納米莫來石強化龍泉青瓷胎體性能

毛正聰，毛偉杰

納米莫來石強化龍泉青瓷胎體性能

毛正聰，毛偉杰

（龍泉市正聰青瓷研究所，浙江 龍泉 323700）

在龍泉青瓷胎體中引入納米莫來石晶粒作為增強相強化龍泉青瓷，分析了納米莫來石晶粒的添加量對龍泉青瓷力學性能、物相組成及顯微結構的影響規律。研究結果表明，在龍泉青瓷胎體中引入納米莫來石晶粒，通過顆粒增韌和裂紋增韌機理而增加龍泉青瓷的力學性能。當納米莫來石晶粒的引入總量為3%時，其抗折強度可以達到59．7 MPa,相對于未引入納米莫來石晶粒的青瓷樣品其抗折強度增幅達85．4%。

龍泉青瓷；納米莫來石；顆粒增韌；燒結

0 引 言

龍泉青瓷是我國特色傳統制瓷珍品，主要以釉色吸引人，是最著名的顏色釉瓷器品種，被譽為“國之瑰寶”，是浙江省首批傳統工藝美術保護品種[1-3]。目前龍泉青瓷的燒制工藝已經被列入聯合國教科文組織世界非物質文化遺產保護名錄，成為中國陶瓷界第一個世界級人類非遺[4]。龍泉青瓷現階段的杰出代表早在南宋時就燒制出晶瑩如玉的粉青釉和梅子青釉，達到龍泉青瓷燒制技藝顛峰，薄如紙、青如玉、聲如磬、明如鏡、令人賞心悅目[5-6]。

薄胎厚釉作為龍泉青瓷的一大特色，適當比例的胎釉比可以使龍泉青瓷產品器型端莊優美、呈現出瑩潤碧透的類玉效果。其中粉青、梅子青等青瓷釉色最高境界在薄胎厚釉瓷中獲得完美的表現。但是由于釉的熱膨脹系數大于胎的熱膨脹系數，當產品經過高溫燒成后冷卻時，釉層常常會因為受到張應力而開裂，而胎則受到壓應力而變形[7-8]。同時由于薄胎的原因，在實際生產過程中，胎體強度不夠，在厚釉的壓力作用下，產品發生變形甚至開裂現象，導致產品合格率很低，從而嚴重制約了龍泉青瓷未來的多元化發展，所以龍泉青瓷胎體的進一步強化是青瓷發展的一個重要研究方向。

本文首次通過在龍泉青瓷胎體中引入納米莫來石晶粒，通過顆粒增韌和微裂紋增韌等增韌機理，得到力學性能性能優良的龍泉青瓷制品，并從材料斷裂的微觀角度系統地分析了納米莫來石晶粒的引入量對龍泉青瓷的燒結特性、力學性能、物相組成及顯微結構的影響規律。

1 實 驗

1.1 原料及制備

納米莫來石粉體(粒徑為50-60 nm)，青瓷哥窯粉體(粒徑＜1 μm,浙江金宏瓷業提供)、將龍泉青瓷哥窯粉料配置成料漿，與納米莫來石粉體按照預定的配比均勻混合后壓制成尺寸為20×20×100 mm的塊狀樣條，進行素燒后上釉并最終高溫燒成，測試青瓷樣品的燒結特性、力學性能、物相組成及顯微結構。

1.2 測試與表征

利用荷蘭PANalytcal B．V．Empyrean 200895型變溫x射線衍射儀對樣品進行物相分析，x射線源采用CuKα(λ= 0．154 nm)，工作電壓為40 kV,工作電流為40 mA，掃描范圍為10° 至80°。采用SU-70型場發射電子顯微鏡觀察青瓷樣品斷口顯微形貌。采用CMT5305型電子萬能試驗機進行長條試樣的三點彎曲抗折強度測試，加載速度2 mm/min，跨距為80 mm，樣品規格為100 mm×20 mm×20 mm，每個配方測試5個試樣取平均值。

2 實驗結果

2.1 納米莫來石對青瓷胎體物相組成的影響

圖1所示為引入納米莫來石晶粒與未引入納米莫來石晶粒的龍泉青瓷樣品燒結后的xRD圖譜。從圖中可以看出，龍泉青瓷的釉料無明顯的衍射峰，為非晶體，具有與玻璃類似的物理化學性質。而胎體的主要晶相為二氧化硅和莫來石，龍泉青瓷哥窯胎體在高溫燒結過程中會生成少量的莫來石晶相。從未引入納米莫來石晶粒的胎體xRD圖譜中可以看出二氧化硅的衍射峰窄而高，表明二氧化硅晶體的衍射度較高，而莫來石的衍射峰較弱，證明在未引入納米莫來石晶粒的青瓷哥窯胎體本身燒結形成的莫來石晶粒較少。而隨著引入納米莫來石晶粒的增加，青瓷哥窯胎體xRD圖譜中的莫來石衍射峰愈發明顯。

2.2 納米莫來石對青瓷胎體力學性能的影響

圖2所示為引入納米莫來石晶粒對龍泉青瓷樣品高溫燒成后力學性能的影響。從圖中可以看出引入納米莫來石的含量對青瓷樣品的抗折強度和抗壓強度都有著很大的影響，其中未引入納米莫來石晶粒的龍泉青瓷樣品其強度較低，只有32．2 MPa；隨著引入納米莫來石量的增加，青瓷樣品的抗折強度和抗壓強度都呈現出先增加后降低的趨勢，當引入納米莫來石量為3%時達到最高，抗折強度59．7 MPa，抗壓強度為179．4 MPa，相對于未引入納米莫來石晶粒的青瓷樣片其抗折強度和抗壓強度增幅分別為85．4%和73．6%。這表明引入的納米莫來石晶粒對龍泉青瓷樣品的力學性能提高有利，從而實現了龍泉青瓷胎體的強化增韌。但是當引入納米莫來石量超過一定值后，青瓷樣品的致密性受到嚴重的影響，由于納米莫來石粉體的部分團聚，使其氣孔率增加，影響了青瓷基體的連續性，增加的缺陷導致裂紋尖端產生應力集中的概率增加，裂紋擴展加快，導致青瓷樣品的抗折強度和抗壓強度降低。所以適合的引入納米莫來石量為3%。

圖1 龍泉青瓷樣品XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Longquan celadon samples

圖2 龍泉青瓷力學性能Fig.2 Mechanical properties of Longquan celadon samples

上述結果表明，適量的引入納米莫來石晶粒對龍泉青瓷胎體的強度提高有利，從而實現龍泉青瓷胎體的強化增韌。引入的納米莫來石晶粒會在晶界附近富集，影響傳質過程的進行，阻礙晶界移動從而阻止晶粒長大，細小的晶粒間晶界數量增多，有效抵抗裂紋擴展，同時當裂紋在擴展過程中遇到納米顆粒時，會圍繞納米顆粒發生裂紋偏轉以及裂紋尖端的鈍化分叉現象，消耗裂紋擴展的能量并削弱裂紋尖端的應力強度，從而提高龍泉青瓷胎體的力學強度[9-11]。但引入過多的納米莫來石團聚現象，同時與青瓷胎體基質線膨脹系數不一樣，納米顆粒與基質間存在線膨脹系數、彈性模量不匹配等問題，對界面結合狀態產生一定的影響，使樣品產生較多的孔隙，導致其抗折強度以及抗熱震等力學性能的下降。

2.3 青瓷樣品斷面掃描電鏡分析

圖3為青瓷樣品的斷面掃描電子顯微鏡照片，(a)-(f)和(g)-(l)分別為樣品S1、S2、S3、S4、S5、S6在放大倍數為100x和2000x下拍攝的電鏡照片。從圖中可以清楚地觀察到青瓷胎體斷面上存在著少量的針狀莫來石晶粒，并且均勻地分布在青瓷哥窯胎體中。納米莫來石晶粒對青瓷樣品的力學性能有著增強作用，但青瓷樣品斷面上同時存在著一定數目的氣孔，這些氣孔是由于高溫燒結過程中晶粒取向不同導致收縮不同以及納米莫來石粉體團聚而產生的。當引入納米莫來石量增加時，氣孔逐漸變多變大，不利于青瓷樣品的燒結體的致密化，從而使其燒結性能降低。氣孔過多可能造成應力的集中，從而成為裂紋源，但氣孔同時也有阻礙裂紋進一步擴展的作用[12-13]。圖中可以看到當引入納米莫來石量較少時，斷裂處顆粒較為平整，孔洞數量也相對較少，并且孔洞四周大多結合緊密，晶界強化性較好。而當引入納米莫來石量進一步增加時，斷裂處存在較多因高溫燒成而產生的孔洞， 部分碎粒從斷裂處發生剝離，導致其力學性能降低。

圖3 青瓷胎體斷面掃描圖Fig.3 The fracture surface morphologies of Longquan celadon samples

3 結 論

(1)通過在龍泉青瓷哥窯胎體中引入納米莫來石晶粒，可以通過顆粒增韌和微裂紋增韌等增韌機理強化龍泉青瓷胎體。

(2)適合的納米莫來石晶粒引入量為3%，其抗折強度增幅達到85．4%，過多的引入納米莫來石晶粒會產生團聚現象，增加青瓷胎體的氣孔率，降低其燒結性能和力學性能。

[1] 張建平, 李巖． 近年來古代龍泉青瓷研究綜述[J]． 中國陶瓷, 2010, 46(8): 56-59．

[2] 周少華, 金逸林, 徐殷, 等． 論龍泉青瓷的傳承與創新[J]． 中國陶瓷工業, 2009, 16(6): 33-37．

[3] 施群, 葉曉平． 龍泉青瓷研究現狀與發展趨勢[J]． 硅酸鹽通報, 2016, 35(8): 2460-2465．

[4] 毛丹陽． 龍泉青瓷裝飾藝術的審美特征[J]． 麗水學院學報, 2010, 32(2): 51-53．

[5] 李德勝．龍泉青瓷藝術設計的審美意蘊[J]． 中國陶瓷, 2016, 52(2): 106-111．

[6] 胡兆雄． 試論當代龍泉青瓷裝飾手法的傳承與創新[J]． 中國陶瓷工業, 2014, 21(4): 40-43．

[7] 陳小俊, 藍嵐． 當代龍泉青瓷釉燒工藝探析[J]． 麗水學院學報, 2015, 37(3): 60-64．

[8] 葉宏明, 楊輝, 陸靜娟． 超細氧化鋁粉制備及增強青瓷瓷胎的研究[J]． 陶瓷學報, 2005, 26(1): 7-12．

[9] 張國軍, 岳雪梅, 金宗哲． 顆粒增韌陶瓷裂紋擴展微觀過程[J]．硅酸鹽學報, 1995, 23(4): 365-370．

[10] 王海龍, 汪長安, 張銳, 等． 納米SiC晶須和SiC顆粒混合增韌ZrB2陶瓷性能[J]． 復合材料學報, 2009, 26(4): 95-101．

[11] 路學成, 閻殿然． 氧化鋁陶瓷增韌技術及機理[J]． 陶瓷, 2006, 12: 11-15．

[12] 張光磊, 邢鵬飛, 高輝, 等． 脆性陶瓷材料的增韌方法及其應用現狀[J]． 材料開發與應用, 2008, 23(2): 77-82．

[13] 熊昆, 徐光亮, 李冬梅． SiC復相陶瓷的強化增韌趨勢[J]． 稀有金屬, 2008, 32(1): 101-106．

Body Performance of Nanomullite-reinforced Longquan Celadon Ware

MAO Zhengcong, MAO Weijie
(Longque Zhengcong Celadon Research Institute, Longquan 323700, Zhejiang, China)

Nanomullite grains were introduced as the reinforcing phase to toughen Longquan celadon ware. The inf l uence of the amount of nanomullite grains on the mechanical properties, phase composition and microstructure of Longquan celadon ware was analyzed. The results show that the nanometer mullite grains introduced into Longquan celadon body increase its mechanical properties due to the toughening by particles and by cracks. When the total amount of nanomullite grains is 3%, the fl exural strength can reach 59.7 MPa, 85.4% up from that of the samples without the introduction of nano-mullite grains.

Longquan celadon; nanomullite; particle toughening; sintering

date:2017-03-03. Revised date: 2017-03-05.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)03-0012-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.003

2017-03-03。

2017-03-05。

浙江省重大科技專項重點社會發展項目(2015C03002)。

Correspondent author:MAO Zhengcong, male, Senior crafts.

毛正聰，男，高級工藝美術師。

E-mail:78080617@qq.com