低膨胀建筑陶瓷外墙砖的试制

低膨胀建筑陶瓷外墙砖的试制

徐丽1占俊2

◎徐丽1占俊2

（景德镇高等专科学校，景德镇333000）

中图分类号：TQ174文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）06-144-02

摘要：低膨胀陶瓷材料优异的抗热震性近年来备受关注，但在建筑陶瓷方面的研究不多，主要因为材料成本较高，合成能耗较大等原因使得低膨胀建筑陶瓷产业化步履艰难。本课题期待通过对主晶相和玻璃相组成及结构的调整，使陶瓷的热膨胀系数下降，提高产品的使用寿命；并将尽可能的低温快烧，达到节约能源且提高材料性能的绿色建材要求。

关键词：低膨胀；建筑陶瓷；堇青石

一、引言

陶瓷材料具有耐高温、高强度、抗腐蚀等一系列优良性能。但陶瓷材料一般在热应力下比较容易被破坏，抗热震性能较差。抗热震性能主要取决于材料的热膨胀性能，低膨胀陶瓷材料在耐热冲击性方面有着优异的性能。热膨胀是陶瓷材料的主要性能之一，材料的抗热震性，复合材料及其力学性能、镀膜和涂层、封接和梯度功能精密测量等都与热膨胀有关。因此，低膨胀陶瓷受到人们的广泛重视。堇青石(2MgO•2Al2O3•5SiO2)陶瓷机械强度较高，抗化学侵蚀性优良，热膨胀率很低，一直是蜂窝状陶瓷的首选材料。要使其具有优异的抗热震性，必须尽量降低它的热膨胀率，以保持长久的使用寿命。目前，新材料的研究已经表现出从结构材料向功能材料，从单一材料向复合材料的趋势发展，涉及到电子、通讯、环保、生物、医学、交通、航天和工程结构等广泛的应用技术领域。因此，改善材料的热膨胀性，是科研人员开发新材料时面临的一个重要的研究课题。

本研究立足于利用企业的原有原料经过性能的改良以部分合成堇青石的复合材料为主，含有少量玻璃相和气孔的低膨胀材料。希望通过这一系列的实验，可以试验出一个优良配方，烧结温度在1200℃左右，热膨胀系数小于4×10-6/℃且各方面性能达到建筑陶瓷性能要求的样品。

二、实验

（1）实验原料。

合成堇青石可从多种原料中选择，原料要选择来源稳定，化学组成变化不大，杂质低，质量稳定且价格较便宜。根据以上选择原料的原则及现实实验条件，实验原料选用高岭土、白云石，黑滑石、烧滑石、水洗泥、钾长石等。

（2）实验的主要仪器设备。

JA2003型电子天平、QM-ISP型行星磨、769YP-24B型末压片机、抗折仪、RX3型箱式电阻炉、101A-2型箱式干燥箱、RPZ-1热膨胀分析仪、250型磨片机

（3）实验工艺流程。

本实验的材料制备都是依据以下的流程进行的：

配料--湿磨--过筛--烘干--造粒--干压成型--烧成--测吸水率--干燥--测膨胀系数--测抗折强度

（4）实验方案。

①根据企业配方的化学组成，计算出示性矿物组成。拟定以调整主晶相产生部分堇青石为目的调整配方。通过加入镁质原料，并辅以其它矿物原料，最终达到降低热膨胀系数的目的。

②从调整玻璃相组成考虑，以白云石（CaO-MgO-Al2O3-SiO2）系统代替长石（Na2O-K2O-Al2O3-SiO2）系统，通过玻璃相的调整使材料的膨胀系数更低。

本实验的基础原料采用广东某厂的建筑陶瓷玻化砖原料，通过对原料进行XRD测试分析其化学组成为：SiO2含量为67.96%，Al2O3含量为20.55%，MgO含量为0.44%，Fe2O3含量为0.74%，TiO2含量为0.12%，CaO含量为0.49%，K2O含量为1.60%，Na2O含量为4.01%，烧失为4.34%。通过冷压成型烧结原料，对样品进行性能测试：

依据公式＝+0.55×10-6（℃-1）得出膨胀系数为7.6×10-6℃-1，，依据公式计算得出烧成收缩为10.57%。并测定其吸水率均达到成瓷效果。

示性矿物计算目的：将原料的化学组成换算为示性矿物原料组成，其目的是最终通过示性矿物原料的对比拟定改良方案。示性矿物组成为：高岭土31wt%,长石28wt%,石英41wt%。

方案一结果与分析：

根据传统建筑陶瓷配方体系和现有的理论和试验储备基础上，本课题初步拟定了一个配方实验。此配方中从陶瓷材料的主晶相考虑，加入镁质原料（烧滑石、黑滑石），以产生部分堇青石为目标，使膨胀系数降低。按质量百分数其配方为：

高岭土25%，水洗泥占质量百分数44%，黒滑石6%，烧滑石4%，长石21%

在加入镁质原料的同时，加入钾长石作为溶剂原料，降低烧成温度。在同等实验条件和烧成制度下，测试产品的膨胀系数为6.01×10-6℃-1的实验样品。

通过测定产品的XRD分析晶相组成，镁质原料的引入在烧结过程中形成了部分堇青石，从而使材料的膨胀系数下降。其XRD分析衍射图分别如下：

图4-1中0#衍射图为未改良镁质原料，1#衍射图为经过改良后镁质原料。通过0#和1#图图像的对比可以发现，改良后的原料里含有更多堇青石晶相，从实验最终结果也可以判断出实验理论与最终结果相符合。从而可以说明含镁质原料的引入，达到了合成部分堇青石的目的，也实现了材料膨胀系数的降低。

方案二结果与分析：

方案调整考虑因素：由于原料中含有长石，虽然从理论上钠和钾的熔融温度范围较宽。但是在合成堇青石的过程中，温度过高，钾长石熔融物中存在硅氧体，粘度大，气泡难以排出，体积膨胀较大。所以从调整玻璃相组成考虑，以（CaO-MgO-Al2O3-SiO2）系统代替（Na2O-K2O-Al2O3-SiO2）系统，通过玻璃相的调整使材料的膨胀系数更低。并最终确定以白云石替换长石，以达到更大降低膨胀系数的目的。

通过测定不同温度下替换后产品的吸水率、抗折强度、膨胀系数等因素，分析温度对上述因素的影响。

原料配方定为A-1，通过加入不同含量白云石后优化配方为：（陶瓷材料配方组成(wt%)）

A-1：钾长石21%，高岭土25%，黑滑石6%，水洗泥44%，烧滑石4%，白云石0%

A-2：钾长石15%，高岭土25%，黑滑石6%，水洗泥44%，烧滑石4%，白云石6%

A-3：钾长石10%，高岭土25%，黑滑石6%，水洗泥44%，烧滑石4%，白云石11%

A-4：钾长石5%，高岭土25%，黑滑石6%，水洗泥44%，烧滑石4%，白云石16%

不同含量白云石替换后对膨胀系数的影响对比分析：

①实验结果：以白云石替换钾长石的实验，探索了在四个不同温度下，保温1H的样品在相同处理条件下膨胀系数等性能。在几个烧成温度中，配方最好的样品为A-4,烧成温度在1140℃左右。其结果和基础配方A-1的膨胀系数对比明显的使膨胀系数降低，且达到了普通建筑陶瓷的测试要求。并且综合基础配方和最优配方的对比，在烧结效果方面，两者最终都已达到烧结。但是不同温度的烧结结果不同，并且通过吸水率等测试结果判断1160℃已经过烧，并且材料的抗折强度、体积密度等都已达不到要求。

②原因分析：白云石的分子式为CaCO3、MgCO3。理论成分:CaO30.4%、MgO21.9%、CO247.7%。白云石中钙和镁的引入，使得CaO等氧化物不同程度参与堇青石晶体结构的形成，CaO可取代Mg2+形成置换型固溶体。由于Ca2+离子半径大于Mg2+，进入晶格后，造成堇青石晶格畸变，形成应力空位，从而可降低合成温度，使烧结范围变宽[14]-[20]。白云石可降低坯料的熔融温度和高温粘度及热膨胀系数，同时降低配料的烧成温度，扩大烧成范围还可以提高材料的热稳定性，钙和镁的引入能在一定程度上达到降低膨胀系数稳定材料的性能的作用。

三、实验结论

本课题通过调整传统陶瓷中主晶相和玻璃相组成及比例，研究工厂配方和改良后堇青石复合陶瓷配方，得到结论如下：

（1）在原料改性实验中，无论从烧结程度还是膨胀效果，白云石的引入明显提高材料的整体膨胀性，最终使得膨胀系数降为3.81×10-6℃-1,并且材料的其他性能达到测试要求，达到替换效果。

（2）实验得出最佳配方为：高岭土25Wt%，水洗泥44Wt%，黑滑石6Wt%，烧滑石6Wt%，钾长石5Wt%，白云石16Wt%。

（3）采用原料替换法所制的的堇青石复合材料，其最佳烧成制度为：升温速度为4℃/min，最高烧成温度为1140℃，保温时间1h。试样的吸水率达到0.32%、体积密度达到2.49g/cm3、抗折强度达到100MPa。

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