材料工艺学实验讲义2教材Word文件下载.docx

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提纲

第一讲（第一周）实验课讲义

第二讲（第二周）实验课讲义

第三讲（第三周）实验课讲义

第四讲（第四周）实验课讲义

第一讲实验课讲义

陶瓷制品结构中晶相和玻璃相（或胶结物）的生成，需要一类能生成晶相的原料，如能生成莫来石晶相的高岭土或粘土，能生成石英晶相的石英原料，能生成斜顽火辉石的滑石类原料；

另一类是能生成玻璃相的所谓熔剂原料，如长石、滑石、钙镁的碳酸盐等。

而加工过程所需的工艺性能，则往往希望陶瓷原料具有能进行塑性加工的可塑性原料，能减少干燥和烧成中收缩的非可塑性原料（也称脊性原料）等。

综合上述两方面的要求，我们可以把所需要的陶瓷原料主要归纳为三大类原料：

具有可塑性的粘土类原料

具有非可塑性的石英类原来

熔剂原料

一般说来，粘土类原料往往是既有加工所需的可塑性，也能在烧成后形成结构晶相的原料；

石英类原料既是非可塑性原料，同时也是能生成晶相的原料；

熔剂原料也具有非可塑的性质。

1各原料的作用

钾长石：

K2OAl2O36SiO2

作为熔剂的长石，一般希望它具有较低的熔化温度，较宽的熔融范围，较高的熔融液相黏度和良好的熔解其它物质的能力。

纯钾长石的熔融温度为1150度，其一般熔融范围为1130-1450度。

钾长石这种熔融后形成黏度较大的熔体，并且随着温度升高熔体的黏度逐渐降低的特性，在陶瓷生产中有利于烧成控制和防止变形。

长石在陶瓷生产中的作用

长石在陶瓷原料中是作为熔剂使用的，因而长石在陶瓷生产中的作用主要表现为它的熔融和熔化其它物质的性质。

①长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物（氧化钾、氧化钠）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。

②熔融后的长石熔体能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒。

液相中氧化铝和二氧化硅相互作用，促进莫来石晶体的形成和长大，赋予了坯体的力学强度和化学稳定性。

③长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。

冷却后的长石熔体，构成了瓷的玻璃基质，增加了透明度，并有助于坯体的力学强度和电气性能的提高。

④在釉料中长石是主要熔剂。

⑤长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间，减少坯体的干燥收缩和变形等。

石英

石英在陶瓷生产中的作用

石英是作为瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯体中主要组分之一，它在陶瓷生产中的作用不仅在坯体成型时，而且在烧成时都有重要的影响。

①在烧成前是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。

②在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响，当玻璃质大量出现时，在高温下石英能部分溶解于液相中，增加熔体的黏度，而未溶解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。

③在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，否则效果相反。

同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。

④在釉料中二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度与黏度，并减少釉的热膨胀系数。

同时它是赋予釉以高的力学强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的主要因素。

粘土Al2O32SiO22H2O

紫木节是软质粘土，可塑性好

大同土是煅烧后的煤矸石，属硬质粘土，可塑性很差

粘土矿物的成分是高岭石、多水高岭石、蒙脱石和水云母等。

以高岭土的加热脱水为例，其脱水过程如下：

100-110℃湿存水（大气吸附水）与自由水的排出。

110-400℃其它矿物杂质带入水的排出（如多水高岭土中的部分水）。

400-450℃结构水开始缓慢排出。

450-550℃结构水快速排出。

550-800℃脱水缓慢，到800℃时排水近于停滞。

800-1000℃残余的水排出完毕。

高岭石类粘土脱水后先转变为偏高岭石（1A2S），接着转变为铝硅尖晶石（2A3S），铝硅尖晶石结构尽管较偏高岭石结构稳定，但其结构中空位较多，因而它也是不稳定的，继续加热就会转化成热力学稳定的莫来石（3A2S）而分离出方石英。

粘土在陶瓷生产中的作用

①粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。

②粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。

（水分散性）

③粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。

这可在坯料中结合其它脊性原料并使坯料具有一定的干燥强度，有利于坯体的成形加工，另外细分散的粘土颗粒与较粗的瘠性原料相结合，可得到较大堆积密度而有利于烧结。

④粘土是陶瓷坯体烧结时的主体，粘土中的氧化铝含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素。

⑤粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。

莫来石晶体能赋予瓷器以良好的力学强度、介电性能、热稳定性和化学稳定性。

滑石3MgO4SiO2H2O

滑石在普通日用陶瓷中一般作为溶剂使用，在细陶瓷坯体中加入少量滑石，可降低烧成温度，在较低的温度下形成液相，加速莫来石晶体的生成，同时扩大烧结温度范围，提高白度、透明度、力学强度和热稳定性。

由于滑石多是片状结构，破碎时易呈片状颗粒并较软，故不易粉碎。

在陶瓷制品成形过程中极易趋于定向排列，成有序状态，烧成时产生各向异性收缩，往往引起制品开裂。

故在使用时常采用预烧的方法来破坏滑石原有的片状结构。

无水碳酸钠

作为陶瓷添加剂，起解凝作用

减水剂（解凝剂）对于注浆料和喷雾干燥料都是十分重要、不可缺少的。

注浆泥料中低的含水量可降低坯体的收缩，减小石膏模的吸水量，缩短模型的干燥时间，提高生产效率。

对于喷雾干燥料，含水量的降低使干燥时的能耗减小，并增加粉料输出量。

据文献报道，降低泥浆中的含水量1G，粉料输出率可增加4H。

减水剂的解凝机理

减水剂是一种效果显著、来源方便、有助于改善陶瓷泥浆性能的有效添加剂。

它的加入使泥浆在水份较低的情况下，粘度适当，流动性好，便于操作。

减水剂的作用机理可概括为：

（1）减水剂中的钠离子可以交换出粘土中的镁、钙等离子，从而提高ζ-电位。

（2）减水剂的阴离子在水中是以多个阴离子的缔合形式存在的，因其结构特征很容易被粘土的边面所吸附，故可以中和粘土颗粒表面所带的正电荷，甚至使之带上负电，使ζ-电位也随之增加，从而提高泥浆的稳定性和了流动性。

陶瓷料浆的制备

全班分为两个组，每组配1kg粉料。

（一个小号瓷罐可以装1kg粉料和1kg水）

粉料称量前要用振动磨粉碎。

按规定的配比称量。

注：

无水碳酸钠不要和其它原料混在一起，要在球磨罐中加水之后再加进去。

水用量筒取即可。

球磨24小时，注：

两个球磨罐要对称放在一排上。

陈腐一周。

陈腐的作用：

球磨后的注浆料放置一段时间后，黏度降低，流动性增加，空浆性能也得到改善。

陈腐的作用主要体现在如下几个方面：

①通过毛细管的作用，使坯料中水分更加均匀。

②在水和电解质的作用下，粘土颗粒充分水化和离子交换，一些非可塑性的硅酸盐矿物（如白云母、绿泥石、长石等）长期与水接触发生水解反应变为粘土物质，从而使可塑性提高。

③粘土中的有机物，在陈腐过程中发酵或腐烂，变成腐殖酸类物质，使坯料的可塑性提高。

④陈腐过程中，还会发生一些氧化还原反应，如：

二硫化铁分解放出硫化氢气体，硫酸钙还原为硫化钙，并与水及二氧化碳作用生成碳酸钙和硫化氢气体，产生的气体扩散、流动，使泥料松散均匀。

混凝土的制备

混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。

混凝土的优点：

可根据不同要求而配置特种混凝土，如防水混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土等。

在凝结前具有良好的塑性，因此可以浇制成各种形状和尺寸的构件或结构物。

它与钢筋有牢固的粘结力，能制作钢筋混凝土结构和构件。

经硬化后有抗压强度与耐久性良好的特性。

其组成材料中砂、石等地方材料占80%以上，符合就地取材和经济的原则。

混凝土的缺点：

抗拉强度地，收拉时变形能力小，容易开裂，自重大等缺点。

普通混凝土是由水泥、砂、石和水组成。

在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；

水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。

在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性（流动性、粘聚性和保水性），以便于施工。

水泥浆硬化后，将骨料胶结成一个实体。

普通混凝土的微观结构：

水泥和水形成水泥浆，包裹在砂粒表面并填充砂粒间的空隙而形成水泥砂浆；

水泥砂浆又包裹石子，并填充石子间的空隙而形成混凝土拌合物；

该拌合物经过一定时间的凝结硬化，形成了坚硬的石状材料即普通混凝土。

水泥

一般可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥等。

硅酸盐水泥主要由以下四种矿物组成：

硅酸三钙C3S

硅酸二钙C2S

以上两者占75%左右

铝酸三钙C3A

铁铝酸四钙C4AF

制备过程——两磨一烧

铁粉石灰石粘土无烟煤

生料磨

煅烧

加入石膏（调节凝结时间）+熟料

熟料磨

细骨料

粒径在0.16-5mm之间的骨料为细骨料。

一般采用天然砂。

山砂的颗粒多具有棱角，表面粗糙，与水泥粘结较好；

河砂和海砂其颗粒多呈圆形，表面光滑，与水泥的结合较差。

在水泥用量和水用量相同的情况下，前者拌制的混凝土流动性差，但强度较高；

而后者则反之。

在拌制混凝土时，砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑。

当砂中含有较多的粗粒径砂，并以适当的中粒径砂及少量细粒径砂填充其空隙，则可使空隙率及总表面积均较小，这样的砂比较理想，不仅水泥浆用量较少，而且还可提高混凝土的密实性与强度。

可见控制砂的颗粒级配和粗细程度有很大的技术和经济意义。

粗骨料

普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石。

应是经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的天然卵石或岩石。

碎石具有棱角、表面粗糙，与水泥的粘结性好，强度高，流动性差；

而卵石表面光滑、与水泥结合性差，强度低，但流动性好。

混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋最小径距的3/4。

对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1/2板厚的骨料，但最大粒径不得超过50mm。

石子级配的好坏对节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性有很大关系。

混凝土强度与其养护状况密切相关。

只有在连续不断地湿润养护下，混凝土的强度才随龄期的增长而增长。

而混凝土强度的增长依赖于水泥水化的作用，水泥水化后的产物是产生混凝土强度的主要因素。

而水泥的水化作用是一个漫长的过程，水泥颗粒的反应起初从表面开始，然后由表及里地逐渐渗透，水化过程进行得极为缓慢，而且时间越久，水化速度越慢，这就是混凝土浇筑后必须润湿养护的原因。

混凝土浇筑后，若不进行润湿养护，其表面就开始干燥，随着龄期的增长，混凝土的强度就停止在低龄期上。

碱骨料反应（分为两种：

碱硅酸反应：

占大多数，碱碳酸反应）

混凝土碱骨料反应是指水泥中的碱（氧化钠、氧化钾）与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，在骨料表面生成复杂的碱硅酸凝胶后，碱硅酸凝胶吸水膨胀，从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏的现象。

由混凝土的微观结构分析，砂、石作为骨料在混凝土中起骨架作用，但由于其中含有活性的矿物成分，如蛋白石、玉髓、磷石英等矿物含有活性二氧化硅成分。

这些矿物成分容易与水泥中的碱发生反应而生成碱硅酸凝胶。

只有泥质石灰质白云石才发生碱碳酸盐反应，在泥质石灰质白云石中含粘土和方解石较多，碱与这种碳酸钙镁反应时，将其中白云石（碳酸镁）转化为水镁石（氢氧化镁），使干燥的粘土暴露，这种干燥紧密地粘土吸水膨胀，引起混凝土