第八章 配料计算及坯料制备课件.ppt

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1、第八章配料计算及坯料制备,配料方案的确定和计算是陶瓷生产的关键问题之一。通常是根据配方计算的结果进行试验，然后在试验的基础上确定产品的最佳配方。并以此为依据，选择适当的工艺进行坯料的制备。,8.1配料方案的确定8.2坯料配方计算8.3坯料制备,1. 陶瓷的组成与结构,陶瓷烧结体的显微组织结构,陶瓷的相组成： 结晶物质 玻璃态物质 气孔,化学组成及加工工艺决定显微结构；化学组成对显微结构和性能起决定性作用。,8.1配料方案的确定,8.1.1陶瓷的组成、结构、性能,2. 陶瓷性能与材料键性、结构的关系,陶瓷材料的键性：主要是离子键与共价键，而且往往是 两种键杂交在一起。 陶瓷材料中原子或分子的排列

2、方式和结构也是决定性能 的重要依据。 结构缺陷对陶瓷材料的性能也有显著的影响。,3. 陶瓷强度的控制和脆性的改善,陶瓷材料的实际强度为理论强度的1/10 l/100。,提高陶瓷强度的关键即是控制其裂纹和位错。,陶瓷材料另一个强度特征是室温下具有脆性。 在外加应力作用下会突然断裂；其抗冲击强度低，承受 温度剧变能力差。,原因：一是键性为离子键和共价键； 二是组成相为晶体和玻璃相。,原因：结构存在缺陷。,8.1.2确定配方的重要性,坯料组成与产品性能、工艺等的关系可见下面示意图,由图可见，1、坯料的组成除可通过自身的化学、物理性质影响产品的性能，如白度、透明度、绝缘性等，还能通过工艺及组成的组织影

3、响产品的结构性能如吸水性、力学性能等。,2、坯料的成分不但会影响产品的性能，还会影响生产工艺。如低温烧成时要求坯料要含有低熔点组成，快速烧成要求坯料要无收缩或少收缩等，且在陶瓷产品形成的一系列工序过程中，还要求坯料的可塑性、流变性、生坯强度、干燥与烧成收缩、烧成范围、烧成温度等都要与成形方法、工艺设备、烧成条件等相适应。,3、确定配方可以稳定性能、降低成本,8.1.3 坯料组成,1 坯料组成的表示方法,配料比（量）表示法 矿物组成(又称示性矿物组成)表示 化学组成表示 坯式表示,配料比（量）表示法,这是最常见的方法，列出每种原料的重量百分比。,如刚玉瓷的配方：工业氧化铝95.0、苏州高岭土2.

4、0、 海城滑石3.0。 卫生瓷乳浊釉的配方：长石33.2、石英20.4、苏州 高岭土3.9、广东锆英石13.4、氧化 锌4.7、煅烧滑石9.4、石灰石9.5、 碱石5.5。,具体反映原料的名称和数量，便于直接进行生产或试验。 无法互相对照比较或直接引用。,矿物组成(又称示性矿物组成)表示,普通陶瓷生产中，常把天然原料中所含的同类矿物含量 合并在一起，用粘土矿物、长石类矿物及石英三种矿物的重 量百分比表示坯体的组成。,依据：同类型的矿物在坯料中的主要作用基本上是相同。,这种方法只能粗略地反映一些情况。用矿物组成进行配 料计算时较为简便。,化学组成表示,根据化学分析的结果，用各种氧化物及灼烧减量的

5、 重量百分比反映坯和釉料的成分。,利用这些数据可以初步判断坯、釉的一些基本性质。 再用原料的化学组成可以计算出符合既定组成的配方。,由于原料和产品中这些氧化物不是单独和孤立存在的， 它们之间的关系和反应情况又比较复杂，因此这种方法也 有其局限性。,灼减量又称u量指坯料在烧成过程中所排出的结晶水，碳酸盐分解出的CO2，硫酸盐分解出的SO2，以及有机杂质被排除后物量的损失。相对而言，灼减量大且熔剂含量过多的，烧成偏高的制品的收缩率就愈大。还易引起变形、缺陷等。所以要求瓷坯灼减量一般要小于8%。陶器无严格要求，但也要适当控制，以保持制品外形一致,坯式表示,根据坯和釉的化学组成计算出各氧化物的分子式，

6、按照 碱性氧化物、中性氧化物和酸性氧化物的顺序列出它们的分 子数。这种式子称为坯式或釉式。,坯式通常以中性氧化物R2O3为基准，令其分子数为1， 则可写成下列形式： （xR2O+yRO）1R2O3zSiO2 另外也可以R 2O及RO的分子数之和为基准，今其为1， 则坯式可写成： 1（R2O+RO）mR2O3nSiO2 该表示方法便于坯和釉料进行比较，以判断其结合性能。,2.传统陶瓷的坯料组成,可以看出，除牙科瓷外，所有坯料都在莫来石析出区。,具有白度高、透明度好、瓷质软、光泽柔和的优点；但较脆，热稳定性差，是较为少用的高级日用瓷。多用作高级餐茶具、高级工艺美术瓷。矿物组成：骨灰（20%-60%

7、) 、长石（8%-22%) 、高岭土（25%-45%）、石英（9%-20%）烧成温度1220-1250 ,瓷器,有良好的色泽，一定的透光度和热稳定性，机械强度等，多用于日用陶瓷。,硬瓷坯料中碱性氧化物略少，坯式是(0.18-0.30)RO1Al2O3(3.5-4.8)SiO2，烧成温度较高，一般在1300以上，是中欧一带瓷器的主要类型，坯料由传统三组分构成。,软瓷坯中熔剂数量较多，故玻璃相增多，透光度增加。坯料中除引入长石外，还可用钙、镁的碳酸盐、骨灰、滑石等作熔剂。坯式中碱性氧化物增多：(0.3-0.45)RO1Al2O3(4.8-6)SiO2，烧成温度较低1250-1320 ,长石质瓷,是

8、传统的三组分瓷,有瓷质洁白、半透明、不透气、吸水率低、坚硬、化学稳定性好等特点,绢云母质瓷（K2O3Al2O36SiO22H2O）,性能特点同长石质瓷，但色泽要好。矿物组成：绢云母（30%-50%）、高岭土（ 30%-50% ）、石英（15%-20%）、其它矿物（5%-10%）烧成温度1250-1450 。,骨灰（主要成分Ca3(PO4)2）质瓷,有良好的透明度和热稳定性，较高的强度和电性能。可用于高级日用器皿和一般电工陶瓷。矿物组成为滑石约73%，长石约12%，高岭土11%，粘土4%，烧成温度1300-1400 ,日用滑石质瓷,炻器坯料可采用传统的三组分，但助熔剂要少于瓷。化学组成大致是Si

9、O255%-65%,AI2O325%-35% ，熔制总量5%-8%，多采用伊利石多的粘土为原料，可利于致密烧结，无釉制件也可不透水，吸水率6%,炻器（缸器）,介于陶器与瓷器之间，与陶的区别是气孔率较低，是致密烧结；与瓷器的区别是坯体带色且无半透明性。有较高的强度，良好的耐酸性和较好的热稳定性。可用于制造尺寸较大，且要求一定强度的铺地砖、耐酸砖等建筑炻器、化工炻器；及缸器、茶具、花盘等日用炻器。,是施釉的白坯或浅色坯陶器，吸水率较高10%-22%，是多孔性坯体结构，故机械强度不高，且有吸湿膨胀性，故古老的精陶制品其釉面都有网状裂纹。多用于制造釉面砖等建筑材料和卫生器皿及装饰品等日用制品。,精陶,

10、下表是几种精陶的矿物组成,也称软质精陶，机械强度低，烧成温度范围窄，在日用精陶中用的不多。但烧成温度低1100-1160 ，收缩及吸湿膨胀均较小，有利釉的附着，对尺寸规格要求较严的釉面砖有益，建筑精陶仍采用。,长石质精陶,亦称硬质精陶，有机械强度较高，烧成范围宽的优点，应用较多。但烧成收缩较大，约1.5%-3.5%，吸湿膨胀稍大，烧成温度较高1200-1250 ,石灰质精陶,可兼得烧成温度低、范围宽的优点。,混合质精陶,3.特种陶瓷的坯料组成,（1）主料,（2）辅料,（3）改性料,（1）主料 是决定陶瓷材料主要结构和性质的主要原料。 如：为满足高的结构强度需求可选用Si3N4、SiC等为主料，

11、而选用BaTiO3等为主料，可满足陶瓷的介电、压电性能。选-Al2O3、稳定型ZrO2为主料，可获得离子导电性。以BeO为主料时，陶瓷可获得高的热稳定性能等。,a 解凝剂(解胶剂或稀释剂) b 结合剂 c 润滑剂,为满足工艺要求而使用的次要原料。各种助烧剂，成型用的粘结剂等。,（2）辅料,a 解凝剂(解胶剂或稀释剂),改善泥浆的流动性，使其在低水分的情况下粘度适当， 便于浇注。解凝剂可以是无机电解质(用于粘土质泥浆)，也 可以是有机盐类或聚合电解质(用于粘土质泥浆或瘠性料浆)。,无机解凝剂有硅酸钠(水玻璃)、碳酸钙、六偏磷酸钠和 四焦磷酸钠等 有机盐类的解凝剂有腐殖酸钠、单宁酸钠等 聚合电解质

12、有聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素(CMC)等,在建筑陶瓷产品中，瘠性原料发挥着很重要的作用，它们的加入有助于降低坯体干燥收缩和变形，加快半成品干燥速度，减少制品开裂。对于优化与改良产品性能，提高制品内在质量乃至企业经济效益具有不可替代的用途。,b 结合剂,用来提高可塑泥团的塑性，增强生坯的强度。,一类结合剂在常温下能将坯料颗粒粘合在一起，使其 具有成 型能力，而烧成时，它们会挥发、分解、氧化,这类称为粘合 剂，多数是有机物及其溶液。 另一类结合剂在常温下可提高坯料的塑性，高温下仍留在坯体 中，这类称为粘结剂，多数为无机物质，如硅酸盐和硫酸盐等。,塑化剂在特陶坯料生产中起着提高坯料塑性和生坯强度的作用

13、。生产中使用的塑化剂由粘合剂、增塑剂和溶剂以适当比例调配而成。,c 润滑剂,用于提高粉料的湿润性， 减少粉料颗粒之间及粉料与 模壁之间的摩擦，以增大压 制坯体的密度，促进其均匀 化。通常采用含极性官能团 的有机物作润滑剂。,拱桥现象,对各种添加物的共同要求是：,和坯料颗粒不发生化学反应，不会影响产品性能； 分散性好，便于和坯料混合均匀； 有机物质在较低温度下烧尽，灰分少； 氧化分解的范围较宽，以防引起坯体开裂。,在主晶相形成的前提下，对主晶相的某些性能进行改变。如在制造低频高介电容器瓷时，为满足其使用性能，主料选择介电常数较高的BaTiO3 ，为使瓷料的使用性能进一步提高，添加的改性料有展宽剂

14、。它使BaTiO3 的介电常数与温度关系的峰值扩散、加宽，使瓷料在工作温度区域的介电常数值增大，工作温度范围增大。,（3）改性料,（1）设计配方的依据,确定陶瓷配方时，应注意下列几个问题：,产品的物理化学性质、使用要求是考虑坯、釉料组成 的主要依据。 在拟定配方时可采用一些工厂或研究单位积累的数据和 经验，这样可以节省试验时间，提高效率。 了解各种原料对产品性质的影响是配料的基础。 配方要能满足生产工艺的要求。 希望采用的原料来源丰富，质量稳定、运输方便、价格 低廉。,8.2坯料配方计算,（2）配料计算,几种不同表示方法的换算:,a、由坯料的化学组成计算坯式 b、由坯式(或分子式)计算配方 c

15、、由化学组成计算配料量,知道坯料的化学组成，可按下列步骤计算坯式（实验式）：,a、由坯料的化学组成计算坯式,若坯料中的化学组成包含有灼减量成分，首先应将其换算 成不含灼减量的化学组成； 以各氧化物的摩尔质量，分别除各该项氧化物的质量百分 数，得到各氧化物的摩尔数； 以碱性氧化物或中性氧化物摩尔数之和，分别除各氧化物的 摩尔数，即得到一套以碱性氧化物或中性氧化物的摩尔数值 按ROR2O3RO2的顺序排列的实验式。,灼减量又称u量指坯料在烧成过程中所排出的结晶水，碳酸盐分解出的CO2，硫酸盐分解出的SO2，以及有机杂质被排除后物量的损失。相对而言，灼减量大且熔剂含量过多的，烧成偏高的制品的收缩率就

16、愈大。还易引起变形、缺陷等。所以要求瓷坯灼减量一般要小于8%。陶器无严格要求，但也要适当控制，以保持制品外形一致,例 某瓷坯的化学组成如表2-18所示，试求该瓷坯的实验式。 表2-18 某瓷坯的化学组成,O,67.07 26.33 0.86 1.22 0.34 2.17 2.00 100 Al2O3摩尔数：26.33/101.96=0.2582； Fe2O3摩尔数： 0.86/159.7=0.0054 0.2582+0.0054=0.2636 0.2582/0.2636=0.9795 0.0054/0.2636=0.0205 SiO2摩尔数： 67.07/60.09=1.1162 1.1162

17、/0.2636=4.232 同理获得其他氧化物前的摩尔数。 经上述计算步骤可得该瓷坯实验式为：,b、由坯式(或分子式)计算配方,例：今欲配制压电陶瓷的分子式为： Pb0.95Sr0.05(Zr0.5Ti0.5)O3十0.5Cr 2O3十0.3Fe 2O3,所采用原料与纯度见下表，欲配料1kg（不包含外加 改性剂），试计算各原料的配比。,解：,(1)先计算坯式的分子量 将坯式改写为：,（PbO）0.95 （SrO）0.05 （ZrO2）0.5（TiO2）0.5,1摩尔坯料的质量，即1摩尔Pb0.95Sr0.05(Zr0.5Ti0.5)O3 的质量为318.79g,(2) 计算各主要原料所需的质量

18、(),PbO：212.05318.7966.52 SrO：5.18318.791.62 ZrO2：61.61318791933 TiO 2：39.95318.7912.53,把PbO、SrO数量折算为Pb3O4及SrCO3的数量：,由Pb3O4分解生成PbO的百分比为：,3PbO/Pb3O4 = 3223.21/685.63 100=97.67(%),即需要Pb3O4：,66.52/97.64 100=68.11(%),由SrCO3分解生成SrO的百分比为：,SrO/SrCO3 =103.62/147.63 100=70.18(%),即需要SrCO3：,1.62/70.18 100=2.3(%

19、),计算外加剂铅及改性剂的质量(),在坯料烧结过程中氧化铅会挥发一部分，为弥补这个 损失，配料时通常多加一些氧化铅，其质量约占总质量的 0.51.5。这里确定多加入Pb3O41.5。,外加改性剂的质量百分数在分子式中给出为： 0.5Cr2O3，0.3Fe2O3。,按原料纯度计算原料用量，见下表,c、由化学组成计算配料量,例：某厂的耐热瓷坯料及原料的化学组成如下表， 试计算此耐热瓷坯的配料量。,解：I. 将原料干燥基化学组成换算成灼烧基(不含灼减量) 的化学组成。 如所给定的坯料组成中有灼减量，也须同样换算成不含 灼减量的各氧化物的百分组成。上述原料经换算后的灼烧基 化学组成如下表 (K2O、N

20、a2O以合量计)。,II. 列表,用化学成分满足法进行配料计算，其坯料中膨润土用量 规定不超过5，兹定为4。计算过程见下表：,III. 计算原料干燥基的百分含量,在计算粘土用量时所带入的MgO及K2O、Na2O，如含量 很少，可以不予考虑。,累计熟料成分 KH=0.893，SM=2.14，IM=1.27 热耗 =1003350 / 99.95= 3352 要求熟料率值为： KH=0.890.02，SM=2.1 0.1，IM=1.3 0.1,8.3.1 陶瓷坯料的制备,将陶瓷原料经过配料和加工后，得到的具有成型性能的 多组分混合物称为坯料。,根据成型方法的不同，坯料通常可分为三类：,注浆坯料：其

21、含水率为2835，如生产卫生陶瓷用的泥浆。 可塑坯料：其含水率1825。如生产日用陶瓷用的泥团(饼)。 压制坯料：含水率为37，称为干压坯料；含水率为8 15，称为半干压坯料，如生产建筑陶瓷用的粉料。,8.3 陶瓷坯料的制备,空心注浆花瓶的过程示意图,可塑成型,1. 对坯料的质量要求,对各种坯料的基本质量要求如下：,配料比较准确 组分均匀 粒度合理 所含空气量较少,各坯料具体要求,注浆坯料 可塑坯料 压制坯料,注浆坯料应满足以下要求：,流动性好 悬浮性好 触变性适当 滤过性好,可塑坯料：由固相、液相和 气相组成的塑性粘性系统。具 有弹性塑性流动性质。,良好的可塑性 一定的形状稳定性 含水量适当

22、 坯体的干燥强度和收缩率,压制坯料：,流动性好 堆积密度大 含水率和水分的均匀性,8.3.2 坯料的制备工艺,坯料制备的主要工序如下：,（1） 原料的精加工 （2） 原料煅烧和粘土风化 （3） 原料破碎 （4） 过筛和除铁 （5） 泥浆贮存、搅拌 （6） 泥浆脱水和造粒,（1） 原料精加工,原料精加工的目的是去除杂质。,精加工方法,物理法,化学法,物理化学法,电解法,精加工方法,物理法,精加工方法,化学法,物理法,精加工方法,物理化学法,化学法,物理法,精加工方法,溶解法：用酸或其他反应剂对原料进行处理， 通过化学反应将原料中所含的铁变 为可溶盐，然后用水冲洗将其除去。,物理化学法,物理化学法

23、,物理化学法,升华法：在高温下使原料中的氧化物(Fe2O3) 和氯气等气体反应，使之生成挥发 性或可溶性的物质而除去。,浮选法,精加工方法,（2） 原料煅烧和黏土风化,原料煅烧的作用：,形成稳定晶型 破坏层片状结构 减少收缩,黏土风化作用：,提高黏土的成型性能，洗去一些可溶性盐，可塑性 增高，其他工艺性能也稳定。此外，风化使黏土原料破 裂，使其更易粉碎，这点对硬质黏土意义更大。,（3） 原料破碎,使原料中的杂质易于分离； 使各种原料能够均匀混合，使成型后的坯体致密； 增大各种原料的表面积，使其易于进行固相反应或熔融， 提高反应速度并降低烧成温度。,原料破碎的目的是：,（4） 过筛和除铁,过筛是

24、控制坯料粒径的 有效方法。一般采用振动筛， 其特点是产量高，不易堵塞。,除铁对减少产品的色斑 是重要的措施。,震动筛,（5） 泥浆贮存、搅拌,泥浆贮存：有利于改善和均化泥浆的性能。,搅拌：防止泥浆分层和沉淀。,（6） 泥浆脱水和造粒,生产陶瓷时常采用两种脱水和造粒的方式：,压滤脱水：把泥浆用双缸隔膜泵压入压滤机中成为泥饼(含水 20 - 25)，将泥饼烘干后再用轮碾机压成粉料 (含水8 - 9)。,喷雾干燥：直接将泥浆送入喷雾干燥器中得到含水 6 -8 的粉料，一步完成脱水和造粒过程。,现代化的陶瓷厂均用第二种方法。,喷雾干燥器示意图,泥浆浓度 进塔热风温度 排风温度 喷雾压力,影响因素：,坯

25、料制备总过程泥料的陈腐,经脱水后的泥料或经粗练后泥料在一定的温度和湿度的环境中放置一段时间，这个过程称为陈腐,坯料制备总过程陈腐的主要作用,通过毛细管的作用使泥料中水分更加均匀分布； 粘土颗粒充分水化和离子交换，提高坯料的可塑性； 发生一些氧化与还原反应，还可能有生物作用； 注浆成型用的泥浆经过陈腐，粘土和电解质溶液间离子交换充分，促使泥浆粘度降低，流动性改善。,坯料制备总过程真空练泥,练泥是无机非金属材料生产中关键工序之一，它既是坯料制备的最后一道工序，又是坯件成型的最前一道工序，练泥的质量对坯件和产品的性能影响很大,坯料制备总过程真空练泥,坯料制备总过程真空练泥的作用,排除泥料中的气体； 改善泥料性能 ； 选用合理的练泥机结构和工艺参数，可破坏或减少泥料颗粒的定向排列，提高半成品和成品的合格率 ； 可得到不同规格的泥段（毛坯）。,真空练泥对产品性能的影响,坯料制备总过程真空练泥,