【精品课件】河南省精品课程陶瓷工艺原理

2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理第一章陶瓷原料第一节粘土类原料（一）粘土的成因与产状粘土（clay）是一种颜色多样、细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体，其矿物粒径一般小于2µm，主要由粘土矿物以及其它一些杂质矿物组成。粘土的成因：1.风化残积型：指深成的岩浆岩（如花岗岩、伟晶岩、长英岩等）在原地风化后即残留在原地，多成为优质高岭土的主要矿床类型。风化型粘土矿床主要分布在我国南方(如景德镇高岭村、晋江白安、潮州飞天燕等地），一般称为一次粘土（也称为残留粘土或原生粘土）。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理2.热液蚀变型：高温岩浆冷凝结晶后，残余岩浆中含有大量的挥发分及水，温度进一步降低时，水分则以液态存在，但其中溶有大量其它化合物。当这种热液（水）作用于母岩时，会形成粘土矿床，这就称为热液蚀变型粘土矿，如苏州阳山、衡阳界牌土。3.沉积型粘土矿床：是指风化了的粘土矿物借雨水或风力的搬运作用搬离原母岩后，在低洼的地方沉积而成的矿床，称为二次粘土（也称沉积粘土或次生粘土），如南安康垅，清远源潭。粘土的种类不同，物理化学性能也各不相同。粘土可呈白、灰、黄、红、黑等各种颜色。有的粘土疏松柔软且可在水中自然分散，有的粘土则呈致密坚硬的块状。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理(二）粘土的组成粘土的性能取决于粘土的组成，包括粘土的矿物组成、化学组成和颗粒组成。1、粘土的化学组成主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶水（H2O）。含有少量的碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化物CaO、MgO，以及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。风化残积型粘土矿床一般SiO2含量高，而A12O3含量低。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理化学组成在一定程度上反映其工艺性质。（1）SiO2：若以石英状态存在的SiO2多时，粘土可塑性降低，但是干燥后烧成收缩小。（2）Al2O3：含量多，耐火度增高，难烧结。（3）Fe2O3＜1％，TiO2＜0.5％：瓷制品呈白色，含量过高，颜色变深，还影响电绝缘性。（4）CaO、MgO、K2O、Na2O：降低烧结温度，缩小烧结范围。（5）H2O、有机质：可提高可塑性，但收缩大。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理2.粘土的矿物组成粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。因此，粘土所含各种微细矿物的种类和数量是决定其工艺性能的主要因素。粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。高岭石叶腊石伊利石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理a．高岭石类（Kaolinite）高岭石族矿物包括高岭石、地开石、珍珠陶土和多水高岭石等。高岭石是粘土中常见的粘土矿物，主要由高岭石组成的粘土称为高岭土。b．蒙脱石类蒙脱石（Montmorillonite）也是一种常见的粘土矿物，以蒙脱石为主要组成矿物的粘土称为膨润土（bentonite），一般呈白色、灰白色、粉红色或淡黄色，被杂质污染时呈现其它颜色。c．伊利石类伊利石是白云母经强烈的化学风化作用而转变为蒙脱石或高岭石过程中的中间产物。组成成分与白云母相似，但比正常的白云母多SiO2和H2O而少K2O。与高岭石比较，伊利石含K2O较多而含H2O较少。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理各种粘土矿物的差热曲线2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理粘土矿物是具有层状结构硅酸盐矿物，其基本结构单位是硅氧四面体层和铝氧八面体层，由于四面体层和八面体层的结合方式、同形置换以及层间阳离子等不同，从而构成了不同类型的层状结构粘土矿物，如下图所示的结构模型图。层状结构粘土矿物晶体结构模型图2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理3、颗粒组成颗粒组成：粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量。1um的细颗粒愈多，则可塑性愈强，干燥收缩大，干后强度高，而且烧结温度低，（比表面积大，表面能高）片状比杆状堆积面积大，塑性大，强度高。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（三）粘土的工艺性质1.可塑性可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团，在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂，除去外力后，仍能保持受力时的形状的性能。2.结合性粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定干燥强度的能力。3.离子交换性粘土颗粒带有电荷，其来源是其表面层的断键和晶格内部被取代的离子，因此必须吸附其它异号离子来补偿其电价，粘土的这种性质称为离子交换性。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理4.触变性粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加，静置后又能逐渐恢复原状。反之，相同的泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会增加粘度，出现变稠和固化现象。上述情况可以重复无数次。粘土的上述性质统称为触变性，也称为稠化性。5.膨胀性膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象。这是由于粘土在吸附力、渗透力、毛细管力的作用，水分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致，因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理6.收缩粘土泥料干燥时，因包围在粘土颗粒间的水分蒸发、颗粒相互靠拢而引起的体积收缩，称为干燥收缩。粘土泥料煅烧时，由于发生一系列的物理化学变化(如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、易熔杂质的熔化，以及熔化物充满质点间空隙等等)，因而使粘土再度产生的收缩，称为烧成收缩。这两种收缩构成粘土泥料的总收缩。7.烧结性能通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能。8.耐火度耐火度是耐火材料的重要技术指标之一，它表征材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（四）粘土在陶瓷生产中的作用1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。5.粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理第二节石英类原料（一）石英矿石的类型二氧化硅（SiO2）在地壳中的丰度约为60％。含二氧化硅的矿物种类很多，部分以硅酸盐化合物的状态存在，构成各种矿物、岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体，其中结晶态二氧化硅统称为石英。由于经历的地质作用及成矿条件不同，石英呈现多种状态，并有不同的纯度。a.水晶b.脉石英c.砂岩d.石英岩e.石英砂2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理石英水晶－结晶良好的石英水晶－结晶良好的石英2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（二）石英的性质石英的主要化学成分为SiO2，但是常含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等杂质成分。二氧化硅在常压下有七种结晶态和一个玻璃态。它们是α-石英、β-石英；α-鳞石英、β-鳞石英、γ-鳞石英；α-方石英、β-方石英。石英具有很强耐酸侵蚀能力（氢氟酸除外），但与碱性物质接触时能起反应而生成可溶性的硅酸盐。高温下，石英易与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。石英材料的熔融温度范围取决于二氧化硅的形态和杂质的含量。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（三）石英的晶型转化石英的晶型转化类型有两种：（1）高温型的缓慢转化（2）低温型的快速转化石英晶型转化图释2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（四）石英在陶瓷生产中的作用1.石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用。2.在陶瓷烧成时，石英影响陶瓷坏体的体积收缩。3.在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响。4.石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理第三节长石类原料（一）长石的种类和性质长石是陶瓷生产中的主要熔剂性原料，一般用作坯料、釉料、色料熔剂等的基本成分，用量较大，是日用陶瓷的三大原料之一。自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由以下四种长石组合而成：钠长石(Ab)Na[AlSi3O8]或Na2O·Al2O3·6SiO2钾长石(Or)K[AlSi3O8]或K2O·Al2O3·6SiO2钙长石(An)Ca[Al2Si2O8]或CaO·Al2O3·2SiO2钡长石(Cn)Ba[Al2Si2O8]或BaO·Al2O3·2SiO22019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理钠长石钾长石钙长石钙长石钡长石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理名称钾长石钠长石钙长石钡长石化学通式K2O·Al2O3·6SiO2Na2O·Al2O3·6SiO2CaO·Al2O3·2SiO2BaO·Al2O3·2SiO2晶体结构式K[AlSi3O8]Na[AlSi3O8]Ca[Al2Si2O8]Ba[Al2Si2O8]理论化学组成(%)SiO2Al2O3RO(R2O)64.7018.40K2O16.9068.7019.50Na2O11.8043.2036.70CaO20.1032.0027.12BaO40.88晶系单斜三斜三斜单斜密度（g/cm3）2.56~2.592.60~2.652.74~2.763.37莫氏硬度6~6.56~6.56~6.56~6.5颜色白、肉红、浅黄白、灰白、灰或无色白或无色热膨胀系数（α×10-8/℃）7.57.4熔点（℃）1150（异元熔融）110015501725附注碱性长石系列：KAlSi3O8-NaAlSi3O8包括透长石、正长石，微斜长石、歪长石，条文长石及钠长石斜长石系列：NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8包括钠长石、更长石、中长石、拉长石、培长石及钙长石长石类矿物的化学组成与矿物物理性质2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（二）长石的熔融特性1.钾长石的熔融温度不是太高，且其熔融温度范围宽。2.钠长石的开始熔融温度比钾长石低，其熔化时没有新的晶相产生，液相的组成和熔长石的组成相似，即液相很稳定，但形成的液相粘度较低。3.钙长石的熔化温度较高，熔融温度范围窄，高温下熔体不透明、粘度也小。冷却时容易析晶，化学稳定性也差。4.钡长石的熔点更高，其熔融稳定范围不宽，普通陶瓷产品不采用它。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理（三）长石在陶瓷生产中的作用长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物（K2O，Na2O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。熔融后的长石熔体能熔解部分高岭土分解产物和石英颗粒长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。在釉料中长石是主要熔剂。长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间、减少坯体的干燥收缩利变形等。2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理第四节其他矿物原料1.瓷石瓷石是一种由石英，绢云母组成，并含有若干高岭石，长石等的岩石状矿物集合体。瓷石的可塑性不高，结合强度不大，但干燥速度快。瓷石粉2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理2.叶腊石叶蜡石属单斜晶系，化学通式为：A12O3·4SiO2·nH2O，晶体结构式为：A12(Si4O10)(OH)2,理论化学组成为：A12O328.30％，SiO266.70％，H2O5.00％。叶蜡石通常呈白色、浅黄或浅灰色，结构和蒙脱石相似，都属于2：1型层状结构硅酸盐矿物。叶腊石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理3.高铝质矿物原料主要是高铝矾土及硅线石族矿物，可用于制造高铝陶瓷、窑具和砌筑窑炉的耐火材料。a.高铝矾土（铝土矿）b.硅线石族原料高铝矾土硅线石2019/10/3河南省精品课程——陶瓷工艺原理4.碱土硅酸盐类原料a.滑石与蛇纹石①滑石滑石由天然的含水层状硅酸镁矿物组成，其化学式为3MgO·4SiO2·H2O，晶体结构式是Mg3[Si4O10](OH)2，理论化学组成为：MgO