【技术】熔剂性原料对轻质多孔陶瓷性能影响研究

在高温发泡陶瓷制备烧成中，熔剂性原料起着重要作用，直接影响着发泡陶瓷的孔径结构。建筑陶瓷生产中常用的熔剂性原料主要是指含碱金属和碱土金属氧化物的矿物原料，如：钾长石、钠长石、硅灰石、滑石等。这些矿物原料中的K2O、Na2O、CaO、MgO 等氧化物起着硅酸盐网络修饰的作用，能促进高温化学反应，加速高熔点晶体化学键的断裂和低共熔物的生成，为气泡的成核和长大提供了必备的熔体环境。

由于陶瓷原料的种类繁多，不同陶瓷企业在生产过程中所用的原料不尽相同。笔者通过正交试验设计，研究了钾长石、钠长石、滑石、硅灰石等矿物添加量对发泡陶瓷性能的影响规律，以期在高温发泡陶瓷中形成以中小闭气孔为主的结构，进而对材料配方优化设计提供指导。

1  实验设计

本实验采用正交试验设计法，选择在陶瓷坯料中分别加入钾长石、钠长石、滑石、硅灰石4种常用的熔剂矿物，研究不同矿物添加量对发泡陶瓷性能的影响。实验所用原料的化学组成如表1所示。

表1  实验用原料的化学组成（质量%）

本实验采用固定陶瓷坯料配方，对4种熔剂性原料进行正交试验分析，研究了不同熔剂性原料添加量对轻质多孔陶瓷各项性能的影响。对钾长石、钠长石、硅灰石、滑石的添加量进行4水平4因素的正交试验L₁₆(4⁵)。正交试验因素水平表如表2所示。

表2  正交试验因子水平表（质量%）

正交试验方案如表3所示，在陶瓷坯料中根据表中配方加入不同质量的4种原料，经球磨、干燥、造粒、干压成形后，放入高温炉中烧成，以5℃/min的升温速率升温至 1200℃，保温30min后随炉冷却。每个水平做5组平行试验，结果取其平均值，以减少误差对实验结果的影响。

2  结果与讨论

2.1  正交试验结果

对制备出的试样进行性能测试，所得到的配方样品的容重、断裂模数、综合形貌如表3所示。表3中综合形貌参考表面气孔、烧成试样平整度、变形度大小，是否有鼓包，开裂、断面气孔均匀性等，作为表征试样性能的一个参考因素。我们将形貌按照1~5分进行评分，分别由3个人给出分值，并求出平均值。1分代表形貌最差的试样（如，发生分层，且试样表面鼓泡严重）；而5分代表形貌最好的试样（如表面平整，无翘角、塌角现象，气孔分布均匀）。

正交试验评价结果见表4。

表3  正交试验方案及实验结果

表4  正交试验评价结果直观分析

由极差分析可知，各因素对容重影响显著程度的顺序为：硅灰石＞烧滑石＞钾长石＞钠长石。轻质多孔陶瓷的容重越小越好，因此其最优配比为：A4B4C2D4；各因素对断裂模数影响大小的顺序为：硅灰石＞烧滑石＞钠长石＞钾长石，最优配比为：A3B4C4D2；各因素对综合形貌影响显著程度的顺序为：钾长石＞烧滑石＞硅灰石＞钠长石。

通过正交试验分析可知，碱土金属氧化物对轻质多孔陶瓷容重和断裂模数的影响要高于碱金属氧化物，这是因为滑石和硅灰石中的 Mg²⁺和Ca²⁺电荷少、半径大、和 O^2-的作用力较小，提供了硅酸盐熔体中的“自由氧”而使 O/Si 比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能降低、熔体粘度变小；另一方面 Mg²⁺、Ca²⁺离子势 Z/r 较K⁺、Na⁺的大，能夺取硅氧负离子团中的O^2-来包围自己，导致硅氧负离子团聚合，增加了熔体粘度，使得坯体更易于烧结，容重和断裂模数更大。同时，Ca²⁺降低熔体粘度的能力要强于Mg²⁺，即硅灰石高温熔化成的熔体粘度要低于滑石高温熔体，因此硅灰石的影响要强于滑石。

2.2  最佳配方及样品性能

结合正交试验分析可知，容重因素水平配方为A4B4C2D4，断裂模数大小因素水平配方为A3B4C4D2，而综合形貌因素水平配方为A2B2C4D3。实验中要获得容重低、强度高且形貌均匀的轻质多孔陶瓷，综合选用的最佳配方为A3B4C3D3（见表5）。

表5  轻质多孔陶瓷溶剂的最佳配方（wt%）

将以上原料加入陶瓷坯料中，并加入0.5%的SiC颗粒，经球磨、喷雾造粒、烧成后，可得到容重为0.82g/cm³，断裂模数为8.3MPa的轻质多孔陶瓷。其产品的剖面局部放大图如图1所示。由图1可以看出，所制备的试样气孔大小均匀，以闭气孔为主，气孔大小为0.2~0.5mm。

图1  最佳工艺制备轻质多孔陶瓷的显微照片

3  结论

1)通过设计正交试验，研究了钾长石、钠长石、硅灰石、滑石4种常用熔剂对轻质多孔陶瓷容重、断裂模数、综合形貌等性能的影响。试验结果表明：硅灰石对轻质多孔陶瓷容重、断裂模数影响最大，钾长石对综合形貌影响最大；碱土金属氧化物加入量对轻质多孔陶瓷性能的影响要高于碱金属氧化物。

2)根据正交试验分析，得出了最佳配方。基于最佳配方，可得到容重为0.82g/cm³，断裂模数为9.3MPa的轻质多孔陶瓷，其气孔大小均匀，以闭气孔为主，气孔大小为0.2~0.5mm。