陶瓷材料-2-陶瓷制备工艺

水，层间水的数量是可变的。Al4(Si8O
nH 20 20)(OH)4·
蒙脱石 特点一：蒙脱石显著的特点是能吸收大量的水，体积膨胀，
如以蒙脱石为主的膨润土其吸水后体积可膨胀 20～30倍，这就 是膨润土的名称的由来。
特点二：离子交换能力强，晶格中的四面体层Ｓi4+部分被
Ａl3+、Ｐ5+置换。八面体层中Ａl3+被Ｍg2+、Ｆe3+、Ｚn2+、 Ｌi+等置换，使晶格中电价不平衡。晶层之间吸附阳离子如 Ｃa2+、Ｎa+等，又增加了蒙脱石的离子交换能力。根据吸附离 子不同分为Ｎa蒙脱石，Ｃa蒙脱石。
—方石英
1)石英
石英预烧，利于粉碎：1000 C煅烧 急冷 变松 ，利用 石英573 C晶型转化时的体积变化效应。 陶瓷的烧成过程，必须注意升降温速度的问题，之所以要控制
升降温速度就是由于一些原材料在加热或冷却过程中伴随着体积
的膨胀或收缩。如果控温不当，这些膨胀或收缩在极短的时间完
部分被Ｈ+，Ｎa+取代， K+半径大小正好嵌入层间，因此晶格 结构牢固，不发生膨胀。
伊利石
外观：多呈不规则片状，颜色洁白，黄色，绿色及褐色。
特性： 伊利石类可以看做是白云母风化过程中形成高岭石和
蒙脱石的中间产物，转变程度不同，所形成的矿物不同，矿物
组成变化较多。伊利石类矿物构成的粘土，一般可塑性低，干 后强度大，干燥烧成收缩小，烧结温度低，烧结范围窄。
的可考虑做原料使用。
2)长石
小于1400C烧成温度范围内，某一原料本身产生熔体，或与其
它原料共熔形成熔体，由于熔体的产生使产品在低温下烧成,具
有这一特性的原料叫熔剂性原料。 分类：
• 自熔性熔剂：长石在烧成温度下，原料本身自动产生熔体，形
成液相 • 共熔性熔剂：在烧成温度下，不能形成液相，而与其它原料共 熔形成熔体。
成，会造成坯体或制品开裂。
1)石英
SiO2在陶瓷生产中的作用
烧成前，石英为瘠性料（不吸水），
可调节泥料的可塑性，是生坯水分排出 的通道，降低坯体的干燥收缩，增加生 坯的渗水性，缩短干燥时间，防止坯体 变形；利于施釉。 烧成时，石英的加热膨胀可部分抵消 坯体的收缩；高温时石英部分溶解于液 相，增加熔体的粘度，未溶解的石英颗 粒构成坯体的骨架，防止坯体软化变形。
离子交换性
起因：粘土颗粒带电荷，来源于Si4+被Al３+，Fe２+等
置换以及边缘断键，而出现电荷而吸附反电荷，这些 反电荷又可被置换。
3)粘土
触变性
• 定义：粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度 会降低而流动性增加静置后能恢复原来状态。反之， 相同泥浆放置一段时间后，在维持原有水分的情况下 会增加粘度，出现变稠和固化现象，上述现象可重复 无数次，统称为触变性。
只有一个熔化温度范围：
常是几种长石的互溶物，加之一些杂质在内，使之无固定熔点，
钾长石 1130C — 1450C 钠长石 1120C — 1250C 钙长石 1250C — 1550C
T=320 C T= 130C T=300 C
3)粘土
矿物组成
• 陶瓷工业中粘土的主要矿物有： 高岭石（多水高岭石）
（2）碳酸盐的分解
CaCO3 → CaO+CO2 ↑ (850~1050 ℃)
氧化分解阶段（300～950 ℃ ） 化学变化：
（1）粘土和其它含水矿物排除结构水
Al2O3· 2SiO2 · 2H2O → Al2O3· 2SiO2 + 2H2O↑（500～700 ℃） 3MgO · 4SiO2 · H2O → 3(MgO · SiO2)+SiO2 + H2O↑(900 ℃)
因为陶瓷大多面临高温的服役环境，有可能发生 的高温反应，都应该在生产过程中尽量反应完毕
Al2[Si2O5][OH]4
7.2 Å
蒙脱 石 伊利 石
(Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2 ·nH2O (K,Na,Ca2)(Al,Mg)4(Si ,Al)8O20(OH)4·nH2O
9.6～21.4 Å
弱
90～100
10.0 Å
较强
2.5
3)粘土
可塑性
定义：粘土—水系统形成泥团，在外力作用下泥团发 生变形，形变过程中坯泥不开裂，外力解除后，能维 持形变，不因自重和振动再发生形变，这种现象称为 可塑性。
晶体结构式： Al4 ［ Si4O10] （OH） 8 ， 1:1型层状结构硅酸盐，
Si－O四面体层和Al－（O，OH）八面体层通过共用氧原子联 系成双层结构，构成结构单元层。层间以氢键相连，结合力较 小，所以晶体解理完全并缺乏膨胀性。 离子吸附与置换：晶格内部离子很少置换，在破裂时，边缘上
3)粘土
蒙脱石粘土矿物
其晶胞两面都是氧层，
层间联结是较弱的分子
间力，水分子易沿着硅
氧层面进入晶层间，使
层间距离增大，引起粘
土的体积膨胀。
3)粘土
伊利石 晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能 力小的 K+存在， K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴 中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土 不易水化膨胀。
2)长石
长石的熔融特性
为使坯体既易烧结，又不变形，则希望长石有较低的熔化温度， 较宽的熔化温度范围。
这就要求在烧成过程中，长石既具有良好的熔剂作用（即较高
的溶解其它物质的能力），又使熔融液相具有较高粘度（坯体 不易变形坍塌；釉料不易流釉）。
2)长石
熔融特性
熔化温度范围：作为纯的钾钠钙长石有固定的熔点，但实际上
⑤上釉
⑥烧成
按照变化特点大致可分为四个阶段 瓷器 （1）低温阶段——常温～300℃ （2）氧化分解阶段——300～950 ℃ （3）高温阶段——950 ℃ ～烧成温度 （4）冷却阶段——烧成温度 ～室温
低温阶段（常温～300℃）
排除干燥剩余水分和吸附水，基本不收缩，强度变 化很小；基本无化学变化。 此阶段加热时间的长短，主要取决于坯体的入窑水 分、厚薄及装烧方法等。快烧工艺中，需严格控制 坯体的入窑水分，要求越低越好，尤其是大件厚壁 制品以及多件重叠装烧。
• 泥料触变性过小时，成形后生坯的强度不够， 影响脱模与修坯的品质。而过大的泥浆在管道 输送过程中会带来不便，成形后生坯也易变形。
②坯料制备
根据成型方法不同，可将陶瓷坯料分为三类： • 注浆成型 • 可塑成型 • 压制成型 浆料含水量或其它溶剂≤38％ 泥料含水量或其它溶剂≤26％ 粉料含水量或其它溶剂≤8％
原材料吸水性
吸水后的流动性
产品外形（对称？）
壁厚
大小
②坯料制备
大气孔：团粒间孔
②坯料制备
中气孔：团粒内团聚粉粒间孔
②坯料制备
• 小气孔：团聚粒内 一次粒子间的孔
• 微气孔：一次粒子 内的气孔
③成形
注浆成型
成型方法
可塑成型
类比于塑 性加工
压制成型 类比于粉 末冶金
③成形
等静压成型
④干燥
（1）结晶水 这种水是粘土矿物晶体构造的一部分，只有 温度高于 300 度以上时，结晶受到破坏，这 部分水来释放出来。 （2）吸附水 由于分子间引力和静电引力，具有极性的水 分子可以吸附到带电的粘土表面上，在粘土 颗粒周围形成一层水化膜，这部分水可以随 粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。 （3）自由水 这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中， 不受粘土的束缚，可以自由的运动。
3)粘土
高岭石 因层间易形成氢键， 晶胞间联结紧密，水分 子不易进入，故膨胀性 小。同时伊利石晶格置 换现象少，高岭石几乎 无晶格置换现象，阳离 子交换容量低，也使粘 土的水化膨胀差。
3)粘土
三种常见粘土矿物的主要特点 粘土 矿物 高岭 石 化学组成 C-间距 晶层间 引力 强 吸水膨胀 量/% <5
2)长石
种类：
• 钾长石：K2O•Al2O3•6SiO2
• 钠长石：Na2O•Al2O3•6SiO2 • 钙长石：CaO•Al2O3•2SiO2 • 钡长石：BaO•Al2O3•2SiO2 产状：自然界中，纯的长石较少，共生矿物有：石英，云母，
霞石，角闪石。其中云母，角闪石为有害杂质。含石英，霞石
2)长石
长石类熔剂
钾长石 KAS6 ：1150±20℃分解为白榴子石，全部熔融，范围
宽，高温粘度大。 钠长石NaAS6 ：1120 ℃开始熔融，液相稳定，粘度低，易变形； 钙长石CaAS2：熔点高达1550 ℃，熔融范围宽，熔体不透明， 度小，机械强度大。 钡长石 BaAS2：熔点高达1715 ℃，熔融范围不宽，可人工合成， 电学性能好 。 混熔特性：几种基本类型的长石，由于其结构关系，彼此可混 合形成共熔体。
3)粘土
提高坯料可塑性的措施有： ①将粘土原矿进行淘洗，除去所夹杂的非可塑件物料， 或进行长期风化。 ②将湿润了的粘土或坯料长期陈腐。 ③将泥料进行真空处理，并多次练泥。 ④掺用少量的强可塑性粘土。 降低坯料可塑性的措施有： ①加入非可塑性原料如石英、瘠性粘土、瓷粉等。 ②将部分粘土预先煅烧。
3)粘土
由于地质产状不同， 石英呈现为多种状态， 其中最纯的石英称为水 晶。 在陶瓷、玻璃、耐火 材料生产中采用得较多 的石英类原料.
1)石英
物理性质
外观：视其种类不同而异，大多呈乳白色，有的呈灰白色， 半透明状态，断面具有玻璃光泽或脂肪光泽。 硬度：莫氏硬度为7。 密度：晶型不同密度不同，变动范围2.22—2.65。 化学稳定性：具有强耐酸侵蚀力（除HF外）；与碱作用， 生成可溶性硅酸盐；与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态 物质。 熔融温度范围：1400C—1770C，由SiO2的形态和杂质含 量决定。
特点三：膨润土可塑性大，触变厚化性强，严重影响泥浆性
能。煅烧时脱水过程长，收缩大，Ａl2Ｏ3含量低，又吸附了其 它阳离子，杂质较多。因此烧结温度低，烧后色泽差，会使坯 体软化变形，用量不宜太多，一般在５％左右。
特点四：随外界环境的温度和湿度而变化，引起Ｃ轴膨胀与
收缩，因此蒙脱石吸水性强，吸水后体积膨胀，容易破裂。颗 粒极细，可塑性强，干燥后强度大，干燥收缩也大。 触变性亦称摇变，是指物体（如油漆、涂料）受到剪切时稠 度变小，停止剪切时稠度又增加或受到剪切时稠度变大，停 止剪切时稠度又变小的性质的一“触”即“变”的性质。
3)粘土
伊利石
化学通式：(K,H3O) < 1 nH2O{(Al,Mg,Fe)2[(Si,Al)4O10](OH)2} 化学组成： ——水化了的白云母，介于高岭石，白云母之间
K2O较低， SiO2 、MgO、FeO、H2O 较高。
结构：单斜晶系，与蒙脱石结构类似，2:1型层状硅酸盐，但 [SiO4]四面体中Ａ l３ +较蒙脱石多，晶间阳离子常为 K+，也有
有断键电荷不平衡时，才吸附其它阳离子［OH-］中的H+可被
Ｋ+或Na+取代。
3)粘土
蒙脱石
化学通式：Ａl2O3· 4ＳiO2· nＨ2O
晶 系：单斜晶系，结晶程度差，颗粒极细小，属胶体微
粒，故晶体轮廓不清。2:1型层状结构，两端[SiO4]四面体，中
间夹一个 [AlO6]八面体，构成单元层。单元层间靠 O键相连， 结合力较小，水分子及其它极性分子易进入晶层中间形成层间
蒙脱石（叶腊石）
伊利石（水云母）
粘土矿物的两种基本构造单元
粘土矿物的两种基本构造单元
晶片的结合
四面体片与八面体片的相互结合构成了层 状硅酸盐矿物的基本结构层。 按照四面体片和八面体片的配合比例，可 以把层状构造硅酸盐矿物的基本结构层分为1： 1层型和2：1层型两个基本类型。
3)粘土
高岭石类
2、陶瓷制备工艺 ①传统陶瓷的原料 ②坯料制备 ③成形 ④坯体干燥 ⑤上铀 ⑥烧成
①传统陶瓷的原料
可塑性原料----粘土
非可塑性原料
石英：可降低坯料的黏性 而在熔入到长石中，可提高玻璃相粘度，防止高温变形 冷却后起骨架的作用 长石：属于溶剂原料，熔融后的高粘度玻璃相可起到高温胶结 的作用。
1)石英
1)石英
SiO2多晶转变
常压下有七种结晶态和一种玻璃态，在一定条件下相互转化：
870℃
—石英
±16%
—鳞石英
—鳞石英
117℃
1470℃
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—方石英
熔融态石英
急冷
573℃ ±0.82%
—石英
±4.7% 163℃ ±0.2% 180~270℃ ±2.8%
1713℃
石英玻璃
±0.2%
—鳞石英