納米材料對紫砂陶器強度及抗熱震性能的影響

彭虎++王平++簡廣++簡覺非++匡猛++葉駿

摘 要：以紫砂土為主要原料，加入納米紫砂和納米石英短纖，采用塑性成型并煅燒。通過XRD物相分析，采用急冷—強度法表征試樣的抗熱震性能，研究納米材料添加量對紫砂陶器強度及抗熱震性能的影響。結果表明：隨著納米材料的加入，紫砂陶器抗折強度與抗熱震性能都有所提高。當納米材料加入量為1.19%時，兩者性能均達到最大，抗折強度達68.7 MPa，抗熱震強度達 26.0 MPa。

關鍵詞：紫砂陶；納米紫砂；納米石英短纖；抗折強度；抗熱震性能

1 前言

紫砂陶歷史悠久[1]，是我國非物質文化[2]。紫砂以粘土礦物為主，另外含有少量石英、鐵質礦物[3]。紫砂內膽是紫砂電炊器具的核心部件，具有保溫性好、耐腐蝕性強等特點，經紫砂煲烹煮的食物色香味俱全，營養豐富，深受歡迎[4]。紫砂陶器有較好的熱傳導率和熱穩定性，紫砂煲加熱過程中，一般高于100 ℃。存在更高熱震沖擊溫度，故提高紫砂產品抗熱震性能是其適應市場要求亟待解決的問題。影響陶瓷材料抗熱震性能的主要因素有：熱膨脹系數[5]、導熱系數[6-8]、彈性模量[9]、斷裂韌性[10、11]、坯體氣孔率[12]等。本實驗以紫砂原料為主要原料，重點研究石英納米短纖和納米紫砂加入量對紫砂陶強度及抗熱震性能的影響。

2 實驗內容

2.1 實驗原料組成及含量

本實驗采用佛山簡氏依立電器有限公司提供的紫砂煲配方，中位徑為5.6 μm，化學成份及含量為：SiO2 72.71%、Al2O3 20.63%、 Fe2O3 1.38%、TiO2 0.20%、CaO 0.24%、 MgO 0.08%、K2O 0.54%、Na2O 0.70%、Li2O 2.44%、FeO 0.21%、MnO 0.02%。納米紫砂土中位徑為600 nm，化學成份及含量為：SiO2 65.51%、Al2O3 21.50%、Fe2O3 4.54%、TiO2 0.93%、CaO 0.02%、MgO 1.44%、K2O 0.18%、Na2O 0.23%。納米石英短纖為實驗室前期合成，直徑為20 nm，長徑比大于30，SiO2 含量大于98%。

2.2 試樣制備

本文以紫砂土為原料，加入納米紫砂和不同含量的納米石英短纖，經可塑成型，制備規格為12 mm×12 mm×120 mm的條狀試樣，其工藝流程如圖1所示。其中，納米石英短纖的加入量分別為0%、0.90%、1.19%、1.49%，實驗方案如表1所示，燒成制度如圖2所示。

2.3 樣品表征

本文采用電子萬能試驗機（型號UTM4204X）測試試樣抗折強度；采用德國Bruker X射線衍射儀分析樣品的物相組成，測試條件：Cu靶，管電壓40 kV。

抗熱震性能采用急冷強度法測試紫砂試樣，實驗條件：將燒結后的樣品在箱式爐加熱以3 ℃/min的升溫速率加熱至300 ℃、保溫30 min，立即將試樣置于室溫水浴中，5 min后取出試樣干燥測量其抗折強度。

3 實驗結果分析與討論

3.1 試樣物相分析

圖3是紫砂試樣燒結后的XRD圖譜。

由圖3可知，試樣中存在三種物相，分別為透鋰長石、石英和莫來石。透鋰長石熱膨脹系數低，可以有效降低坯體的熱膨脹系數，改善抗熱震性能。莫來石相強度高（部分為納米紫砂貢獻），熱穩定性好，可提高坯體強度。燒結后的石英物相部分是納米石英短纖的貢獻，其不發生相變，同樣起支撐體作用。

3.2 紫砂試樣抗折強度

圖 4 為不同石英納米短纖加入量與紫砂試樣的抗折強度關系。

由圖 4 可見，紫砂試樣強度隨著納米材料的增加表現出先增加后降低的規律。其中，納米石英短纖含量為0%時，試樣抗折強度為42.2 MPa；當含量為1.19% 時，試樣抗折強度達到最大，為68.7 MPa；隨后含量增加至1.49%時，抗折強度降低，但仍有59.2 MPa。

3.3 紫砂試樣抗熱震強度

圖5是紫砂試樣經300 ℃熱震后不同石英短纖含量的抗折強度。

由圖 5 可知，熱震后試樣強度與常溫試樣強度呈現出相同的規律，隨著石英納米短纖的含量增加，試樣強度先增大后減小。未加入納米石英短纖時，熱震后紫砂試樣強度為12.4 MPa，與常溫試樣相比，強度保持率為29.43%；石英短纖加入量為1.19%時，紫砂熱震試樣強度達到最大，為26.0 MPa，強度保持率為37.82%。

3.4 紫砂試樣抗折強度與熱震性的機理分析

加入納米石英短纖后紫砂強度均比未加入強度大，原因可能是因為，石英短纖尺寸在納米級別比表面積大、活性高，加入的短纖與基體顆粒尺寸相差較大，燒結后，短纖粘附在基體顆粒表面（見圖6），作為第二相粒子彌散分布于基體中，對晶界具有扎釘作用提高基體強度。同時，石英納米短纖的加入，可消耗部分晶界移動的能量，在一定程度上可以抑制晶粒的異常長大，起到強化坯體作用。石英納米短纖作為增強相，與紫砂基體結合性能較好。石英短纖的加入，可以起到填充紫砂間隙和橋梁作用，以分散的單絲纖維存在于基體中，通過纖維橋接和纖維拔出機制，消耗裂紋擴展功，使得紫砂試樣強度提高。由于未加入分散劑，當石英短纖的含量較大時，可能會影響紫砂基體燒結致密化，石英短纖之間可能發生團聚現象，使得增強作用下降，導致試樣強度降低。

4 結論

石英納米短纖的加入可以有效提高紫砂試樣的強度，隨著石英短纖含量的增加，紫砂試樣強度與抗熱震強度都表現出先增加后減小的規律。當石英短纖加入量為1.19%時，兩者均達到最大，常溫強度為68.7 MPa，比未加納米石英短纖時提高了三分之二；抗熱震強度為26.0 MPa，比未加納米石英時提高了一倍。隨后，石英短纖含量繼續增加，短纖間發生團聚，試樣強度和抗熱震強度反而減小。

參考文獻

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