探究氧化鋁微粉對高檔日用瓷物理性能的影響

顏真革 林金良

福建省德化真泰爾陶瓷有限公司

探究氧化鋁微粉對高檔日用瓷物理性能的影響

顏真革 林金良

福建省德化真泰爾陶瓷有限公司

本實驗探究氧化鋁微粉對高檔日用瓷物理性能的影響，實驗采用材料為高嶺土、瓷石、滑石、石英和長石等，并將氧化鋁微粉添加在上述材料中，從而制備日用瓷，并以此來探究氧化鋁微粉的加入量對高檔日用瓷坯體在變形情況、透光性和抗折強度三方面的影響。

氧化鋁微粉；日用瓷；物理性能

一、氧化鋁微粉及日用瓷介紹

氧化鋁(Al2O3)是一種高硬度、高熔點的化合物，適合生產耐火材料，工業級Al2O3是由鋁礬土和硬水鋁石制備而成的，其不溶于水，無臭且無味，在制陶業和礦業等方面又被稱為礬土，可用于有機溶劑的脫水，作為有機反應的催化劑，也可作為拋光劑、研磨劑。用途極為廣泛。

現如今，氧化鋁粉的生產精度逐漸提高，可以達到一微米以下，可以應用于導熱、拋光、電鍍等方面，也可以作為催化劑使用。可以用做各種涂層材料以及各類精密儀器的材料。

日用瓷是指日常生活中所使用的瓷器，其主要材料有瓷石、石英石、高嶺土和長石等，一般的瓷器胎中只有不到3%的鐵元素，耐磨性與不透水性都較高。使用范圍非常廣，市場上主要流通的瓷器有以下幾種：日用細瓷器、日用普瓷器、日用精陶器、普通陶瓷、精細陶瓷、玲瓏日用瓷器等。等級分為優等品、一等品與合格品三類。因其成本較為低廉，易于洗滌與日常的清潔，熱穩定性比較好，可以經受一定的溫差而不炸裂，傳熱較為緩慢，可以用來承裝溫度較高的水或食品，使用時不會燙手，化學性質穩定，抗酸堿能力較強，不會發生生銹老化的現象，且可以減少食物的水分揮發，延長食品的保質期，無毒無害，可大膽地使用，裝飾豐富多彩，非常漂亮，因此受到廣大人們的喜愛，應用領域極為廣泛。

二、氧化鋁微粉對高檔日用瓷物理性能試驗

(一)實驗原料

實驗原料選用高嶺土、瓷石、滑石、石英、長石等材料，高嶺土是一種非金屬的礦產，顏色為白色，且質地比較細膩，具有非常良好的可塑性、耐火性，晶體化學式為2SiO2·Al2O3·2H2O，高嶺土晶體是紹氫氧八面體和硅氧四面體的組合。大多數高嶺土光澤度較低，外觀上會呈現松土狀或質地嚴密的巖塊狀，將高嶺土加水弄濕可以被塑成各式各樣的形狀，并保持當前形狀不改變。根據其質地的不同，可以分為硬質高嶺土、軟質高嶺土和砂質高嶺土三類，硬質高嶺土因其質地較硬，不具有可塑性，只有把硬質高嶺土粉碎后才會具有一定的可塑性；軟質高嶺土因其質地較軟，所以可塑性很強；而砂質高嶺土盡管質地同樣比較松軟，但其中的砂質成分占到了總體質量的百分之五十以上，故其可塑性一般較弱。實驗采用的高嶺土為云南高嶺土，在這種高嶺土中，三氧化二鋁的含量一般在37.5%左右，二氧化硅大約占46.5%，經過燒瓷后會顯出很明顯的白色。

瓷石是一種石質的原料，質地分為堅硬和半堅硬兩種，因其成分包含了制作瓷器的全部成分，是制作瓷器的原料，顏色一般為白色，助熔能力較強。瓷石主要有兩種類型：第一類是高溫瓷石，在1200°C的溫度下也不容易變形，硬度較高，耐火度也較高，故其一般用作制作瓷胎。第二類為低溫瓷石，質地較軟，又被稱為釉石，因其中堿金屬氧化物占比較高，所以耐火度比較低，一般是制作釉料的材料，只有和高嶺土混合后才可以制作瓷器的胚胎。

滑石是一種很常見的硅酸鹽礦物，由含鎂的礦物經過熱液蝕變轉化而成，硬度非常低，在莫氏硬度中，滑石是第一等級，是最軟的一類，手感滑膩，用指甲即可在其表面留下劃痕，所以可以替代粉筆在地上畫出白色的痕跡，顏色有白色或其他較淺的顏色，因其光軸角在10°以下，故呈現半透明感，滑石無臭無味，絕熱性與絕緣性都很高，其耐火度較高，可以用作耐火材料或雕刻材料等。

石英是巖石中主要的成分之一，主要成分為二氧化硅，無色且呈透明狀，質地非常的堅硬，硬度較高，一般含有一定的雜質，化學式為SiO2，化學性質非常穩定，不溶于酸，所以不易發生腐蝕、老化現象。晶體屬于三方晶系或者六方晶系，硬度在莫氏硬度表中為7，礦物密度為2.65克每立方厘米，可以在大部分的巖石中發現它的存在，熔點較高，為1750°C。石英在地球上分布極為廣泛，因其較高的硬度，耐磨度也較高，所以不具有可塑性，但和粘土在較高溫度中發生反應后，可以提高瓷器的強度和穩定性，可用來制作白釉。因石英自身的各項性能比較穩定，所以石英的用途極為廣泛，可用于制作玻璃、陶瓷以及各種硅酸鹽材料和硅化物材料，還可以用于冶煉金屬、鑄造等。

長石是一種含鈣、鉀和鈉的鋁硅酸鹽類化合物，其主要成分有二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鉀、三氧化二鐵、氧化納和氧化鈣等，是地表巖石中最重要的成分，顏色分為無色、白色、黃色、黑色或其他顏色等。在地殼中的比例在百分之六十以上，具有玻璃類的光澤，晶體屬于四方晶系，硬度在莫氏硬度表中在6到6.5之間波動，基本結構單位為四面體，長石分為正長石和斜長石兩類，正長石又被成為鉀長石，其解理夾角為九十度，而斜長石的解理夾角小于九十度。 火成巖的主要成分就是長石，長石也可以在沉積巖和變質巖中被發現，有些長石的顏色比較美麗，可以作為寶石。用途一般用作制作陶瓷、玻璃和搪瓷制品等。

實驗中采用的氧化鋁微粉的顆粒直徑有三類，分別是0.5μm，10μm和40μm.

(二)實驗目的

陶瓷材料在性能上的優劣很大程度上和陶瓷制品的制作工藝有關，該實驗在原有的日用陶瓷制作配方中加入一定量的氧化鋁微粉，因氧化鋁微粉對坯體各項性能指標，如硬度、強度、耐火性、抗腐蝕性等的影響，很多陶瓷制品的致密性較高，分析在加入不同量的氧化鋁微粉對坯體的影響，并研究相關數據，確保氧化鋁微粉對坯體各項性能產生積極的影響，從而改進制備日用陶瓷的方法，使制備出的日用陶瓷強度更高，抗損毀性和抗腐蝕性更高，從而改進日用陶瓷的整體性能指標，得到最合適的配方原料，使日用瓷的質量得到提高。

(三)實驗儀器

實驗中采用的儀器如下：西安力創材料檢測技術有限公司產WDW-30型萬能試驗機，日本JEOL公司產JSM-6700F型掃描式電子顯微 鏡，深圳市雅域 光源開發有限公司X-Ritem 8200臺式分光光度計。西安力創材料檢測技術有限公司產 WDW-30型萬能試驗機可以測試坯體的抗折強度，日本JEOL公司產JSM-6700F型掃描式電子顯微 鏡可以觀察燒成樣品的斷面微觀結構，而用深圳市雅域光源開發有限公司X-Ritem 8200臺式分光光度計可以測試坯體的透光性能。

(四)實驗原理

本次實驗通過測量坯體變形 程度來測試坯體整體性能。用經過燒瓷的坯體和水平面形成的夾角大小來表示其抗變形的性能指標，在燒成的溫度相同的情況下，如果彎曲的角度較大，則坯體的抗變形的性能便較差，反之則較好。

三、實驗過程

通過對德化等制造瓷器較為出名的地方制瓷方法的研究，制備的大體工藝流程主要分為以下幾個步驟：配制相關制備原料，球磨，進行細度的檢測，注漿成型，脫模，修坯，進行燒瓷，最后進行相應的性能檢測。注意事項如下：燒瓷的溫度要控制在1380°C左右，球磨的時間在六十分鐘左右，細度的檢測指標為千分之0.5上下，脫模干燥時，溫度大致在60攝氏度左右。

在配方選擇上，根據對德化當地制造瓷器傳統的“高嶺土=瓷石”配方，經過反復的配方實驗，從而確定高嶺土和瓷石之間的最優比例，同時加入其他材料，研究出制造瓷器的最優材料比，確定最佳配方。

在研究出制造瓷器的最佳基礎材料配方之后，在配方中加入不同數量的氧化鋁微粉，分為四組，第一組不加入氧化鋁微粉作為參照對象，第二組加入量為3wt.%，第三組加入量為6wt.%，第四組為9wt.%，這四組的燒瓷溫度需保持相同，為1380°C。

四、實驗結果

(一)氧化鋁微粉加入量對于坯體變形情況的影響

因為生坯的各個部分密度不同，在密度較低的部分，燒成的收縮率較高，而在密度較高的部分，燒成的收縮率較低，故瓷體表面會發生變形情況，而生坯的密度不夠均勻的原因是由于坯料本身的密度問題和壓力的不均勻，采用坯泥的收縮率也會影響陶瓷制品的變形，如果成型方法不好，壓力大小不夠，坯體的變形也會較大，如果采用滾壓成型的方法，原料在滾頭和模型的擠壓下，接觸面會變大，使坯體受到的壓力增大，使坯體的結構較為均勻致密，變形量會較小，而當采用旋壓成型的方法，刀片對原料的作用只是相對滑動，坯體受到的壓力較小，所以經過旋壓成形的坯體，變形量會較大。經實驗表明，坯體的抗變形性能會隨著氧化鋁微粉的加入量的增加，坯體的抗變形性能會隨之變強，因氧化鋁微粉加入量的增加，在1380°C的高溫下，會生成較多數量的剛玉，從而使坯體自身的結構發生改變，抗高溫性增強，抗變形能力也隨之增強，減少坯體變形的程度，當三價鋁離子在硅酸鹽呈堿性時擴散，坯體中會產生莫來石，莫來石是Al2O3一SiO2系中唯一穩定的二元化合物，是一種耐火性能極高的材料，在鋁硅酸鹽經過高溫燒灼中產生，天然的莫來石產量極為稀少，一般由人工方法生產。莫來石的形成可以使坯體中的結晶體相互嵌合，形成較穩定的結構，減少坯體的變形，氧化鋁微粉加入量的增加提高了坯體的抗變形性能，在9wt.%的加入量的情況下，變形角度達到最小值，為7度，此時，坯體的抗變形性能最大。

(二)氧化鋁微粉的粒徑大小對于坯體透光性的影響

坯體的透光性是指光通過坯體時，對于這類材料介質的吸收、反射、折射以及散射效應使光的強度降低，日用瓷坯體的透光性受到環境溫度、制備條件、制備原料、晶體結構、氣孔率和表面加工粗糙度的影響，因日用瓷的致密度較高，晶體上無空隙，雜質較少，表面比較光潔干凈，所以日用瓷坯體的透光性較好，本實驗表明，日用瓷坯體的透光性也受到氧化鋁微粉自身的粒徑大小的影響。此次實驗分為三組，每組的氧化鋁微粉加入量保持相同，均為9wt.%，粒徑大小分別是0.5μm，10μm和40μm，燒瓷溫度也相同，為1380°C。

根據相關實驗表明，當加入的氧化鋁微粉的粒徑大小為0.5μm時，坯體的透射率和其對應加入的氧化鋁微粉的透射率比較接近，坯體的透光性較好，而當氧化鋁微粉的粒徑為10μm和40μm時，其透射率顯著降低，坯體的透光性也變差。當氧化鋁微粉的直徑為40μm時，坯體的主要晶體材料以石英和莫來石為主，同時含有一定量的剛玉成分，在此時的坯體里面，剛玉的衍射峰值較高，所以坯體的透光性較差。在加入的氧化鋁微粉的粒徑大小為0.5μm和10μm時，坯體的主要晶體材料為莫來石和石英，而剛玉的衍射峰值較低，因加入的氧化鋁微粉的粒徑變小，使整個反應的反應活性升高，較細的氧化鋁微粉顆粒在溫度較高時，部分會溶入其中，而其中的硅酸鹽成分會就此析出較多的莫來石成分，當氧化鋁微粉的顆粒較大時，其顆粒就會難以溶入其中，并在坯體中殘留下來，同時使坯體的透光性降低，此實驗表明：剛玉成分的增加會導致坯體的半透光性降低，而加入9wt.%粒徑為0.5μm的氧化鋁微粉會降低對坯體透光性的影響。

(三)氧化鋁微粉的加入量對于坯體的抗折性能的影響

坯體的抗折性能是指在日用瓷坯體上單位面積承受彎矩時的極限折斷應力的大小，當坯體材料破裂時，破裂點一般是在坯體材料的表面，其抗折強度往往受到坯料組成、制造工藝等方面的影響，保持各組實驗溫度相同，在氧化鋁微粉的加入量分別為為0wt.%、3wt.%、6wt.%、9wt.%的情況下，根據實驗表明，在氧化鋁微粉的加入量增加的情況下，坯體的抗折強度會隨之增加，但趨勢會逐漸放慢，加入量超過3wt.%時，坯體的抗折強度雖然還在增加，但其增速會明顯放緩，在氧化鋁微粉的加入量達到9wt.%時，坯體的抗折強度最大，為112.8兆帕，氧化鋁微粉中的成分可以完全地融入到坯體基質中去，進而提高坯體的抗折強度，當氧化鋁微粉加入量增大時，坯體的吸水率隨之降低，硬度隨之提高，坯體中的剛玉含量也會隨之升高，而剛玉自身具有高強度、高彈性模量，從而增加坯體在承受彎矩時的極限折斷應力，增加坯體的抗折強度，并同時起到釘扎裂痕的作用。隨著氧化鋁微粉加入量的增多，部分粒徑較小的氧化鋁微粉溶入到坯體中去，使莫來石大量形成，并在坯體中形成類似于網狀結構，同樣使坯體的抗折強度得到提升。

結語

經過以上幾組實驗表明，隨著氧化鋁微粉的加入量的增加，坯體的抗變形性能會隨之變強，變形量會減小，坯體的抗折性能也會隨之增加，當加入的氧化鋁微粉的粒徑變小時，坯體的透光性也會隨之變強，所以，在日用瓷的原有配方中加入適當數量、適當粒徑大小的氧化鋁微粉，會提升日用瓷在抗變形性、抗折強度和透光性等方面的性能，使日用瓷的整體性能得到提升。這就要求制作日用瓷時，要多研究其自身物理性能，多次進行相關試驗，研究相關數據，不斷改進配方原料，使日用瓷的質量得到穩步的提升。

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