纖維陶瓷板的制造與應用概述

摘 要：由于陶瓷纖維具有高熔點、耐腐蝕、優(yōu)異的強度和韌性、抗氧化能力強等優(yōu)良特性，可與大部分基材復合并廣泛應用于建筑陶瓷領域中。本文簡要的介紹了一種纖維陶瓷板的制備方法，通過采用粘土、高嶺土、石英砂、硼鈣石、長石、葉蠟石、硼鎂石等傳統(tǒng)陶瓷原料，經1550℃高溫下進行燒結，然后經過花灑式高溫、高壓拉絲工藝編織成類似“無紡布”結構，最后通過添加特殊的樹脂疊壓成多層陶瓷板。所得到產品既保留了傳統(tǒng)陶瓷磚的優(yōu)良特性，也有效地解決了陶瓷本身固有脆性，在高韌性和高強度領域中具有潛在的應用價值。

關鍵詞：陶瓷纖維；陶瓷板；增強增韌

1前言

陶瓷是我國傳統(tǒng)的高能耗高污染行業(yè)之一，我國也是全球建筑陶瓷的最大生產地和出口地之一。建筑陶瓷是以黏土、石英和長石等天然硅酸鹽礦物為主要原料，經過成型和燒結等工藝，并廣泛地應用于建筑領域的功能性裝飾材料。按照品種分類，可分為陶瓷墻地磚、飾面瓦、建筑琉璃制品和陶管等四大類[1]。目前，我國是陶瓷類產品生產量最大的國家，根據中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會數據， 2019年，我國建筑陶瓷產量達到82.20億平方米，2020年，在復工延遲及多地推進“煤改氣”政策影響下，我國建筑陶瓷產量仍達到84.74億平方米，同比實現增長，漲幅達到3.09%。2021年，我國建筑陶瓷產量達到88.63億平方米，繼續(xù)保持穩(wěn)定增長，占全球比例約48.30%，瓷磚消費量為82.68億平方米，占全球比例約45.40%，產量居世界第一[2]。

眾所周知，陶瓷工業(yè)屬于“三高”行業(yè)，即高投入、高能耗、高污染。據報道[3]，每年陶瓷工業(yè)廢氣的排放量已超過1000萬噸，不僅阻礙了我國國民經濟的健康發(fā)展，也極大的影響了人們生活質量的提高。同時，我國自然資源也會隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展而急劇減少。因此，為了建立環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會，薄型化、低污染化的陶瓷產品應運而生，以此來替代傳統(tǒng)陶瓷板，不僅解決了傳統(tǒng)陶瓷板運輸成本過高的問題，也同時為了更方便進行鋪貼和安裝。但也有著不足之處，即：在燒成過程中由于尺寸大，厚度薄，使其容易產生變形，使用過程中抗沖擊能力低，脆性高且裂紋擴展速率快，容易承受不住應力集中導致斷裂，導致作為墻面裝飾大板或巖板的裝配工作非常困難。因此，提高陶瓷產品的韌性和硬度成為了許多學者和研究人員的主要研究的方向。

2高強高韌建筑陶瓷板的研究現狀及方法

增強增韌研究是建筑陶瓷產品的重點研究方向。其核心目的是為了彌補建筑陶瓷產品的固有缺陷，提高建筑陶瓷產品使用壽命、使用范圍，降低建筑陶瓷產品的生產及運輸成本。目前，增強陶瓷的方法有：

（1）致密化增強：通過提高陶瓷的致密度這一方式來降低其內部存在的氣孔率，從而改善陶瓷的強度，其中的方式包括對原料細度的優(yōu)化[4]、燒結工藝的優(yōu)化[5]等。冀冬冬[6]通過選用高熵硼化粉體HEB9作為燒結助劑，研究了HEB9粉體對ZrB2陶瓷致密度的影響，結果表明添加5%HEB9的致密度達到98.87%，相應的陶瓷強度也得到了明顯提升。

（2）引入增強相增強：通過直接引入增強相摻入到基體中，在高溫燒結過程中，增強相可以均勻的分散到陶瓷內，從而提高陶瓷的抗折強度。增強相的類型包括纖維[7-8]、顆粒[9]、晶須[10]等，其中顆粒包括ZrSiO4顆粒、SiC顆粒、Si3N4顆粒等；晶須包括莫來石晶須、氧化鋁晶須等；纖維包括玻璃纖維、碳纖維、氧化鋁纖維等。Yoshihiro等人[11]通過引入氧化鋁晶須至陶瓷中進行增強，結果表明，添加3wt%的氧化鋁陶瓷晶須時，斷裂韌性提升至5.6MPa·m1/2。

（3）預應力增強是指通過一定的化學方法，在材料表面上形成預壓應力層，當材料受到外部一定的張應力時會被預壓應力層所抵消，從而提高材料的斷裂強度。該技術成功被應用于許多領域當中，如1928年，法國工程師Freyssinet[12]提出預應力混凝土這一概念，即通過采用高強度的鋼材和高強度的混凝土，來減少混凝土的收縮。研究證明，預應力混凝土的強度遠遠超過了鋼筋混凝土結構，使該技術被成功地應用于混凝土領域；相類似的，還被應用于玻璃行業(yè)當中，鋼化玻璃就是通過離子交換的方法在玻璃表面形成壓應力，來抵消一定的外加拉力，從而提高玻璃的強度。

（4）相變增韌增強法：通過ZrO2在不同的溫度下呈現出不同的晶相（立方相、四方相和單斜相），在外界應力的作用下產生壓應力，并在相變體積膨脹過程中消耗裂紋擴展能量，從而起到增韌作用。如趙威[13]在巖板原料中加入20%的1.5Y-ZrO2作為強化劑，在1110℃燒結后可使巖板抗折強度提高88.4%。

雖然目前陶瓷增強的方法有很多，但在建筑陶瓷行業(yè)中也會有著自身的局限性，如：成本過高、工藝復雜、高溫環(huán)境下晶體不可控等問題，所以無法進行穩(wěn)定的生產。因此本文提出了一種新的工藝技術，即通過高溫拉絲技術提取玻璃纖維并編織成網狀結構，采用多層堆垛技術及常溫固化技術將玻璃纖維與有機樹脂材料復合堆垛成陶瓷板體，最后再利用表面裝飾技術對纖維陶瓷磚表面進行裝飾，從而制備出高強高韌的纖維陶瓷板。纖維陶瓷板既保留陶瓷板類的傳統(tǒng)優(yōu)點外，還能解決瓷磚硬而脆的痛點，為陶瓷行業(yè)開創(chuàng)一個新的產業(yè)，新的市場跑道，能夠極大推動陶瓷行業(yè)的進步。

3纖維陶瓷板結構及其制造工藝

纖維陶瓷板采用陶瓷傳統(tǒng)原料，即粘土、高嶺土、石英砂、硼鈣石、長石、葉蠟石、硼鎂石等礦物原料，經粉碎、研磨、除鐵、烘干、造粒、陳腐等傳統(tǒng)固相法工藝制備成混合均勻的前驅體粉料。將前驅體粉料置于高溫爐中，以5℃·min-1的升溫速率升溫至1550℃保溫30 min使前驅體粉料在高溫爐中充分熔融并形成具有一定流動性的玻璃熔體，然后經過花灑式高溫、高壓拉絲工藝，從玻璃熔體中拉出直徑為幾微米至幾十個微米的玻璃絲，相當于頭發(fā)絲直徑的1/20 ～ 1/5，每束纖維絲有數百根單絲組成。把玻璃纖維絲仿照無紡布的編織工藝，玻璃絲縱橫交織成無紡布形狀。最后添加特殊的樹脂材料疊壓成多層陶瓷板，一塊3 mm厚玻璃纖維陶瓷板可由30塊左右薄纖維布疊壓而成。

纖維陶瓷板主要成分為二氧化硅、氧化鋯，氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉，氧化鉀等，其中氧化鈉的含量可制成多種類型的玻纖產品。例：無堿纖維：Na2O含量0 ～ 2 %，主體為鋁硼硅酸鹽型；中堿纖維：Na2O含量8 ～ 12 %，主體為鈉鈣硅酸鹽型；高堿纖維：Na2O含量13 %以上，純硅酸鹽玻纖型。將玻纖狀陶瓷制成的無紡布疊加壓制的板材結構時，需要加上無機粘結膠以增加附著力，無機膠由硅酸鹽膠和酚醛樹脂組成。

4纖維陶瓷板的測試方法及性能

4.1顯氣孔和體積密度測試

通過采用阿基米德原理，測定陶瓷產品的吸水率、顯氣孔率和體積密度。根據公式（1）至（3）計算可得：

W1=（m2-m1）/m1×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Pa=（m2-m1） / （m2-m3）×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

ρ= m1 ρ1 / （m2-m3） ×100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：W1為吸水率，%；Pa為顯氣孔率，%；ρ為體積密度，%；m1：干燥后樣品的質量，g；m2：飽和試樣在空氣中的質量，g；m3：飽和試樣的表觀質量，g；ρ1：浸漬液體的密度，g/cm3。

4.2其他性能測試

根據GB/ T1040.2標準[14]進行抗拉強度測試，測試抗拉強度結果為6.3～6.9MPa。另纖維陶瓷板密度為2.4～2.76g·cm-3，軟化點溫度在500～750℃，沸點＞1000℃，具有高溫穩(wěn)定性好（300℃下不影響強度），良好的電絕緣性，吸水率低、彈性吸水高，拉伸強度高，防火等級可達GB/T 3003-2006標準[15]中所要求的A級、耐化學腐蝕性優(yōu)良、耐化學溶劑性優(yōu)異、耐水、阻燃、并且加工性能好，可以切割、打釘、防腐蝕性好等性能特點，相比傳統(tǒng)的陶瓷板或陶瓷磚，纖維陶瓷板有著其固有的性能優(yōu)勢和潛在的應用前景。

5纖維陶瓷板的應用前景

由于纖維陶瓷板具有環(huán)保健康、防火耐高溫、韌性強和易加工性等優(yōu)異性能，從而在建筑陶瓷領域中具有廣泛的應用前景。

（1）在巖板中的應用：首先在建筑裝飾市場，制作成幕墻板，具有瓷磚、巖板等各種裝飾材料的優(yōu)點。保留了耐水、耐火、防蟲、耐久、美觀、有視覺豪華感，并克服了普通巖板脆、易碎、施工及加工困難等缺點，可稱之為墻板中的頂級天花板。如果在普通巖板背面復合一層玻璃纖維板，可以大大提高巖板的抗沖擊、抗折、抗裂性能，能促進墻巖板市場的健康發(fā)展。

（2）在電氣工程的應用：纖維陶瓷板強度高。電絕緣性能優(yōu)良，其中中堿型玻纖板可以用于電氣工程、電工耐熱板。

（3）在軍工設備中的應用：由于其纖維狀拉伸強度達到2800MPa，彈性達到8600MPa的特性，可以做出防彈盔甲、防彈軍用車，導彈運輸車，太空空間站外殼。也可應用其特殊的運動器材。如高爾夫球系統(tǒng)。

（4）在水泥中的應用：高耐堿的AR型玻纖陶瓷粉，特別適合應用于水泥、混凝土的增強、是承重水泥鋼材和石棉的理想替代品。它有效的抵抗水泥高堿性侵蝕，增強握釘力。而且彈性模量大，抗沖擊、抗彎曲、抗凍融，抗裂，耐溫差變化。抗?jié)B透，易成型。是建筑水泥混凝土的優(yōu)質配伍材料。

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