色料對堇青石蜂窩陶瓷性能的影響

方紅　侯來廣　劉艷春　黃誠　任雪潭

摘 要：紅外線燃氣灶具具有加熱均勻、熱效率高、燃燒充分、煙氣量少、熱效率高達 68.5%等諸多優點，成為節能灶具的代表性產品。蜂窩陶瓷板是紅外線節能灶具的一個關鍵部件，其表觀性能和理化性能對灶具的外觀設計和家庭室內裝飾的協調性都有一定的影響。本論文以堇青石蜂窩陶瓷為基本材料，選擇鉻綠、鋯鐵紅、鐠黃、鈷黑四種色料為添加物，探究了加入色料的種類及含量對蜂窩陶瓷板的性能影響。通過對制備瓷片的收縮率、吸水率、抗折強度等的測試及XRD和SEM分析，結合外觀情況，結果表明，一定量色料的添加并不會影響到堇青石質蜂窩陶瓷的主要性能，彩色蜂窩陶瓷的收縮率、吸水率、抗折強度及抗熱震性能均在合格標準范圍內。

關健詞：堇青石； 色料； 摻雜

1 前言

目前，蜂窩陶瓷廣泛應用于汽車尾氣凈化器、臭氧抑制催化劑載體、冶金工業的熱交換和金屬液的過濾、化學工業的化學反應載體及催化劑、紅外輻射燃燒、粉末冶金的承燒板、采礦業的有毒氣體和液體的凈化處理、輕工業的噴涂以及建材工業的消聲材料和窯爐的隔熱材料[1-4]。隨著德國人Schwank發明的多孔陶瓷板燃氣紅外輻射器的問世，很多特殊的耐火材料制造的紅外線輻射板也相繼出現。蜂窩陶瓷板作為燃氣紅外加熱器的核心部件，它以熱輻射的方式加熱物體，由于輻射加熱具有很多獨特的性能，且一般陶瓷材料的熱輻射率都比較高，所以這種蜂窩陶瓷板紅外加熱器與傳統的燃燒器相比，具有加熱效率更高、產品加工性能更好和極低的CO、NOx產生率等優點，因此蜂窩陶瓷板輻射器使用十分廣泛。

紅外線節能灶具就是采用了多孔紅外輻射板產生的紅外線加熱原理。這種紅外線輻射板可以輻射出一定波長的紅外線，能夠加快物體的受熱過程；燃燒板工作時火焰短，附著于燃燒板表面以下2 ～ 3 mm的火孔內，基本上看不見火焰，所以也被稱為無焰燃燒方式。由于加熱過程中能量損失很小，從而大幅度提高了灶具的熱效率。我國多孔陶瓷板燃氣燃燒技術應用于燃氣具行業已經有20多年的歷史了，許多學者做了大量的研究工作將這項技術造福于廣大民眾[5-9]。紅外線灶具與普通的大氣式燃氣爐相比有以下幾個明顯的優點：

（1）燃燒更完全，熱量傳遞效率更高、熱量吸收效率更高，跟傳統大氣式燃燒方式相比能夠節約燃氣20%以上；

（2）無焰燃燒，長期使用也不會熏黑炊具，是完全干凈的加熱烹調方式；

（3）能夠有效抑制對人體危害極大的碳、氮氧化物的生產，消除對人體健康危害的隱患；

（4）由于多孔蜂窩陶瓷結構具有極好的防風性能，不容易熄火，使用更加安全。

目前這種紅外蜂窩陶瓷燃燒板的顏色過于單一。本研究以堇青石蜂窩陶瓷為基本材料，選擇各種色料體系，在原料中加入不同的色料，進行彩色陶瓷基體的制備研究，制備多種顏色的紅外多孔蜂窩陶瓷燃燒板，為豐富紅外線灶具的品種和系列產品提供參考。

2 實驗部分

堇青石質蜂窩陶瓷以堇青石晶體為主晶相，因此制備堇青石蜂窩陶瓷的原材料主要是能形成堇青石的無機耐熱材料，包含SiO2及Al2O3的粘土類原料、含Mg的原料、氧化鋁、硅石等原料。堇青石廢料主要是生產過程中產生的廢品及邊角料，用研磨機研磨成粉。

本實驗采用堇青石、粘土、碳粉、纖維素以及各種色料為主要原料，原料的各種配比見表1。

各原料的生產廠家及純度如下表2所示。

首先選取需要的原料，并按配方比例稱量。倒入混合機干混合1 h后，加入適量水和甘油，再混合30 min，最后加入適量油酸，混合10 min。混練均勻后，將泥料密封陳腐24 h。本實驗采用塑壓成型方式，進行壓制成型。坯體成型后采用微波干燥法，干燥時間為14 min，直至含水率< 2%為止。燒成采用推板式隧道窯，燒成溫度為1200°C。

3 實驗結果分析與討論

3.1瓷片的性能分析

瓷片的尺寸和強度對后續產品的安裝和燃燒性能有著重要的影響，所以收縮率和強度在產品試制時，是重要的考慮因素，在進行綠色瓷片的試制時著重考慮了這兩個指標。

采用不同量的鉻綠色料加入量（3%，5%，8%），將各個配方的泥料成型后再用微波烘干，烘干后測量坯體的直徑和厚度，然后放入窯爐內燒成，燒成后再測量燒結后的坯體直徑和厚度，計算出其收縮率；燒成后的陶瓷片制成標準試條用壓力抗折機測試陶瓷片的抗折強度，測試結果見表4。

由表4可以看出色料的加入量對長度收縮率的影響總體小于厚度方向，但是隨著色料加入量的增多，長度方向收縮率呈現增大的趨勢，厚度方向的收縮率則呈現縮小的趨勢。綠色堇青石瓷片的抗折強度與加入的鉻綠色料的含量存在一定的正比例關系，在實驗范圍內，隨著色料加入量的增加，陶瓷片的抗折強度也有一定比例的增加。

從呈色效果看，加入色料量在8%時，效果能夠滿足設計要求。基于此，分別以鉻綠、鋯鐵紅、鐠黃和鈷黑為外加色料，加入量為8%，按照前述方法制備了彩色陶瓷片，具體測試結果見表5。可以看出鐠黃和鈷黑色料制備的陶瓷片具有較高的機械強度，而鉻綠瓷片的強度最低，其中鐠黃色料加入后的瓷片在厚度方向的收縮率遠低于其他三種色料的收縮率。

選取合格瓷片安裝在紅外線灶具上進行燃燒性能測試，測試十次，每次1 h。每1 h燃燒完成后均需在陶瓷板上面均勻地撒上一定量的冷水，以此來測試陶瓷板的抗熱震性能壽命。通過實驗測試，陶片均未出現開裂炸裂現象。3.2 瓷片的XRD衍射和SEM分析

由圖1至圖4的X衍射譜圖可以看出加入色料的陶瓷片仍然以堇青石為主要晶相，可以斷定色料并未改變蜂窩陶瓷的主要成分。在綠色瓷片中，出現了明顯的氧化鉻的衍射峰，其余均為堇青石結構物相。而由鋯鐵紅和鐠黃色料制成的瓷片中則出現了硅酸鋯的衍射峰，推測這兩種色料在制備的過程中形成了硅酸鋯所致。而在鈷黑制備的彩色瓷片中則出現了鎳鍺尖晶石物相。幾種色料摻雜所制備的彩色瓷片都具有相似的主晶相組成，說明色料在堇青石瓷片的高溫制備過程中對材料的主體結構影響不大，因此不會對材料的使用性能產生大的影響，但卻帶來了視覺的美學效果。

圖5為色料加入量8%的彩色瓷片的SEM照片，從圖中可以看出，鉻綠瓷片和鐠黃瓷片的氣孔明顯偏多，它們各自的氣孔部分具有相同的取向，但是孔徑的均勻性較差。鈷黑瓷片和鋯鐵紅瓷片的氣孔相對于它們就少了很多，燒結比較致密。四個瓷片的晶粒都比較松散，鉻綠瓷片的氣孔很大，晶粒間隙較大，晶粒形貌不規則，孔徑分布不均勻，晶體呈無定型珊瑚狀。而鋯鐵紅瓷片和鐠黃瓷片氣孔相對較小，晶粒形貌也要規則一些，鈷黑陶瓷的氣孔是最小的，晶粒形貌呈片狀，燒結也最為致密。

4 結論

（1）在考慮成本的情況下，加入8%含量色料的陶瓷顯色情況最佳。鐠黃色料顯色比較差，而鉻綠的色料顯色最佳。

（2）色料含量對堇青石蜂窩陶瓷的收縮率、吸水率的影響并不明顯，但對抗折強度的影響要稍微大一些，加入鐠黃和鈷黑的瓷片具有較高的抗折強度，而加入鉻綠和鋯鐵紅的瓷片抗折強度則相對較低。

（3） 抗熱震性能測試表明色料的添加并不會影響到堇青石蜂窩陶瓷的主要性能。

（4）本實驗的彩色蜂窩陶瓷的收縮率、吸水率、抗折強度及抗熱震性能均在合格標準范圍內，可以進行規模化生產。

參考文獻

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