陳化東，李 赫，孫 寧，喬金飛，單 婷

（山東硅元新型材料股份有限公司 淄博 255000）

陶瓷是脆性材料，我們研究的熱穩(wěn)定性就是指材料在開裂或斷裂瞬間，用來抵御這類材料被破壞的能力。在正常情況下，產(chǎn)品在熱沖擊時(shí)的溫度不同，會使熱應(yīng)力產(chǎn)生不同的分布，其計(jì)算頗為復(fù)雜，與材料的形狀、熱交換能力等因素有關(guān)。對于日用陶瓷產(chǎn)品來說，熱穩(wěn)定性是瓷坯、釉料、顏料（釉上、釉下、釉中等）等多種成分綜合體的抗熱沖擊表現(xiàn)，這與陶瓷制品多方面的工藝因素均有關(guān)系，因此日用陶瓷熱穩(wěn)定性的研究也會更加復(fù)雜。

一般情況下，從提高材料熱穩(wěn)定性的角度看，提高材料強(qiáng)度，減小彈性模量，減小線脹系數(shù)，提高熱導(dǎo)率，改善微觀結(jié)構(gòu)能提高材料的熱穩(wěn)定性。提高材料強(qiáng)度，減小彈性模量，這意味著提高陶瓷材料的柔韌性，使之吸收較多的彈性應(yīng)變能，從而不致產(chǎn)品開裂，并提高陶瓷產(chǎn)品熱穩(wěn)定性。材料中如果含有少量微裂紋，并且裂紋長度能夠控制在較低的范圍內(nèi)，就能有最小的動力擴(kuò)展，使材料的抗熱震性得到充分改善。所以，為了改良陶瓷材料的熱穩(wěn)定性，從工藝角度出發(fā)可以調(diào)整材料的顆粒尺寸、顆粒級配，通過引入第二相，如利用基體和彌散相引進(jìn)顯微裂紋，可提高材料的韌性。

陶瓷的熱穩(wěn)定性差和炸瓷現(xiàn)象主要因?yàn)橛缘臒崤蛎浵禂?shù)大于坯體的熱膨脹系數(shù)，從而造成坯釉不匹配。陶瓷工作者都應(yīng)該知道坯的熱膨脹系數(shù)應(yīng)略大于釉的熱膨脹系數(shù)，只有這樣，制品在降溫的過程中，會逐漸收縮，釉層慢慢冷卻到常溫后，陶瓷表面釉層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，所以此時(shí)的壓應(yīng)力可以與淬冷時(shí)釉層所受到的張應(yīng)力相互抵消一部分，因此陶瓷制品就會有較高的機(jī)械強(qiáng)度，產(chǎn)品可以經(jīng)受住更大的實(shí)驗(yàn)溫差，從而陶瓷制品的熱穩(wěn)定性得到提高。但是，與之相反，如果釉層處于張應(yīng)力狀態(tài)，陶瓷制品的機(jī)械強(qiáng)度就會顯著下降。釉層慢慢冷卻到室溫溫度后，陶瓷表面的釉層本身處于張應(yīng)力的狀態(tài)，所以此時(shí)釉層的張應(yīng)力和淬冷試驗(yàn)中釉層受到的張應(yīng)力相互疊加，從而促使釉面加快開裂，致使陶瓷的熱穩(wěn)定性降低。

日用陶瓷產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)是否合理，對陶瓷制品熱穩(wěn)定性也會有很大的影響。假如器型設(shè)計(jì)很不合理，會導(dǎo)致某些部位因受力不均勻而炸裂或開裂，如注漿陶瓷壺嘴等接口處和滾壓陶瓷盤、碗等足底。陶瓷的產(chǎn)品厚度也會對熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，陶瓷胎體過厚，就會導(dǎo)致熱應(yīng)力難以釋放從而導(dǎo)致陶瓷制品的開裂，陶瓷胎體過薄，則會導(dǎo)致陶瓷胎體強(qiáng)度不夠而開裂。所以造型、尺寸因素雖然不是陶瓷材料的本質(zhì)屬性，但是這兩方面對陶瓷制品的熱穩(wěn)定性有著極其重要的影響。造型復(fù)雜的缺乏工藝設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致陶瓷制品中有較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中和溫度不均勻，使得陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，但是符合工藝的設(shè)計(jì)能有效地彌補(bǔ)陶瓷材料中某些性能不足的問題，從而提高陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。所以在實(shí)際的工作和設(shè)計(jì)中，陶瓷產(chǎn)品的器型必須加以注意和重視。熱穩(wěn)定性工藝控制方法主要從以下幾方面來控制:

1 原料選擇

原料的質(zhì)量對熱穩(wěn)定性有著很大的影響，原料波動，可能引起坯體配方、石英顆粒含量、燒失量、可塑性、耐火度等指標(biāo)情況的變化，原料物理化學(xué)指標(biāo)的穩(wěn)定性直接影響坯料的物理化學(xué)性能，所以應(yīng)采用儲量大、品質(zhì)穩(wěn)定可靠的礦源，引進(jìn)國內(nèi)、外優(yōu)質(zhì)高嶺土，降低Fe、Ti含量，嚴(yán)把進(jìn)廠原料檢驗(yàn)關(guān)，每批原料均要經(jīng)過采購、檢測、研發(fā)、工藝等部門的共同把關(guān)，并在檢驗(yàn)及小樣試燒合格后方能使用。

2 配方優(yōu)化

大部分釉原料配方設(shè)計(jì)為了減少釉面的針孔缺陷、降低釉的高溫粘度、增加釉的高溫流動性、增加釉面的光澤度，而大量增加釉料中熔劑的用量，導(dǎo)致釉料的熱膨脹系數(shù)過大。為此我們在釉漿中可以試著引入極少量的鋰輝石，因?yàn)長i2O的助熔能力比K2O、Na2O的助熔能力要強(qiáng)很多，因此釉的熱膨脹系數(shù)可以得到減少，并且Li2O能使釉的高溫粘度降低，高溫流動性增加，從而可以促進(jìn)坯釉中間層的良好發(fā)育。在釉中適當(dāng)?shù)囊胧?、熟料等有利于硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的物質(zhì)，尤其50目～100目的陶瓷碎瓷粉，也可使釉料整體結(jié)構(gòu)的緊密度得到提高，釉的熱膨脹系數(shù)會降低，從而改善陶瓷的熱穩(wěn)定性。

3 顆粒級配

原料的顆粒細(xì)度會對瓷坯抗熱震性有重要影響，普遍認(rèn)為，原料顆粒細(xì)度的增大可改善陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。尋找能夠使陶瓷成瓷性能最好的最佳物料細(xì)度配比成為工藝控制的重點(diǎn)，為此需要從陶瓷原料入磨的粒度、料漿研磨后的粒度控制以及各階段顆粒級配等多方面進(jìn)行研究，嚴(yán)格控制球磨時(shí)間，并用激光粒度儀和顯微鏡對比測試泥漿粒度，通過對比熱穩(wěn)定性的優(yōu)劣，確定原料粒度和顆粒級配的工藝控制。

4 成形細(xì)節(jié)

泥料如果沒有經(jīng)過陳腐和練泥，會導(dǎo)致坯體含有氣泡、含水率高或不均勻、可塑性能差；旋壓、滾壓成形的泥料過硬、水分不均勻、投泥的位置不正或泥餅過??；注漿成形過程中泥漿的顆粒較粗性能差；注漿和干燥時(shí)間過長或過短；修坯時(shí)刀具不鋒利，修坯過程中用力過大，轉(zhuǎn)盤晃動劇烈；烘干室溫度過高或過低，烘干時(shí)間過短；搬運(yùn)過程中有磕碰，一只手取坯時(shí)會導(dǎo)致坯體單側(cè)受力，坯體放置不平穩(wěn)等操作細(xì)節(jié)都會直接影響陶瓷產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。要嚴(yán)格控制操作細(xì)節(jié)，注漿泥水分和電解質(zhì)要嚴(yán)格稱量，調(diào)節(jié)好泥漿性能，確保滿足注漿成形工藝要求，減少坯泡等缺陷產(chǎn)生。滾壓泥除控制好水分，還要嚴(yán)格控制陳腐時(shí)間和練泥效果，滿足滾壓成形工藝要求，減少坯孔、分層等缺陷的產(chǎn)生。成形和修坯操作過程中要注意輕拿輕放，避免對坯體產(chǎn)生損傷，修坯要注意使邊、棱等圓滑。成形要嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作，控制產(chǎn)品厚度，保證坯體均勻致密，減少生坯起泡、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。產(chǎn)品搬運(yùn)和出裝操作要輕拿輕放，避免對坯體產(chǎn)生傷害。

5 施釉控制

坯釉中間層對應(yīng)力緩沖作用是因其膨脹系數(shù)介于坯和釉之間從而抵銷了部分應(yīng)力，研究證明坯釉中間層能緩沖有害應(yīng)力，提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。所以我們可以使用兩次施釉方式，一是兩遍釉能提高瓷胎的強(qiáng)度，二是夾在瓷胎和低溫釉中間的高溫釉，形成了良好的中間過渡層，減緩了熱沖擊造成的破壞應(yīng)力，因此使強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性有了較大提高。這樣一個(gè)復(fù)合釉層，在膨脹系數(shù)匹配的情況下，可提高瓷胎的抗折強(qiáng)度30%，所以兩遍釉工藝可形成一個(gè)良好的中間過渡釉層，同時(shí)也更有利于形成平滑光潤、晶瑩豐厚的釉面。

6 坯釉匹配

坯釉膨脹系數(shù)的匹配是保證陶瓷熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵。確保坯的膨脹系數(shù)略大于釉的膨脹系數(shù)，陶瓷制品燒成后，使整個(gè)產(chǎn)品和釉層都處于適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力狀態(tài)。普遍認(rèn)為坯體比釉的熱膨脹系數(shù)略大0.4～0.8×10-6/℃，可使陶瓷的抗折強(qiáng)度提高30～35%，能大幅提高熱穩(wěn)定性，反之，則會降低陶瓷產(chǎn)品熱穩(wěn)定性。假如釉層受到較大的壓應(yīng)力，那么在淬冷試驗(yàn)中首先開裂的將不會是釉層而是緊靠釉層的坯體表層，因該處將會受到最大的張應(yīng)力，在這種情況下，如果瓷胎本身強(qiáng)度不高，坯釉膨脹系數(shù)不適應(yīng)，很容易造成炸瓷。針對這兩個(gè)方面的影響，在配方調(diào)整時(shí)，要千方百計(jì)地提高瓷胎的強(qiáng)度，千方百計(jì)地選好坯釉的膨脹系數(shù)。

7 燒成工藝

在坯體和釉料配方穩(wěn)定的情況下，燒成制度、燒成曲線是陶瓷制品燒成工藝的關(guān)鍵，這些因素都會直接影響到莫來石、方石英和玻璃相的生成量以及結(jié)合量，并且間接影響到材料中氣孔率或吸水率的多少。合理地控制燒成溫度，可以使固相、液相反應(yīng)更加充分，在升溫的過程中會生成較多的低膨脹晶須和莫來石晶須，從而使陶瓷具備較高的強(qiáng)度、較小的膨脹系數(shù)以及良好的熱穩(wěn)定性。在產(chǎn)品冷卻過程中，高于850℃時(shí)，坯體內(nèi)液相處在塑性狀態(tài)，需要進(jìn)行快冷；低于850℃時(shí)，液相開始凝固，石英的晶型轉(zhuǎn)化會引起體積變化，應(yīng)該緩冷。

需要指出的是，日用陶瓷產(chǎn)品是一個(gè)結(jié)合了瓷坯、瓷釉、顏料等多種材料的綜合體，而且生產(chǎn)工序多，各種變量因素復(fù)雜，提高日用陶瓷熱穩(wěn)定性是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工程，至今還沒有一個(gè)較為完善的理論。為此，所有改進(jìn)日用陶瓷熱穩(wěn)定性的方法必須與實(shí)際相結(jié)合，要在具體的使用條件下滿足具體的使用要求，并與各種外加因素一起進(jìn)行綜合考慮，所以關(guān)于日用瓷熱穩(wěn)定性的研究還是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)。