鎂質瓷的研究現狀及進展*

高正艷,阮代錟,鐘雪蓮,周駿宏

（黔南民族師范學院化學化工學院，貴州 都勻 558000）

鎂質瓷是一種含鎂陶瓷,由于具有不同于普通陶瓷的晶相(物相）而使鎂質瓷具有良好的電氣性能、透明性好、介質損耗小、絕緣強度高、瓷胎致密、氣孔率低等特點,以及高的機械強度和較好的化學穩定性、熱穩定性好等性能[1],曾被譽為陶瓷中的 “陽春白雪”,廣泛應用于高頻無線設備中作絕緣零件[2],是星級賓館餐具的最佳選擇[3]。

一般認為,鎂質瓷是以含鎂物質和粘土為主要原料,經過高溫煅燒,并有鎂化合物參與成瓷形成硅酸鎂型物相的陶瓷材料。高溫煅燒工程中發生的主要化學反應如下[4]:

鎂質瓷按呈色不同,主要分為米黃白鎂質瓷和象牙白鎂質瓷兩種；按其主晶相不同,可分為原頑輝石瓷(即滑石瓷）、鎂橄欖石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷四種,均由MgO-Al2O3-SiO2三元系統構成[5]；基本性能如表1所示。其中,堇青石瓷,由于其膨脹系數低,熱穩定性好,常用于體積不隨溫度變化的絕緣材料或電熱材料中[6]。尖晶石瓷具有熱膨脹系數小、熱穩定性好特點,廣泛應用于耐火材料、耐磨材料、精細陶瓷及顏料工業等各個領域[7]。鎂橄欖石瓷具有電導率低、熱膨脹系數低、熱傳導率低、介電常數低、介質損耗低、比體積電阻大、耐壓強度高,化學性質穩定等特點,廣泛應用于保溫材料,微波通信材料及電子陶瓷等領域[8],以及在電真空領域常用作耐高溫材料[9]。

1 鎂質瓷的研究進展

鎂質瓷雖然具有不同于其它陶瓷的性能,但其制作條件也更苛刻,存在坯料工藝性能較差、燒成范圍較窄、產品制備工藝控制不當易老化等難題。廣大學者、工匠對此開展了不懈的努力,也取得豐富的成效。

表1 鎂質瓷及普通陶瓷的主要性能參數Table 1 Chemical composition and phase transformation temperatures

1.1 坯體配方的研究

為改善鎂質瘠性材料存在塑性差,難以成型、易裂坯、在泥料中易沉淀等缺陷；池至銑[10]通過配方篩選,向原料中加入高塑性的膨潤土及粘合劑,解決坯料塑性差,難以成型等問題；加入適量的鋰輝石和鋰云母,降低坯料的燒成溫度。最終確定坯體配方中滑石含量為45%～55%,鋰輝石和鋰云母含量達到坯體Li2O含量的1%～1.2%。

孫淑芝[11]主要以唐山滑石、少量粘土和溶劑等為配方進行實驗,通過加入適量粘土改善坯體性能,并加入少量氯化鋇,提高泥料塑性。

為制得膨脹系數較低、燒成范圍較寬的堇青石質陶瓷,肖冠南等[12]以景德鎮柳家灣滑石、鋰云母、粘土等為坯體原料,加入不同種類及不同數量的熔劑原料,制取含水量為28%～30%的可塑泥料、含水率為40%～43%的注漿料,經陳腐后成型使用。

1.2 燒成溫度的影響研究

為了解燒成溫度在陶瓷低溫燒結中的影響,曾美云等[13]通過在不同煅燒條件下對吸水率差異較大的陶瓷材料進行篩選,確定溫度是影響低溫燒成陶瓷狀況的主要因素；溫度愈高,影響愈大。

為解決溫度過低造成欠燒、溫度過高造成起泡、樣品變形等問題,諸愛珍[14]通過向滑石瓷原料中加入氧化鎂、氧化鋯、氧化鋅、粘土等添加劑,使坯體在高溫下不易變形,以降低燒結溫度、擴寬燒成范圍。

為解決滑石瓷燒成范圍窄問題,諸愛珍[15]通過在坯體配方中加入適量添加劑以拓展燒成溫度、提高液相的粘度,使瓷坯在高溫下不易變形,并制定適宜的燒成制度,以解決液相生成速度快,高溫粘度小等現象。

為大幅度降低燒成瓷溫度,提高燒成后的瓷體白度、可塑性,王耀[16]在坯料中引入適量玻璃粉,以達到促進燒結玻璃相的形成和增加透明度的目的。

由于不同產地滑石成分不同,其煅燒溫度有所差異。韓復興[17]提出了煅燒滑石的主要目的是脫水脫碳、改變層狀結構及晶體轉變；即滑石的焙燒需要經過 “滑石(2個水）-偏滑石(1個水）-硅酸鎂(0個水）-頑火輝石晶相”的轉變過程。

1.3 抗折強度提升的研究

為測定滑石、粘土用量及燒成溫度等工藝因素對鎂質瓷抗折強度的影響,余暉[18]以MgO-Al2O3-SiO2三元系統為依據,通過配方篩選,引入65wt%～75wt%滑石起助熔和增強作用；引入用量大于15wt%高嶺土,在高溫下生成的莫來石纖維對瓷體起增強作用；引入6wt%～14wt%鉀長石,拓展燒成范圍；隨燒成溫度的升高,抗折強度不斷增大；同時易出現過燒現象,在溫度為1250～1270℃時燒結性能較優,抗折強度較好。

為探究溫度對抗折強度的影響,劉陽等[19]通過對配方篩選,確定最佳配方并向其添加適量的碳酸鋇,隨碳酸鋇含量的增加及燒成溫度的升高,試樣的抗折強度呈上升趨勢,且燒成溫度為1260℃、碳酸鋇含量在2%時最佳。

3.檢驗樣品。食品檢驗首先需要對檢驗目標和對象進行抽樣檢查，通過隨機抽樣檢查的結果，對食品的安全健康質量做出相應的評價。樣品的正確抽取需要嚴格按照國家的有關規定進行，遵循樣品抽取原則[1]，所采集的樣品要均勻、具有代表性，采集過程中嚴格注重樣品的保護。如果在實際的樣品采集過程中沒有按照樣品采集的流程或采集工具不清潔以及樣品制作不規范，都會導致食品檢驗結果不準確。

為優化鎂質瓷坯體配方組成,分析影響鎂質瓷瓷體抗折強度的因素。包啟富等[20]引入了主助溶劑鉀長石,助溶劑方解石和碳酸鋇；當生/熟滑石比為32/42(wt%）,BaCO33%,方解石2%時,抗折強度最大。隨球磨時間的延長,有利于排除氣泡,減少氣孔含量,使胎體致密化,從而使鎂質瓷的抗折強度增加。

為探究滑石、石英、粘土等的加入對鎂質強化瓷抗折強度、膨脹系數的影響。桑建華等[21]以MgO-Al2O3-SiO2和K2OAl2O3-SiO2三元系統相圖為理論依據,通過固定熔劑原料的用量,改變滑石、石英、粘土的用量擬定坯體配方,并對該瓷體的膨脹系數、抗折強度進行測試,確定其性能最佳配方如下:

1.4 研磨助劑的研究

為提高滑石瓷的生產效率,縮短坯料研磨時間,節能降耗。王占一[22]引入一種集表面活性劑與無機、有機高分子于一體的助磨劑,定向地吸附在顆粒界面上,并通過濕潤和吸附作用使顆粒的表面能降低,進入顆粒的微裂縫中,積蓄破壞應力,產生劈裂作用,從而提高研磨效率。

1.5 鎂質瓷抗老化的研究

為有效防止滑石瓷的主晶相偏硅酸鎂(化學式MgSiO3）晶型在轉化過程中應變和應力共同作用造成鎂質瓷的老化,唐志陽[23]通過煅燒滑石、適當提高冷卻速度和加入適量的添加劑使坯體周圍包裹一層足夠穩定的玻璃相,保證坯體具有一定細晶結構,有效阻止了滑石瓷的老化。

為避免鎂質瓷樣品在加工、貯運或使用過程中自動產生裂縫、空隙,甚至在燒成后,樣品表面出現粉白色斑點,并逐漸擴大導致整個坯體松散成粉等現象的產生,王洪生[24]通過預燒滑石、原料細磨及使用添加劑等措施,有效防止晶型轉化,盡可能防止滑石瓷的老化。

為有效防止滑石瓷的老化,李效生等[25]通過預燒滑石、原料細磨、使用添加劑等,使得滑石瓷的成品率達85%以上,半產品率達95%以上。

為避免滑石瓷在生產后期老化和開裂,王濰棟[26]在生產過程中盡可能選用長石作助溶劑,避免CaO等氧化物的引入,有效維持主晶相處于介穩態原頑火輝石中。

1.6 其他因素的研究

為解決坯體燒成范圍、泥漿的稠化性和可塑性等因素對大量生產鎂質瓷的影響,林紹賢等[27]通過在滑石質瓷中引入助熔劑長石、原料粘土,使得坯體中玻璃相的含量增加,塑性和流變性有所改變,且降低了預燒溫度,燒成變形度小,機械強度高,能較好的滿足樣品生產工藝。

為避免鎂質瓷發生晶相轉變,導致坯體開裂等現象的發生,孔雙華等[28]通過添加少量具有較高的透過率、強度和白度的熔劑型或助熔性原料,降低玻璃相的凝固溫度來減少晶形轉變帶來的體積效應變化；并精選助溶劑硅灰石、合成熟料和骨粉,克服了鎂質瓷易炸裂的現實問題。

為避免鎂質瓷在養護期間澆注料上漲、中空、燒制后有白色斑點、崩塊及裂紋等現象的產生。陳楊等[29]提出了精確配料、控制適宜的攪拌時間及養護溫度、保證鎂砂原料的理化指標合格等方法。

為制取透光性好、白度高、機械強度高的滑石瓷,耿謙[30]通過實驗得出日用滑石瓷坯體物相組成主要為原頑火輝石、方石英、玻璃相及微量氣孔4個部分組成,并得出物相組成與透光度、白度、機械強度、熱膨脹系數與熱穩定性的關系。當坯體中的氣泡大而多時,入射光造成大量散射,顯著降低透光性質；當坯體具有較低的氣孔率和較小的氣孔時,坯體有較好的透光性及白度。當主晶相原頑火輝石呈微細顆粒,粒徑相近且均勻分布排列,形成堅實的骨架時可提高其機械強度。

2 結 語

影響鎂質瓷工藝的因素有很多,但主要是坯料塑性差、難以成型、易裂坯、在泥料中易沉淀、燒成范圍窄、產品制備控制不當易老化等問題。

(1）通過在坯體配方中引入滑石、粘土、粘合劑等原料,提高泥漿的流變性和塑性,解決坯料塑性差,難以成型等問題。

(2）引入添加劑、玻璃粉等助熔性或溶劑型原料,促進燒結玻璃相形成,增加透明度,降低燒成溫度,拓展燒成范圍,克服了易炸裂等問題。

(3）通過預燒滑石、原料細磨、選用長石等助溶劑有效避免了鎂質瓷發生晶型轉變,降低玻璃相的凝固溫度來減少晶型轉變帶來的體積效應變化,抑制了滑石瓷的老化；

(4）隨燒結溫度的升高,抗折強度呈上升趨勢,且燒成溫度為1260℃、BaCO3含量在2%時最佳；或生/熟滑石比為32/42(wt%）、BaCO33%、方解石2%時,抗折強度最大。隨球磨時間的延長,有利于排除氣泡,減少氣孔含量,使胎體致密化,從而使鎂質瓷的抗折強度增加。

鎂質瓷之所以具有不同于其它陶瓷的特性,關鍵在于鎂元素的引入。從理論上來看,鎂質瓷的形成實質是氧化鎂與二氧化硅的化合變成硅酸鎂,因此任何含氧化鎂或者是在該煅燒過程中能產生氧化鎂的原料,如菱鎂礦、白云石、蛇紋石、滑石等等,皆能作為制造鎂質瓷的原料。但是,除了滑石以外的含鎂原料的運用,鮮見報道。加強對其它含鎂原料挖掘,對擴展制造鎂質瓷的原料來源和拓展鎂質瓷的研究范圍具有現實意義,值得進一步的研究。

鎂質瓷與其日用陶瓷相比有較高的抗折強度,在經濟迅猛發展的今天隨著 “廚房革命”的到來,憑借其產品規整、色澤柔和、質量安全、環保綠色,為占領、擴大和開拓新的市場創造了有利條件,已成為理想現代化家居日用瓷的首選。進一步對鎂質瓷進行研究具有很大的技術和經濟意義,易于推廣應用,具有較好的發展前景。