无机材料工艺学--陶瓷2-原料

2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理1◆原料选择的重要性第一章陶瓷原料绪言●传统陶瓷制品所用原料多为天然矿物原料；陶瓷制品的性质不仅与工艺过程有关，而且与原料的种类有关。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。高岭石伊利石石英钾长石钠长石硅灰石叶腊石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理2◆原料选择的重要性第一章陶瓷原料●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。组织结构/成分Structure/Composition加工工艺Processing物化性能Property使用性能Performance2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理3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。◆原料选择的基本要求第一章陶瓷原料◆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。绪言2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理4第一章陶瓷原料◆陶瓷原料的分类可塑性原料1.从工艺性能分：天然原料化工原料2.从来源分：绪言高岭土石英钾长石非可塑性原料（瘠性原料）2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理5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2µm。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。（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。●但只要是粘土，或多或少都具有一定的可塑性。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理6第一章陶瓷原料一、粘土的概念与分类（二）成因：自然风化物理风化：暴晒、冰冻、水力及风力的破坏作用等化学风化：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+H2OAl2O3·2SiO2·2H2O+K2CO3+4SiO2钾长石高岭土●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物（如SiO2）将成为粘土矿中的杂质矿物。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理7一、粘土的概念与分类●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。（三）分类：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。◆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。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理8第一章陶瓷原料●根据粘土的可塑性强弱分类：一、粘土的概念与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：耐火粘土：耐火度＞1580℃易熔粘土：耐火度＜1350℃难熔粘土：耐火度介于1350℃~1580℃2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理9二、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。◆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。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。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理10（4）CaO、MgO、K2O、Na2O：降低烧结温度，缩小烧结范围。§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:（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。（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。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理112.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。高岭石叶腊石伊利石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理12a．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。2.粘土的矿物组成2019/10/3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。硅氧四面体层铝氧八面体层层状结构粘土矿物晶体结构模型图2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理14●各种粘土矿物的结构特点高岭石多水高岭石叶腊石蒙脱石伊利石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理15●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）。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。遇水也不膨胀，硬度低，是一种优良的陶瓷原料。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理16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。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理17●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。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%高岭石：0~10%2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理18●瓷石的形成过程示意图：石英长石石英长石石英部分绢云母化完全绢云母化石英高岭石部分高岭石化◆瓷石可单独制瓷。烧成时，绢云母兼有高岭土和长石之作用。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理19●粘土的加热变化各种粘土的差热曲线2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理201）≥100℃时排除吸附水。例如高岭石受热时：◆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。●粘土的加热变化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）：Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2+2H2O450℃2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理213）继续加热，偏高岭石进一步反应形成硅－铝尖晶石：92523223222223SiCAlOSiOAlOSiOO偏高岭石硅－铝尖晶石（）105023223223(23)2(32)5SiCAlOSiOAlOSiOO方石英硅－铝尖晶石莫来石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：2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理223、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。◆粘土中的杂质矿物主要包括：（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。2、粘土的矿物组成2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理23三、粘土的工艺性质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。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。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。◆可塑性的产生机理2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理24三、粘土的工艺性质1.可塑性干粉区泥浆区塑性泥料区可塑性含水率塑限液限最佳塑性范围塑限：粘土由干粉状态变为塑性状态时的最低含水率。液限：粘土由塑性状态变为无塑性的泥浆状态时的含水率。可塑性指数：液限—塑限可塑性指标：系指在一定的工作水分下，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。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理25三、粘土的工艺性质1.可塑性干粉区泥浆区塑性泥料区可塑性含水率塑限液限最佳塑性范围◆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。◆粘土根据塑性大小分类：强塑性粘土：指数＞15或指标＞3.6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＜1.2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理26三、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。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理27三、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。◆可塑性好的粘土，其结合性也好。3.离子交换性（1）粘土颗粒因其表面存在断键及晶格内部存在不等价离子置换而带有电荷，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。◆粘土通常发生的是阳离子吸附与