摘 要

本研究采用半干压法成型并经无压烧结制备了条状陶瓷试样，通过测定样品在不同烧成温度下的形变量，同时利用电子探针显微分析技术对陶瓷样品的高温液相成分进行表征，并采用Urbain、NPL和Riboud三种粘度模型以及FactSage软件的Glasses和Melts模型来计算样品的高温液相粘度，对传统陶瓷烧成过程中液相粘度与高温塑性形变量的关系进行了基础理论研究，并分析了不同原料矿物对陶瓷高温塑性形变的影响，探讨了最适合于K-Al-Si陶瓷系统的粘度模型。

研究发现，五种粘度模型中最适合于K-Al-Si陶瓷系统的模型为Riboud模型。陶瓷配方中的熔剂类物质中，钠长石比钾长石更能降低陶瓷的高温液相粘度，因而更能增大陶瓷的变形倾向；方解石能增加陶瓷烧成过程中产生的液相量，从而增大陶瓷的变形倾向；熔剂的含量越多，陶瓷的变形倾向越大。传统陶瓷在烧成过程中，当其液相粘度在一定范围内时，陶瓷的高温塑性形变量随液相粘度的降低而不断增加。当液相粘度大于3×10⁵Pa·s时，高温塑性形变量的变化率较小，且塑性形变指数不超过8.37×10^-6·mm^-1；当液相粘度小于3×10⁵Pa·s时，随着粘度的降低，高温塑性形变量的变化率逐渐增大，塑性形变指数急剧升高。

关键词：传统陶瓷；高温塑性形变；粘度；粘度模型

Abstract

In this study, the ceramic samples were fabricated via semi-dry pressing followed by pressless sintering, and the pyroplastic deformation magnitudes of samples at different sintering temperatures were measured. The high temperature liquid phase compositions of samples were characterized by EPMA, afterwards the viscosity of these liquid phase was calculated by Urbain model, NPL model and Riboud model as well as Glasses model and Melts model of FactSage. Based on the above analysis, the theoretical basis of the relationship between the liquid viscosity and the pyroplastic deformation of ceramics in firing process was studied. Besides, the influence of different minerals on the plastic deformation of the ceramic was analyzed, and the most suitable viscosity model for Al-K-Si ceramic system was discussed.

It is found that, Riboud model is the most suitable viscosity model for Al-K-Si ceramic system among these five models. When it comes to fluxes in the raw materials of ceramics, soda feldspar is better to reduce the viscosity of liquid phase than potash feldspar, thus increasing the pyroplastic deformation of ceramics. What’s more, calcite can increase the amount of liquid produced in the ceramic firing process, as a result, the pyroplastic deformation of ceramics is increased. In addition, the more content of flux, the greater the deformation tendency of ceramics during firing. During the firing process of ceramics, the pyroplastic deformation increases with the decrease of liquid viscosity within a certain range. When the liquid viscosity is greater than 3×10⁵Pa·s, the change rate of pyroplastic deformation is low, and the pyroplastic index is no more than 8.37×10^-6·mm^-1.While the liquid viscosity is below 3×10⁵Pa·s, the change rate of pyroplastic deformation is gradually increased with the decrease of viscosity, and the pyroplastic index increases rapidly.

Key Words: Ceramics; Pyroplastic deformation; Viscosity; Viscosity model

目 录

第1章 绪论 1

1.1本课题研究的背景、目的和意义 1

1.2国内外研究进展 2

1.2.1 陶瓷高温塑性形变量影响因素的研究 2

1.2.2 陶瓷液相粘度的测定及其影响因素的研究 4

1.3研究目标与内容 6

1.3.1 研究目标 6

1.3.2 研究内容 7

第2章 实验 8

2.1条状陶瓷样品的制备及相关参数的测定 8

2.1.1原料 8

2.1.2配方组成 8

2.1.3制备过程 9

2.1.4形变量的测定 10

2.1.5吸水率、气孔率和体积密度的测定 11

2.2陶瓷样品液相化学成分的测试和分析 13

2.2.1坯体的制备 13

2.2.2样品的淬冷 13

2.2.3样品液相化学成分的测试和分析 14

第3章 结果分析与讨论 17

3.1最适合于Al-K-Si系统的粘度模型的探索 17

3.1.1 Riboud模型 17

3.1.2 Urbain模型 17

3.1.3 NPL模型 18

3.1.4 粘度模型预报与效果比较 19

3.2不同原料矿物对陶瓷高温塑性形变的影响 21

3.2.1条状陶瓷样品的高温塑性形变指数 21

3.2.2熔剂的种类对高温塑性形变的影响 22

3.2.3熔剂的含量对高温塑性形变的影响 23

3.3陶瓷烧成过程中液相粘度与高温塑性形变量的关系 24

第4章 结论 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1本课题研究的背景、目的和意义

改革开放以来，我国传统陶瓷行业突飞猛进，产量、质量逐年提高，出口量也在不断提高。自1993年以来，我国传统陶瓷总产量多年位居世界第一，成为世界陶瓷生产大国^[1]。传统陶瓷多为形状复杂、尺寸和质量均较大的制品，要消耗大量的矿产和能源。其壁厚越厚，质量越大，原料及能源消耗也越大，生产成本也就越高。为了降低生产成本，降低劳动强度，提高劳动效率，节约有限的矿产资源和燃料能源，减薄与轻量化是传统陶瓷行业可持续发展的必然趋势^[2]。陶瓷坯体在壁厚减薄之后，烧成过程中的形变量会明显增大。因此，高温塑性变形严重地影响了陶瓷产品的质量，阻碍了陶瓷行业的发展。影响陶瓷高温塑性形变量的因素很多，而且错综复杂，随着国际市场对陶瓷制品的质量要求越来越高，对陶瓷烧成过程中高温塑性形变量的探索不仅在实际生产上具有很强的针对性，在理论上也有很强的指导意义。

传统陶瓷制品的高温塑性形变是坯体在烧制过程中产生大量液相并在自身重力作用下发生的形状变化。在生产工艺相同的前提下，陶瓷材料抵抗变形的能力本质上取决于制品的化学组成、矿物组成和显微结构，同时也和烧成过程中产生的液相性质有着密切的关系^[3]。陶瓷坯体在高温塑性状态下是一个聚集体，由硬的骨架和填充在骨架空隙中的半液态、液态和气态物质所组成，而固相—液相—气相之间的比例和性质是影响坯体高温塑性形变量的关键因素。高温下坯体的固相—液相—气相的比例与性质集中体现了坯体高温结构强度这一性质，而高温下液相粘度的高低起了很大作用^[4]。原料的选择与配方的组成决定了坯体在高温下的液相粘度的大小，也决定了粘度随温度的变化的大小，这些对陶瓷高温塑性变形都有重大的影响^[5]。一个半透明度良好的硬质瓷，必须要有60%以上的玻璃相，在大量液相存在的情况下，陶瓷的高温塑性形变量与液相的粘度有着紧密的联系^[6]。