陶瓷材料概论第一章

成粘土矿床，这就称为热液蚀变型粘土矿，如苏州阳山、衡阳
界牌土。
3. 沉积型粘土矿床：是指风化了的粘土矿物借雨水或风力的
搬运作用搬离原母岩后，在低洼的地方沉积而成的矿床，称 为二次粘土（也称沉积粘土或次生粘土），如南安康垅，清
远源潭。
粘土的种类不同，物 理化学性能也各不相同。 粘土可呈白、灰、黄、红、 黑等各种颜色。有的粘土 疏松柔软且可在水中自然 分散，有的粘土则呈致密 坚硬的块状。
床类型。风化型粘土矿床主要分布在我国南方(如景德镇高岭村、 晋江白安、潮州飞天燕等地），一般称为一次粘土（也称为残
留粘土或原生粘土）。
2. 热液蚀变型：高温岩浆冷凝结晶后，残余岩浆中含有大量的 挥发分及水，温度进一步降低时，水分则以液态存在，但其中 溶有大量其它化合物。当这种热液（水）作用于母岩时，会形
量。
累积分布――表示小于或大于某一粒径的粒子占全部颗粒的百分
含量，累积分布是频率分布的积分形式。
粒度分布曲线
频率分布曲线
累积分布曲线
SEM micrograph of sintered AlN substrate.
（三）粘土的工艺性质

1.可塑性 可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团，
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、同形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。
层状结构粘土矿物晶体结构模型图
3、颗粒组成
颗粒组成：粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量。
第二节 石英类原料
（一）石英矿石的类型
二氧化硅（SiO2）在地壳中的丰度约为60％。含二氧化硅的
矿物种类很多，部分以硅酸盐化合物的状态存在，构成各种矿物、
岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体，其中 结晶态二氧化硅统称为石英。由于经历的地质作用及成矿条件不 同，石英呈现多种状态，并有不同的纯度。 a.水晶 b.脉石英 c.砂岩 d.石英岩 e.石英砂 f.硅藻土
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。
岭土。 化学式：Al2O3· 2SiO2· 2H2O 晶体结构式：Al4[Si4O10]（OH）8， 属三斜晶系。 形状：片状、粒状和杆状，晶体完整者 呈假六方片状。
晶体结构：基本的结构单元层由Si-O四面体 层和Al-(OH)八面体层组成，基本的结构单 元层在c轴方向上堆迭。层与层之间以氢键 结合,故称为1:1型层状结构硅酸盐。
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。
塑限 （可塑性限度）：指粘土由粉末状态进入塑性状态时
的含水量。 液限 （液性限度）：指粘土由塑性状态进入流动状态时的 含水量。 可塑性指数：液限与塑限之差。 可塑性指标 ：指在工作水分下，粘土受外力作用最初出现 裂纹时应力与应变的乘积 ＝应力 × 应变
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。
高岭石
蒙脱石
叶腊石
a．高岭石类（Kaolinite） 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

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。
3.离子交换性 粘土颗粒带有电荷，其来源是其表面层的断键和晶格内部被 取代的离子，因此必须吸附其它异号离子来补偿其电价，粘土的 这种性质称为离子交换性。
交换能力： H+>Al３+>Ba２+>Sr2+>Ca2＋>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+ 阴离子取代能力的顺序： •OH->CO32->P2O74->CNS->I->Br->Cl->NO 3 ->F->SO42影响离子交换性的因素：
(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）。 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。
风化残积型粘土矿床一般SiO2含量高，而A12O3含量低。
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。
触变性产生的原因 黏土类矿物大多数是板状颗粒，在板面上往往带副电荷，而端 面处带有一定的正电荷 ，端－板面相互吸引，形成棚架结 构．很多水被包围在棚架中，不能自由流动，所以泥浆的流动 性差．这种结构对着搅动而逐步打开，一旦静止时又渐渐恢 复． 影响泥浆触变性的因素： 粘土的矿物组成；粒度大小与形状；水分含量； 使用电解质种类与用量；以及泥料（泥浆）的温度等。 触变性以厚化度（或稠化度）表示，即以泥浆粘度变化之比或 剪切应力变化的百分数表示。 泥浆的厚化度＝ t30min/t30s 泥团的厚化度＝ （Pn-P0）/P0×100%
构不发生改变的情况下，分散 或细化得到的固态基本颗粒。 一次颗粒――指没有堆积、 絮联等结构的最小单元的颗粒。 二次颗粒――指存在有在一 定程度上团聚了的颗粒。 团聚――一次颗粒之间由于 各种力的作用而聚集在一起称 为二次颗粒的现象。
（4）颗粒间的磁引力；
（5）颗粒表面不平滑引起的 机械纠缠力。
3.2、粉体颗粒的粒度
粒度――颗粒在空间范围所占大小的线性尺寸。 粒度的表示方法：体积直径，Stoke’s直径等。
3.3、粉体颗粒的粒度分布
粒度分布：分为频率分布和累积分布，常见的表达形式有粒度
分布曲线、平均粒径、标准偏差、分布宽度等。
频率分布――表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含
所吸附离子的性质；粘土矿物的种类、结晶程度、分散度； 粘土中有机质的含量等。
粘土吸附的离子种类不同，对粘土泥料的其它工艺性质会 有不同的影响。
4.触变性
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，静置后又能逐渐恢复原状。反之，相同的泥料放置一段时 上述情况可以重复无数次。粘土的上述性质统称为触变性，也称为 稠化性。
6.收缩
粘土泥料干燥时，因包围在粘土颗粒间的水分蒸发、颗粒相互
靠拢而引起的体积收缩，称为干燥收缩。粘土泥料煅烧时，由于发 生一系列的物理化学变化(如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、 易熔杂质的熔化，以及熔化物充满质点间空隙等等)，因而使粘土 再度产生的收缩，称为烧成收缩。这两种收缩构成粘土泥料的总收 缩。 线收缩：Sl=(L0-L1)/L0×100% 体积收缩：Sv=(V0-V1)/V0×100% L0——成型后的原始长度 L1——试样干燥或烧成后的长度 V0——原始体积 V1——干燥或烧成后的体积 影响收缩的因素：组成，含水量，阳离子交换能力，细度等
硅藻土. 脉石英
石英
水晶－结晶良好的 石英
水晶－结晶良好的石英
（二）石英的性质
石英的主要化学成分为SiO2Leabharlann Baidu但是常含有少量的Al2O3、Fe2O3、
CaO、MgO、TiO2等杂质成分。
二氧化硅在常压下有七种结晶态和一个玻璃态。它们是α -石 英、β -石英；α -鳞石英、β -鳞石英、γ -鳞石英；α -方石英、 β -方石英。 石英具有很强耐酸侵蚀能力（氢氟酸除外），但与碱性物质接 触时能起反应而生成可溶性的硅酸盐。高温下，石英易与碱金属氧 化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。
7.烧结性能 通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能。
气孔率曲线
开始烧结温度（T1）：
完全烧结温度（T2） ： 软化温度（T3） ： 烧结范围（T2- T3） ：
收缩率曲线
影响烧结的因素：主要是化学组成与矿物组成。
8.耐火度 耐火度是耐火材料的重要技术指标之一，它表征材料无荷重时抵 抗高温作用而不熔化的性能。
可塑性指数反映粘土能形成可塑泥团的水分变化范围 可塑性指标反映粘土的成型性能。 粘土的可塑性分类： 强塑性： 指数>15 指标>3.6 中塑性： 7～15 2.5～3.6 弱塑性： 1～7 <2.5 非塑性： <1 影响可塑性的因素： 矿物组成 固相颗粒大小和形状 液相的数量和性质 吸附阳离子的种类 调节可塑性的方法： 提高：淘洗，练泥，陈腐，加入塑性粘土、无机或有机塑化剂 降低：加入石英等瘠性原料
b．蒙脱石类 Montmorillonite。最早发现于法国蒙脱利 龙地区。白色、灰白色，含杂质者黄色、 浅玫瑰红色等。 密度 2.2－2.9 g/cm3，硬度 1－2 晶粒呈不规则细粒状或鳞片状 颗粒较小，一般＜0.5 μm，结晶程度差， 轮廓不清楚 化学式：Al2O3· 4SiO2· 2O nH 晶体结构式：Al4[Si8O10](OH)4 · 2O nH 2:1型层状结构硅酸盐。层间以分子间力结合,层间联系薄弱，具有 层间水。吸水性强，并发生膨胀。具有较强的离子交换能力。 因其Al2O3含量低，又吸附了其它阳离子，故烧结温度较低，烧后 色泽差，故在坯体中的用量以5％左右为宜（增加塑性）。也可用 作釉浆中的悬浮剂。
化学组成在一定程度上反映其工艺性质。 ＳiＯ2： Ａl2Ｏ3： 含量多——可塑性低——收缩小 含量高——耐火度高——难于烧结——高岭石类
Ｋ2Ｏ，Ｎa2Ｏ： 含量高——烧结温度较低——伊利石类 Ｆe2Ｏ3 ，ＴiＯ2：使坯体着色，随含量增加——颜色加深 ＣaＯ、ＭgＯ： 降低粘土的耐火度，缩小烧结范围，过量可使 坯体起泡 I L： 有机杂质较多灼减量大，粘土颜色深，吸水性强， 可塑性好，干燥强度大，但收缩也大。
耐火度主要取决于化学组成，
Al2O3 提高粘土的耐火度，碱性氧化 物降低粘土的耐火度，Al2O3 /SiO2 比 值越大，粘土的耐火度越高，烧结范 围愈宽。
易熔粘土：耐火度<1300oC
难熔粘土：耐火度1300～1580oC 耐火粘土：耐火度>1580oC
（四）粘土在陶瓷生产中的作用
1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。 2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。 3.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。 4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。 5.粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。
<1um的细颗粒愈多，则可塑性愈强，干燥收缩大，干后 强度越高， 而且烧结温度低，（比表面积大，表面能高）片状 比杆状堆积面积大，塑性大，强度高。
粉体的粒度与粒度分布
3.1粉体颗粒
粉体颗粒――指在物质的结
团聚的原因： （1）分子间的范德华引力； （2）颗粒间的静电引力； （3）吸附水分产生的毛细管 力；
P0—泥团开始承受的负荷，N Pn—静置一定时间后，球体或锥体压入相同深度时泥团承受的负荷，N
5.膨胀性 膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象。这是由于粘土在吸 附力、渗透力、毛细管力的作用，水分进入粘土晶层之间、或者胶 团之间所致，因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种。 原因：由于粘土的吸附力、渗透力、毛细管力的作用，水分进入粘 土晶层之间、或者胶团之间所致。 内膨胀性： 指水进入粘土矿物的晶层内部而发生的膨胀现象 蒙脱石d(001)=1.54 nm, 加水后2.2 nm左右。 外膨胀性：水存在于颗粒之间而产生的膨胀现象 膨胀性用膨胀容表征 指粘土在水溶液中吸水膨胀后，单位重量所占的体积。 影响膨胀性的因素： 矿物组成、离子交换能力、表面结构特性、液体介质的极性
第一章 陶瓷原料
第一节 粘土类原料 （一）粘土的成因与产状
粘土（clay）是一种颜色多样、细分散的多种含水铝硅酸
盐矿物的混合体，其矿物粒径一般小于2 µm，主要由粘土矿物
以及其它一些杂质矿物组成。
粘土的成因：
1. 风化残积型：指深成的岩浆岩（如花岗岩、伟晶岩、长英岩
等）在原地风化后即残留在原地，多成为优质高岭土的主要矿
加热过程物理化学变化：脱水、分解、析出新晶相等
根据差热曲线： 100 ～200℃ ，吸热，失去吸附水 550～650℃ ，吸热，失去结晶水 950～1000 ℃，放热，Al-Si尖晶石等 中间相出现 1200～1250 ℃，放热，合成莫来石
莫来石： 3Al2O3· 2SiO2
鳞片状、人字形、针状或细柱状 晶体，机械强度高，热稳定、化学稳 定性好。密度3.15 g/cm3 ，熔点 1810℃，熔融后分解为刚玉和石英玻 璃。