淺談鋰輝石在日用陶瓷中的應用

摘 要:本文介紹了鋰輝石的主要性能，該礦在全球的分布與質量情況。詳細分析了鋰輝石在日用陶瓷中的研究和應用狀況，以及近年來將鋰輝石應用于日用陶瓷研究所取得的相關成果。

關鍵詞:鋰輝石;日用陶瓷

1 鋰輝石的物理、化學性能

鋰輝石是含鋰的輝石類礦物，天然鋰輝石有白色、灰色、黃色、綠色、紅色至褐色等，顏色變化主要與光學結構有關，容易呈多色性，此外與鐵鈦等過渡元素及微量稀土元素的種類和含量也極其有關。鋰輝石之所以叫輝石，是因為從發光性角度講受熱或受光后能蓄存能量，并能發出輝光或熒光。作為鋰鋁硅酸鹽，LiAl(SiO3)2的理論Li2O含量為8%，是自然界含Li2O量最高的鋰鋁硅酸鹽礦物。鋰輝石生成于富鋰的花崗偉晶巖中，與長石、石英、鋰云母等礦物共生，屬于不飽和輝石族礦物，單斜晶系，沿(110)晶面表現出明顯的解理，以至沿解理面生成板條狀顆粒。

鋰輝石在1000℃左右發生不可逆轉化，由α鋰輝石轉達變為β鋰輝石，比重也由3.03～3.2轉變為2.4 左右。生成的β鋰輝石屬于四方晶系，熱膨脹系數非常低。此外，作為不飽和的鋰鋁硅酸鹽能吸納硅進入固溶體，能有效減少殘余石英晶相的產生，從而達到助熔、增透、快燒、降低膨脹系數的目的。與其他偉晶花崗巖鋰礦物(透鋰長石、鋰云母、鋰長石、鋰瓷石)相比，具有以下特點:

(1)鋰輝石是不飽和的硅鋁酸鹽礦物，不飽和有兩個特點，即單獨使用具有耐火性，可耐1450℃高溫不燒結、不熔融，可用作耐火粉;和其他硅酸鹽礦物復合使用，可奪硅而形成低溫的長石瓷，這一點是其它礦物所不具有的優點。

(2) 鋰輝石晶型轉變特點，鋰輝石高溫轉變的不可逆和膨脹特點，可以防止坯體或釉的高溫收縮，適合低溫快速燒成，這一點是其它礦物所不具有的優點。

(3) 超透性特點，鋰輝石能吸納硅，使玻璃、陶瓷更透光，而透鋰長石是在高溫析出硅進一步轉變成鋰輝石，釋放出的硅影響透光性。鋰瓷石和鋰長石是含鋰云母的瓷石或長石偉晶花崗巖，所以與鋰云母性質一樣含氟及鉭鈮稀土雜質多，不僅影響色度而且影響透光度。

(4) 此外，澳大利亞基瓦里鋰輝石，原礦鋰輝石含量在50%以上，雜質少于1%，精選后可獲的Li2O含量大于7.5%、鐵含量小于0.1%的精選鋰輝石精礦，這是其它鋰礦物和其他地區的鋰輝石礦所不具有的特點。

2 國內外鋰輝石礦物的用途、分布及質量

據有關文獻報道，鋰產品在各行業的消費比例是:陶瓷和玻璃21%、電池20%、潤滑劑17%、醫藥5%、聚合物4%、空調制冷劑8%、鋁冶煉5%、合金和農業等其他應用20%。中國國土資源網有一篇主標題為《全球據“鋰”力爭》、副標題為《哥本哈根減排議題掀起新能源產業熱潮》的文章，文章就預計了未來鋰礦物的應用將集中在玻陶和電池這兩個方面。

鋰輝石礦主要分布在澳大利亞、加拿大、芬蘭、中國、津巴布韋、南非和剛果。澳大利亞鋰資源主要分布在澳大利亞西部波斯地區格林布什花崗偉晶巖礦床，這是世界上最大的鋰輝石礦床。加拿大鋰資源主要分布在安大略省伯尼克花崗偉晶巖礦床，含鋰礦物主要是鋰輝石和透鋰長石。津巴布韋鋰資源主要分布在馬斯韋古省，比基塔鋰輝石花崗巖礦床長1700km，寬20～70m，是津巴布韋最大的鋰輝石礦床。南非含鋰輝石花崗巖主要分布在卡普省，鋰礦物資源儲量約為300億噸。中國擁有儲量占全球十分之一的鋰礦藏，是世界第三大鋰生產國。中國偉晶花崗巖鋰礦床分布于四川、新疆、河南、江西、福建、湖南和湖北，其中四川省甲吉卡偉晶巖型鋰輝石礦床氧化鋰含量1.28%，儲量103萬噸，是世界上開采前景最好的鋰輝石礦床之一。

3 鋰輝石在日用陶瓷中的應用狀況

3.1低鐵陶瓷級鋰輝石加工方法的研究

我國對低鐵陶瓷級鋰輝石的應用研究較早，1964年中國科學院硅酸鹽化學與工學研究所的閔嗣桂和印保忠發表了《Li2O-Al2O3-SiO2系統微晶玻璃晶相的研究》一文，詳細介紹了鋁硅酸鋰玻璃陶瓷的性能，直到2002年德國的肖特玻璃公司才通過PCT間接在我國申請了相同內容的專利。鋁硅酸鋰玻璃陶瓷的發明引起國內科技工作者對低鐵鋰輝石的關注和研究熱情。1964年L.J.Weir、E.E.Moskovits和柯家駿采用陰離子捕收劑、乳劑在試驗室和半工業性選礦廠試驗浮選回收偉晶巖中的鋰輝石，應用于鈹偉晶巖的類似方法，得到了較好的結果。1966年何啟民基于優先浮選鋰輝石的流程獲得的鋰輝石精礦通常含有大量鐵的現狀，按反浮選鋰輝石的流程獲得鋰輝石精礦。其流程是在從礦物中浮出長石、石英、云母之后，再于氟化氫介質中利用樹脂酸鈉鹽浮選出含鐵的礦物，這樣處理以后，槽內產品即是鋰輝石精礦，這中精礦在許多情況下能直接用于陶土。1973年在新疆有色金屬公司富特礦實現了商品性生產，1982年，新疆冶金研究所對陶瓷瓷級鋰輝石選礦工藝進行了研究，并對新疆可可托海3號鋰輝石礦進行了加工，獲得了理想的陶瓷級鋰輝石精礦，并開始正式向國內提供了三種低鐵鋰輝石。

相對于國內鋰輝石原礦礦物組成復雜、獲得的低鐵鋰輝石級別與國際相比仍較低的情況，澳大利亞基瓦里公司的叢林綠鋰輝石礦原礦具有鋰含量高、純度高、雜質少的特點。1983年已經進入日本市場，開始向日本公司提供含Li2O7.0%的鋰輝石精礦，被應用于顯像管、特殊玻璃、陶瓷器具生產研究中。

3.2鋰輝石在日用陶瓷中的應用研究

1982年，新疆冶金研究所和輕工設計院均指定專人同烏魯木齊市玻陶行業掛鉤，全面開展鋰輝石在玻璃陶瓷中的應用研究工作。1983年新疆冶金研究所完成了在碎玻璃中引入鋰輝石的試驗，這項試驗在配方中使氧化鋰含量達到0.2%時，料熔化快、開窯早、氣泡少、料性好、硬得快。并使玻璃性能有一定改進，增加了玻璃的強度、提高了成品率，并使成本降低12元/噸;1983年新疆輕工設計院完成了對陶瓷耐熱鍋的研究，取得了較好的成果。鋰質耐熱炻器的熱膨脹系數小、強度大、耐酸堿，所以廣泛應用制作燉鍋、火鍋、藥罐，以及一切需要在明火直接煮沸的器皿材料;1986年山東新材料研究所將鋰輝石應用于耐溫度激變的黑色陶瓷中并申報了鋰輝石應用的第一個專利;1986年南京大學的方鄴森教授等針對當時日用陶瓷年耗能量折合成標準煤約在260萬噸以上的能源消耗和節能任務緊迫的狀況，提出利用鋰輝石等含鋰礦物在不影響質量的前提下，通過工藝革新將最高止火溫度適當降低的低溫燒成技術，20多年后其技術在新時期的陶業節能減排背景下仍大有用途;1988年中國科學院上海硅酸鹽研究所將其研究成果轉讓給浙江紹興瓷廠，同年9月試驗的低膨脹微晶陶瓷板通過了省級技術鑒定，但遺憾的是其成果仍未申報專利。1989年湖南省醴陵市群力瓷廠胡波申報了《高氧化鋁高強度日用瓷及其生產方法》專利。該瓷的氧化鋁含量為35%～48%(重量比)，坯料原料采用鋁礬土、粘土、長石作為主要原料，并加入0.1%～0.2%的氧化鋰(Li2O)，由鋰長石或鋰輝石引入作為輔助熔劑，鋁礬土原料一般采用鋁礬土熟料，粘土也采用一部分熟粘土，從而使得抗折強度≥1400kg/cm2，抗沖擊強度≥4.0kg/cm2。

1991年1月景德鎮陶瓷學院的周健兒教授等利用鋰輝石研制出了耐熱陶瓷炊餐具。試驗充分利用江西省陶瓷原料，引入適量的鋰輝石和廉價的柳家灣鎂質粘土，采用普通的日用瓷制造工藝，研制出一種新型的硅酸鋰鎂質的耐熱陶瓷炊餐具。該產品具有強度高(800kg/cm2)、穩定性好(510～20℃一次交換不裂)、釉面光潤、成本低等優良性能。由于景德鎮陶瓷學院的研究成果獲得了一致好評，1994年在江西景德鎮陶瓷學院舉行了國內第一屆低鐵鋰輝石在陶瓷行業的應用的學術研討會，這次會議把鋰輝石在日用陶瓷的應用研究推向了新的高潮，這一年，四川天齊實業公司獲得澳大利亞桑斯夸拉爾(SONS OF GWALIA)公司鋰輝石在中國的獨家銷售總代理，標志著澳大利亞鋰輝石正式進軍中國大陸市場。

1995年，華南理工大學的胡曉洪和張慶今兩位教授發表了《鋰輝石的工業應用》一文。文章重點介紹了鋰輝石在陶瓷工業中的應用，闡明在制品中添加鋰輝石，能降低燒成溫度，提高機械強度、抗熱振性以及具有良好的化學穩定性。此文無疑于再次吹響鋰輝石在日用陶瓷中應用研究的號角;1996年，王世興研制了鋰輝石質玻化磚;1997年山東硅酸鹽研究設計院、西北輕工學院等單位又研究了《三組份鋰質瓷燒成中的物相變化》，研究表明:1000℃以上β-鋰輝石與Al-Si尖晶石、石英反應生成β-鋰輝石固溶體，隨著溫度升高，β-鋰輝石固溶體中SiO2量增加，其d(201)值變小;降溫過程中，β-鋰輝石固溶體從液相中析出，析晶速度較快時，其d(201)值較小;1999年，四川天齊實業公司的趙明等研究了澳洲高鋰、低鐵、鈦、錳鋰輝石對瓷質磚坯體玻化性能的影響，研究結果表明:鋰輝石不僅能降低瓷磚坯體的玻化溫度，而且還可與滑石混合使用起到助熔效果。鋰輝石坯體的助熔機理與長石相似，坯體的顯微結構與無鋰坯體的顯微結構相似，但無鋰坯體的燒成溫度更高、燒成時間更長。鋰輝石坯體的強度有所提高，色澤有所加深;鋰離子能在更低的溫度下從鋰輝石殘體中脫離并擴散出去，這樣在殘體內生成莫來石。之后，西北輕工學院還研究了《鋰輝石、石英粒度與鋰質耐熱瓷抗熱震性能的關系》，河北理工學院輕工分院也開展了《鋰質耐熱日用陶瓷材質及其機理的研究》，湖南輕工業專科學校進行了《復合礦化劑降低陶瓷燒成溫度的試驗研究》，沈陽冶金研究所也報道了《國內外鋰礦物在琉璃陶瓷工業中的應用》情況。這些研究為以后實際應用打好了理論基礎。

3.3鋰輝石在日用陶瓷中的應用成果

進入二十一世紀后，鋰輝石的應用更是飛速發展。2001年韓復興在廣東佛山嘉俊陶瓷公司成功將鋰輝石應用于微晶玻璃復合板熔塊的生產中，并獲得了極大成功，后繼續努力成功應用于 《 即熱式電熱水器陶瓷管的研制》;2005年韓復興在廣東高明首次推出壓延微晶玻璃建材板，并成功將鋰輝石應用于壓延微晶玻璃的生產中。

2002年浙江省余姚市陸埠廟后寧波億達電器有限公司的施軍達發明了《陶瓷慢燉鍋及其制作工藝》。陶膽制作工藝分為坯料、釉料的配比，成形與焙燒。坯料分有甲料和乙料，甲料:鋰輝石、滑坯石、二氧化鋁;乙料:高嶺土、黑粘土、長石，細度200目。釉料:長石、方解石、滑石、氧化鋅、碳酸鋇、高嶺土，細度300目。焙燒:焙燒溫度1345～1350℃，時間為24h。陶膽具有良好的抗熱沖擊性能，熱急變溫度范圍大，適用于炊具的使用條件。甲料:鋰輝石45%～55%，滑石28%～38%，三氧化鋁12%～22%;乙料:高嶺土50%～60%，黑粘土20%～30%，長石15%～25%。先將甲料按配比稱量后進球磨機，濕磨20h，使細度達到200目，再出料→脫水→烘干→煅燒1200℃;再按甲料經煅燒后的45%～55%、乙料45%～55%的比例進行投料加工;釉料配方:長石51%～61%，方解石5%～15%，滑石8%～18%，氧化鋅2%～6%，碳酸鋇12%～22%，高嶺土5%～15%;按配方稱料進球磨機濕磨100h，使細度全部通過300目篩;焙燒溫度1345～1350℃，焙燒時間24h。

2005年5月杭州民生陶瓷有限公司的金堯根和王建祥發明了《一種高抗熱震陶瓷及其制造方法》的專利。專利解決了“既使陶瓷制品擁有較高的抗熱震性能，又使陶瓷制品釉面達到了較高的抗污染性能”的技術問題。該陶瓷制品特點如下:

(1) 其坯料的組分為:燒鋰輝石粉 35%～55%、優質高嶺土40%～55%、石英0～10%;

(2) 釉料為低溫釉料:燒鋰輝石粉50%～75%、龍泉瓷石粉8%～15%、燒氧化鋅0～10%、石英0～10%、燒滑石粉5%～10%、碳酸鋇5%～12%;其釉料或者為高溫釉料:燒鋰輝石粉50%～70%、1#蘇州土5%～10%、 燒氧化鋅0～10%、石英5%～15%、燒滑石粉0～8%、碳酸鋇7%～15%。兩種制造方法均采用三角釘裝燒法。

2006年4月20日醴陵市天鑫瓷業有限公司的林紀斌提交了一個叫《一種薄胎透明的晶玉陶瓷材料》的發明專利。它可提供一種透光性強、白度高、體簿輕巧、瓷質堅韌的薄胎透明晶玉陶瓷材料，以供生產高檔日用出口瓷器之用。發明的組成物包括滑石、礦化劑、 結合粘土、固體添加劑及增韌劑，其特征在于所述的各組成物的重量配比為: 滑石75%～84.4%;礦化劑由長石、方解石、石英和鋰輝石組成，它們的配入量依次為6%～51%、10%～13%、0～22%;結合粘土3%～14.8%;固體添加劑由氧化鋇、 氧化鋅和氧化鎂組成，它們的配入量依次為4%～6.8%、0～2%、0.2%～7.2%;增韌劑氧化鋯0～2.9%。

2008年湖南華聯瓷業有限公司鐘國前等提交了《一種中溫日用陶瓷裂紋釉的制作方法》，在常規裂紋釉的基礎上，添加含鋰的原料，并將部分原料制成裂紋熔塊，通過裂紋熔塊與常規的白瓷坯體料混合的方式制作釉料原料，再通過加水球磨的方式制成釉漿;將釉漿施在白泥生坯上，干燥后入窯，經1240～1280℃燒成裂紋釉。所述的釉料配方為:裂紋熔塊50%～80%、鋰輝石10%～20%、碳酸鋇5%～15%、高嶺土5%～20%。

2008年5月北京盛康寧科技開發有限公司的梁開明教授等提交了名為《一種低膨脹耐熱多孔陶瓷及其制備方法》的專利，專利提及的多孔陶瓷以β-鋰輝石/硅酸鋯為主晶相;所述陶瓷是由65%～90%鋰輝石礦、10%～20%氧化鋯、0～10%石英砂、0～15%鋯英砂、0～10%高嶺土，經過研磨混合、成形、燒結等制備工藝，獲得一種含有均勻分布微孔結構的復相陶瓷，該材料熱膨脹系數在2.0×10-7～20.0×10-7/℃之間，抗彎強度大于100MPa，均勻的微孔結構使其具有優良的抗熱沖擊性能，其制品可廣 泛應用于耐熱廚具、高溫擋板等加熱高溫環境。

2006年5月21日淄博泰山瓷業有限公司的盧德國和姚發忠提交了名為《高強晶玉釉》的專利。專利所述的釉其配料的化學重量百分組成為:SiO2 58%～65%、Al2O3 10%～20%、Fe2O3 0～0.1%、TiO2 0～0.1%、CaO 7%～8%、MgO 2%～4%、KNaO5%～6%、ZnO 4%～5%、 BaO 1.5%～2%、Li2O 0.2%～0.4%、燒失1%～4%。配料原料重量百分組成為:石英20%～25%、長石45%～50%、鐘乳石5%～10%、碳酸鋇2%～5%、氧化鋅2%～4%、鋰輝石2%～4%、燒滑石1%～4%、粘土2%～6%、氧化鋁1%～5%。陶瓷釉坯釉結合牢固，坯釉結合適應性好，特別適用于坯料組成的MgO-Al2O3-SiO2系統和MgO-SiO2-Al2O3-CaO-P2O5多元系統產品，即適應于滑石質瓷、鎂質強化瓷和鈣鎂質強化瓷等。使用于強化瓷白度可達88°以上，光澤度87.7°以上，抗折強度152MPa以上，機械強度高、抗沖擊強度及抗熱沖擊能力強、釉面硬度高、抗劃痕，更適于西餐刀、叉等的接觸。

2008年熊祿生《耐熱紫砂陶瓷器具》專利公開了一種耐熱紫砂陶瓷器具，其生產制作原料包括坯料和釉料，按重量百分比計，坯料按下列組分配比而成:紫砂土1%～15%、鋰輝石25%～38%、鋁質粘土5%～30%、高嶺土 5%～30%、滑石粉2%～6%、礬土5%～20%、熟料5%～20%、鎂質粘士5%～25%;釉料按下列組分配比而成:本坯泥20%～35%、鋰長石10%～25%、熟料15%～25%、熔塊8%～15%、黃土12%～25%、鐵紅 6%～9%、三聚磷酸鈉0～0.15%、水玻璃1～2%，在陶瓷制品原料中加入鋰輝石成份后，能大大提高陶瓷產品的耐熱性，其既可電熱使用，又可明火加熱，且干燒不裂，因而其既可作餐具，又可作飲具。

2008年4月30日醴陵市天鑫瓷業有限公司 林紀兵《一種薄胎透明的白玉陶瓷材料》提供一種薄胎透明的白玉陶瓷材料，以提高日用瓷和禮品出口瓷器產品的質量和競爭能力。材料的組成物包括: 滑石、礦化劑、結合粘土、增塑添加劑及增韌劑，各組成物的重量配比為:滑石60%～75%;礦化劑由長石、方解石和 鋰輝石組成，它們的配入量依次為5%～7%、0～11%、0～2%;結合粘土10%～16.8%;固體添加劑由氧化鋇、氧化鋅和氧化鎂組成，它們的配入量依次為0～2%、0～4%、0.2%～3.2%;增韌劑氧化鋯0～1.5%;增塑劑羧甲基纖維素鈉0～0.015%。

2009年7月10日林貴《一種耐熱陶瓷及其制備方法》專利提供了一種耐熱陶瓷及其制備方法。其原料組成中含有25%～40%的鋰輝石。通過在原料中加入合理配比的鋰輝石，同時采用合理的焙燒溫度和釉燒溫度，獲得的耐熱陶瓷具有優秀的耐熱性，比普通瓷土高65%以上，可在高溫下直火上干燒，且使用時間長，無裂縫出現。

2009年9月4日浙江蘇泊爾家電制造有限公司的蔡才德和潘廣彬提交了《一種麥飯石陶瓷材料及其應用》專利。專利提供的麥飯石陶瓷材料，主要由質量含量如下的原料混合后燒結而成:麥飯石70%～90%，鋰輝石10%～30%。特點主要體現在:微量 元素的溶出具有緩釋性能，可在人體需要的范圍內持續較長時間，同時對麥飯 石中人體不需要的元素的溶出會減少;所得的陶瓷制品具有良好的耐冷熱的性能，減少了使用過程中出現裂紋的現象。

2009年5月12日潮州市聯源陶瓷制作有限公司蔡銳坤的專利提供了《一種含骨質日用強化瓷及其生產工藝》。所述強化瓷坯體包括透鋰長石、氧化鋁粉、骨粉、石英、 龍巖洗泥、貴州土、紫墨節土和腐植酸鈉。其釉料包括透鋰輝石、熔塊釉 317、骨粉、高嶺土、氧化鋯、鉀長石和硅灰石。所述強化瓷的生產工藝， 包括配料、加水球磨、過篩、除鐵、壓濾、粗練、陳腐、精煉、成形、干燥、上釉和窯爐燒成步驟。本發明產品具有機械強度高、熱穩定性好、釉面細潤、白度高、透光度好等優點。其坯體按重量百分比包括以下組分:透鋰長石20%～30%、氧化鋁粉20%～30%、骨粉10%～20%、石英4%～8%、龍巖洗泥15%～25%、貴州土4%～6%、紫墨節土2%～4%和腐植酸鈉0.8%～1.2%;其釉料按重量百分比包括以下組分:鋰輝石14%～20%、熔塊釉31720%～30%、骨粉4%～6%、高嶺土10%～16%、氧化鋯16%～10%、鉀長石5%～9%和硅灰石20%～30%。

4 鋰輝石在日用陶瓷技術開發中的要點

縱觀上述鋰輝石在日用陶瓷中的應用技術特點，我國的鋰輝石在日用陶瓷應用技術開發可分三個階段:第一階段，1960～1980年，主要是低鐵鋰輝石加工方法的研究;第二階段，1980～2000年，主要是低鐵鋰輝石的基礎理論研究和一般應用研究;第三階段，2000～2010年，低鐵鋰輝石的應用研究開始與高科技產品結合起來，并出現了許多專利技術成果。

鋰輝石在日用陶瓷技術開發的未來方向主要集中在以下幾點:

(1) 應用于具有中國特色的陶瓷開發研究中，如福建德化的白玉瓷、山東無棣的珍貝瓷、山東淄博的滑石瓷、河北唐山的骨灰瓷、湖南醴陵的薄胎瓷、江西景德鎮的透光瓷、廣東潮州的強化瓷等傳統日用瓷的優化方面;優化點主要是圍繞強度、耐磨性、透光性、白度、抗急冷急熱和低溫快速燒成方面;

(2) 日用陶瓷的功能化研究，如抗菌陶瓷、防輻射陶瓷、負離子自潔陶瓷、感光陶瓷、發光陶瓷等方面;值得一提的是，我國鋰輝石副礦含電氣石較多，以前是低鐵鋰輝石生產的難題，如果應用于負離子陶瓷的研究，可能會獲得意想不到的效果。