添加劑CMS對莫來石陶瓷的影響

夏維煌++方仁德++楊華亮

摘 要：本文以粘土、氧化鋁粉及硅酸鋯等原料為基礎配方，在陶瓷成型過程中，以CMC和CMS為添加劑，在確保陶瓷成型正常的前提下，考察CMS對陶瓷的影響。成型添加劑分別為：2.5%的CMC，2.0%的CMC加0.5%的CMS，1.75%的CMC加0.75%的CMS，試驗結果表明：隨著CMS加入，氧化鈉及玻璃相的含量逐漸降低，晶相的含量隨之增大；但CMS過量時，晶體異常長大，燒結性能降低，燒結體的抗彎強度和強度保持率有所降低。

關鍵詞：莫來石；CMS；強度

1 引言

莫來石-剛玉質復相陶瓷因同時具有莫來石相熔點高、熱膨脹系數低、抗蠕變、抗熱震和剛玉相彈性高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等特點，使得其性能優于純剛玉陶瓷和純莫來石陶瓷。其次，由于莫來石與剛玉相熱膨脹系數的不同，復相陶瓷內部存在熱膨脹失配，可形成微裂紋，在熱應力的作用下裂紋吸收彈性應變能，使驅動主裂紋擴展的能量降低，復相陶瓷的斷裂表面能提高，從而提高抗熱震性。

為了實現結構陶瓷擠出成型，需要加入一定量的羧甲基纖維素鈉（CMC），這是因為CMC在成型過程中不僅起著粘結作用，更是作為賦形劑、可塑劑、增強劑等[1]，可增加坯料粘結力，使坯體易于成型。但CMC的價格居高不下，且陶瓷用CMC中氧化鈉含量一般大于10%，這對結構陶瓷的性質影響較大。CMC是精制棉經過加工制成的，而羧甲基淀粉鈉（CMS）是由玉米淀粉通過加工制成，粘度較CMC低，價格較CMC低廉，在某些應用方面可以取代CMC。除此之外，使用CMS后生坯抗折強度成倍提高、坯體的破損率得到降低，這在生產中具有十分重要的意義。

本文通過在陶瓷成型中使用一定量的CMS取代CMC，制備出成型合格率高且性能較優的陶瓷。

2 試 驗

2.1 剛玉莫來石陶瓷的制備

根據原料的化學組成進行配方計算，按照下列工藝過程制備試樣。

原料→配料→濕法球磨→干燥、造粒→成型→干燥→燒成，細磨料全部過200目篩，加入一定量的添加劑，采用半干法壓制成型，成型壓力為30 MPa，成型添加劑分別為：2.5%的CMC，2.0%的CMC加0.5%的CMS，1.75%的CMC加0.75%的CMS，試樣編號分別為1#、2#和3#，試樣尺寸為： 50×10×5mm。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中于1640℃、1650℃、1660℃和1670℃保溫6 h 燒成，后自然冷卻。

添加劑的性質如表1所示。

2.2復相陶瓷的性能表征

采用阿基米德法測試燒結體的吸水率、孔隙率和體積密度；采用Y-4型的X射線衍射儀分析試樣的晶相；采用JM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷面微觀形貌；采用三點彎曲法測量燒結體的抗折強度；以試樣經過1150℃抗熱震性后的抗折強度保持率表征其熱穩定性。

3 結果與討論

3.1 試樣的燒結狀況

從圖1可知，3個配方的吸水率隨著燒成溫度的升高，呈逐漸下降的趨勢，但隨著溫度的繼續升高，1#配方在1660℃之后吸水率依然急速下降，其余2個配方則趨于穩定，說明加入一定量的CMS能明顯改變陶瓷的燒結性能。加入CMS后吸水率有所降低，這是因為CMS呈顆粒狀，較CMC的溶解性能好，在加水攪拌后能迅速溶解，減少成型坯體的空隙，因此，加入CMS后陶瓷的燒結致密度得到了提高；隨著CMS量的增加，陶瓷的體積密度稍有下降，這是因為CMS水解后，其粘度迅速下降，陶瓷的結合力急速下降。由圖1可看出，2#配方在1660℃燒結性能最佳。

3.2 不同粘結劑配方對燒結體的結構影響

陶瓷中的堿金屬和堿土金屬氧化物的含量直接影響著其玻璃相的含量，而玻璃相的含量、種類及其性質對陶瓷的性能影響甚大，因此本文主要從玻璃相的角度進行分析，研究CMS對材料的性能的影響。

從表2可以看出，隨著添加劑中CMS含量的增加，陶瓷中非晶相（中間體）的含量逐漸降低。這是因為，隨著CMS含量的提高，CMC含量相對降低，配方中的氧化鈉含量減小，而鈉離子的活性較大，在高溫段很容易爭奪粘土中的二氧化硅，與其反應，形成鈉硅玻璃相，因此3#粘結劑配方中的玻璃相含量最小。

結構陶瓷在高溫段，玻璃相的含量、粘度和對晶體的表面張力等均影響著陶瓷的高溫性能，以下對三個添加劑配方所燒制的陶瓷斷面掃描電鏡進行分析。

從圖2可以看出，添加劑中CMS含量為0%時，非晶質相的含量較高，晶體細小，這主要是因為玻璃相含量較大，晶體發育不完全，尤其是莫來石相的含量；當CMS含量為0.5%時，氧化鈉含量降低，玻璃相的含量降低，在高溫段迅速將細小的莫來石晶體包裹，晶體棱角較少，晶體發育生長較好，晶體呈交錯排列，結構致密；當CMS含量為0.75%時，隨著氧化鈉含量的繼續降低，玻璃相對晶相的表面張力增大，使晶體難以被玻璃相濕潤，晶體異常長大，導致晶體生長不均勻，故存在一定的空隙，吸水率 增大。

3.3不同粘結劑配方對燒結體的性能影響

圖3 不同粘結劑成型后在1660℃下燒成后的抗彎強度

從圖3可以看出，編號為2#的條狀莫來石晶體發育良好。這是因為：加入一定量的CMS，有利于形成交錯的網絡結構，玻璃相和第三相填充在網絡結構的間隙中，在經過1150℃的熱震后，這些網狀結構對熱沖擊起到緩沖作用，因而強度保持率最高，為52.83%；但CMS過量時，晶體異常長大，導致孔隙率較大、結構疏松，抗彎強度和強度保持率都有所降低。

4 結 論

CMS的加入量直接影響著莫來石陶瓷中的玻璃相含量，進而影響陶瓷中微觀結構和性能，隨著CMS含量的增加，晶體發育良好，陶瓷熱穩定性都有所提高，但CMS過量時，玻璃相的含量和性能改變了晶體的結構，陶瓷的性能降低。添加劑為2.0%的CMC和0.5%的CMS時，陶瓷結構和性能最佳。

參考文獻

[1] 尹繼明.淺說CMC和CMS [J].造紙化學品， 2004， 26（6）： 12-17.