從陶瓷缺陷看原料標準化的意義

摘 要：本文利用電子掃描顯微鏡（SEM）分析幾個陶瓷成品缺陷的成因，論述陶瓷原料對陶瓷缺陷產生的影響，進而探討陶瓷原料的標準化對避免陶瓷缺陷、提高陶瓷產品的性能和質量穩定性的重要意義。

關鍵詞：電子掃描顯微鏡；陶瓷成品缺陷；原料標準化

1 概 述

一直以來，陶瓷成品缺陷都是陶瓷生產中的老大難問題。各種陶瓷缺陷的產生，不僅使陶瓷生產的廢品率有所上升，增加了不必要的生產成本，還會嚴重影響陶瓷本身的各項技術指標，降低產品的穩定性。因此，如何避免陶瓷缺陷的產生，是陶瓷生產非常關注的一個問題。

通常來說，陶瓷缺陷主要分為技術指標缺陷和外觀缺陷，技術指標類的主要有吸水率、熱穩定性、抗折強度、彈性模數等；外觀缺陷有變形、斑點、開裂、生瓷、缺釉等，是陶瓷成品中顯而易見的缺陷。每種缺陷的產生都有其客觀原因，而陶瓷原料作為陶瓷生產的物質基礎，其技術指標及穩定性對陶瓷產品的性能和質量有著根本性的影響。本文擬通過電子掃描顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對陶瓷成品的缺陷位置進行分析，論述陶瓷原料標準化對優化陶瓷生產的重要意義。

2 實驗方法

這次實驗一共選取3個有缺陷的陶瓷成品進行測試，把有缺陷的陶瓷成品從缺陷處切開，然后把樣品切成1cm×1cm×1cm左右的方塊。用拋磨機把缺陷所在的切面和底面磨平，用自來水沖洗干凈，然后放入烘箱中在100～110℃下烘干2h。所有樣品均不作噴鍍處理。

實驗所用測試儀器是FEI Inspect 電子掃描顯微鏡，工作電壓為20kV，測試時采用低真空狀態（30Pa），背散射成像。

3 實驗結果分析

樣品1是一個釉面出現黑斑的潔具瓷片，屬外觀缺陷。圖1是其縱切面的SEM圖像，為背散射成像。在背散射成像中，圖像中各點的亮度與其化學成分密切相關，該點所含元素的序號越大，重元素含量越高，則該點的亮度越大。從圖中可以看出，黑斑所在的區域1的亮度稍稍高于周圍的正常區域，可能是重元素雜質混入所致。再結合表1中黑斑所在區域1與正常區域2的EDS結果對比，在區域1中，出現了異常的鉻、鐵和鎳含量，很明顯與不銹鋼碎片混入有關。不銹鋼是人造材料，不可能來自于天然礦物本身，只能是原料生產中的雜質混入或來自陶瓷生產流程。黑斑的擴散范圍不大，僅限于釉料表面以下15μm左右，因此推測不銹鋼雜質并非來自原料本身，而可能是在生產過程中不銹鋼容器或管道掉落而產生污染。不銹鋼碎片掉落在釉料表面，隨著燒成過程在釉面上形成黑斑。這個缺陷的產生與原料本身沒有直接關系，是生產處理程序不規范所導致。

樣品2是一塊釉面出現針孔的地磚瓷塊，同樣屬于外觀缺陷。從其SEM圖像（圖2）可以看出，針孔產生的深度很大，穿過釉料和化妝土層直達坯體。針孔的形狀接近柱狀，在底部的坯體部分可看到明顯的熔融現象，表明針孔的產生是一個“自下而上”的過程，其根源可能來自坯體在燒成中發生局部熔融。從表2各區域和點的EDS結果對比可以明顯看到，在點2、3、4中檢測到了較高的錳和鉛含量。在組成坯體的常用天然原料如粘土、石英、長石、方解石中，錳和鉛一般以痕量元素的形式存在，含量很低。而在正常的釉面區域1和坯體區域5中，并未發現明顯的錳和鉛含量，表明點2、點3和點4中的錳和鉛是異常組分。單獨由鉛和錳組成的合金材料很少見，因此，鉛和錳的污染應該是來自原料本身，很有可能是來自粘土原料。通常情況下，雖然粘土原料的化學成分和礦物組成非常復雜多變，但是錳和鉛的含量一般都很低，難以大量積聚。不過在某些特定環境下，比如說地表風化帶中，在氧化環境下可以形成含高價錳的天然礦物，例如鉛硬錳礦。這類含高價錳的天然礦物在常溫下比較穩定，但是在高溫下會發生分解并產生氣體。綜合圖2以及表2各區域和點的EDS結果對比，推斷的情況是，在坯體中靠近化妝土的位置積聚了微量的高價錳礦物，在燒成過程的高溫下，這些高價錳礦物發生分解并產生氣體，導致坯體發生局部熔融。隨著熔融范圍的擴大以及氣體逸出的影響，化妝土遭受波及并最終導致化妝土和釉面相繼塌陷而形成針孔。這個陶瓷缺陷的形成，主要是由于原料質量的不穩定所致。

樣品3是一塊帶黑點的絕緣陶瓷坯體的瓷件，屬于技術指標缺陷。這種黑點在該樣品中非常普遍，大小不一。從圖3可以看出，該黑點實際上是一個空洞，在空洞內部，縱橫交錯的針狀或柱狀莫來石晶體清晰可見。眾所周知，陶瓷坯體熟料的物相主要由玻璃相、莫來石和少量的方石英組成，而由于玻璃相物質的存在，通常情況下是無法直接通過顯微鏡或者SEM觀察坯體中的莫來石，必須通過氫氟酸腐蝕把坯體中的玻璃相溶解以使莫來石晶體顯露出來，才能通過顯微鏡或者SEM直接觀察?？斩磧炔壳宄梢姷哪獊硎w表明，玻璃相和莫來石之間產生了比較徹底的熔離現象，該空洞實際上是由于坯體局部熔融產生的熔孔。

而在表3熔孔區域與正常區域的EDS結果對比中，除了由于玻璃相熔離造成熔孔區域Al2O3偏高外，兩者的化學成分并無根本性差別?？梢?，熔孔的產生并非雜質混入引起。造成如此普遍而劇烈的坯體局部熔融的原因，個人認為可能是由于原料中助熔劑的粒度分布不均勻所引起。在燒成過程中，坯料中助熔劑的粒度分布不均勻，導致在局部范圍內助熔劑比例過高而使坯體產生局部熔融，其中玻璃相相對比較容易被熔體所融化，最終導致玻璃與莫來石晶體發生熔融分離而形成熔孔，即肉眼所見的黑點。該缺陷的形成，同樣與原料質量的不穩定有密切關系。

綜上所述，所列舉的三個陶瓷缺陷均是由原料質量的不穩定或者生產過程的不規范所引起，可見，確保陶瓷原料的穩定性，對避免陶瓷缺陷的產生有決定性的意義。

4 討 論

誠然，陶瓷原料的不穩定并非是導致陶瓷缺陷的唯一因素，然而，作為陶瓷生產的物質基礎，其技術指標及穩定性對陶瓷產品的性能和質量有著根本性的影響。在如何避免陶瓷缺陷的問題上，提高陶瓷原料的穩定性是最基本的方法。而要提高陶瓷原料的穩定性，其中最有效的途徑就是實現陶瓷原料的標準化。

第一，陶瓷原料的標準化已成為制約國內陶瓷行業發展的瓶頸。陶瓷原料主要來自各種天然礦物材料，例如粘土、高嶺土、長石、方解石和白云石等，這些天然原料都是在特定的地質條件下經過漫長而復雜的地質作用形成的，是一套極其復雜而且不受人力掌控的系統。來自不同礦源或者來自同一礦源不同區域的原料，都難免出現礦物組成、粒度組成、化學組成及其它理化性能的波動，這正是造成陶瓷原料不穩定性的根源。實現陶瓷原料的標準化，正是要通過人工方法使質量多變的天然礦物原料趨于穩定化，從而提高陶瓷生產的產品質量及穩定性，使陶瓷生產企業可以集中精力更好地去搞設計、搞研發，提高產品的附加值，加強企業的競爭力。

第二，實現陶瓷原料的標準化有助于推動非金屬礦物產業向深加工的方向發展。天然非金屬材料都不可避免地出現化學性能和理化性能上的波動，而目前國內的非金屬產業主要由私營企業經營，存在規模小、高度分散、設備落后、加工程度低等問題。很多非金屬企業更是直接銷售原礦礦石或者初級產品，連產品的質量都無法保證，更遑論實現原料的標準化。因此，在促進陶瓷原料的標準化的過程中，必然需要非金屬企業更新設備、改善加工工藝、加強研發投入，研發出經過精細加工的產品，降低產品波動，增加產品的附加值，從而推動非金屬礦物產業全面向深加工的方向發展。

第三，實現陶瓷原料的標準化有利于優化自然資源的合理利用。陶瓷原料主要來自各種天然礦物，無論是粘土還是高嶺土或者是長石等其它礦物，都是不可再生資源，陶瓷的生產過程實際上也是自然資源的消費過程。我國非金屬礦物產業的發展比較落后，產品以原礦或者初級產品為主，很多產品都是以簡單的幾項指標例如粒度、鐵含量或鋁含量等劃分產品規格，根本無法達到自然資源的合理利用。推動原料的標準化，必然需要更加精細的原料分級系統，明確原料的適用范圍，使原料的規格標準化和系列化，從而促進自然資源的合理利用。

5 總 結

實現陶瓷原料的標準化是減少陶瓷缺陷的形成的最基本的途徑。同時，實現陶瓷原料的標準化還能推動自然資源的合理利用和非金屬產業的發展，從而達到原料供應與消費之間的動態平衡，促進陶瓷產業與非金屬產業的協調發展。

參考文獻

［1］ 張湛.再談非金屬礦工業產業規?；c產品精細化[J].中國非

金屬礦工業導刊，2007(1).

［2］ 焦杰勇，謝忠友.球土的加工和應用[J] .佛山陶瓷，2002(4).

［3］ 高力明.陶瓷原料標準化和坯釉料商品化及其在我國的進展[J]

陶瓷學報，2006，27(1).

［4］ 李紅敏，吳基球.如何提高陶瓷原料資源的利用率[J].陶瓷，2005(8).

［5］ 蔡作乾，王璉，楊根.陶瓷材料詞典[M].化學工業出版社，2002，1.