氧化鋰對低溫熔塊性能的影響

摘 要 本文研究了氧化鋰加入量對低溫熔塊的熔融溫度#65380;力學性能#65380;熱膨脹系數的影響#65377;研究表明:隨著氧化鋰加入量的增多，熔塊的抗折強度#65380;熔融溫度和吸水率降低#65380;熔融溫度范圍變窄#65380;熱膨脹系數增加#65377;

關鍵詞 氧化鋰，低溫熔塊，性能

1前言

在新型建筑裝飾墻面磚的生產中，低溫熔塊的應用越來越廣泛，同時低溫熔塊在牙科陶瓷材料#65380;抗菌陶瓷#65380;光催化陶瓷#65380;負離子陶瓷等方面也有重要用途#65377;傳統的低溫熔塊一般都加入氧化鉛作為熔劑，它具有熔融性能好#65380;折射率高#65380;釉面光澤好#65380;燒成范圍寬等優良性能，但在使用過程中鉛極易析出，對人體有害^[1～2]#65377;隨著生活水平的提高，人們對裝飾材料提出了更高的要求，所以熔塊的無鉛化是必然的趨勢#65377;近年來，國外一直在研究用B₂O₃#65380;Li₂O#65380;SrO#65380;BaO#65380;ZnO#65380;MgO等取代PbO制造低溫熔塊^[3～5]，并取得了一定的效果#65377;

由于金屬中鋰的相對原子質量最小，化學活性比鉀鈉強，且鋰具有很高的靜電場，有非常強的助熔效果，能顯著降低材料的燒結和熔融溫度，提高釉的流動性^[6]#65377;鋰代替鉀鈉可以降低熱膨脹系數#65380;增加流動性#65380;降低熔融溫度，因此研究鋰的加入量對熔塊的性能影響對于成本和性能的控制非常重要#65377;

2 實驗

2.1 配方的制定

通過查閱資料，配制了一種在較低溫度下使用的熔塊，熔塊配方見表1，其化學組成見表2#65377;

選擇熔融溫度較低的#2配方，分別添加不同含量的氧化鋰(Li₂CO₃的形式引入)，檢驗其對基礎熔塊的熔融溫度及其它物理性能的影響#65377;#1#65380;#2#65380;#3#65380;#4表示氧化鋰含量分別為1wt%#65380;3wt%#65380;5wt%和10wt%#65377;具體配方見表3#65377;

2.2 工藝過程

按照表3中的配方比例將原料(分析純)混合均勻，放入立式熔塊爐中，由室溫經過90min加熱至1 300℃后保溫20min，然后淬冷得到熔塊#65377;將熔塊放入球磨罐中，按照料:球:水=1:1.5:1球磨約30min，過200目篩后放入烘箱中干燥，研磨得到熔塊粉料#65377;

2.3 測試與表征

將#1#65380;#2#65380;#3#65380;#4熔塊粉分別壓制成Ф2×3mm小圓柱，放在Densply Touch烤瓷爐中進行熔融溫度的測定;將四種熔塊料壓成試條，分別在600℃#65380;550℃#65380;530℃#65380;500℃燒成，然后磨成3mm×4mm×40mm的試條，用Instron萬能材料試驗機進行彎曲強度的測試;用Instron顯微硬度儀對光滑表面的試樣進行硬度測試#65377;將熔塊粉壓成試條，燒成后磨成Ф5×40mm的圓柱，用NETZSCH DIL 402EP熱膨脹儀進行熱膨脹系數的測定#65377;對圓片狀試樣用精確度為萬分之一的天平和阿基米德原理計算吸水率#65377;

3結果與討論

圖1為不同氧化鋰含量的試樣的XRD圖，其中圖1b#65380;1c#65380;1d分別為#2#65380;#3#65380;#4試樣在不同溫度下煅燒后的XRD圖#65377;從圖1可以看到，當氧化鋰含量增加到5%以上時，會出現明顯的LiAlO₂峰，并且隨著氧化鋰的增加，LiAlO₂的形成溫度降低#65377;

(a) 0%Li2O (b) 3%Li2O

(c) 5%Li2O (d) 10%Li2O

圖1不同氧化鋰含量熔塊的XRD圖

從熔融溫度的變化可以看出，氧化鋰的加入量從0%到5%熔融溫度逐漸降低，但在10%時卻有所升高，且使熔融溫度范圍變窄，這主要是由于過量的氧化鋰生成了LiAlO₂的緣故#65377;

為了研究低溫熔塊在牙科陶瓷中的應用，就要了解加入氧化鋰對熔塊物理力學性能的影響#65377;由表4可知:當氧化鋰含量從0%到5%時，抗折強度都在80MPa以上，但氧化鋰含量達到10%時，抗折強度下降到74.60MPa，下降比較明顯#65377;這是因為氧化鋰加入量的增加，將導致Si-O鍵的斷裂，同時還伴隨有硼氧三面體和硼氧四面體轉變的硼反常現象#65377;因此，在氧化鋰的添加量小于5%時，熔塊的抗折強度下降較小，這主要是Si-O鍵斷裂和硼氧三面體與硼氧四面體的轉變之間彼此消長的緣故#65377;當氧化鋰的加入量達到一定值時， Si-O鍵的斷裂與硼氧三面體和硼氧四面體的轉變兩個過程基本結束，多增加的氧化鋰將以非橋氧形式出現在硼氧三角體中，使結構松散#65380;性能變壞，因此當氧化鋰加入量達到10%時，抗折強度下降較為明顯#65377;

熔塊的吸水率隨著氧化鋰的增加而呈現逐步降低的趨勢，K+和Na+在結構中主要起斷網的作用，而Li+主要起積聚的作用#65377;隨著氧化鋰加入量的增多，坯體內部將更加致密，因此其吸水率將變得更小#65377;

圖2 不同氧化鋰含量試樣的熱膨脹系數

試樣的相對膨脹量如圖2，從圖中我們可以看到，隨著氧化鋰含量從0%增加到10%，熔塊的熱膨脹量也逐漸提高#65377;在玻璃網絡結構中，每個多面體的橋氧離子平均數值(Y)越小，網絡空間上的聚集也越小，結構也變得松散，并隨之出現較大的空隙#65377;結果是網絡變形離子的運動，不論在本身位置振動或從一位置通過網絡的網隙躍遷到另一位置都比較容易#65377;因此，隨著Y值的遞減，出現熱膨脹系數增大的現象^[7]#65377;隨著氧化鋰的增加，橋氧平均數逐漸減小，并且由于沒有出現低膨脹系數的鋰輝石等晶體，因此熱膨脹系數逐漸增加#65377;

4 結論

在配制的熔塊中，由于氧化鋰的助熔效果，少量的氧化鋰將使熔塊的始熔溫度降低;但過量的氧化鋰會導致LiAlO₂的生成，反而會使熔塊的始熔溫度升高#65377;同時氧化鋰含量的增加將使熔塊的熔融溫度范圍變窄#65380;致密性增加#65380;熱膨脹系數逐步增加#65377;在力學性能方面，熔塊的抗折強度在氧化鋰含量為0%～5%的范圍內變化不大，但在氧化鋰含量為10%時出現了比較明顯的下降#65377;

參考文獻

1 俞康泰.現代陶瓷色釉料與裝飾技術手冊[M].武漢，武漢工業大學出版社，1999

2 樊震坤，劉賢紀等.精細瓷餐具系列熔塊釉的研究[J].中國陶瓷，1997，33(4):29～34

3 Richard A Eppler.Formulation of Glazes for low Pbrelease[J].Ceramic Bulletin，1975，P496～499.

4 J.E.Marguis，R A.Eppler.Leadless Glazes for Dinnerware[J].Ceramic Bulletin，1974，P443～445

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6 李家駒.陶瓷工藝學.[M]北京，中國輕工業出版社，2001，1

7 陸佩文.無機材料科學基礎[M].武漢，武漢工業大學出版社，1996，8

Influence of Lithia on Performances of Low Temperature Frit

Sun Daihao Wu Jianqing

(College of Materials Science and EngineeringSouth China University of Technology Guangzhou 510640)

Abstract: The influences of lithia content on the melting temperature，mechanical properties and thermal expansion coefficient of low temperature frit were studied. The results showed that with the increase of lithia content，the melting temperature and water absorption decreased，the range of melting temperature became narrow，and thermal expansion coefficient increased.

Keywords: lithia， low temperature frit， performance