烧成制度对陶瓷产品质量和性能的影响

第1章 绪 论

陶瓷作为我国一项伟大的发明，是我们中华民族发展史的一项重要标志。早在3000年以前的商朝，我国浙江一带就开始出现了原始青瓷，到东汉时期，成熟的青瓷已经开始出现。虽然在历史上瓷器的发展曾经一度停滞，但是随着新中国的成立，陶瓷行业又一次得到了发展。陶瓷的制作是在一定的高温条件下，陶瓷坯体进过物理化学变化，最终形成特定组织和结构的过程。陶瓷烧成制度直接影响陶瓷的产品的质量和性能[1-4]。本文在前人的基础上，分析了烧成制度对陶瓷产品质量和性能的影响。

第2章 陶瓷烧结方法

2.1 常压烧结法

常压烧结就是普通烧结法，主要是指在无外加压力条件下，即在大自然环境条件下，坯体置于加热窑炉中，在热能的作用条件下，由粉末聚集状态转变为晶粒结合体，由多空体转变成致密体的过程。常压烧结是目前应用最广、操作工艺最为简单的方法。

2.2 热压烧结法

热压烧结就是在加压成型和加热烧结的条件下进行的烧结工艺。热压烧结法优点突出：

（1）变形阻力小，粉体热塑性过程中易于流动和致密化，所需要的成型压力只有冷压法的十分之一。

（2）由于加压加温条件有助于粉末颗粒的扩散、流动，缩短了烧结时间，所以有效抑制了晶粒的粗化。

（3）由于热压法更容易获得接近理论密度、气孔率的烧结体，组织晶粒也更加细小，这都有利于获得更好的力学性能和电化学性能。

（4）可以制作形状复杂、尺寸精度要求高的产品。

热压法的缺点主要是：效率较低、生产成本偏高。

2.3 热等静压法

热等静压法是将粉末压坯放入高压容器中，在高温和均衡压力条件下，烧结成致密体的工艺。该方法降低了烧结温度，与热压法相比，热等静压法有利于获得高密度和高密度的制品。

2.4 反应热压烧结法

反应烧结法是指通过多空坯体同气相或液相发生化学反应，降低空隙，增加坯体质量，并烧结成具备一定强度和尺寸精度的成品工艺。

2.5 气氛烧结法

对于一些在空气条件下难以烧结的制品，为了预防其发生氧化反应，通过在炉膛内通入气体，形成一定的气氛要求，在此条件下进行烧结。

2.6其他烧结法

除了以上烧结工艺，还有电火花烧结法、放电等离子烧结法等工艺。这些工艺主要通过瞬间高温来实现烧结过程，与传统方法相比具有升温快、时间短、组织性能好的优点。

第3章 烧成制度对陶瓷产品质量和性能的影响

烧成制度主要包括温度制度、压力制度和气氛制度。影响陶瓷产品质量和性能的重要因素是温度和气氛，压力制度旨在气氛制度和温度制度的实现。温度制度包括升温速度、烧结时间、冷却速度等参数。

3.1 烧成温度对产品性能影响

烧成温度就是指获得最佳陶瓷性能的烧制温度。因为实际作业过程，全窑同时处于特定温度是很困难的，所以现实中烧成温度是一个允许波动的范围。下限温度是指坯体性能可以达到技术指标要求的对应温度；上限温度是指坯体结构和性能开始出现恶化的温度。相同坯体材料，由于坯料细度的不同而有一个相对应的具有最高烧结程度的煅烧温度，这个温度就是致密陶瓷瓷体的烧成温度也可以称为烧结温度。这个温度或这个温度范围一般通过烧成试验时试样的相对密度、吸水率和气孔率变化曲线来确定。对于多空产品来说，因其不需要致密烧结，达到一定的气孔率和强度以后，既可以停止加热，因此它的烧成温度就不是它的烧结温度。烧成温度的高低对坯体的晶粒大小、相的组成以及显微组织都有直接影响。对固相扩散或者重结晶来说，提高其烧成温度对陶瓷的性能是有利的。然而过高的烧成温度，会导致晶粒粗化或少数晶粒长大，破坏组织的均匀性，从而影响陶瓷的质量和性能。

烧成温度的高低直接影响制品的矿物组成、晶粒尺寸和数量、玻璃相的组成和含量、气孔的数量和形态，从而综合的影响产品的质量和性能[5-7]。比如，对于传统陶瓷来说，相对较低的烧成温度会导致产品的气孔率过高、密度较低、玻璃相较少、莫来石量较少以及有过多的石英石残留。这个时候产品的机电性能相对较差。如果烧成温度选择过高，那么产品会玻璃相含量过高、晶相含量较低、晶粒尺寸不均匀。这同样会导致产品质量性能的降低。

在不过烧的条件下，随烧成温度的提升，陶瓷产品的体积密度增大，吸水率和气孔率降低，机械强度变好，釉面光泽度及显微硬度都得到提升。烧成温度或烧成范围主要和材料的组成、坯料的细度以及产品的质量要求有关。升温的速度对陶瓷产品烧结过程中体积的收缩、残余气孔率都有明显影响，进而对陶瓷的机械和光学性能产生影响。在保温时间相同的条件下，陶瓷产品的升温速率越快，产生体积收缩就越少，因此，残存的气孔率就更大，产品的强度和透光率都会降低。冷却速率的快慢同样对产品的晶粒大小、体积收缩有直接影响，进而影响产品的性能。对于一些产品，急冷还能够防止晶粒粗化，改善组织性能。陶瓷产品烧成以后，缓冷会导致很大体积收缩、较少的气孔率。生产试验表明，对于含玻璃相较多的坯体，应该采取高温快冷、低温缓冷的工艺，高温快冷能够防止晶粒粗化，还能够降低低价铁的氧化，提高釉面光泽度。但是对于较厚的大坯件来说，缓冷有可能造成内外温差过大，造成材料因应力过大而开裂。合适的保温时间对坯釉的物理化学反应更完全，内部结构更均匀。但是如果保温时间过久，会导致小颗粒的溶解，晶粒粗化，晶相种类降低。保温时间对控制釉面析晶的产品尤其重要，保温时间直接影响釉中晶体形成是数量和晶体的类型、大小以及形貌。总之，在时间的生产中，合适的降低烧成温度，增加保温时间来完成烧结过程，能够很大程度的保证产品质量和降低烧成废品率。生产实践证明，对于相同的陶瓷材料，在较高的烧成温度和较短的保温时间，或者较低的烧成温度和较长的保温时间都可以得到质量较好的产品。

3.2 烧成气氛对产品性能的影响

烧成气氛主要是指在烧成过程中炉窑内的燃烧产物中所含游离氧与还原成分的百分比。烧成气氛对坯釉中的组分在高温下的反应温度、速度、体积都有直接影响，进而影响产品的矿物组成、晶粒尺寸数量、玻璃相组成以及含量、气孔数量和形态，最终影响产品的质量和性能。

烧成气氛可以分成：氧化气氛和还原气氛两类。烧成气氛对产品性能的影响主要在两个方面：一是影响铁和钛的化合价，第二是使SiO还原和CO分解。

在实际生产过程中，在氧化气氛烧结的时候，坯料中含有的三氧化二铁在较低的碱含量的玻璃相中溶解度较低，能够析出胶态的三氧化二铁使坯料呈现黄色，而形成的氧化铁融化在玻璃相中呈现淡青色。与此同时，如果坯体中FeO含量含量一定时候，若采用氧化气氛烧成，被釉层所封闭的三氧化二铁将会有一部分与二氧化硅反应，生产具有铁橄榄石并释放出氧气。释放出的氧气会破坏釉面形成气孔，而残留的三氧化二铁会造成坯体呈现黄色。所以对含有较高Ti元素的坯料应该尽量不使用还原气氛烧成，否则二氧化钛容易变成蓝色的三氧化钛，还有可能形成黑色的尖晶石和铁钛混合晶体，从而增加了合金的颜色深度。

在一定温度下，还原气氛能够使二氧化硅还原为氧化硅，在较低温度下氧化硅就会发生分解，并在样品表面形成黑色斑点，还原气氛中的一氧化碳会在一定温度条件下，分解成二氧化碳和C。所以在还原气氛条件下，很可能因为CO的分解析出碳在坯体沉积形成表面黑斑。若继续升温，C会氧化生产二氧化碳形成气泡，对坯体伤害严重。

 

 

第4章 小 结

在前人研究的基础上，本文列举了陶瓷的烧成工艺、分析了烧成制度对陶瓷产品质量和性能的影响，希望能对陶瓷材料的工业生产起到指导作用。

 

参考文献

 [1]Ahmed Bachar,Assia Mabrouk,Domingos De Sousa Meneses,Emmanuel Veron,Yacine Sadallah,Patrick Echegut. Study of the firing type on the microstructure and color aspect of ceramic enamels[J]. Journal of Alloys and Compounds,2018,735.

[2]刘雅琦.火的洗礼——谈现代陶艺中的烧成[J].佳木斯职业学院学报,2017(06):355-356.

[3]俞杰星.陶艺多次烧成的应用研究[J].陶瓷科学与艺术,2013,47(07):22-24.

[4]金培.论陶瓷窑炉烧成气氛的控制[J].江苏陶瓷,2011,44(04):11-12.

[5]王立惠,甘国友,严继康.低压压敏陶瓷烧成过程中的温度因素研究[J].云南冶金,2006(03):52-56.

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[7]范恩荣.促进陶瓷烧成的新途径[J].电瓷避雷器,2002(02):6-9.

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