從陶瓷缺陷看原料標(biāo)準(zhǔn)化的意義

摘 要：本文利用電子掃描顯微鏡（SEM）分析幾個(gè)陶瓷成品缺陷的成因，論述陶瓷原料對(duì)陶瓷缺陷產(chǎn)生的影響，進(jìn)而探討陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)避免陶瓷缺陷、提高陶瓷產(chǎn)品的性能和質(zhì)量穩(wěn)定性的重要意義。

關(guān)鍵詞：電子掃描顯微鏡；陶瓷成品缺陷；原料標(biāo)準(zhǔn)化

1 概 述

一直以來(lái)，陶瓷成品缺陷都是陶瓷生產(chǎn)中的老大難問(wèn)題。各種陶瓷缺陷的產(chǎn)生，不僅使陶瓷生產(chǎn)的廢品率有所上升，增加了不必要的生產(chǎn)成本，還會(huì)嚴(yán)重影響陶瓷本身的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，降低產(chǎn)品的穩(wěn)定性。因此，如何避免陶瓷缺陷的產(chǎn)生，是陶瓷生產(chǎn)非常關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

通常來(lái)說(shuō)，陶瓷缺陷主要分為技術(shù)指標(biāo)缺陷和外觀缺陷，技術(shù)指標(biāo)類(lèi)的主要有吸水率、熱穩(wěn)定性、抗折強(qiáng)度、彈性模數(shù)等；外觀缺陷有變形、斑點(diǎn)、開(kāi)裂、生瓷、缺釉等，是陶瓷成品中顯而易見(jiàn)的缺陷。每種缺陷的產(chǎn)生都有其客觀原因，而陶瓷原料作為陶瓷生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其技術(shù)指標(biāo)及穩(wěn)定性對(duì)陶瓷產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有著根本性的影響。本文擬通過(guò)電子掃描顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)陶瓷成品的缺陷位置進(jìn)行分析，論述陶瓷原料標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)優(yōu)化陶瓷生產(chǎn)的重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)方法

這次實(shí)驗(yàn)一共選取3個(gè)有缺陷的陶瓷成品進(jìn)行測(cè)試，把有缺陷的陶瓷成品從缺陷處切開(kāi)，然后把樣品切成1cm×1cm×1cm左右的方塊。用拋磨機(jī)把缺陷所在的切面和底面磨平，用自來(lái)水沖洗干凈，然后放入烘箱中在100～110℃下烘干2h。所有樣品均不作噴鍍處理。

實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試儀器是FEI Inspect 電子掃描顯微鏡，工作電壓為20kV，測(cè)試時(shí)采用低真空狀態(tài)（30Pa），背散射成像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

樣品1是一個(gè)釉面出現(xiàn)黑斑的潔具瓷片，屬外觀缺陷。圖1是其縱切面的SEM圖像，為背散射成像。在背散射成像中，圖像中各點(diǎn)的亮度與其化學(xué)成分密切相關(guān)，該點(diǎn)所含元素的序號(hào)越大，重元素含量越高，則該點(diǎn)的亮度越大。從圖中可以看出，黑斑所在的區(qū)域1的亮度稍稍高于周?chē)恼^(qū)域，可能是重元素雜質(zhì)混入所致。再結(jié)合表1中黑斑所在區(qū)域1與正常區(qū)域2的EDS結(jié)果對(duì)比，在區(qū)域1中，出現(xiàn)了異常的鉻、鐵和鎳含量，很明顯與不銹鋼碎片混入有關(guān)。不銹鋼是人造材料，不可能來(lái)自于天然礦物本身，只能是原料生產(chǎn)中的雜質(zhì)混入或來(lái)自陶瓷生產(chǎn)流程。黑斑的擴(kuò)散范圍不大，僅限于釉料表面以下15μm左右，因此推測(cè)不銹鋼雜質(zhì)并非來(lái)自原料本身，而可能是在生產(chǎn)過(guò)程中不銹鋼容器或管道掉落而產(chǎn)生污染。不銹鋼碎片掉落在釉料表面，隨著燒成過(guò)程在釉面上形成黑斑。這個(gè)缺陷的產(chǎn)生與原料本身沒(méi)有直接關(guān)系，是生產(chǎn)處理程序不規(guī)范所導(dǎo)致。

樣品2是一塊釉面出現(xiàn)針孔的地磚瓷塊，同樣屬于外觀缺陷。從其SEM圖像（圖2）可以看出，針孔產(chǎn)生的深度很大，穿過(guò)釉料和化妝土層直達(dá)坯體。針孔的形狀接近柱狀，在底部的坯體部分可看到明顯的熔融現(xiàn)象，表明針孔的產(chǎn)生是一個(gè)“自下而上”的過(guò)程，其根源可能來(lái)自坯體在燒成中發(fā)生局部熔融。從表2各區(qū)域和點(diǎn)的EDS結(jié)果對(duì)比可以明顯看到，在點(diǎn)2、3、4中檢測(cè)到了較高的錳和鉛含量。在組成坯體的常用天然原料如粘土、石英、長(zhǎng)石、方解石中，錳和鉛一般以痕量元素的形式存在，含量很低。而在正常的釉面區(qū)域1和坯體區(qū)域5中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的錳和鉛含量，表明點(diǎn)2、點(diǎn)3和點(diǎn)4中的錳和鉛是異常組分。單獨(dú)由鉛和錳組成的合金材料很少見(jiàn)，因此，鉛和錳的污染應(yīng)該是來(lái)自原料本身，很有可能是來(lái)自粘土原料。通常情況下，雖然粘土原料的化學(xué)成分和礦物組成非常復(fù)雜多變，但是錳和鉛的含量一般都很低，難以大量積聚。不過(guò)在某些特定環(huán)境下，比如說(shuō)地表風(fēng)化帶中，在氧化環(huán)境下可以形成含高價(jià)錳的天然礦物，例如鉛硬錳礦。這類(lèi)含高價(jià)錳的天然礦物在常溫下比較穩(wěn)定，但是在高溫下會(huì)發(fā)生分解并產(chǎn)生氣體。綜合圖2以及表2各區(qū)域和點(diǎn)的EDS結(jié)果對(duì)比，推斷的情況是，在坯體中靠近化妝土的位置積聚了微量的高價(jià)錳礦物，在燒成過(guò)程的高溫下，這些高價(jià)錳礦物發(fā)生分解并產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致坯體發(fā)生局部熔融。隨著熔融范圍的擴(kuò)大以及氣體逸出的影響，化妝土遭受波及并最終導(dǎo)致化妝土和釉面相繼塌陷而形成針孔。這個(gè)陶瓷缺陷的形成，主要是由于原料質(zhì)量的不穩(wěn)定所致。

樣品3是一塊帶黑點(diǎn)的絕緣陶瓷坯體的瓷件，屬于技術(shù)指標(biāo)缺陷。這種黑點(diǎn)在該樣品中非常普遍，大小不一。從圖3可以看出，該黑點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)空洞，在空洞內(nèi)部，縱橫交錯(cuò)的針狀或柱狀莫來(lái)石晶體清晰可見(jiàn)。眾所周知，陶瓷坯體熟料的物相主要由玻璃相、莫來(lái)石和少量的方石英組成，而由于玻璃相物質(zhì)的存在，通常情況下是無(wú)法直接通過(guò)顯微鏡或者SEM觀察坯體中的莫來(lái)石，必須通過(guò)氫氟酸腐蝕把坯體中的玻璃相溶解以使莫來(lái)石晶體顯露出來(lái)，才能通過(guò)顯微鏡或者SEM直接觀察。空洞內(nèi)部清楚可見(jiàn)的莫來(lái)石晶體表明，玻璃相和莫來(lái)石之間產(chǎn)生了比較徹底的熔離現(xiàn)象，該空洞實(shí)際上是由于坯體局部熔融產(chǎn)生的熔孔。

而在表3熔孔區(qū)域與正常區(qū)域的EDS結(jié)果對(duì)比中，除了由于玻璃相熔離造成熔孔區(qū)域Al2O3偏高外，兩者的化學(xué)成分并無(wú)根本性差別。可見(jiàn)，熔孔的產(chǎn)生并非雜質(zhì)混入引起。造成如此普遍而劇烈的坯體局部熔融的原因，個(gè)人認(rèn)為可能是由于原料中助熔劑的粒度分布不均勻所引起。在燒成過(guò)程中，坯料中助熔劑的粒度分布不均勻，導(dǎo)致在局部范圍內(nèi)助熔劑比例過(guò)高而使坯體產(chǎn)生局部熔融，其中玻璃相相對(duì)比較容易被熔體所融化，最終導(dǎo)致玻璃與莫來(lái)石晶體發(fā)生熔融分離而形成熔孔，即肉眼所見(jiàn)的黑點(diǎn)。該缺陷的形成，同樣與原料質(zhì)量的不穩(wěn)定有密切關(guān)系。

綜上所述，所列舉的三個(gè)陶瓷缺陷均是由原料質(zhì)量的不穩(wěn)定或者生產(chǎn)過(guò)程的不規(guī)范所引起，可見(jiàn)，確保陶瓷原料的穩(wěn)定性，對(duì)避免陶瓷缺陷的產(chǎn)生有決定性的意義。

4 討 論

誠(chéng)然，陶瓷原料的不穩(wěn)定并非是導(dǎo)致陶瓷缺陷的唯一因素，然而，作為陶瓷生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其技術(shù)指標(biāo)及穩(wěn)定性對(duì)陶瓷產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有著根本性的影響。在如何避免陶瓷缺陷的問(wèn)題上，提高陶瓷原料的穩(wěn)定性是最基本的方法。而要提高陶瓷原料的穩(wěn)定性，其中最有效的途徑就是實(shí)現(xiàn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化。

第一，陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化已成為制約國(guó)內(nèi)陶瓷行業(yè)發(fā)展的瓶頸。陶瓷原料主要來(lái)自各種天然礦物材料，例如粘土、高嶺土、長(zhǎng)石、方解石和白云石等，這些天然原料都是在特定的地質(zhì)條件下經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的地質(zhì)作用形成的，是一套極其復(fù)雜而且不受人力掌控的系統(tǒng)。來(lái)自不同礦源或者來(lái)自同一礦源不同區(qū)域的原料，都難免出現(xiàn)礦物組成、粒度組成、化學(xué)組成及其它理化性能的波動(dòng)，這正是造成陶瓷原料不穩(wěn)定性的根源。實(shí)現(xiàn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化，正是要通過(guò)人工方法使質(zhì)量多變的天然礦物原料趨于穩(wěn)定化，從而提高陶瓷生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性，使陶瓷生產(chǎn)企業(yè)可以集中精力更好地去搞設(shè)計(jì)、搞研發(fā)，提高產(chǎn)品的附加值，加強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

第二，實(shí)現(xiàn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化有助于推動(dòng)非金屬礦物產(chǎn)業(yè)向深加工的方向發(fā)展。天然非金屬材料都不可避免地出現(xiàn)化學(xué)性能和理化性能上的波動(dòng)，而目前國(guó)內(nèi)的非金屬產(chǎn)業(yè)主要由私營(yíng)企業(yè)經(jīng)營(yíng)，存在規(guī)模小、高度分散、設(shè)備落后、加工程度低等問(wèn)題。很多非金屬企業(yè)更是直接銷(xiāo)售原礦礦石或者初級(jí)產(chǎn)品，連產(chǎn)品的質(zhì)量都無(wú)法保證，更遑論實(shí)現(xiàn)原料的標(biāo)準(zhǔn)化。因此，在促進(jìn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程中，必然需要非金屬企業(yè)更新設(shè)備、改善加工工藝、加強(qiáng)研發(fā)投入，研發(fā)出經(jīng)過(guò)精細(xì)加工的產(chǎn)品，降低產(chǎn)品波動(dòng)，增加產(chǎn)品的附加值，從而推動(dòng)非金屬礦物產(chǎn)業(yè)全面向深加工的方向發(fā)展。

第三，實(shí)現(xiàn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化有利于優(yōu)化自然資源的合理利用。陶瓷原料主要來(lái)自各種天然礦物，無(wú)論是粘土還是高嶺土或者是長(zhǎng)石等其它礦物，都是不可再生資源，陶瓷的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際上也是自然資源的消費(fèi)過(guò)程。我國(guó)非金屬礦物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展比較落后，產(chǎn)品以原礦或者初級(jí)產(chǎn)品為主，很多產(chǎn)品都是以簡(jiǎn)單的幾項(xiàng)指標(biāo)例如粒度、鐵含量或鋁含量等劃分產(chǎn)品規(guī)格，根本無(wú)法達(dá)到自然資源的合理利用。推動(dòng)原料的標(biāo)準(zhǔn)化，必然需要更加精細(xì)的原料分級(jí)系統(tǒng)，明確原料的適用范圍，使原料的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，從而促進(jìn)自然資源的合理利用。

5 總 結(jié)

實(shí)現(xiàn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化是減少陶瓷缺陷的形成的最基本的途徑。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)陶瓷原料的標(biāo)準(zhǔn)化還能推動(dòng)自然資源的合理利用和非金屬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而達(dá)到原料供應(yīng)與消費(fèi)之間的動(dòng)態(tài)平衡，促進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)與非金屬產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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