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探讨建陶快烧过程中的莫来石
来源 : 陶卫网     阅读 : 3047    作者 : 王明华    2020-10-10 莫来石

莫来石(3Al2O3∙2SiO2)一直以来被认为是普通陶瓷里面很重要的晶体相,对于普通陶瓷的强度提升有着很重要的作用。因此,对于陶瓷材料中莫来石的形成、含量、尺寸、发育等非常关注。对于大部分建陶产品而言,其烧成过程属于快烧并且温度相对较低,且产品在使用过程中的会经历各类搬运、长短途运输、深加工等,因此对于强度有着更迫切实际的需求。那么,了解陶瓷产品内部晶体相的形成,对于产品的设计和生产就更有实际意义。


▲莫来石砖


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陶瓷中的莫来石晶体一般存在两种情况:

一种是一次莫来石,其形成过程往往是母矿在加热过程中自身分解而形成,如高土(Al2O3∙2SiO2∙2H2O)在加热过程中会脱水生成偏高岭(Al2O3∙2SiO2),在继续的加热过程中,偏高岭会分解为莫来石和石英。这样形成的莫来石其形状贴近于母矿形状,如高岭石中的一次莫来石就为粒状或鳞状莫来石。

另一种是二次莫来石,在产品内部出现大量高温液相后,溶解于高温玻璃相中的Al2O3和SiO2通过溶解-析出机理,在基质玻璃中和长石玻璃的四周可形成稠密的放射状或交织网状的二次针状莫来石。这些在玻璃相内弥散的二次莫来石对于玻璃相有着极好的增韧强化作用,可以很好地改善产品的性能。

在形成莫来石晶体后,晶体的发育对于产品的性能影响也很大。产品的性能随着晶粒的尺寸增大而提高,但晶粒尺寸达到一定数值后,晶粒尺寸进一步增加反而对于产品性能有所削弱。不过对于快烧的建陶产品而言,发育过大的晶粒尺寸的影响是微乎其微,因为烧成制度中并没有足够的时间让晶体得到良好的发育长大。我们所要注意的是,如在釉料中引入高纯结晶产品时,需要控制其晶粒尺寸。


 

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对于产品中莫来石的形成、提髙莫来石含量、控制二次莫来石的形成与发育等方方面面的研究,传统的认可的理论研究结果大概有以下一些结论。

1、许多的氧化物或矿化剂对莫来石的形成有促进作用,其中MgO和FeO对黏土矿物转化成莫来石晶体的过程影响最大,可以有效降低莫来石的合成温度,MgO和FeO对莫来石化的矿化作用主要是通过液相发挥效用。

MgO通过多元低共熔的方式进入玻璃相中,降低了熔体的温黏度,促进黏土分解产物在熔体中的熔解,也就加快了二次莫来石化过程。此外,含MgO的硅酸盐熔体有着与堇青石相近的化学成分和结构特点,这些镁质熔体(2Mg0∙Al203∙5SiO2)可以接纳较多的二氧化硅,促进二次莫来石从中析出,而不利于方石英的析晶。若用滑石引入MgO来促进莫来石的形成,滑石的用量超过5%时则有堇青石晶体析出。在建陶产品使用滑石时,尤其是使用江西地区黑滑石的时候,需要注意其中的有机质含量。在坯体中,用碳酸镁和滑石方式引入MgO,会出现一定的差异。

FeO对二次莫来石化的促进作用也主要是促进黏土分解产物在熔体中的溶解, 然后加速二次莫来石化。还应注意到铁离子和铝离子两者的离子半径相近,故铁离子可直接进入莫来石晶体的晶格中置换莫来石中的铝离子,形成含铁的莫来石,当铁含量高时,这种含铁的莫来石对建陶产品的颜色会产生不利的影响。

事实上,由坯料的原料所带入的MgO、FeO (视为杂质氧化物)就已对二次莫来石的形成起到了矿化作用。

2、熔剂矿物长石熔融时并不形成莫来石,长石玻璃中的针状莫来石为黏土分解物溶于熔体后析出的二次莫来石, 所以K20特别是同时存在CaO的情况下,有利于针状莫来石的形成,有CaO时钠长石玻璃溶解黏土分解物后也能形成针状莫来石,所以长石中的CaO或其他原料引入的CaO对长石玻璃中二次莫来石化有良好的影响。

黏土矿物虽可形成一次莫来石,也可通过液相形成二次莫来石。硅线石、红柱石、蓝晶石—它们的通式为A1203 • Si02,在烧成中只形成一次莫来石。

3、坯体中的熔剂氧化物的含量和烧成温度对已生成的莫来石的溶解和生长有重要的影响。

在产品结构中总是希望莫来石晶体细小而具有较大的晶粒界面,最好形成的是针状莫来石,在玻璃相中它可发挥纤维增强作用,故必须控制针状莫来石的过度生长。已查明,熔剂氧化物的量在坯料中不超过3%时可抑制针状莫来石的生长,如果玻璃相中的熔剂氧化物的含量较高时,再给予足够的烧成时间情况下,细小的针状莫来石将发育生长成短粗的莫来石。

坯体的烧成温度提高,液相量将增加,打破了莫来石晶体和熔体之间的平衡,也会导致针状莫来石通过溶解-析晶而生长成粗短的莫来石。烧成温度上升,也会使极细小的一次莫来石生长。

最后需要说明的是,对于建陶的快烧过程而言,坯体或釉料的各类反应并不会进行完全。配方所含元素种类众多,同时又因烧成周期的制备过程影响,所用原料的种类和晶型都会对建陶产品造成很大的影响,不得不接受认识到性能的提升都是一项系统工程。因此,在讨论产品强度性能时,还是需要多角度,通过各种工艺细节累积比较合适。


王明华

毕业于陕西科技大学,现就职江西陶瓷工艺美术职业技术学院材料与机械工程学院陶瓷工程专业教师。希望碎片化的知识与观点,能够为建陶行业添砖加瓦。


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