熔體表面張力的研究

劉干平 談梅英 李劉旒

摘 要：表面張力是熔體表面層由于質點作用力不均衡而產生的使熔體表面收縮的力。本文對龍泉窯梅子青釉進行了熔融實驗、釉滴實驗和燒成實驗，通過觀察實驗過程中釉熔體的變化及對比燒成后制品的外觀質量，闡述了表面張力對釉熔體表面形狀的影響、表面張力和重力相對大小對釉滴形狀的影響，以及表面張力對燒成制品外觀質量的影響，并對表面張力的作用原理進行了分析和研究。

關鍵詞：熔體;表面張力;質點;球面;應力;斥力

陶瓷作品從原始的表面粗糙、凹凸不平的上釉泥坯，通過燒制，變成一件精美絕倫、表面平整、光滑亮麗的藝術品，期間表面張力起著至關重要的作用。陶瓷在燒制過程中，隨著溫度的升高，胎和釉逐漸出現液相并不斷增多，最終胎體燒結，釉層熔融轉化為熔體。由于熔體的表面張力作用，使得組成熔體的質點不斷的擴散和移動，最終達到力和位移的平衡，從而使釉層表面得以平整光滑。

表面張力是熔體表面層由于質點作用力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。與氣體接觸的熔體表面質點因其配位數未得到滿足，處于不對稱的力場內。質點間作用力不平衡，比熔體內部的質點具有較高的能量，熔體表面將自動收縮以降低過剩能量。熔體表面的這種自動收縮的趨勢，相當于在熔體表面水平方向上存在著使熔體表面收縮的力，即表面張力［1］。

熔體的表面張力大小取決于化學組成、燒成溫度和燒成氣氛。在化學組成中，堿金屬對表面張力影響較大，熔體的表面張力隨堿金屬及堿土金屬半徑的增大而減少，熔體表面張力隨溫度的提高而降低；此外，窯內氣氛對熔體表面張力也有影響，在還原氣氛下的表面張力比在氧化氣氛下大20%左右［2］。

釉熔體的表面張力對釉的外觀質量影響很大。表面張力使得釉熔體表面發生收縮，下面的新熔體就會浮向表面，利于釉中氣泡上浮排出，但表面張力過大會阻礙氣泡排除和熔體均化，在高溫時對坯的潤濕性不利，容易造成縮釉、滾釉缺陷［3］。表面張力過小容易造成流釉，使釉面小氣泡破裂時形成難以彌補的針孔［4］。當釉的黏度也很小時，情況更嚴重。

本文通過龍泉青瓷梅子青釉的燒制實驗，觀察釉熔體的變化過程，并推斷其變化過程與表面張力的關系。

1 實驗

1.1 坯釉組成

龍泉梅子青釉的釉料配方（質量分數）為：西源瓷土45%、黃壇瓷土20%、獅子籠紫金土3%、石灰石22%、石英10%［5］。該釉配方原料取自龍泉本地瓷土，適用性廣、穩定性好、燒成溫度范圍寬，其化學組成見表1。

1.2 釉料制作

將各配釉原料混合，得到預混物，將球石、預混物、水以質量比2∶1∶0.6的比例進行濕法球磨，研磨18～20 h，然后過100～200目篩，制成釉漿。

1.3 熔融實驗

把磨好的釉料制成2 cm×2 cm×3 cm正四棱柱試樣，置于窯門洞口內，借助于高溫顯微鏡可連續觀察其在加熱過程中的全部變化。

本次實驗采用還原氣氛進行燒制，實驗最高燒成溫度為1 270 ℃，氧化和還原氣氛轉換溫度為980 ℃，圖1為燒成曲線圖。

1.4 釉滴實驗

把磨好的釉料制成一系列球體，直徑分別為32、16、8、4、2、1、0.5 mm，置于龍泉白泥制成的薄板上。入窯按圖1燒成制度進行燒制，觀察燒成后各釉滴的形狀和尺寸以及釉滴與薄板之間的潤濕角大小［6］。

1.5 燒成試驗

本實驗胎體選用龍泉本地的朱砂泥制作的小圓杯，朱砂胎配以梅子青釉能夠達到紫口鐵足和朱砂底的效果。

首先采用浸釉法上底釉，然后在底釉的基礎上進行噴釉，確保釉層厚度達到1～2 mm，施釉完成后刮洗干凈素坯的底足。

把上好釉的小杯置于窯門洞口內，便于觀察胎釉在加熱過程中的變化。按圖1燒成制度進行燒制，分別進行氧化氣氛燒制和還原氣氛燒制，燒成溫度由熔融試驗得到的結果確定。觀察燒成制品的外觀形狀及氣泡分布情況。

2 實驗結果

2.1 表面張力對釉熔體表面形狀的影響

通過對釉料熔融實驗的觀察可以看到，隨著溫度升高，低共融物產生，試樣出現液相，逐漸變為熔體。四棱柱試樣最先變形的部位為頂部角點。由于角點是四棱柱曲率最大的部位（7/8的表面與空氣接觸），表面張力最大，表面能高，由表面張力產生的指向熔體內部的附加壓力也最大，因此角點最先熔融變圓，此時試樣所處的溫度（1 180 ℃），稱為釉的始熔溫度，釉層開始封閉，如圖2b所示。隨著溫度繼續升高，四棱柱的棱邊也開始熔融變圓，棱邊也是曲率較大的部位（3/4的表面與空氣接觸）。最后，四棱體的各個平面開始熔融變圓（1/2的表面與空氣接觸），整個試樣由于表面張力的作用變為半球狀，此時的溫度（1 260 ℃）稱為全熔溫度，如圖2c所示，形成平整、光滑的釉面。釉層雖然處于黏性流動狀態，但黏度較大不至于流淌，因此接近于釉的成熟溫度。溫度繼續升高，試樣流散開來，高度降至原有高度的1/3時的溫度（1 300 ℃）稱為流動溫度，見圖2d。此時由于溫度升高，熔體表面張力減小，同時釉熔體黏度降低，受重力作用熔體會產生自然流淌，熔體表面由球面變為橢球面［4］。

2.2 表面張力和重力對釉滴表面形狀的綜合影響

通過對燒成后各釉滴的形狀觀察，可以看出：對于大直徑的釉滴，重力的影響大于表面張力的影響，致使其形狀呈扁平的球冠狀，與薄板的潤濕角小于90°；中等直徑的釉滴所受重力和表面張力較為均衡，其形狀為半球狀，與薄板的潤濕角約等于90°；小直徑的釉滴所受重力小于表面張力，其形狀接近于球形，與薄板的潤濕角大于90°，甚至接近于180°。

2.3 表面張力對青瓷制品釉面質量的影響

龍泉青瓷的燒制結果見表2。

龍泉青瓷在燒制過程中，隨著溫度的升高，由于表面張力的作用，杯子表面質點不斷移動和擴散，最終達到平衡狀態，使熔體均勻化，釉層表面凹凸不平得以自發修復，逐漸呈現平整、光滑、發亮的狀態。最先圓潤、發亮的部位是杯子的口沿，這是因為杯子口沿的曲率最大，所受表面張力最大，由表面張力產生的指向熔體內部的附加壓力也最大。

采用氧化氣氛燒成時，釉層表面平整、光滑，氣泡密集、細小、分布均勻、釉呈米黃色、乳濁、見針眼和凹陷，小杯邊沿釉層覆蓋比較單薄。采用還原氣氛燒成時，釉層表面平整、圓潤、光滑，氣泡較密集、較細小、分布均勻、釉呈梅子青色、乳濁，不見針眼和凹陷，小杯邊沿釉層覆蓋比較飽滿。對比氧化氣氛和還原氣氛燒成結果，其不同之處在于表面張力的作用效果不同，在還原氣氛下的表面張力比在氧化氣氛下大20%左右。氧化氣氛下燒制出現的針孔和凹陷現象，在還原氣氛下燒制，由于表面張力的增大，得以自動補平。對于小杯邊沿氧化氣氛燒制釉層覆蓋較薄，使得氣泡易于排出，氣泡數量較少，尺寸較大。還原氣氛燒制釉層覆蓋較為飽滿，氣泡數量變多，尺寸變小，這是因為氧化氣氛燒制小杯邊沿上釉所受重力大于表面張力，使得釉層變薄，還原氣氛燒制釉層所受到的表面張力變大而所受重力不變，使得小杯邊沿釉層覆蓋相對變厚。至于燒成制品氣泡的數量和大小，影響因素涉及胎和釉的組成、胎和釉中氧化鐵的含量、釉的高溫黏度、表面張力、釉的厚度，以及燒成溫度和燒成氣氛，表面張力只是其中的一項。表面張力能使釉熔體中的大氣泡變得更大更容易排出，而對于小氣泡則變小甚至溶解于釉中而消失。

3 分析和討論

由熔體作用力理論可知，組成熔體的質點間存在著作用力。當質點處于平衡位置時，即質點間距r=r0（r0=10-10）時，引力等于斥力，質點間作用力為0；質點間距r＞r0，作用力為引力；質點間距r＜r0，作用力為斥力；當質點間距r＞10r0時，引力和斥力均為0，如圖3所示。

如果以質點中心為圓心，10r0為半徑作一球面，顯然只有在這個球面內的質點才對位于球心上的質點有作用力。熔體的表面層厚度等于質點作用球半徑的一層，在表面層內熔體質點受力的情況跟熔體內部的質點的受力情況有所不同。由圖4可見，位于熔體內部的質點A受到周圍對稱分布的質點的作用，其合力為0。熔體表面層質點上下分布對稱性被打破，處于表層內的熔體質點B、C和D都受到了一個指向熔體內部的力的作用從而向熔體內部移動，使得質點間距離減小，引力轉化為斥力，最終到達平衡狀態。在平行熔體表面的方向，熔體表面層內的質點分布是均勻的，只是間距比較大，質點間作用力表現為引力，這便是熔體的表面張力。由于表面張力的作用，質點之間的距離減小，使得熔體表面積減小，而一定體積的熔體中球體的表面積最小，所以熔體表面有形成球面的趨勢，但這種趨勢會受重力的影響而改變。重力是所有組成熔體的質點所受的力的合力，而表面張力只是表面一層質點間的引力，表面張力相對于重力而言微乎其微，所以對于大體積的熔體，重力作用遠大于表面張力作用，液面呈現平面。對于小體積熔體來說，組成熔體總的質點數較少，表面張力已接近重力，甚至超過重力，使得液面呈現弧形甚至球形。上述的釉滴實驗可以證實這點。

如果熔體表面是凸面，如圖5b所示，因表面張力沿周界與熔體面相切，則沿周界各個方向的表面張力f將產生一個指向熔體內部的合力p（正壓力），使得熔體表面曲率變小。如果液面是凹面，如圖5c所示，表面張力的合力將指向熔體外部，對熔體則產生一個負壓力，使得凹面變平，甚至有可能轉化為凸面。由于表面張力的作用，熔體表面能夠截凸補凹，自動修復，表面平滑，這正是陶瓷釉層表面能夠平整光滑的主要原因。

4 結論

1）表面張力是熔體表面層由于質點作用力不均衡而產生的使熔體表面收縮的力。

2）由于表面張力的作用，熔體表面有形成球面的趨勢，只是由于重力的作用使得這種趨勢

得以改變。熔體最終呈現的形狀和熔體體積的大小有關系，熔體體積的大小不同，則表面張力和重力的影響程度不同。大體積的熔體，表面張力遠小于重力作用，使得熔體表面呈平面狀。小體積的熔體，表面張力大于重力作用，熔體表面呈弧形甚至球形。

3）陶瓷在燒制過程中，由于表面張力的作用，熔體表面質點不斷移動和擴散，最終達到平衡狀態，使熔體均勻化，釉層表面凹凸不平得以自發修復，逐漸呈現平整、光滑、發亮的狀態。

參考文獻

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［2］裴秀娟.滾釉產生的原因及克服辦法［J］.河北陶瓷，1998，26（2）：3-5.

［3］周正付.縮釉的成因及解決方法［J］.佛山陶瓷，2001，11（10）：7-10.

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［5］周仁，郭演義，萬慕義.龍泉青瓷原料的研究［M］.杭州：浙江省輕工業廳，1962：4-6.

［6］ 戴玉龍，唐玲玲. 用加熱顯微鏡測定玻璃表面張力方法的探討［J］. 玻璃與搪瓷，1988，16（6）：16-19.

（責任編輯：姚佳良）