘土称
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三、粘土的工艺性质
2.结合性 粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有
一定干燥强度的能力。
◆ 结合性的表征方法：以能够形成塑性泥团时所加入的标准石英砂 量及试样干后的抗折强度表示。
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● 粘土的加热变化
◆ 粘土矿物被加热时，一般都要经过排除自由水和吸附水、 分解并脱去结晶水、形成莫来石新相等过程。 例如高岭石受热时：
1）≥100℃时排除吸附水。
2）450℃以上，结构水缓慢排出，高岭石变成偏高岭石（不 含结晶水的高岭石）：
Al2O3·2SiO2·2H2O 450 ℃ Al2O3·2SiO2 + 2H2O
质量达标（并非越纯越好）； 储量要大（原料来源稳定）； 价格合理； 性能稳定（对原料的最基本要求）； 运输方便。
◆ 原料选择原则：
● 原料的组成应能保证产品的质量性能要求； ● 原料的工艺性能应能满足生产加工过程的工艺要求。
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绪言
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第一章 陶瓷原料
一、粘土的概念与分类
（二）成因：
物理风化：暴晒、冰冻、水力及风力的破坏作用等
自然风化
化学风化：自然界中的化学物质对岩石造成的蚀变作用
例如：
K2O·Al2O3·SiO2+ CO2+ H2O
钾长石
Al2O3·2SiO2·2H2O+ K2CO3+ 4SiO2
高岭土
● 风化过程中产生的可溶性盐类将被雨水洗去，剩下的难溶盐和氧化
塑性泥料区
可塑性指数：液限—塑限
塑
限
可塑性指标：系指在一定的
最佳塑性范围
工作水分下，粘土泥团受外力作用时，
最初出现裂纹时的应力与应变的乘积。
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泥 浆 区
液 含水率 限
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可
塑
三、粘土的工艺性质
性
1.可塑性
◆ 塑限、液限、可塑性指数
及可塑性指标高低大小在生 产上的实际意义。
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粘土矿物是具有层状结构硅酸盐矿物，其基本结构单位是硅氧四面 体层和铝氧八面体层，由于四面体层和八面体层的结合方式、不等价离 子同晶置换以及层间阳离子等不同，从而构成了不同类型的层状结构粘
土矿物，如下图所示的结构模型图。
硅氧四面体层
铝氧八面体层
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● 陶瓷制品的性能由坯体显微结构决定，而坯体显微结 构则由原料的种类和加工工艺决定。
使用性能
Performance
加工工艺
Processing
物化性能
Property
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河南省组精织品课结程构——/成陶瓷分工艺原理
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Structure/Composition
绪言
第一章 陶瓷原料
◆ 原料选择的基本要求
（1）SiO2 ：若SiO2多，意味着游离石英较多，则粘土可塑性降低，干 燥及烧成收缩较小。
（2）Al2O3 ：含量多，耐火度增高，难烧结。 （3）Fe2O3＜1％ ，TiO2 ＜0.5％：瓷制品呈白色。若含量过高，坯体 颜色将变深，甚至还影响电绝缘性。
（4）CaO、MgO、K2O、Na2O：降低烧结温度，缩小烧结范围。
为膨润土（bentonite），一般呈白色、灰白色、粉红色或淡黄色，被杂质
污染时呈现其它颜色。
c. 伊利石类 (Illite)
伊利石是白云母经强烈的化学风化作用转变为蒙脱石或高岭石过程中
的中间产物，故其化学组成介于白云母与高岭石或蒙脱石之间。与白云母
比较，伊利石多H2O而少K2O。与高岭石比较，伊利石含K2O较多而含H2O较少。
◆ 特点比较：一次粘土杂质较少，颗粒较粗，可塑性较差，干 燥强度较低、干燥收缩较小，烧结温度较高。二次黏土的特点 相反。
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一、粘土的概念与分类
第一章 陶瓷原料
● 根据粘土的可塑性强弱分类： 强塑性粘土
中等塑性粘土 弱塑性粘土
● 根据粘土的耐火度高低分类：
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三、粘土的工艺性质
概念：粘土的工艺性质系指其所具有的、对生产工艺过程有重要 影响的性质。包括可塑性、结合性、干燥性质、泥浆性质、烧结 性质等。
◆ 粘土的工艺性质取决于其化学组成、矿物组成和颗粒组成。
1.可塑性
概念：可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团，在一 定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂，除去外力后，仍能 保持受力时的形状的性能。
主要包括：（1）石英与母岩残渣（如长石、白云母等）； （2）碳酸盐和硫酸盐矿物； （3）铁质矿物； （4）有机质。
3、粘土的颗粒组成：粘土中不同大小颗粒的体积百分比含量。
◆ 粘土的颗粒组成与其工艺性能密切相关： <1um的细颗粒愈 多，则可塑性愈强，干燥收缩大，干后强度高， 烧结温度低。 另外，片状颗粒比杆状颗粒接触面积大，塑性大，强度高。