扩大陶瓷制品烧成范围的途径.doc

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扩大陶瓷制品烧成范围的途径扩大陶瓷制品烧成范围的途径2011年01月20日　　陶瓷的烧成范围对陶瓷制品质量稳定性和生产中废品率有很大影响，所以扩大陶瓷烧成范围与降低烧成温度一样，具有很大的实际意义。目前降低烧成温度最普遍方法是采用矿化剂，而实际上在加入矿化剂时，不仅影响到陶瓷烧成温度，而且也影响到陶瓷烧成范围，因此在选择矿化剂的时候，这两者都要兼顾。目前采用的矿化剂基本上可以分成以下几类：（1）能与陶瓷基体氧化物形成固溶体或低共熔物的矿化剂，这类矿化剂为钙、锌、镁、钡、锰、硼的化合物。也包括一些熔剂性矿物，如长石、透辉石。（2）采用能使陶瓷晶格中产生缺位形成反应的矿化剂。为了制备高致密度、无气孔陶瓷，采用能使陶瓷晶格产生缺位形成反应的矿化剂，使矿化剂的缺位机理加速扩散，以促使晶体内部和晶体之间的气孔排除，又改善晶体界面和本身结构。（3）复合矿化剂，例如采用滑石和萤石组成的复合矿化剂，可以使刚玉陶瓷烧成温度从1700℃降低到1580℃。此类复合矿化剂加入量为3~7%（其是86%为滑石、14%萤石）。M-7刚玉陶瓷烧成温度高达1700℃，采用TiO2+MnO2+滑石瓷复合矿化剂，可以使它的烧成温度降低到1420~1440℃。（4）采用玻璃态矿化剂，如加入钠钙玻璃作为矿化剂，也可以是其它系统的玻璃，如：CaO-B2O3-SiO2系统玻璃等。 （5）采用超细金属粉作为陶瓷烧成的矿化剂，这是近年来强化陶瓷烧成过程，改善陶瓷材料性能的新的有效途径，例如在刚玉陶瓷和二氧化锆陶瓷中引入铜粉或镍粉或铝粉。这不仅可以降低陶瓷烧成温度而且使这两类陶瓷烧结密度、强度、抗裂性、硬度、耐磨性得以改善。以上几类矿化剂引入一般都能降低陶瓷烧成温度，但对烧成范围有的矿化剂会带来不利影响：例如第1类矿化剂，它的引入在陶瓷中生成低熔化合物或者降低熔体粘度，这样常常使烧成范围变窄，给陶瓷生产带来负影响。如何扩大陶瓷烧成范围，可以从降低陶瓷中熔体开始出现的温度，或增加熔体粘度两方面着手。对于窄的烧成范围的陶瓷随着温度升高，在烧成时产生的熔体显粘度快速降低，例如：在温度增加时，含镁的铝硅酸盐熔体比含钙的铝硅酸盐和含钡铝硅酸盐熔体粘度降低要快，所以在用镁、钙、钡离子作为矿化剂的高频瓷中，镁离子对熔体粘度变化有决定性影响，为此用硼来代替高频瓷中镁的成份，引入硼的化合物导致形成复杂成份的低熔混合物，它的熔点为977℃，而含镁的低熔体形成温度比此温度高，因此引入硼，使陶瓷在烧成时、液相在更低温度下产生，从而扩大了烧结范围，此外加入B2O3也降低了熔体表面张力，改善了固相湿润状况，并且减少了颗粒之间的空隙和气孔，以致于在最终烧成阶段，有可能减少陶瓷过烧情况。例如：对于Yф-46高频瓷在不加B2O3时烧成范围为20~30℃，烧成温度为1390~1410℃，而加入0.92%B2O3使烧成范围扩大到100℃，烧成温度为1370~1390℃。在传统的KM-1、Yф-53、Yф-46刚玉一莫来石陶瓷，采用碳酸钙、碳酸钡作矿化剂，这些化合物作为矿化剂在加热过程中转化为氧化物，而产生烧结作用，采用这类矿化剂，烧结范围很窄，一般在20~40℃，而用TiO2+MnO2+滑石复合矿化剂，不仅可以降低烧成温度（为1360~1380℃），而且使烧成范围扩大到200℃，这因为TiO2和MnO2加入形成侵入式固溶体，并在这时产生刚玉晶格变形，但为了克服TiO2和MnO2矿化剂引入形成粗晶结构，同时引入滑石，滑石在烧成过程中脱水，并分解形成偏硅酸镁和二氧化硅，引入镁盐和氧化镁是减缓刚玉晶体的生长的最有效办法，二氧化硅同样地减缓刚度结晶生长。 用粘土38%，纯橄榄岩12%，热粘土50%制备的化学瓷虽然具有良好性能，但它的烧成范围仅为30℃。烧成范围窄的原因，形成的熔体数量迅速增加。所以为了扩大它的烧成范围，必须增加烧成时熔体粘度。研究表明：在陶瓷配合料中同时引入8~10%工业氧化铝，0.2~2%玄武岩及0.4~1.5%碳酸钡，不仅仍保留化学瓷所要求的性能和烧成温度，但它的烧成范围扩大到135~140℃，这由于上述三个成份引入熔体粘度有所提高，并形成的玻璃相硬度增加了，而且形成玻璃相温度有所降低。对于制备传统的软瓷，主要成份为高岭土、蒙脱石、石英、长石。在陶瓷烧成过程中，在930~950℃，由于长石熔化，生成熔体，在熔体中发生莫来石形成的结晶，在这种情况下，石起到调节粘度的作用，使这类陶瓷具有比较宽的烧成范围。在制备块滑石瓷时，采用以下组成：滑石、粘土及矿化剂（碳酸钡），在烧成时、在1150~1170℃范围，形成比较多的钡铝硅酸盐熔化。但该组成的块滑石瓷烧成范围狭。为了提高熔体粘度，采用加入硼的化合物，从而使它的烧成范围有所扩大。另一个扩大这类陶瓷烧成范围的途径，可以采用NiO作为矿化剂，它的加入量为1.6~2.5%。在块滑石瓷中主要结晶相是镁的偏硅酸盐，加入矿化剂NiO，在1200~1400℃范围，通过固相反应形成正硅酸镍，并且氧化铝以不大数量熔于于氧的镍中，在NiO-SiO2-Al2O3系统中正硅酸镍相当稳定，以致于它可以均匀分布于熔体的液相中，使熔体粘度增加，并且成为玻璃相的骨架，所以在块滑石瓷中加入NiO不仅扩大了烧成范围，而且也使块滑石瓷致密度和强度等性能得以改善。天然透辉石（CaO.MgO.2SiO2）它的熔化温度为1390℃。在带有粘土的陶瓷材料中，透辉石可以形成易熔低熔化合物，这因为在900~1250℃范围，透辉石促进形成液相，并且把氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁结合到液相中，从而提高陶瓷材料的反应能力。在1250℃透辉石起到助熔剂的作用，因此透辉石对于高铝陶瓷和其它陶瓷，可以作为降低烧成温度和促成玻璃相 形成的矿化剂。研究表明：当透辉石作为矿化剂加入，陶瓷不仅可以降低烧成温度100~150℃，而且可以改善陶瓷的物理机械性能和介电性能。因此既可以建立透辉石基础上的陶瓷，也可以把透辉石以矿化剂型式引入到陶瓷中，但在陶瓷中引入透辉石以矿化剂型式引入到陶瓷中。但在陶瓷中引入透辉石也带来不利影响，即使陶瓷烧成范围变狭。因此要获得性能良好的透辉石陶瓷，必须探讨扩大这类陶瓷烧成范围的途径。由于透辉石加入使陶瓷具有良好介电性能，俄罗斯研制成功了透辉石基础上DCK-5型高频电瓷，其成份为透辉石、粘土和硼的化合物，其中硼的化合物作为矿化剂。该陶瓷在烧成时熔体形成温度为1150℃，由于透辉石部分溶于熔体中，使熔体中富集氧化钙和氧化镁，从而使熔体粘度降低，烧成范围变狭。采用锆石（ZrSiO4）作为烧结添加剂，它逐渐熔解于熔体中，以调节熔体粘度、补偿透辉石不良影响，从而使该陶瓷烧成范围扩大。降低烧成开始温度，也就是降低熔体开始出现的温度，这也是扩大陶瓷烧成范围的有效措施，但也不是绝对的。在低温烧成的透辉石瓷，曾研究采用软化温度为700~800℃碱性硅酸盐玻璃作为矿化剂，它能同陶瓷料中某些成份进行反应，在温度850~900℃下形成熔体，但在提高温度时，它的粘度很快降低，这类透辉石陶瓷虽然有低的烧成温度，但它的烧成温度很狭，在实际生产中很难获得质量稳定的产品。为了使透辉石瓷在950~1100℃范围烧成，而又具有宽的烧成范围和良好的使用性能，采用引入以下组成复合矿化剂，即CJI电气玻璃废料+硼酸。CJI电气玻璃化学成份如下：SiO270.77、CaO5.41、MgO3.44、Al2O31.48、Fe2O30.1、Na2O15.87、k2O0.98、BaO1.97。加入这类复合矿化剂，不仅使陶瓷在850~900℃下形成熔体，而且熔体具有很大粘度。一般这类复合矿化剂加入量为4~5%。采用钾长石+钠长石作为透辉石陶瓷的矿化剂，也有上述效应，加有这类复合矿化剂的透辉石陶瓷烧成温度为950~1050℃，烧成范围达100℃，烧成的陶瓷具有稳定的收缩率和吸水性，良好的物理机械性能和介电性能。研究表明：仅仅以钾长石或钠长石作为矿化剂引入到透辉石瓷中，不能达到扩大烧成范围的目的。