陶瓷工艺学课件

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1、陶瓷工艺学电子教案绪 论 陶瓷工艺学是无机非金属材料重要的专业课程，它以陶瓷材料的性质结构工艺之间的关系为纲，阐明材料的组成，键性，结构与性能的内在联系，讨论工艺方法对产品性能的影响。将技术基础的有关原理与生产工艺，性能控制融合在一起。因此，广义的陶瓷概念已延伸到无机非金属材料的概念范畴内。此外，陶瓷作为中国古老文明与艺术的象征，使得日用瓷具有最广泛的实用性和欣赏性，也是陶瓷科学技术与工艺美术有机结合的产物，陶瓷从作为日用品开始，已逐步发展为国民经济领域中的重要材料。陶瓷已从古老的艺术宫殿走出来，跨进了现代科学技术的行列之中。 璀璨的历史文明给我们留下了大量的陶瓷艺术珍品，这些历代名瓷或从造型

2、，或从色彩，或从雕琢，从技术难度上创造了一个又一个的神奇，历久弥新，有强烈的视觉效果，能有效的调动学生的兴趣 ,在课程内容上,我们将另辟一章,结合专业知识着重介绍我国历代名瓷,不但可显著提高学生听课效果,而且符合当前在自然学科中加强人文修养的要求 。一、陶瓷的概念 1、 传统陶瓷：陶器，炻器，瓷器等以粘土为主要原料的制品的通称。按吸水率分类 2、 现在陶瓷：无机非金属固体材料的通称。从概念上可以看出陶瓷内涵的扩大二、陶瓷的发展史概述1、陶器的起源和演变2、由陶到瓷的发展3、我国历代瓷器的成就三、陶瓷在现代化建设中的作用四、现代陶瓷技术、新技术与新工艺的采用： （）原料制备：最初采用天然原料，不

3、加任何处理。现在为适应特殊材料的特 殊要求，对原料进行精选，分等级处理，在纯度、粒度、性质等各方面加以控制。（）粉料制备：传统的半机械，机械球磨，兑打粉磨等粉碎方法。现在为制备超细粉末，采用化学气（液）相沉淀，溶胶凝胶法，气流粉碎，超声波粉碎等方法来制备（胶体颗粒-m）。一些半干压成型的建筑陶瓷，铁氧体及电子陶瓷普遍地采用喷雾干燥法进行坯料加工和造粒。在特种陶瓷粉末制备中将详细介绍如何用固、液、气相法合成超细粉末。 （3）成型方法：等静压成型法已不仅用于特种陶瓷，也陆续在电瓷，日用瓷的生产中使用，注射成型法开始由塑料工业移植到陶瓷工业中去。 （4）施釉及烧结：国外，施釉方法由传统的釉浆浸釉、喷

4、釉、浇釉发展到用釉粉压制施釉的方法。煅烧方法除传统的常压烧结外，气氛烧结、压力烧结（如热压、热等静压）已应用于陶瓷生产中去。 2、对陶瓷材料的性能与本质的深入了解 一些研究材料成分和结构的技术与仪器的出现，促进了人们对陶瓷的认识进入更高的层次。例如可用X-射线荧光分析、电子与离子探针、光电子能谱仪、俄歇能谱仪测得陶瓷中微量成分的种类、浓度、价态及其分布特征。采用X-射线衍射、中子衍射仪测定晶体结构和点阵常数、固体中的缺陷，用光学显微镜、电子显微镜来研究陶瓷烧结体的显微结构。 3、新品种的开发 由于科学技术的推动和需要，也使得能充分利用陶瓷的物理与化学特性开发出许多在高科技领域中应用的功能材料与

5、结构材料。例如工业检测与系统控制用的陶瓷传感器，燃气轮机用的耐高温、高强度、高韧性的陶瓷部件，用作人造骨骼或器官的生物陶瓷等。由于这些进步，人们掌握了更多陶瓷材料性能、结构与工艺之间内在联系的信息。为今后发展到根据一定性能要求，进行结构与工艺设计奠定初步的基础。第一章 原料本讲主要介绍第一章原料中的第一节矿物原料。 需要强调和补充的内容包括： 通过重点问题的讲解使学生能够了解原料的突出特点，并对应用领域有粗浅的认识，为后面讲各种硅酸盐材料打下基础。 原料是制备无机非金属材料制品的基础，原料的质量直接影响着最终产品的性能。本章主要介绍天然矿物原料、化工原料和合成原料。第一节粘土类原料粘土是无机非

6、金属材料制品生产的重要原料之一。在普通陶瓷、特种陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、砖瓦等行业都离不开粘土原料。粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密的土状或致密块状矿物，是多种微细矿物和杂质的混合体。自然界的粘土呈白、黄、红、黑、灰等多种颜色，颗粒微细，多数均小于2m，晶体有片状、管状、球状及六角鳞片状等。将其与水拌和能塑成各类形状，干后形状不变，且有一定机械强度，煅烧后坚硬如石。 1粘土的成因和分类 （1）粘土的成因 各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化、水解、热液蚀变等作用都可以变成粘土。 风化作用可分为物理风化（也叫机械风化，主要是温度的变化、冰冻

7、、水力等的作用）、化学风化（主要是二氧化碳及水的作用）以及有机物风化（动植物遗骸腐蚀）三种类型。实际上硅酸盐矿物的风化过程是上述三种作用错综交叉进行的。 当含有O2、N2、 CO2、酸碱、可溶性盐类物质的天然水与岩石长期作用时，使岩石产生溶解、水化和侵蚀，从而形成新的矿物。例如：4KAlSi3O8 + 6H2O - 2(Al2O3.2SiO2.2H2O) + 8SiO2 + 4KOH 钾长石 高岭石 4KAlSi3O8 + 2H2O + CO2-Al2O3.2SiO2.2H2O + 4 SiO2 + K2CO3 钾长石 高岭石 钾长石在风化水解过程中生成的可溶性物质，如K2CO3、KOH等，胶

8、状SiO2等均随水流失，只残留下高岭石、白云母、部分SiO2，再经过漫长的地质时期，便生成了具有一定工业价值的粘土矿。 热液蚀变型粘土矿是指当高温岩浆遇冷逐渐降温时，其中溶有的大量其他化合物的热液（水）作用于母岩而形成的粘土矿物。 由于母岩不同，风化、水解、蚀变的条件不同，常形成不同类型的粘土矿物。 （2）粘土的分类 粘土种类繁多，为便于研究，一般可按成因、产状、工艺性能及矿物组成等来分类。 按成因分类 一次粘土：又称残留粘土或原生粘土，即母岩经风化崩碎后就地残留下来的粘土。此类粘土质地较纯，耐火度较高，但颗粒较粗，可塑性较差。 二次粘土：又称沉积粘土或次生粘土，是由风化而成的一次粘土经雨水、

9、河川的漂流及风力作用，而迁移在低洼的地方沉积形成的粘土层。二次粘土颗粒细小，可塑性强，耐火度较低，常因混入呈色杂质而带各种颜色。 按耐火度分类 耐火度在1580以上的为耐火粘土；耐火度在135O1580之间的为难熔粘土；耐火度在1350以下的为易熔粘土。 按可塑性分类 高塑性粘土：又称软质粘土、结合粘土。颗粒较细，水中易分散，可塑性好，含杂质较多，一般呈疏松状、板状、页状。如膨润土、球土、木节土等。 低塑性粘土：又称硬质粘土、瘠性粘土。在水中不易分散，较坚硬，可塑性较小，多呈致密块状、石状，如焦宝石、瓷石、叶蜡石等。 2粘土的组成 粘土的组成通常指化学组成、矿物组成和颗粒组成。 （1）粘土的化

10、学组成 因为粘土是含水铝硅酸盐的混合物，其化学成分主要是SiO2、Al2O3和H2O，由于成矿条件不同，粘土中同时含有碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化物CaO、MgO及着色氧化物Fe2O3 、TiO2等。粘土的化学组成在生产中有重要的指导意义，根据粘土的化学成分，可初步估计出粘土的矿物组成、粘土耐火度的高低、粘土的颜色及工艺性能等。表1-1列出我国几种典型粘土的化学组成。表1-1 几种典型粘土的化学组成名 称化 学 成 分（%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O烧失景德镇高岭土47.28 37.41 0.78 - 0.36 0.10 2.51 0.23 1

11、2.03 苏州土46.92 37.50 0.15 - 0.56 0.16 0.08 0.05 14.52 界牌桃红土68.52 20.24 0.60 - 0.15 0.75 1.42 7.49 山西大同土43.25 39.44 0.27 0.09 0.24 0.38 - - 16.07 淄博焦宝石45.26 38.34 0.70 0.78 0.05 0.05 0.05 0.10 14.46 唐山紫木节41.96 35.91 0.91 0.96 2.1 0.42 0.37 - 16.96 （2）粘土的矿物组成无机非金属材料制品所用的粘土的主要矿物为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（

12、包括蒙脱石、叶腊石等）和伊利石（也称水云母）类三种。 高岭石类高岭石是一种常见的粘土矿物，因首先发现于江西景德镇浮梁县的高岭村而得名，国际上也将一切利于制瓷的粘土均称为高岭土（Kaolin）。它的主要矿物是高岭石（包括地开石、珍珠陶土及多水高岭石）。高岭石的化学式为Al2O3.2SiO2.2H2O（其中Al2O3 39.50%、SiO2 46.54%、H2O 13.96%），其结构式为：Al4Si4O10(OH)8。高岭石属三斜晶系，晶体多呈六角鳞片状，也有粒状、杆状的，轮廓较清楚，晶片往往互相重叠，颗粒平均尺寸为0.33m，晶片厚约0.05m。二次高岭土中粒子形状不规则，边缘折断，尺寸较小。

13、高岭石晶体属双层结构的硅酸盐矿物，每个晶层均由一层硅氧四面体SiO4与一层铝氧八面体AlO2(OH)4通过共用的氧原子联系在一起，晶体结构如图1-1所示。图1-1表明，高岭石的相邻两晶层通过八面体的OH键与另一层四面体的氧以氢键相联系。故层间结合力较弱，易于裂开及滑移，层间不易吸附水分子。但由于水的楔裂作用，或外部机械力的作用，易使层间分离，粒子破坏，从而提高比表面积及分散度，增加了可塑性。地开石、珍珠陶土、多水高岭石的结构与高岭石相近。由于它们结构上各具特点，在性能等方面均有一定的差别。 蒙脱石类蒙脱石，又称微晶高岭石或胶岭石，以蒙脱石为主要矿物的粘土叫膨润土。呈白色或灰白色，有时因含杂质而

14、呈黄色、浅红色、蓝绿色等。比密度为2.22.9，莫氏硬度l2。属单斜晶系晶体，其化学式为：Al2O3.4SiO2.nH2O（n2），晶体结构式为：Al4(Si8O20)(OH)4.nH2O。 蒙脱石结晶程度差，轮廓不清楚，很难发现其单晶体。晶粒极细小，一般小于0.5m，呈不规则的粒状或鳞片形胶状。蒙脱石属层状粘土矿物，晶体结构是：每个单元晶层是由两边的Si-0四面体层中间夹着一个铝氧八面体层而成的三层结构。两边的Si-O四面体以顶端的氧与八面体共用，将三层联系起来，此结构沿C、b轴可无限伸长，沿a轴以一定间距重叠。沿c轴方向的氧层与氧层间联系力很小，水分子与其他极性分子易侵入层间而形成层间水，

15、层间水的数量常随外界环境的温、湿度而变化，引起c轴方向的膨胀与收缩，这就是蒙脱石的吸水特性。因吸水后体积膨胀，有时大到2O30倍，故名膨润土。 蒙脱石易粉碎，颗粒细小，可塑性好，干燥收缩较大，干燥强度高，因含杂质多，Al2O3含量低，故烧成温度较低，烧后色泽不理想。在陶瓷生产中用量一般不得超过5，釉中可掺少许作悬浮剂。 叶蜡石（也称叶腊石）也是常用的一种粘土矿物。叶蜡石化学通式为：Al2O3.4SiO2.H2O，其理论化学组成为：Al2O3 28.30%、SiO266.70%、H2O 5.00%。它的晶体结构式为：Al2 Si4O10( O H)2。叶蜡石为单斜晶系，呈片状或放射状集合体，有时

16、呈隐晶质致密块体。白色微带浅黄或绿色，玻璃光泽，致密块体呈蜡状光泽。硬度12，密度为2.8左右，熔点1700。叶蜡石通常是由细微鳞片状晶体构成的致密块状，质软而富有脂肪感。叶蜡石中的结晶水较少，在5OO8O0之间脱水缓慢，总收缩不大、膨胀系数较小，有良好的热稳定性，不烧成熟料即可作耐火材料的原料，也是快速烧成陶瓷产品的理想原料。 伊利石类伊利石又称水云母（因白云母水化而得名），矿物颗粒很小，常混有其它粘土矿物。它是包括水黑云母、水白云母、蛭石等似云母的一类成分较复杂、分布很广、产量也大得粘土矿物。化学组成K1(Si,Al)4O10(OH)2.nH2O，组分含量不定，K2O 38%，个别达到10

17、%。 白云母的化学通式为：K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O，其理论化学组成为：Al2O3 28.30%、SiO266.70%、H2O 5.00%。与白云母比较伊利石含K2O较少，含水较多；与高岭石比较伊利石含K2O较多，而含水较少。所以伊利石是高岭石和白云母的中间产物。 与白云母及伊利石结构类似的一种矿物成为绢云母，它是在热液或变质作用下形成的细小鳞片状的白云母，但具有丝绢光泽，故而得名绢云母。与白云母相比其SiO2含量稍高，含K2O则比白云母低而比伊利石高，其含水量也介于白云母和伊利石之间。绢云母是白云母和伊利石之间的过渡产物。 （3）粘土的颗粒组成 粘土的颗粒组成是指粘土中含有不

18、同大小颗粒的百分含量。粘土中的粘土矿物颗粒较细，一般直径在2um以下。由于粘土粒径大小的不同，其工艺性质亦不同；细颗粒粘土矿物的比表面大，表面能高，可塑性较强，干燥收缩大，干燥强度高，易于烧结成致密坯体，利于提高陶瓷坯体的机械强度。此外，粘土颗粒的形状及结晶程度对工艺性质亦有一定影响。一般来说，片状颗粒较其他形状的颗粒堆集密度大、塑性大、强度高。结晶程度差的粘土颗粒比结晶程度好的可塑性较大。 3、粘土的工艺性能粘土是无机非金属材料制品生产的主要原料之一，了解粘土的工艺性能对合理地选择粘土、科学配方、稳定生产、提高产品质量均起着举足轻重的作用。粘土的工艺性质取决于粘土的化学成分、矿物组成、颗粒组

19、成。现将粘土原料的几种主要性质介绍如下： （1）可塑性 当粘土与适量的水混练后形成泥团，此泥团在外力作用下产生变形但不开裂，当外力去掉以后，仍能保持其形状不变，粘土的这种性质称为可塑性。常用“可塑性限度（塑限）”、“液性限度（液限）”、“可塑性指数”、“可塑性指标”和相应含水率等参数来表示粘土可塑性的大小。“塑限”是指粘土或坯料由粉末状态进入塑性状态时的含水量。“液限”是指粘土或坯料由塑性状态进入流动状态时的含水量。“可塑性指数”是液限与塑限之差。“可塑性指标”系指在工作水分下，粘土或坯料受外力作用最初出现裂纹时应力与应变之乘积，也可用此时的含水率来表示。粘土与可塑性的关系如图1-2所示。 处

20、于可塑状态的粘土或坯料是一固、液并存的多相体系。粘土可塑性的大小主要取决于固相及液相的性质和数量。固相的性质主要是指固相物的种类、颗粒形状及大小、颗粒级比以及颗粒的离子交换能力等。液相的性质主要是指液相的粘度及其对固相的浸润能力等。一般而言，固体分散相越细、分散度越高、比表面积越大，可塑性就越好。层状粘土矿物的薄片状粒较杆状、棱角状颗粒的塑性为好。粘土矿物离子交换能力大，则其可塑性较好。可塑性粘土系统中，液相如果粘度较大、且能很好地湿润粘土颗粒，其与粘土混练后可塑性较高。 根据粘上可塑指数或可塑指标大小可将其分为以下几类： 强塑性粘土：指数15或指标3.6；中塑性粘土：指数 715，指标 2.

21、53.6；弱塑性粘土：指数 l 7，指标 2.5；非塑性粘土：指数1。 （2）结合性 粘土的结合性是指粘土能够结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团，并且有一定干燥强度的能力。粘土的结合性由其结合瘠性料的结合力的大小来衡量，而结合力的大小又与粘土矿物的种类、结构等因素有关。一般而言，可塑性强的粘土其结合力也大。 实验室中粘土的结合力通常以能够形成可塑泥团时所加入标准石英砂（颗粒组成为:0.25O.15mm70%，0.150.09mm 30%）的数量及干后抗折强度来反映。一般加砂量50%为结合力强的粘土，加砂量在25%50%为中等结合力粘土，加砂量20为结合力弱的粘土。 （3）离子交换性 粘土颗粒带

22、有电荷，其来源是SiO4四面体中的Si4+被Al3+取代而出现负电荷，为了保持粘土颗粒表面的电价平衡，粘土颗粒在水系统中则吸附其他异电荷离子。然而，被吸附的离子又会被其他同性电荷的离子置换，发生离子交换。 离子交换的能力用交换容量来表示，即100g干粘土所吸附能交换的阳离子或阴离子的数量，单位为 mol10/g。 粘土的阳离子交换容量按下列顺序自左到右逐渐减小： H+ Al3+ Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ NH4+ K+ Na+ Li+ 在粘土颗粒的棱角上，阴离子亦会被粘土颗粒吸附，但吸附能力较小，阴离子取代能力自左到有逐渐减小： OH- CO32- P2O74- CNS- I-

23、Br- Cl- NO3- F- SO42- 粘土离子交换能力的大小除与离子性质有关外，还与粘土矿物的种类、有序度、分散度、粘土中有机物的含量和粘土矿物的结晶程度等因素有关。 （4）触变性 粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低，泥浆的流动性会增加，静置后恢复原状。此外，当泥浆放置一段时间后，在原水分不变的情况下会出现变稠和固化现象。这种性质我们叫它为触变性。 影响粘土触变性的因素有许多，如粘土的矿物组成、颗粒大小及形状、水分含量、吸附离子的种类及其水化性，以及泥料（泥浆）的温度等。粘土矿物的遇水膨胀与触变性有关，若水分子仅渗入粘土颗粒之间，则触变性较小，如高岭石和伊利石；若水分子除渗入

24、粘土颗粒之间外还渗入单位晶胞之间，则触变性较大，如蒙脱石的触变性、遇水膨胀性及细度均较高岭石、伊利石的高。粘土颗粒越细，形状愈不规则，触变性也愈大。球状颗粒触变性较小。触变性与吸附离子及离子水化度有关，阳离子价数越小或价数相等半径较小者，触变性亦愈大。含水量小的泥浆较含水量多的泥浆更易产生触变效应。当泥浆温度升高时，因粘度减小，触变现象亦会减弱。 生产中，希望泥浆有适当的触变性，因为触变性大的泥浆在管道中输送时很不方便，注浆后的产品易变形。如触变性过小，则生坯强度差，影响脱模及精坯的质量。粘土泥浆的触变性以厚化度（或稠化度）来表示，厚化度是以泥浆粘度变化之比或剪切应力变化的百分数表示。反映泥浆

25、触变性的厚化系数是泥浆放置30min及3Os后的相对比。 式中：30min一 100mL泥浆静置30min后由恩式粘度计中流出的时间； 30s - 100mL泥浆静置3Os后由恩式粘度计中流出的时间。可塑泥团的厚化系数为放置一定时间后，球体或圆锥体压入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数。 式中：Pn泥团开始时承受的负荷，N； P0 经一定时间后，球体或锥体压入相同深度时承受的负荷，N。 在水分不变时，泥料触变性随时间的变化是不均匀的，粘度增加将由快而变慢。在一定含水量范围内，触变性出现最大值。 （5）收缩 粘土泥料在干燥时颗粒间的水分排出，颗粒互相靠拢，引起体积收缩，称为干燥收缩。当粘土泥料

26、煅烧时，由于发生一系列物理化学变化，粘土泥料再度收缩，称为烧成收缩。成型试样经干燥、煅烧后的尺寸总变化称总收缩。粘土收缩常以线收缩及体收缩来表示。体收缩近似等于线收缩的三倍（误差69）。线收缩率可按下式计算：干燥线收缩以试样干燥至105110时尺寸的变化来表示，计算式如下： 式中： L0 试样原始长度； L干试样干后长度；S干试样干燥线收缩率。 烧成线收缩按下式计算： 式中： L干试样干后长度；L烧一试样烧后长度；S烧试样烧成线收缩率。 粘土原料性质不同，则其收缩亦不同，一般粘土总收缩率波动在52O之间。如收缩太大，在干燥、烧成时会产生有害应力致使产品变形开裂。研究粘土的收缩性质，是设计合理的

27、产品造型、研究模型放大的依据。 （6）烧结性能粘土是由多种矿物组成的物质，它无固定熔点，而是在一个较大的温度范围内逐渐软化。当粘土在煅烧过程中，温度超过800900以上时，低共熔物出现，并填充在固体颗粒之间，由于其表面张力的作用，使固体颗粒进一步靠拢，引起体积急剧收缩，气孔率下降，密度提高，这种开始急剧变化时的温度叫开始烧结温度，如图1-3所示。当温度继续升高时，收缩将不断增大，气孔率不断降低。当密度达到最大值时，称为完全烧结，此时的温度叫烧结温度。从粘土试样完全烧结开始，温度继续上升，会出现一个体积密度及收缩较稳定的阶段。持续一段时间后，如再继续升温，试样中的液相不断增多，以至于不能维持试样

28、原有形状而变形，此时因发生一系列化学变化，使试样内气孔率增大，出现了膨胀现象。出现此情况的最低温度就叫软化温度，如图l-3中的t3。通常将烧结温度到软化温度之间试样处于相对衡定的阶段的温度区间称作烧结范围，如图1-3中的t2-t3。粘土的烧结范围对无机非金属材料制品生产来说是一个十分重要的特性，它直接影响到配方、窑炉种类、烧成制度等的确定。 （7）耐火度 耐火度系粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。它反映了材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性。 粘土的耐火度主要取决于粘土的化学成分，如粘土中Al2O3含量多则耐火度较高，含碱类氧化物多则耐火度较低。一般常用Al2O3SiO2的比值来判断粘土耐火度

29、的高低。比值大、耐火度高，烧成温度范围宽。反之，耐火度就低，烧成温度范围窄。 耐火度的测定是将欲测粘土制成高3Omm、下底边长为8mm、上顶边长为2mm的截头三角锥，干燥后，在电炉中以一定升温速度加热，当加热到锥顶端软化弯倒至底平面时的温度，即为该试样的耐火度。 4、高铝质矿物原料 这类原料主要是高铝矾土及硅线石族矿物。它们可用于制造高铝陶瓷、窑具和耐火材料。 （1）高铝矾土(bauxite)，又称铝土矿,由铝的氢氧化物一水硬铝石、一水软铝石和三水铝石三种矿物组成（化学沉积岩）。常含高岭石、绿泥石、赤铁矿、水云母、石英等杂质，并为呈胶状态的含水氧化铁、含水铝硅酸盐、蛋白石等矿物质所胶结。化学成

30、分变化较大，一般含Al2O3 40-75%, SiO2 1-2%, Fe2O3 0-37%, TiO21-8.5%, H2O 8-8.5%。因胶结物质不同，铝土矿颜色变化较大，自淡灰白、灰褐到黑色，有时有红色斑点。隐晶质结构，豆状或块状构造，密度约2.5。吸水性小，有时有磁性，具粗糙感。铝土矿是提炼金属铝的重要矿石，优质铝土矿可作人工磨料、矾土水泥原料和耐火材料。 （2）硅线石族原料，硅线石族原料指硅线石、红柱石和蓝晶石三种矿物，它们是同质多象变体。硅线石(silimanite)，化学组成Al2O3 63.1%, SiO2 36.9%,含Fe2O3 可达2-3%。斜方晶系，常呈针状和柱状晶体，

31、集合体呈放射状和纤维状，有时在其它矿物中呈毛发状包裹体存在。灰色、浅褐、浅绿等色。硬度7，密度3.23-3.25。熔点1850，是一种高温变质矿物。硅线石加热至1545变为富铝红柱石，再加热至1810时变为刚玉与玻璃，反应时产生的体积不明显。硅线石具有高的耐火度、不溶于氢氟酸和良好的机械性能等优良性质，因此可以用作高级耐火材料、特种陶瓷、炼制铝硅合金等。蓝晶石(cyanite)，又名二硬石，化学组成Al2O3 63.1%, SiO2 36.9%,常含Fe、Cr等混合物。三方晶系，晶体呈扁平柱状，有时呈放射状集合体。常为兰色或青色。硬度随方向而异，平行于晶体延长方向硬度4.5，而垂直晶体延长方向

32、为6.5-7，故有二硬石之称。密度3.56-3.68。蓝晶石在高温煅烧时，于1200开始分解生成莫来石和游离SiO2，伴随这种反应产生约15%的体积膨胀，所以需预先煅烧方能在耐火材料和陶瓷工业中应用。 红柱石(andalusite)，俗称菊花石。化学组成与蓝晶石相同，常含有Mn、Fe等杂质。斜方晶系，晶体呈柱状，集合体呈粒状或放射状。呈灰色、褐色或浅红色。硬度7-7.5，密度3.1-3.2。工业用矿石一般含75-85%的红柱石，少量叶腊石、云母、金红石褐刚玉等伴生矿物。高温煅烧红柱石时，于1900开始分解，生产莫来石和游离SiO2，分解时无明显的体积膨胀。红柱石具有高的耐火度及化学稳定性和良好

33、的机械强度，可用作高铝质耐火材料、高技术陶瓷原料，色美透明者可作宝石。第二节石英类原料 二氧化硅在地壳中的丰度约为 60%。含二氧化硅的矿物种类很多，大部分以硅酸盐矿物形成岩石。无机非金属材料工业用的二氧化硅原料主要是结晶状的矿石石英。 1、石英的种类 由于地质产状不同，石英呈现为多种状态，其中最纯的石英称为水晶。因水晶产量很少，除了制造石英玻璃外，一般无机非金属材料制品无法采用。在陶瓷、玻璃、耐火材料生产中采用得较多的石英类原料主要有脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、硅藻土、隧石等。 脉石英，由含二氧化硅的熔融岩浆充填于地壳表层的岩隙中经急冷凝固成致密结晶态的石英，这些呈脉状分布的火成岩就称为脉

34、石英。含SiO2大于99，杂质很少，外观呈白色，半透明，有油脂光泽，具有贝壳状断口，硬度高，是陶瓷釉料和优质玻璃的好原料。 砂岩，石英颗粒被胶结物结合而成的碎屑沉积岩。砂岩成分较复杂，根据胶结物质的不同可分为粘土质、石膏质、石灰质、云母质及硅质砂岩等。砂岩多呈白、黄、红等颜色，SiO2含量在9095之间。石英岩，硅质砂岩经地质变化石英颗粒又重新结晶的一种变质岩。又叫再结晶硅岩，含SiO2量一般在97以上，外观多呈灰白色，有鲜明光泽，硬度高，断面致密。石英砂，由花岗岩、伟晶岩等风化成细粒后，在水流冲击淘汰后自然聚积而成。可分为河砂、湖砂、山砂等数种，因其粒细，不用破碎，可大大简化工艺过程、降低成

35、本。但因其杂质含量多，成分波动大，一般工厂采用时需进行控制。 硅藻土，由吸收溶解于水中的部分二氧化硅的微细硅藻类水生物死亡后演变而成的产物。其本质为含水的非晶质二氧化硅，杂含少许粘土，具有一定的可塑性，因其具有多孔性，常用于制造绝热材料、轻质材料及过滤体等。 隧石，含SiO2溶液经化学沉积在岩石夹层或岩石中的隐晶质SiO2，属沉积岩。呈层状、结核状、钟乳状、葡萄状等。以钟乳状、葡萄状产出者即为玉髓。多呈浅灰、深灰、白色，因其硬度高，可作球磨机内村及研磨介质等。 2、石英的性质 石英的外观因种类不同多呈乳白色、灰白色、半透明状，其断面具玻璃或脂肪光泽，莫氏硬度为7。密度波动于2.222.65。在

36、常压下石英有七种结晶态和一个玻璃态，这些晶态在常压和在一定的温度条件下其结晶型态、结构会互相转化，并伴有体积会发生变化。一般说来，石英原料在温度升高时，其比重减少，结构松散，体积膨胀；当冷却时，其比重增大，体积收缩。表1-2列出了我国一些优质石英的化学组成。第三节长石类原料长石是熔剂性原料。在陶瓷坯料、釉料和玻璃配合料中作为熔剂的基本组分。1、长石的种类及一般性质表1-2 石英的化学组成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O烧失山东泰安99.480.360.10-痕迹0.03湖南长沙99.500.100.30-广东潮安99.530.19痕迹0.04-内蒙包头99.79痕迹0.0

37、60.18-0.34山西闻喜98.05-0.10- 长石是地壳中分布极广的造岩矿物，约占地壳总重量的50%，广泛分布于岩浆岩、变质岩和沉积岩中。从化学组成来看，它是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，主要是含钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐。自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由钾长石、钠长石、钙长石和钡长石四种简单的长石组合而成。 钾长石 - K2O.Al2O3.6 SiO2，这种矿物有两种形态：正长石和微斜长石。具有很宽的熔融范围，在大约1200以不连惯的形式熔化，并转变成白榴石(K2O. Al2O3.4SiO2)和氧化硅。在1000正长石和石英结合形成低共熔物。加热到1200，钾长石熔融形成粘稠玻璃

38、体。 钠长石Na2O.Al2O3.6SiO2，在自然界中以钠长石矿物存在，不同于呈现淡红色和黄色的正长石，钠长石呈白色。与钾长石相比较，能迅速烧结和熔融，并能大量溶解石英和粘土。钠长石的熔点为1100。条纹长石是钠长石和微斜长石的混合物，当微斜长石为主要成分时为条纹长石，如果钠长石占主导地位则为反条长石。两种形式的长石都有较低的熔融温度。 钙长石 CaO.Al2O3.2SiO2，自然界中存在钙长石矿物。钠长石和钙长石可以同晶型混合，它们的同晶混合物叫做斜长石。在斜长石中钙长石相对含量少于10为钠长石；钙长石含量1030为钠钙长石；3050为中长石；5070为拉长石（富玄武岩）；7090为培长石

39、。 钡长石 BaO.Al2O3.2SiO2，纯的钡长石在自然界中很稀少。在特种陶瓷和耐火材料行业多采用高纯高岭石或纯氧化铝、氧化硅与碳酸钡在高温下合成。 钡长石的电学性能很好，特别是介电损耗很低（室温下tg13%，（其中Na2O3%）Fe2O316%，K2O +Na2O 12%，Fe2O30.3%。 2、其它长石类原料 伟晶花岗岩，其矿物成分主要是石英和正长石、斜长石以及少量的白云石等。其中石英成分波动较大，陶瓷工业中采用的伟晶花岗岩中石英含量一般在30以下，长石含量在70 以上，杂质含量较少。 伟晶花岗岩中一般要求游离石英30, K2O/Na2O质量比不小于2，CaO不大2，碱成分不小于8，

40、Fe2O3控制在0.5以下，并希望其矿物组成不要波动太大。组成中Fe2O3为有害物，使用时应进行磁选。如含黑云母杂质时，应考虑筛选。 霞石正长岩，其矿物组成主要为长石类（正长石、微斜长石、钠长石）及霞石(Na, K)AlSiO4的固溶体。次要矿物有辉石、角闪石等。它的外观多呈浅灰绿色或浅红褐色，有脂肪光泽。霞石正长岩在1060左右开始熔化，随碱含量的不同在115O1200范围内完全熔融。由于霞石正长岩中Al2O3的含量较正长石高（一般在23%左右），不含或很少含游离石英，且高温下能溶解石英使熔液粘度提高，因而使坯体在烧成时不易变形，热稳定性好，机械强度较高。表l-5中列出了某些伟晶花岗岩和霞石

41、正长岩的化学成分。表l-5伟晶花岗岩和霞石正长岩的化学成分 化 学 组 成 （） SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O 烧 失 四川南江霞石正长岩 40.00 28.40 0.25 4.50 0.30 4.55 15.50 5.60 伟 晶 花 岗 岩 69.89 15.08 2.50 2.07 0.66 4.29 4.73 0.54 第四节钙质原料 一、碳酸钙 - CaCO3 碳酸钙在自然界中以两种形式存在，即方解石和文石(霰石)，文石属斜方晶系，晶体呈柱状、针状、钟乳状等，无色、白色或琥珀黄色。文石不稳定，常转变为方解石。方解石属三方晶系，晶型很复杂，常见者为

42、菱面体接触双晶和聚片双晶，集合体多呈粗粒至细粒状、纤维状、叶片状和钟乳状。方解石为许多种岩石的集合，如石灰石、白垩、大理石、石灰凝岩、钟乳石和石笋等。碳酸钙 在825 以上未经熔解即分解。 石灰石(limestone)，主要是由方解石组成的一种碳酸盐类沉积岩。矿物组成除方解石外，常含有白云石、菱镁矿、石英、粘土矿物等，多呈灰色，浅黄色和淡红色，完全纯的为白色。 钟乳石(stalactite)和石笋(stalagmite)是石灰石岩洞穴中沉积之方解石。 白垩(chalk)，主要由显微粒状石灰质岩，由海生物如贝壳、有孔虫等生物的遗骸及颗粒细小(0.01-0.0005mm)的方解石组成的一种生物化学

43、沉积岩。 大理石(marble)，是一种粒状，致密变质岩，石灰石的同质异形体，质纯。大理石的碳酸钙含量接近9999.5。 二、氟化钙(CaF2 fluorite) 氟化钙为立方晶体，无色，不溶于水。自然界中，它以萤石的形式存在。氟化钙具有很强的熔剂作用而又具有一定的乳浊作用，常用于陶瓷和搪瓷釉料中。但是，氟化钙具有一定毒性，使用时应慎重。 三、白云石 白云石是碳酸钙和碳酸镁的固溶体。化学通式为CaCO3MgCO3，其中CaCO330.4%, MgO 21.9%, CO2 47.7%,常含Fe, Mn等杂质。白云石属三方晶系，单体为菱面体，集合体为粒状、致密块状。一般为灰白色，有时为浅红、浅黄、

44、褐、浅绿等色。具有玻璃光泽，硬度为3.54.0，比密度为2.82.9，性脆，遇稀盐酸微微起泡。白云石的分解温度为7301000之间，750左右白云石分解为游离氧化镁与碳酸钙，95O左右碳酸钙分解。四、硅灰石硅灰石是偏硅酸钙矿物，化学式为CaOSiO2，属三斜晶系。其理论化学组成为SiO251.7%, CaO 48.3%。硅灰石有两种形态，一种低温型（即-硅灰石和副硅灰石），一种高温型（即-硅灰石，又称假硅灰石）。天然硅灰石都是型，合成硅灰石都是型，其转变温度约为1120。天然硅灰石通常蕴藏在变质石灰岩中,在火成岩的富钙片岩中也可见到。天然硅灰石由于常与透辉石(CaOMgO2SiO2)、石榴石、

45、绿廉石、方解石、石英等共存，故常含有Al2O3、Fe2O3 、MgO、MnO及K2O、Na2O等。 硅灰石单晶呈板状或片状，集合体呈片状、纤维状、块状或柱状等。颜色通常为白色、灰白色和暗褐色，具玻璃光泽。硬度4.55，比密度2.82.9，熔点1540。 硅灰石本身不含有机物质、吸附水及结晶水，它的干燥收缩和烧成收缩都小，平均收缩一般在0.5%以下，因此可减少坯体烧后的弯曲变形。硅灰石的热膨胀系数较小，-硅灰石的膨胀系数为 6.510-6/（室温800），因此易与釉结合，产品热稳定性好，便于快速烧成。硅灰石可用于制造釉面砖、墙地砖、日用陶瓷、低损耗无线电陶瓷、卫生陶瓷、窑具及火花塞瓷等。五、透辉

46、石 透辉石是偏硅酸钙镁，化学式为CaMgSi2O6，理论化学组成为:CaO 25.9%、MgO 18.5%、SiO2 55.6%。它与硅灰石一样都属于链状结构硅酸盐矿物。透辉石属单斜晶系，晶体呈短柱状，集合体呈粒状、柱状、放射状；多呈浅绿、浅灰，有的为灰白、无色、条痕白或带绿，当钙铁辉石含量较高时颜色较深；玻璃光泽，硬度67，比密度3.3。透辉石无晶型转变，纯透辉石熔融温度为1391。透辉石是在陶瓷生产中的应用与硅灰石相似，因不含有机物和结构水，膨胀系数为6.510-6/(250800)，其收缩小，可用作低温快烧陶瓷坯体的原料。六、磷灰石 磷灰石是天然磷酸钙矿物，其化学式为Ca5PO43(F,

47、Cl,OH)，按成分中附加阴离子的不同，常见的有氟磷灰石Ca5PO43F和氯磷灰石Ca5PO43Cl，另外还有羟磷灰石Ca5PO43OH和碳酸磷灰石Ca5PO43(CO3)等，通常以氟磷灰石居多。 磷灰石系六方晶系，呈六方柱状或粒状集合体，柱面具有纵条纹，解理不完全。外观多呈白、绿、黄褐、浅蓝、紫等色。具有玻璃光泽，亦有土状光泽，性脆，硬度为5，比密度为3.183.21。七、石膏 石膏其化学式为CaSO4.H2O，因含二个结晶水，故亦称为二水石膏或生石膏，也称天然石膏。其理论化学组成为CaO 32.6%、SiO2 46.5%、H2O 20.9%。属单斜晶系，晶体呈针状、柱状、板状或粒状，也有呈

48、纤维状的。颜色为白色或无色，有时呈粉红色、淡黄或灰白色。硬度2，性脆，密度2.30-2.33，略溶于水。天然石膏在加热时会失水或完全脱水，在低温下(170以下)煅烧可得到粉状半水石膏（俗称熟石膏或-半水石膏），其反应如下： CaSO4.2H2O CaSO4.1/2H2O + 11/2H2O 熟石膏与水混合时具有良好的胶结性能，广泛地用于建筑石膏制品。石膏主要用作水泥缓凝剂，半水石膏是陶瓷注浆成型模具的主要原材料。第五节其它矿物原料一、滑石 (talc) 滑石是天然的含水硅酸镁矿物。化学通式为3MgO.4SiO2.H2O，结构式为Mg3Si4O10(OH)2，其理论化学组成为: MgO 31.9

49、%、SiO2 63.4%、H2O 4.7%。常含有Fe、Al、Mn、Ca等杂质。滑石有脂肪光泽，手摸有滑腻感。外观呈粗鳞片状、细鳞片致密块状集合体，沿一定方向解理，纯滑石为白色，含杂质滑石多呈浅黄、浅绿、浅灰、浅褐等。硬度l2，密度2.72.8。 滑石加热时，于600左右开始脱水，在880970范围内结构水完全排出，滑石分解为偏硅酸镁和SiO2，反应式如下： 3MgO.4 SiO2.H2O - 3(MgO.SiO2) + SiO2 + H2O 由于滑石多为片状结构，破碎时易呈片状颗粒，不易粉碎。故在使用前需将其预烧，以破坏其片状结构。煅烧温度为12001350。滑石是陶瓷工业的常用原料之一，在

50、无线电陶瓷、日用瓷和建筑陶瓷中都可以作为坯体原料，制备滑石瓷、镁橄榄石瓷等。也可以作为釉用原料，降低釉的膨胀系数。粘土类原料加入少量滑石后在高温下可形成堇青石晶体，能制成堇青石陶瓷或堇青石匣钵、蓬板等耐火材料窑具。我国几种优质滑石的化学组成列于表1-6。 表1-6 滑石的化学组成 成 分化学组成（%）产 地 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O 烧失 山东莱州 59.56 4.51 0.38 0.011 0.40 32.37 0.02 0.05 5.59 辽宁海城 60.24 0.17 0.06 0.03 0.22 32.58 0.09 0.04 6.4

51、4 广东高州 62.12 0.36 0.63 - 0.80 31.74 0.04 0.07 4.08 山西太原 57.90 0.96 0.18 - 1.18 32.95 0.25 6.84 二、锆质原料锆英石Zircon, 又名锆石，风信子石，曲晶石。化学组成ZrSiO4，ZrO2 67.1%, SiO2 32.9%。四方晶系，晶体呈短柱状，通常由四方柱和四方双锥组成聚形。常呈黄、橙、红色，金刚光泽。硬度7-8，密度4.68-4.80，熔点2430。 锆英石主要以副矿物形成于霞石正长岩和碱性伟晶岩中，作为工业矿床，主要产于砂岩中。锆英石具有特殊的耐火性和耐温度急变性以及耐腐蚀特性，作保护人造卫

52、星的外罩、用于生产锆英石质耐火材料、锆英石砖、电熔锆刚玉砖、耐酸耐碱玻璃器皿等。 斜锆石baddeleyite，又名巴西石，化学组成ZrO2, Zr 73.9%, O 26.1%。单斜晶系，晶体呈小板状。颜色自黄色、褐色到黑色, 硬度6.5，密度5.7-6.0, 形成于霞石正长岩或砂岩中，可用于制造耐火材料，纯度高的也可用作釉料或玻璃乳浊剂。 三、含锂矿物 含锂矿物由于锂的原子量轻，离子半径小(0.60)而具有较低的熔点，在玻璃和陶瓷釉中采用可降低玻璃和釉的熔融温度，降低粘度和膨胀系数。含锂矿物主要有锂云母、锂辉石和锂长石。 锂云母(lepidolite) LiF.KF.Al2O3.3SiO2

53、 。锂云母含氧化锂为3.37.0%，属单斜晶系低级晶族,晶体通常呈片状，板状或短柱状。浅紫、玫瑰色，有时为白色、桃红色，玻璃光泽。硬度2.5-4，密度2.8-2.9。 透锂长石 (Petalite) Li2O.Al2O3.8SiO2 ，透锂长石含有大约4的氧化锂，是一种应用非常广泛的有用原料。锂长石有利于结晶过程，具有强熔剂作用。 锂辉石spodumene LiAlSi2O6，单斜晶系，晶体呈柱状，集合体呈板状。白色而微带绿色或紫色。玻璃光泽。硬度6.5-7，密度3.13-3.2。 思考题：1. 土的成因，一次粘土和二次粘土的性能比较； 2. 粘土按耐火度分类方法；3. 高岭土的由来和化学组成

54、；4. 膨润土的特点；5. 什么是粘土的可塑性和可塑性指数？ 6. 粘土泥浆和泥团的触变性、粘土颗粒的离子交换性；7. 粘土的烧结性能； 8. 补充莫氏硬度的概念；9. 强调高铝质原料的特点和在高级耐火材料的作用；10. 钾长石和钠长石的性能比较；11. 各种石英类原料的共性和区别，指出它们不同的应用领域；12. 石灰石、石膏的特点，简单介绍它们在水泥行业的用途；13. 介绍萤石作文助熔剂原料的特点和在搪瓷、水泥、陶瓷和玻璃中的用途；14. 硅灰石、透辉石、叶腊石（在此比较讲解）作为陶瓷快速烧成原料的特点；15. 强调滑石原料的特点，为什么在使用前需要煅烧。 第二章 坯料第一节 坯料组成表示法

55、五种组成表示法:一、 配料比表示法属最常见方法，列出每种原料的百分比。 例： 刚玉瓷配方： 工业氧化铝：95.0 苏州高岭土：2.0 海城滑石 ：3.0 此法之优点：具体反映原料的名称和数量，便于直接进行生产和试验。 此法之缺点：各工厂所用及各地所产原料成分和性质不相同或即使是同种 原料，只要成分不同，配料比例也须作相应变更。无法进行相互比较和直接引用。二 、 矿物组成（又称示性组成）表示法： 把天然原料中所含的同类矿物含量合并在一起用粘土，石英，长石三种矿物 的重量百分比表示坯体的组成。 依据：同类型的矿物在坏料中所起的主要作用基本上是相同的。 优点：用此法进行配料计算时比较方便。 缺点：矿

56、物种类很多，性质有所差异。它们在坯料中的作用也是有差别的。因此用此方法只能粗略的反映一些情况。三、 化学组成表示法： 根据化学全分析的结果，用各种氧化物及灼烧减量的重量百分比反映坯和釉料的成分。 例： SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O ZnO 灼减量日用瓷坯 66.88 21.63 0.47 0.61 0.37 2.94 0 .62 5.47日用瓷釉 70.10 12.52 0.31 2.72 1.53 5.85 2.52 1.44 2.95 优点：利用这些数据可以初步判断坯，釉的一些基本性质，根据原料的化学组成可以计算出符合既定组成的配方。 缺点：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