透光陶瓷磚性能及研究進展*

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2016年博羅尼亞陶瓷展，陶麗西研發的透光陶瓷磚引起了廣泛的關注[1]。透光陶瓷磚在燈光照射下，可以很好地表現圖案的紋理和質感，大大地提升了陶瓷磚的裝飾效果[2]。筆者主要從影響透光陶瓷磚的透光率因素綜述了目前透光陶瓷磚發展現狀和展望了透光陶瓷磚未來的發展趨勢。

1 影響透光陶瓷磚透光率因素

圖1 入射光線各種損失示意圖

陶瓷的透光性受到雜質、晶界結構、表面粗糙度、表面氣孔、燒成制度、原料等影響。當入射光照射在陶瓷表面，在表面顯微結構的作用下，入射光發生折射、反射和散射的現象，從而影響陶瓷磚的透光率，如圖1所示[3]。通過查閱文獻資料可知，影響陶瓷通光率的主要因素是原料、晶界結構、晶粒大小和氣孔[4～5]。

1.1 原料

原料的純度、顆粒大小和添加劑對陶瓷透光率具有較大的影響，因此制備透光陶瓷要求雜質少、顆粒小和添加少量添加劑。 當原料中含有雜質時，在煅燒過程中容易形成折射率不同于主晶相的相，入射光線將會在陶瓷內部形成光的反射和折射，導致入射光線強度降低。此外原料的顆粒大小也會在一定程度影響透光效果，這是因為顆粒越小，燒結時氣孔擴散到晶界所需要的時間越短，氣孔越容易被排出。隨著氣孔率降低，入射光線發生折射和反射概率降低，陶瓷透光性越好，因此制備陶瓷透光粉料顆粒大小相比普通的坯料粉料小，降低氣孔率，從而提高透光率。

一方面添加劑通過降低透光陶瓷磚的燒結溫度來改善效果，另一方面通過抑制晶體的生長，使氣孔能夠充分地排出進而提高致密度，提高透光率。

1.2 晶界結構

當入射光線垂直晶界入射時，反射系數R12為：

R12=[(N12-1)/(N12+1)]2，N12=N1/N2

(1)

式中： N1——晶粒的折射率；

N2——晶界折射率；

N12——晶界相對晶粒的折射率。

由式(1)可知，當陶瓷由單一晶相組成時，晶界與晶粒折射率相同，將不會引起入射光線發生反射和折射，此時透光率達到最大；當陶瓷含有多個晶相時，晶界和晶粒折射率將不相同，引起入射光線發生反射和折射；當晶界數量較多，入射光線將會發生連續反射和折射，降低透光率。從應建新等[6]研究中可知，當晶界與晶粒的相對折射率為1時，入射光透過率為100%；當相對折射率為0.9時，透過率降低到50%；當相對折射率為0.85時，透過率僅為5%左右。因此當陶瓷含有多個晶相，晶界和晶粒折射率相差較大時，將會導致透光效果較差。

1.3 晶粒大小

晶粒的大小也是影響陶瓷透光率的重要因素。當晶粒大小和入射光波長接近時，散射作用最強，透光率最低；只有當晶粒大小和入射光波長相差較大時，透光率才較高。當晶粒大小大于入射光波長時，透光率隨著晶粒尺寸的增加而提高，這是由于當晶粒尺寸越大，晶界越少，光在晶界上的散射就越小，最終提高透光率；當晶粒尺寸小于入射光波長時，透光率隨著晶粒尺寸的降低而提高，這是由于此時兩者尺寸相差越大時，衍射作用越明顯，降低散射損耗，透光率得以提高。

1.4 氣孔

圖2透過率隨氣孔率的變化

氣孔可分為晶界氣孔和晶體內部氣孔。晶體內部氣孔在燒結過程中較難排出，此時相當于增加了一個氣體和真空的界面，由于兩者間折射率相差較大，容易出現反射作用，降低透光率。從應建新等研究中可知，透光率隨著氣孔率的增加而降低。如圖2所示，當氣孔率為0.3%時，透光率高達98.6%；當氣孔率為1%時，透光率下降到93%；當氣孔率為3%時，透光率僅為81%。透光率除了受氣孔率影響外，還與氣孔的大小有關，如圖3所示[7]。透光率隨著氣孔增大，先降低后增加，當氣孔大小和入射光的波長接近時，透光率最低。所以在燒結過程中，一方面要控制氣孔率，另一方面要控制氣孔的大小，使透光率達到最大值。

圖3 透光率隨氣孔尺寸的變化

2 透光陶瓷磚研究進展

透光陶瓷磚的研究主要集中在提高透光陶瓷磚白度、透光率、裝飾效果及解決成形難、容易變形等問題。

2.1 變形

引起透光陶瓷磚變形原因很多，主要是由配方、燒成制度、拋光磨塊等造成。其中配方所引起的變形，一方面是由于坯釉膨脹系數不匹配，當坯體的膨脹系數比釉大時，磚將會出現“拱”變形現象，反之為“翹”；另一方面是由于鋁含量低，硅含量高，此時玻璃相含量增多，高溫骨架降低。

表1 某廠透光陶瓷磚化學組成(質量%)

現有廠家使用的透光磚配方鋁含量較低(<15%)，例如，某廠透光陶瓷磚的化學組成如表1所示。其造成玻璃相含量多，高溫骨架少，高溫強度低，煅燒過程中容易引起變形。同時，其組成90%以上是由石英、長石等瘠性原料組成，導致可塑性低、成形困難[8]。趙光巖等[9]通過提高配方中鋁含量(>20%)，改善了燒成過程中引起變形現象，并通過添加沸石粉、球土和膨潤土等塑性原料，解決現有透光陶瓷成形難問題。同時發現，添加沸石粉將會使陶瓷內部形成60 μm氣孔，提高了陶瓷透光率。

2.2 透光率

陶瓷透光率主要受氣孔、雜質、玻璃相和晶體等影響，當雜質含量和氣孔越少，玻璃相越多時，透光率越高。謝志軍等[9]通過增加玻璃相和溶劑性原料降低粘土的用量和添加白云石引入Na2O和CaO提高對玻璃溶解能力，最終得到產品可見光透射比為0.72，透光率比相同條件的陶瓷薄板高36倍，燒成溫度為1 252.3～1 274.8 ℃，燒成范圍為38 ℃，比普通坯體寬10 ℃左右。趙光巖等[8]通過在配方中添加沸石，使產品在燒成過程中形成較多的小氣孔，隨著溫度的升高，由于沸石和助熔礦化劑反應形成液相，使較小的氣孔形成大的氣孔(60 μm左右)，降低氣孔數目，提高透光率；同時，配方中引入硅灰石，使燒成過程中形成折射率較低的鈣長石晶相，降低了入射光的損耗。唐奇等[10]采用了與翡翠相似的化學成分為高鈉低鉀制備出玉質感的半透明陶瓷。羅宏等[11]采用含有25%～40%高鋁質泥料填入壓磚機模腔中，形成底料層，再將透光料施于底料層，形成面料層，燒制后刮平底料得到透光性較好的面料層，同時采用拋底工藝，提高透光率。

2.3 裝飾效果

隨著市場的發展，人們對產品的圖案、層次等要求也越來越高，要求廠家致力于透光陶瓷磚的裝飾效果的開發。例如早期，“一種半透明陶瓷磚”的專利[12]，采用玻化磚工藝，僅在透光陶瓷磚表面進行圖案打印，效果單一、立體感較差；“一種噴墨滲透拋光半透明陶瓷薄板及其制備”的專利[13]通過噴墨滲透工藝，進行燒成拋光，整體表面平整度較好、圖案耐磨、滿足高光類產品，但表面效果也較單一；“一種透光磚及其制備方法”的專利[14]通過膠片布料方式對有色不透光粒子進行布料，形成內含有不透光有色粒子半透光坯體，再施上透明釉和配合圖案形成立體感強的產品；“一種噴墨滲透透光磚及其制備方法”的專利[15]則是將透光材料進行配色，將有色粒子按照預先設定的紋理進行布料并壓制，再通過噴墨滲透定點對位打印，最終得到表里如一、立體感強的表面效果。

綜合上述可知，透光磚的制作工藝由早期的普通玻化磚工藝到如今定點對位布料滲透噴墨工藝，裝飾效果由效果單一、立體感差發展到表里如一、立體感強，裝飾效果得到很大提升。

由于透光陶瓷磚生產要求有較高的白度和透光率，對所用的原材料要求比較嚴格，導致成本較高。同時，隨著透光陶瓷磚工藝和配方的成熟，將會面對同類產品的激烈競爭以及產品同質化的生產帶來不利影響。因此未來的透光陶瓷磚的發展將會使用較廉價的原材料替代現在所用的材料，降低成本。同時，進一步提高產品的透光率和質感，以及使用工藝疊加的方式，以提高產品的裝飾效果。