余 輝，羅凌虹，石紀軍，程 亮

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

高強度鎂質日用瓷的性能研究

余 輝，羅凌虹，石紀軍，程 亮

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

以MgO-A12O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖為理論依據(jù)確定鎂質瓷配方范圍。通過考察滑石用量、長石用量、高嶺土用量、燒成溫度對鎂質瓷抗折強度的影響，對鎂質瓷配方進行優(yōu)化，得到抗折強度較高(160．5MPa)、白度高的鎂質日用瓷配方。

鎂質瓷；日用瓷；抗折強度

0 引 言

鎂質瓷具有機械強度高、熱穩(wěn)定性好、瓷質細膩潔白、透光性好等優(yōu)點，該材質的日用瓷餐具、茶具與傳統(tǒng)瓷相比別有一番風味，在國內外市場上倍受青睞[1]。由于鎂質瓷機械強度高、絕緣性好，最早作為一種電瓷材料。七十年代鎂質日用瓷才被成功研制，并用于生產各種藝術瓷、餐具、茶具等[2]。隨著人們生活質量的提高，細膩白透、機械強度高的鎂質日用瓷在陶瓷行業(yè)中有較好的發(fā)展前景。

試驗根據(jù)MgO-A12O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖系統(tǒng)分析鎂質瓷較為合理的配方范圍，并通過實驗研究了滑石用量、長石用量、高嶺土用量、燒成溫度對鎂質瓷強度的影響，得到抗折強度較高的鎂質日用瓷配方和最佳燒成溫度，并制得抗折強度較高，瓷質細膩，透白柔和的鎂質瓷。

1 試驗內容與結果

1.1 鎂質瓷坯體配方的初定

組成鎂質瓷坯體配方主要礦物原料有滑石、長石、高嶺土和少量堿土金屬礦物，成瓷后的鎂質瓷主晶相為原頑火輝石；其次為玻璃物質、斜頑火輝石、少量氣孔和堇青石[3]。從圖1鎂硅鋁三元系統(tǒng)相圖[4]中可以看出，頑火輝石初晶區(qū)等溫線較密集，說明在此配料范圍內燒結過程中液相量的變化比較緩慢。為此在此組成溫度范圍內的鎂質瓷坯體會有較寬的燒成范圍，而偏高嶺土與偏滑石的連線上等溫線稀疏，該段配合點的燒成溫度高且燒成范圍窄[5]。

鉀長石的引入可以在瓷體燒成過程中產生高粘度的液相。隨著溫度的升高，液相量的變化也較緩慢。因此，鎂質瓷的燒成范圍變寬且燒成溫度降低，燒成的瓷體變形度小，其主晶相原頑火輝石的晶型轉變受到抑制。鉀長石用量與滑石用量比一般在1∶7．2～1∶2．7之間。高嶺土過量地引入會使組成偏向堇青石區(qū)域，燒成范圍變窄，一般高嶺土用量不超過15wt．%為好?；挠昧吭龆啵审w的膨脹系數(shù)增加，熱穩(wěn)定性會變差。一般滑石用量大于高嶺土用量的四倍時，該配方有較寬的燒成溫度范圍[6]。

圖1 MgO—A12O3—SiO2三元系統(tǒng)相圖Fig.1 MgO - A12O3- SiO2ternary phase diagram

堿土金屬的引入有利于玻璃相的生成促進瓷體燒成，形成高粘度的玻璃相拓寬燒成范圍。其中適量方解石(2wt．%左右)的引入還可以提高瓷體的透明度和耐磨性；適量氧化鋅(3wt．%左右)的引入可以提高瓷體的光澤度；適量碳酸鋇(3wt．%左右)的引入可生成硅鋇質玻璃。原頑火輝石在常溫下會緩慢發(fā)生晶型轉變，生成斜頑火輝石，導致瓷體強度降低甚至粉化。硅鋇質玻璃包裹在原頑火輝石晶體表面能有效地抑制晶型轉變的發(fā)生[3]。由以上理論得配方范圍為：滑石65wt．%～75wt．%、高嶺土 10wt．%～15wt．%、鉀長石 6wt．%～10wt．%、碳酸鋇2wt．%～5wt．%、其他堿土金屬礦物：4wt．%～6wt．%。

1.2 鎂質瓷配方的優(yōu)化試驗

本試驗主要考慮到滑石用量、長石用量、高嶺土用量及燒成溫度四者對鎂質日用瓷抗折強度的影響。根據(jù)1．1得出的鎂質瓷配方范圍設計了四因素三水平的正交試驗，因素和水平見表1。

實驗中固定堿土金屬礦物的添加量，根據(jù)正交試驗對各配方進行稱料球磨，球磨料∶球磨子∶水=1∶1∶0．8。球磨后的漿料90 ℃烘干、造粒，將粉料在769YP-24B粉末壓片機下10 MPa壓制20 s。制得7 mm×7 mm×50 mm的長方形試條。試條烘干后，在箱式電爐按燒成曲線(見圖2)進行燒制。制得的鎂質瓷試條在WOW-10電子萬能材料試驗機測試抗折強度。

正交試驗以鎂質瓷試條的抗折強度為評價指標，并進行極差分析。以下討論各因素對鎂質瓷抗折強度的影響及原因。

1．2．1 滑石用量對鎂質瓷抗折強度的影響

在長石質瓷中，滑石的用量小于5wt．%，只起到簡單的助溶作用。而在鎂質瓷中，滑石的用量可達65wt．%以上，大量的滑石引入能在瓷體中生成均勻分布的原頑火輝石和少量的堇青石晶粒，對整個瓷體起到彌散增強作用。由圖3可知：滑石用量在65wt．%～75 wt．%范圍內時，隨著滑石的用量增多，鎂質瓷的抗折強度逐漸增大。滑石用量增加則生成鎂質玻璃和原頑火輝石的反應物增多，對鎂質瓷瓷體起到更好的助熔和增強作用。

1．2．2 高嶺土用量對鎂質瓷抗折強度的影響

由圖4可知：高嶺土用量在8wt．%～16wt．%范圍內，隨高嶺土用量增加，鎂質瓷強度先降后升。少量的高嶺土能參與玻璃相的生成，起到助熔作用，促進坯體燒結致密；當高嶺土用量為12wt．%左右時，高嶺土的分解消耗了大量能量，抑制了玻璃相的生成，導致坯體難以燒結完全致密；當高嶺土用量大于15wt．%時，高嶺土能在高溫下生成莫來石纖維，對瓷體起到纖維增強作用，但高嶺土用量過多，鎂質瓷的燒成溫度會增高。

1．2．3 鉀長石用量對鎂質瓷抗折強度的影響

由圖5可知：鉀長石用量在6wt．%～14wt．%范圍內，隨著鉀長石用量增加，鎂質瓷的抗折強度呈下降趨勢。鉀長石的引入能拓展燒成范圍，但在65wt．%以上都是滑石的鎂質瓷中，其助熔能力得到更好的體現(xiàn)，過多玻璃相的生成導致坯體容易發(fā)生過燒現(xiàn)象，鎂質瓷強度反而降低。

表1 因素水平表Tab.1 Factors and levels

圖2 鎂質瓷燒成制度曲線Fig.2 Magnesia porcelain firing curve

圖3 滑石用量對鎂質瓷抗折強度的影響Fig.3 Effect of talc content on the flexural strength of magnesia porcelain

圖4 高嶺土用量對鎂質瓷抗折強度的影響Fig.4 Effect of kaolinite content on the flexural strength of magnesia porcelain

圖5 鉀長石用量對鎂質瓷抗折強度的影響Fig.5 Effect of potassium feldspar content on the flexural strength of magnesia porcelain

1．2．4 燒成溫度對鎂質瓷抗折強度的影響

由圖6可知：燒成溫度越高，鎂質瓷的強度越高，但曲線斜率減小，且抗折強度差值最大只有10 MPa。此正交試驗配方在1270 ℃以上易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象(如粘板、變形)，因此鎂質瓷在最高溫度1250 ℃～1270 ℃下燒制時具有較好的燒結性能。

根據(jù)以上分析各因素對鎂質日用瓷抗折強度的影響，得出在選定的四個因素中對鎂質日用瓷抗折強度影響的主次秩序為：滑石用量、高嶺土用量、鉀長石用量、燒成溫度，并確定了各因素最合理組合A3B1C1D3，其坯體式為：

經測試因素最佳組合的鎂質瓷抗折強度為160．5 MPa、白度為82%。

2 討論幾種常見日用瓷的強度

高強度的日用瓷，無論是正常家庭使用，還是批量的機械洗滌，都對其強度有較高的要求。幾種常見的日用瓷強度指標見表2。

長石質瓷的由莫來石、方石英、玻璃相和少量氣孔組成。莫來石晶體為纖維狀或針狀，交織成網(wǎng)絡結構，石英顆粒夾雜在莫來石網(wǎng)縫間，并有玻璃相填充，使長石質瓷亦有一定的抗折強度。

表2 常見日用瓷的抗折強度Tab.2 Common bending strength of porcelain

骨質瓷由磷酸三鈣、鈣長石、玻璃相和少量氣孔組成。其中纖維狀的磷酸三鈣與短柱狀的鈣長石晶粒形成堅實骨架，還有足夠的玻璃相填入網(wǎng)狀的骨架之中，使骨質瓷有較高的機械強度[9]。

鎂質瓷的主晶相為原頑火輝石，次晶相是堇青石、方石英、原頑火輝石晶型轉變得到的斜頑火輝石，還有玻璃相和少量氣孔。一定數(shù)量的原頑火輝石和堇青石顆粒均勻地分布在瓷體內，形成大量的晶界，增加了裂紋的擴展路徑和不規(guī)則性，使鎂質瓷的機械強度提高。

試驗制得的鎂質日用瓷試樣抗折強度高達160．5 MPa，滿足一般鎂質瓷的強度標準，且相對其他日用瓷有較高的抗折強度，能夠經受刀叉刮劃、機械洗滌等，加上鎂質瓷特有的細膩潔白、純樸透亮質感使其在日用陶瓷行業(yè)中有較好的發(fā)展前景。

3 結 論

(1)通過系統(tǒng)分析MgO-A12O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖和各堿土金屬礦物在鎂質瓷中的作用，得鎂質瓷坯體配方范圍為：滑石65wt．%～75wt．%、高嶺土 10wt．%～15wt．%、鉀長石 6wt．%～10wt．%、碳酸鋇2wt．%～5wt．%，其他堿土金屬礦物：4wt．%～6wt．%。

(2)當滑石用量75wt．%、高嶺土用量8wt．%、長石用量6wt．%、燒成溫度1270 ℃時，鎂質瓷的試條抗折強度高達160．5 MPa。

(3)鎂質日用瓷與其他日用瓷比有較高的抗折強度，有利于抵抗一些物理破壞，有較長的使用壽命。且鎂質瓷質感柔和細膩、白度高、透性好，在日用瓷市場有較大的發(fā)展前景。

[1] 王志義, 李 輝． 高級日用鎂質強化瓷的研究[J]． 中國陶瓷, 2005, 41(3): 16-20．

[2] 孫淑芝． 唐山滑石瓷[J] ． 河北陶瓷, 1991, 4: 3-8．

[3] 耿謙． 滑石質日用細瓷的顯微結構及性質 [J]． 江蘇陶瓷, 2004, 37(1): 15-17．

[4] 胡志強． 無機材料科學基礎[M]． 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003．

[5] 李 輝． 鎂質強化瓷的研究[D]． 學位論文, 2005．

[6] 桑建華, 王秀峰． 鎂質強化瓷的研制[J]． 山東陶瓷, 1994, 17(1): 3-9．

[7] 譚秀武, 等． 原頑輝石—堇青石瓷的研究[J]． 中國陶瓷, 1984, (2):1-9．

[8] 鄭 懷,陳占東, 等． 關于增韌骨灰瓷的研究[J]． 中國陶瓷, 1995, 12, 31(6): 1-5．

[9] 王濰棟． 強化瓷和高強度日用瓷[J]． 河北陶瓷, 1995, 23(1): 19-21．

Performance of High Strength Magnesia Porcelain

YU Hui, LUO Linghong, SHI Jijun, CHENG Liang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

Using the MgO-Al2O3-SiO2ternary phase diagram as theoretical basis, the formulation range of magnesia porcelain was determined. It was optimized by investigating the effects of talc dosage, kaolin dosage, feldspar dosage and sintering temperature on the flexural strength, and the formula for magnesia porcelain with high bending strength (160.5MPa) and high whiteness was obtained.

magnesia porcelain; daily use porcelain; flexural strength

TQ174.73

A

1006-2874(2014)03-0018-04

2014-04-12。

2014-04-16。

羅凌虹， 女，教授。

Received date: 2014-04-12. Revised date: 2014-04-16.

Correspondent author:LUO Linghong, female, Professor.

E-mail:luolinghong@tsinghua.org.cn