微晶玻璃陶瓷復合板的發展現狀與前景

摘要本文針對目前建筑陶瓷領域中科技含量較高的微晶玻璃陶瓷復合板的發展歷程、發展前景，提供了微晶玻璃陶瓷復合板將逐步成為名符其實的21世紀高檔裝飾建筑材料的事實。

關鍵詞微晶玻璃-陶瓷復合板，發展歷程，發展前景，新工藝，環保

1前言

微晶玻璃陶瓷復合板是目前建筑陶瓷領域中的高新技術產品，它以晶瑩剔透、雍容華貴、自然生長而又變化各異的仿石紋理、色彩鮮明的層次、鬼斧神工的外觀裝飾效果，以及不受污染、易于清洗、內在優良的物化性能，另外還具有比石材更強的耐風化性、耐氣候性而受到國內外高端建材市場的青睞。

微晶玻璃，也稱為玻璃陶瓷（Glass-ceramic），是新型的微晶相與玻璃相的復相材料。它不同于純的晶相材料和相當部分的固體材料。在這些材料中，玻璃相通常含量很少（個別較多），而微晶玻璃，特別是裝飾建材的微晶玻璃都含有較多的玻璃相（有時可達50%）。但是，它也大大不同于純粹的玻璃，玻璃在正常條件下不含任何結晶相，而微晶玻璃則含有結晶相（大多為微米級的微晶相）。微晶相與玻璃相的最大區別在于前者內部結構中質點是有序排列的，而在后者的內部結構中質點是遠程無序排列的；前者經X射線照射會產生衍射線條，后者則不能產生衍射線條。

鑒于微晶玻璃是微晶體與玻璃相的復相材料，所以它既有玻璃的某些性能，還具有晶體的某些性能。因此微晶玻璃集中了玻璃與晶體材料（包括陶瓷材料）二者的特點。這種新型復相材料——微晶玻璃的性能指標取決于其內部的微晶相的種類、晶體的大小和分布，以及其余玻璃相的數量、成份以及兩者之間的結構等。因此，微晶玻璃不僅具有熱膨脹系數很小的性能（這可以成為優良的耐熱沖擊材料），而且也具有硬度高、耐磨的機械性能（這可以成為高強度材料），還可以具有特殊的電學、熱學、光學、磁學、生物學性能（這成為功能性材料）。因此，微晶玻璃可以在很多領域中獲得應用。

在建筑材料領域，自從上世紀六十年代前蘇聯發明了壓延法制備微晶玻璃以及后來日本發明用燒結法制備微晶玻璃建筑裝飾材料以來，這種材料就以其高檔裝飾藝術性、優良的機械性能、耐化學腐蝕性能（耐氣候風化性）、原料來源的廣泛性以及較低經濟成本逐步進入了高檔的建材市場。如今，這種微晶玻璃建筑材料已被譽為“21世紀的高檔裝飾材料”。

隨著微晶玻璃建筑材料的問世和拓展，微晶玻璃陶瓷復合板應運而生。它是微晶玻璃與陶瓷板材的平面復合材料，顯示了多方面的綜合優勢。

首先，微晶玻璃陶瓷復合板吸收了陶瓷板材機械強度大、韌性強、耐沖擊性能好、耐化學腐蝕性能高的優點。從而使這種復合板材的機械性能優于純微晶玻璃的板材，綜合的耐酸耐堿、耐化學洗滌液的性能也強于純微晶玻璃板材，這無疑提高了微晶玻璃的使用性能。同時，也為減少板材的重量和拓寬高層建筑的應用提供了可能。

其次，微晶玻璃純板材的生產，特別是用燒結法進行的生產，多采用梭式窯燒成以及人工操作的拋光機進行拋光。因此這些生產多是間歇性的，如果采用輥道窯燒成，其斷面將會加高，其輥棒必須是高荷重軟化點的高級耐火材料制作的，還離不開高級耐火材料作為它的墊板；而陶瓷板材的生產是采用成熟的、高度的機械化、自動化連續的生產線進行生產。微晶玻璃陶瓷復合板是將微晶玻璃粒料布撒在燒結好的陶瓷板材表面（板材還起耐火材料墊板作用）上，于普通的陶瓷輥道窯中完成燒成。然后它又在連續的拋光線上完成拋光工序。無疑，這種復合板使微晶玻璃的生產實現了連續化、機械化、自動化，致使微晶玻璃的產量大幅度提升；同時，能源消耗也會大幅度降低。這符合目前對建材行業節能降耗的要求。

最后，微晶玻璃采用的原料相當部分都是化工原料，而且還要經過高溫熔化、水淬、烘干、過篩、破碎等工序，才能生產出合乎要求的微晶玻璃粒料，這些步驟都使得微晶玻璃成本升高。而陶瓷板材采用的原料絕大部分都是天然原料，經球磨機細磨、噴霧干燥、成形、干燥、素燒工序制成陶瓷板材素坯，其成本相對較少。而微晶玻璃陶瓷復合板則采用1/3厚度（甚至更少）較高成本的微晶玻璃與2/3厚度的較低成本的陶瓷素坯復合。顯而易見，與純微晶玻璃板材相比，微晶玻璃陶瓷復合板可以大幅度降低成本，獲得更多的經濟效益。

微晶玻璃陶瓷復合板問世以來，已先后有十多家陶瓷廠家進行了試產，然而由于微晶玻璃陶瓷復合板的生產要求及工藝技術條件嚴格、技術含量高，所占用的資本較多，因此迄今仍然長期生產的廠家只有不到十家。

2微晶玻璃陶瓷復合板的發展歷程

第一代微晶玻璃，即結晶相為硅灰石的純微晶玻璃板材比較成熟并批量生產是在上個世紀九十年代中后期，這種新型材料多次在國內、國際的建材展覽會上閃亮登場，引起了廣泛的反響。

不久之后，出現了有關將微晶玻璃粒料復合在陶瓷磚表面的發明專利，其中就有2000年1月5日以戴長祿等作為發明人和專利權人的發明專利（發明名稱：一種新型微晶玻璃陶瓷復合磚的生產方法）。其實，他們早在1997年就已開展了這方面的研究，并于當年在原北京北辰陶瓷有限公司試制出了幾種產品。1998～1999年期間，他們曾到內蒙東勝東喬陶瓷有限公司、北京陶瓷廠、佛山東鵬、大宇制釉、歐神諾等進行推廣應用，但由于種種原因，未能實現科技成果的產業化。究其原因主要在于第一代（即硅灰石晶相）的微晶玻璃存在氣孔較多的缺陷而不易解決，阻礙了第一代微晶玻璃陶瓷板材的正常生產。

2002年前后，佛山市幾個大的廠家（包括博德、嘉俊、歐神諾、蒙娜麗莎、新中源等）相繼實現工業化生產。在不斷的生產實踐中，逐步克服了（或基本克服）第一代微晶玻璃存在的主要氣孔的缺陷，并順利地將產品推向市場。第一代微晶玻璃陶瓷復合板以其潔白如玉的外觀、亮麗柔美的光澤、良好的硬度與耐磨性、較好的耐酸、耐堿性而嶄露頭角。不過，由于它的析晶是在保留的顆粒邊緣向內部生長，所以晶花顯得單調。

第二代微晶玻璃最初是為解決第一代微晶玻璃容易出現氣孔的技術難題而研發的。根據玻璃粉末的燒結公式[1]：ΔL/L0（收縮率）=Ktγ/ηR(式中：K為系數、t為燒結時間、γ為玻璃的表面張力、η為玻璃的粘度、R為玻璃粉末的粒徑)，由此可看出，玻璃粉末的燒結程度（即收縮率大?。┡c玻璃的表面張力成正比，與玻璃的粘度成反比，與玻璃粉末的粒徑也成反比。另外，根據玻璃液內氣泡的內壓力公式[2]：P=Px+PH+2γ/r(式中：Px為大氣壓、PH為玻璃液靜壓力、2γ/r為玻璃液表面張力引起的內壓力、γ為表面張力、r 為氣泡半徑)，氣泡的內壓力主要與玻璃液的表面張力成正比，與氣泡的半徑成反比。這說明，當氣泡較小，并且玻璃液的表面張大時，氣泡的內壓力很大，可以將氣泡內的氣體吸收（溶解）掉。綜合上述兩個公式可以看出，微晶玻璃的表面張力將是影響微晶玻璃的燒結程度（即收縮率——它將影響氣孔率的大小）和內部氣泡被吸收（溶解）能力的主要因素。當然，粘度也是影響微晶玻璃燒結程度的重要因素。如果微晶玻璃陶瓷復合板在燒成過程中經歷了微晶玻璃的熔融狀態，那么微晶玻璃粒料粒度的影響就顯得較為次要了。這些結論為解決第一代微晶玻璃存在氣孔的技術難題指明了路線。為此，我們引入了較多含量的表面張力較大，同時粘度又比較小的氧化鋅組份，研制成功了第二代以硅鋅礦為微晶相的微晶玻璃陶瓷復合板，并于2004～2005年投入了試產。同時，也獲得了國家發明專利。

由于第二代微晶玻璃的表面張力較大，粘度較小，在復合板燒成的微晶玻璃熔化階段，原來玻璃粒料之間堆積的空隙聚集成較大的氣泡并沖破表面。熔液在氣泡爆裂之后回復流動，不斷撕開界面，提供了晶體生長有利的最低能量勢壘的位置，形成了花朵狀、菊花狀、放射狀、流動狀、火山熔巖狀等變化萬千的結晶花紋。這就體現了第二代微晶玻璃的晶化特點，即突破了第一代微晶玻璃結晶局限的顆粒邊界，重新生長出美麗、自然流暢、千姿百態的結晶花紋，從而大大提高了其裝飾藝術的美學性。除此之外，受第二代微晶玻璃的表面張力與粘度的影響，可以使微晶玻璃層的整個橫斷面都可以形成基本無氣孔的狀態，表面只有殘留氣體逸出后留下的痕跡（這道痕跡一般在拋光之后會消除掉）。這與橫斷面殘留很多氣孔的第一代微晶玻璃形成了鮮明的對照。這兩個特點正是第二代微晶玻璃的優勢所在，不過，第二代微晶玻璃的硬度較第一代微晶玻璃低，耐化學腐蝕性也較第一代弱，這些都是第二代微晶玻璃的不足之處。

2005年下半年起，99.5% 的氧化鋅開始大幅度漲價，從每噸6000元左右一直漲到2006年上半年的每噸28000元。在這樣的經濟形勢逼迫下，科研工作者轉向研發新型的、不用氧化鋅價格且更便宜的微晶玻璃。2006年年底就研制成功了以輝石相為微晶相的第三代微晶玻璃陶瓷復合板，不僅不再添加氧化鋅，而且在此基礎上大幅度降低第二代微晶玻璃陶瓷的成本水平，同時保留了第二代微晶玻璃結晶突破顆粒邊界，生長出形狀各異的花紋和斷面且基本無氣孔的特點。第三代微晶玻璃的微晶相——輝石類主要屬于單斜輝石，晶體化學式為：XYZ2O6。式中的X=Ca2+、Na+、Fe2+ 等；Y=Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Ti4+、Mn2+等；Z=Si4+、Al3+、Ti4+等。不難看出，單斜輝石是復雜的類質同象混合體。從輝石的礦物學性質來看，它的莫氏硬度為5.5～6.0(硅灰石的莫氏硬度為4.5～5.0，硅鋅礦為5～5.5)，且不溶于酸(硅灰石與硅鋅礦溶于鹽酸)。因此，相對來說，第三代微晶玻璃較第二代微晶玻璃的機械性能、耐化學腐蝕性能要更好一些。經過一年多的試產，博德精工建材有限公司已實現第三代微晶玻璃陶瓷復合板的正常生產。

2008年，博德公司經過不斷的深入研究，通過特殊的配方體系，控制晶體生長的紋路，獲得了第三代微晶玻璃的升級版。該版的裝飾花紋奇特、立體層次感強，石材質感逼真、色調柔光似水，是迄今為止藝術性最高的微晶玻璃陶瓷復合板，堪稱第四代微晶玻璃陶瓷復合板。

還值得指出的是，博德公司還利用模板布料、篩網布料、幻彩布料等現代布料手段以及不同種類、不同粒度微晶玻璃的相互反應、擴散、滲透作用，在此基礎上開發出第五代微晶玻璃陶瓷復合板。這種復合板的版面具有千變萬化的幻彩效果、云霧繚繞般的條紋，相互輝映的色彩、層巒疊嶂般的層次構成了各種抽象派藝術的畫卷以及天然逼真的仿石效果，實現了建筑裝飾材料向藝術品的逐步跨越。

除了進行各種類型的平面復合外，博德公司還實現了不同微晶玻璃組合的大顆粒（可達數厘米）、微晶玻璃與陶瓷粉料的組合顆粒、不同陶瓷粉料（包括半透明的低溫料）的顆粒的立體復合，形成了“金鉆玉崗”專利產品。

當然，在這期間，其它廠家也進行了開發和研制。比如新中源利用玻璃粒料與陶瓷色料的混合技術，開發了色彩繽紛的復合板品種；歐神諾利用壓延玻璃板與陶瓷板材復合技術開發了別具特色的微晶玻璃陶瓷復合板；嘉俊公司用篩網技術與透明玻璃開發了“釉下彩”的復合板。這些進展對于促進微晶玻璃陶瓷板行業的發展也起到了一定的作用。

3微晶玻璃陶瓷復合板的發展前景

微晶玻璃陶瓷復合板已經走過了十年的發展歷程。如今它在工藝技術、生產的可靠性、物理化學性質的改善、裝飾藝術性上都取得了長足的進步與發展。但是，從長遠來看，還有很多課題值得我們進行更多的探索與研究，其發展前景仍然廣闊。筆者認為，這些課題應該包括以下幾個方面：

3.1 不同種類微晶相的微晶玻璃的研制

硅酸鹽相圖可以為我們提供研制其它微晶相種類微晶玻璃的方向和眾多信息。比如，我們從奧斯本[3]提出的不同Al2O3含量（5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%等）截面的CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元組份的三元相圖可以看出，除了我們已經研制的硅灰石（第一代）和輝石（第三代）微晶相的微晶玻璃之外，還可以研制可能的晶相有：鈣長石（CaAl2Si2O8）、鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）、堇青石（Mg2Al4Si5O18）、假蘭寶石（Mg4Al10Si2O23）、鈣鋁黃長石（Ca2Al2Si2O7）、橄欖石（Mg2SiO4）。這些礦物相無論在自然界，還是在傳統陶瓷中，它們都可以出現，有的還經常出現。因此，這些物相（當然不是全部）可以成為我們研制其它種類微晶相微晶玻璃的選擇對象。

此外，只要在常壓中高溫條件下生成的具有特別性能的自然界礦物都可以成為我們研究的對象。比如蘭錐礦（BaTiSi3O5）、賽黃玉(Ca2B2Si4O12)等可以從系統礦物學中檢索得到，它們的硬度都比較高。

不同微晶相的微晶玻璃在使用性能和裝飾藝術性方面都將有不同的特點，這為研發新型微晶玻璃陶瓷復合板的產品提供了基礎。

3.2 傳統藝術釉的移植

具有裝飾藝術價值的陶瓷極品無疑就是藝術瓷，而藝術瓷的裝飾在很大程度上主要依賴藝術釉，這種狀況古今中外大都如此。因此，以藝術釉的角度開發具有高級藝術品級的微晶玻璃將是我們關注的主要方向。其實，微晶玻璃的本身就是用特殊方法制備的“結晶釉”。傳統的結晶釉精美絕倫，但它的成品率較低。這種情況主要源于它的燒成是一次完成熔化與結晶兩個階段所造成的，這個燒成制度制備結晶釉的范圍很窄。為此，利用先制熔塊（相當于結晶釉的熔制過程），后進行燒成（相當于結晶釉的結晶過程）工藝拓寬了微晶玻璃結晶釉的制備范圍，使結晶釉實現了工業化的生產。從藝術釉的技術信息中汲取開發微晶玻璃的營養也為我們提供了空間。比如，研制帶有砂金效果的微晶玻璃；研制帶有虹彩或閃光效果的微晶玻璃；研制帶有油滴狀、兔毫狀、鐵銹狀的微晶玻璃；研制帶有鐵紅結晶的微晶玻璃；研制帶有金屬光澤的微晶玻璃等，不一而足?？梢哉f，這些都可以考慮作為選擇研發新型微晶玻璃的可能課題。

還比如，在藝術瓷中一直享有盛譽的鈞紅瓷、郎紅瓷、祭紅瓷，都是由銅膠體呈色的名貴瓷。在微晶玻璃方面移植這種艷麗的銅紅，乃至具有中國傳統的大紅[CdS（CdSe)]都不是異想天開的事，有相當的可能性。

誠然，要想在上述領域里取得突破，必須受到各方面因素的制約，包括工藝技術方面、生產條件方面、經濟方面、市場需求方面等，有些藝術釉的效果也不能全盤移植。不過上述課題總能給我們以不少啟迪。筆者相信，將建筑裝飾材料制成藝術品的趨勢會越來越明顯。

3.3 采用現代的裝飾技術手段

如今，工藝技術與裝飾技術手段（包括設備）的結合常常雜交出令人驚嘆的科技成果，特別是設備制造水平日新月異的今天，這一點顯得特別突出。作為微晶玻璃陶瓷復合板的研發方向之一也要不失時機地把握好這種結合。

例如，瓷片的輥筒印刷裝飾已經達到較高的裝飾藝術境界，因此能夠將這項現代裝飾技術轉移到拋光磚產品上，同時匹配透明的玻璃（如果能匹配透明的微晶玻璃當然更好），一定會提升這種產品裝飾的立體感和層次感。如果能解決硬度和耐磨性問題，這將是很大的突破，不過可以想象，這個課題突破的難度很大。

此外，第三代微晶玻璃18～60目細粒部分燒成后可基本不產生氣孔（拋光后），這就突破了此前第一代微晶玻璃細粒部分燒成后常常殘存不少氣孔的技術瓶頸。細粒部分的微晶玻璃雖然不能像粗粒微晶玻璃產生晶體花紋，但是它們之間的相互混合可以形成豐富多彩的紋理。因此，利用當今先進的干法布料的方法（包括模板、篩網、隨機布料、線條布料、定點布料等），可以將不同粒度范圍、不同特征的微晶玻璃組合成多姿多彩的畫卷，也為進一步仿制石材的技術攻關提供一條更為便捷的技術路線。這是基于微晶玻璃的石材質感高于陶瓷磚的石材質感。為此，希望微晶玻璃工藝工程師、機電一體化工程師能夠攜手合作，把此項仿石技術進一步深化。

4向綠色環保型產品進軍

隨著經濟和社會的快速發展，對于保護環境、消除危害人類健康的環境污染的要求日益迫切。當前，建筑陶瓷的發展，希望在增加、強化使用功能；提高、升級裝飾藝術效果的同時，還能增加消毒殺菌和化學降解的功能。毋庸置疑，這也是微晶玻璃陶瓷復合板的發展趨勢之一，這就需要開發抗菌防污型功能性的微晶玻璃。

目前，抗菌防污型產品主要包括兩大類型：（1）金屬離子型緩釋抗菌防污劑。它是靠Ag+、Cu2+、Co2+、Vi2+、Fe3+等離子非常緩慢地釋出，被病菌細胞吸收后，與細胞中的蛋白酶上的（-SH）巰基結合，致使蛋白質結構遭到破壞。（2）光催化自潔型抗菌防污劑。這主要是利用一定粒度的金紅石（最好是銳鈦礦）的TiO2在光照下產生電子跳遷和相應的空穴，將能量傳遞到周圍的介質（水、空氣），使之生成氫氧根和過氧化氫，從而達到分解污染物、殺死病菌的目的。

在現階段，賦予建筑陶瓷的抗菌防污性能還處于開始階段，其技術難點在于兩個方面：⑴承載抗菌防污的方法；⑵成本能否適宜廣泛應用。對于微晶玻璃來說，承載上述兩種抗菌防污劑的形式、狀態都會對這種功能產生不同的影響。能否達到功能明確、成本適當將面臨諸多考驗。這是一個長遠探索性的課題，需要長期的投入、實踐和積累。

綜上所述，微晶玻璃陶瓷復合板的研究領域廣闊，其發展前景光明。只要陶瓷工作者持之以恒，不斷深入地探索與研究，相信微晶玻璃陶瓷復合板會在使用性能、裝飾藝術性、環保防污性等方面取得進展，將逐步成為名符其實的“21世紀高檔裝飾建筑材料?！?/p>

參考文獻

1 劉世權，許淑惠，袁怡松，楊曉晶.Na2O-ZnO-CaO-Al2O3-SiO2[J].燒結微晶玻璃的試制玻璃與搪瓷，1995，23，6:34～38

2 王承遇等.玻璃制造工藝[M].化學工業出版社，2006:124

3Osborn，E.F.，et al.Jour.Metal.，1954，6(1)，33～45