瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)的影響因素分析

謝志軍 文衛(wèi)國 饒培文 王賢超

（廣東蒙娜麗莎陶瓷有限公司，廣東佛山528211）

0前言

斷裂模數(shù)是評價瓷質(zhì)磚性能的重要指標(biāo)之一，它的高低直接影響到生產(chǎn)的成品率、運輸過程的破損率及使用過程中所能承受載荷的大小，關(guān)系到瓷質(zhì)磚的使用壽命。針對目前行業(yè)中瓷質(zhì)磚產(chǎn)品斷裂模數(shù)偏低的情況，本文通過一系列對比試驗，從瓷質(zhì)磚各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)開始分析，找出影響瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)大小的因素。

1 影響因素分析

斷裂模數(shù)大小與原材料化學(xué)成分、工藝配方、粉料顆粒級配、窯爐燒成等都有密切關(guān)系，其中工藝配方和窯爐燒成又是兩個最重要的影響因素。為此，從原料開始，找出影響瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)的各個因素。

文中斷裂模數(shù)的測定均根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3810.4-2006《陶瓷磚試驗方法第4部分：斷裂模數(shù)和破壞強(qiáng)度的測定》的要求測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨細(xì)度與顆粒級配

將漿料磨得更細(xì)，同時采用更高目數(shù)的篩網(wǎng)對漿料進(jìn)行過篩，這樣一方面可以使造粒后的粉料大小分布更加均勻，另一方面可以除去原料中含有大量的游離石英（SiO2），因為石英顆粒比較難以磨細(xì)，顆粒偏粗，同時含量又偏大，在高溫?zé)僧a(chǎn)生一系列晶型轉(zhuǎn)變[1]，晶型轉(zhuǎn)變時會發(fā)生體積變化而產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重會導(dǎo)致瓷磚的開裂，直接導(dǎo)致瓷磚斷裂模數(shù)的降低。

在外部條件相同情況下，偏細(xì)的粉料在壓機(jī)模腔堆積時會堆積得更加致密，在壓制時更易壓實，可提高坯體致密度從而達(dá)到提高斷裂模數(shù)的目的；同時粉料粒徑越細(xì)，表面能越大，也越有利于燒結(jié)。但是，顆粒粒徑也不是越細(xì)越好[2]，坯體的顆粒過細(xì)，易形成二次結(jié)晶，促使粗大的晶粒形成，同時可能造成氣孔封閉在晶粒內(nèi)無法排出，破壞了物相分布的均勻性，反而導(dǎo)致斷裂模數(shù)的降低。因此要獲得較高的斷裂模數(shù)，就要求坯體有合理的顆粒級配。

2.2 工藝配方

配方是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。工藝配方和燒成制度是影響瓷磚斷裂模數(shù)大小的兩個最重要的因素。

目前普遍使用的陶瓷磚坯體配方體系為K2O、Na2O-A l2O3-SiO2三元系統(tǒng)，主要組成為晶相、玻璃相以及氣相，其中晶相主要包括有莫來石相和石英相。常見瓷質(zhì)磚化學(xué)組成范圍如表1所示。

圖1 石英晶型轉(zhuǎn)變圖Fig.1 Phase transformation of quartz

2.2.1 提高配方氧化鋁（Al2O3）含量

對瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)影響最大的為莫來石相。欲提高瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)，需要提高其中的莫來石含量。提高莫來石含量有多種方法，考慮到莫來石的化學(xué)組成2A l2O3·SiO2，最直接有效的方法是將配方中Al2O3含量提高，理論上將有效促進(jìn)其形成，引入的方式可以是直接摻入一定的純氧化鋁原料[3]或者摻入含鋁高、燒失少的原料，如高鋁泥等，條件合適的話也可以兩種原料一起加入。通過此方法可適當(dāng)延長高溫保溫時間，促進(jìn)更多的莫來石相的生成，從而達(dá)到提高斷裂模數(shù)的目的。

表1 常見瓷質(zhì)磚化學(xué)組成范圍Tab.1 Chem ical com position of common porcelain tile

表2 實驗配方Tab.2 Formula for experiment

表3 配方化學(xué)成分Tab.3 Chem ical composition of the formula

表4 斷裂模數(shù)數(shù)據(jù)（MPa）Tab.4 Rupture moduli

表5 斷裂模數(shù)數(shù)據(jù)（MPa）Tab.5 Rupturemoduli

對比實驗配方：泥料類：21％，石粉：50％，砂：29％（表2所示），另外加入高鋁泥6％，試驗配方的化學(xué)成分分析如表3所示。

相比常規(guī)生產(chǎn)配方，該配方含鋁量較高、含硅量偏低。在其他條件相同情況下，對比兩配方斷裂模數(shù)如表4所示。

可以看到，試驗配方磚成品斷裂模數(shù)平均為43.84MPa，生產(chǎn)配方磚成品強(qiáng)度平均為37.54MPa，說明可以通過加入含鋁量高的原材料促進(jìn)莫來石相的形成，達(dá)到提高瓷質(zhì)磚成品斷裂模數(shù)的目的。

2.2.2 提高中溫料使用量

改進(jìn)工藝配方，盡量采用中溫料種，取代過往配方中高溫料與低溫料相互搭配達(dá)到中溫效果的方式，測得實驗數(shù)據(jù)如表5（試驗配方為中溫料取代原配方低溫料與高溫料）。

通過試驗配方的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)配方數(shù)據(jù)對比，生產(chǎn)配方斷裂模數(shù)平均值為38MPa，試驗配方為43.53MPa，斷裂模數(shù)提高了5MPa。由此可知，采用中溫料取代高、低溫料來提高斷裂模數(shù)是可行的。

2.3 壓機(jī)成型壓力

逐漸增加壓機(jī)成型壓力，在一定范圍內(nèi)能夠提高斷裂模數(shù)，但達(dá)到一定強(qiáng)度后不再發(fā)生變化。這是因為隨著壓力的增加，顆粒與顆粒之間的氣體逐漸減少，致密度隨之增加，體密度也逐漸增加，但由于壓制壓力達(dá)到一定后，由于顆粒與顆粒之間已經(jīng)非常致密，氣體排出愈來愈困難，坯體致密度無法進(jìn)一步增加，因此達(dá)到一定壓力后，斷裂模數(shù)不再增加。

2.4 窯爐燒成

2.4.1 燒成制度

窯爐燒成是影響瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)又一重要影響因素。合理的燒成制度是得到瓷質(zhì)磚較高斷裂模數(shù)的前提，生燒、過燒都會導(dǎo)致瓷磚斷裂模數(shù)的降低。生燒，坯體未完全瓷化，氣體未完全排出，形成封閉氣孔殘留在坯體當(dāng)中，導(dǎo)致吸水率偏高，斷裂模數(shù)偏低；過燒坯體中產(chǎn)生過多的液相，此時氣孔率雖然已經(jīng)降至最低，坯體的吸水率變化不大，但過多的液相在冷卻過程中將形成大量的玻璃相使材料斷裂模數(shù)降低。

莫來石是瓷質(zhì)磚的主晶相，是瓷坯內(nèi)部的骨架。莫來石的種類、大小、分布等諸因素對瓷坯的強(qiáng)度有著明顯的影響，而莫來石的生成主要是在高溫下分別由粘土形成和從玻璃相中析出。因此，在燒制過程可適當(dāng)延長高溫保溫時間，促進(jìn)莫來石的生成。

2.4.2 冷卻制度

坯體在冷卻前是一種粘滯的熔體，如果結(jié)構(gòu)調(diào)整速率大于冷卻速率，熔體冷卻時能達(dá)到平衡結(jié)構(gòu)，析出晶體；反之熔體結(jié)構(gòu)來不及調(diào)整，就偏離了平衡結(jié)構(gòu)，形成玻璃，而玻璃態(tài)是一種處于介穩(wěn)狀態(tài)的[4]。一般情況下，玻璃的熱穩(wěn)定性、斷裂模數(shù)大大低于處于穩(wěn)定狀態(tài)的晶體，因此，多玻璃相、少結(jié)晶相坯體的熱穩(wěn)定性、斷裂模數(shù)肯定大大低于多結(jié)晶相、少玻璃相的坯體。

冷卻制度不好，易造成坯體各部分的冷卻不均勻，導(dǎo)致坯體不均衡內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，從而出現(xiàn)微裂紋甚至斷裂，造成風(fēng)驚。一般的窯爐冷卻制度都為從高溫迅速冷卻到600℃左右，然后進(jìn)行緩冷。這是因為從高溫到600℃溫度區(qū)間，坯體液相量較多，快速冷卻不會造成裂紋，緩冷的主要目的是為以下幾點：

（1）使新產(chǎn)生的組分更加均勻，提高熱穩(wěn)定性、斷裂模數(shù)等；

（2）坯體熔體轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ嗪徒Y(jié)晶莫來石相等，緩冷有助于大量莫來石晶體的形成；

圖2 瓷磚背紋圖Fig.2 Backside patterns of porcelain tiles

圖3 改良后瓷磚背紋圖Fig.3 The backside pattern of the im proved porcelain tile

表6 不同底紋斷裂模數(shù)對比表（MPa）Tab.6 Rupture moduli for porcelain tiles w ith different backside patterns

表7 改良后底紋斷裂模數(shù)（MPa）Tab.7 Rupture moduli for porcelain tiles w ith improved backside patterns

表8 不同厚度斷裂模數(shù)對比表Tab.8 Rupture moduli for porcelain tiles of different thicknesses

（3）573℃左右石英（SiO2）發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生體積變化，如快速冷卻易引起裂紋。

因此，制定適合的冷卻制度，需要充分考慮到坯體的化學(xué)成分組成和坯體高溫特性，促進(jìn)莫來石相的充分析晶，提高產(chǎn)品斷裂模數(shù)。

2.5 背紋

背紋對瓷磚斷裂模數(shù)也有一定影響。常用的瓷質(zhì)磚背紋有兩種，見圖2。

在其他外界條件相同情況下，更換壓機(jī)磨具后測得的斷裂模數(shù)數(shù)據(jù)如表6所示。

可以看到，不同的模具背紋，采用a網(wǎng)格狀測得的斷裂模數(shù)平均值為38.27MPa，采用b蜂窩狀的斷裂模數(shù)平均值為39.38MPa，斷裂模數(shù)略有差異，但影響并不明顯。

通過改良模具，制作成如圖3所示的背紋，。

用該模具制備得到的瓷質(zhì)磚測得的斷裂模數(shù)數(shù)據(jù)如表7。

模具背紋改良后瓷質(zhì)磚的斷裂模數(shù)平均值為41.10MPa，較前兩者模具背紋的瓷質(zhì)磚斷裂模數(shù)都有提高，說明采用較特殊的背紋圖案，對斷裂模數(shù)的提高有所幫助。

2.6 成型厚度

同種磚坯在不同成型厚度下，測得的斷裂模數(shù)數(shù)據(jù)如表8所示。

由表8可見，厚度減小斷裂模數(shù)有少許的變化，考慮到斷裂模數(shù)計算公式，斷裂模數(shù)是與厚度成反比的。因此，綜合考慮，小范圍內(nèi)改變磚坯厚度對斷裂模數(shù)影響不大。

3 結(jié)論

（1）加強(qiáng)過篩，并選擇合適的顆粒級配，能夠促進(jìn)燒結(jié)并得到較高的斷裂模數(shù)；

（2）通過加入含鋁量高的原材料可適當(dāng)提高瓷質(zhì)磚的斷裂模數(shù)；

（3）采用中溫料部分取代高、低溫料能提高瓷質(zhì)磚的斷裂模數(shù)；

（4）適當(dāng)延長高溫保溫時間可促進(jìn)莫來石的形成，從而提高斷裂模數(shù)；

（5）瓷質(zhì)磚背紋、成型厚度對斷裂模數(shù)有影響，但影響不大。

1陸佩文.無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003

2朱振峰，孫海礁，楊俊等.工藝條件對陶瓷強(qiáng)度影響規(guī)律的研究.陶瓷，2003，（4）：13～16

3周健兒，馬玉琦，王娟等.提高大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚坯性能的研究.陶瓷學(xué)報，2006，27（3）：243～249

4蒲寶軍.陶瓷墻地磚坯體風(fēng)驚的研究與探討.陶瓷，2003，161（1）：30～32