第七章-陶瓷原料

第七章陶瓷類原料7.1粘土類原料7.2石英類原料7.3長石類原料7.4其他天然原料7.5化工原料

陶瓷原料按其來源可分為天然原料和化工原料兩大類。人類最初使用的陶瓷原料是粘土。我們從天然原料中的粘土開始了解陶瓷原料。7.1粘土類原料

粘土是多種微細(xì)的礦物的混合體。它主要是由鋁硅酸鹽類巖石經(jīng)長期風(fēng)化而成。粘土：東北的灰色、灰黃色粘土；

南方的紅壤、黃壤黃土：主要分布在西北、華北頁巖、粉砂巖：缺少粘土的山部地區(qū)河泥、湖泥：靠近江河湖海的地區(qū)

各種粘土情況千差萬別，但在一定程度上它們或多或少都有可塑性。這種性質(zhì)是指把粘土細(xì)粉加水調(diào)勻后，可以塑造成各種形狀，干燥后維持原狀不變，并且有一定強(qiáng)度。（1）粘土類原料的種類

按成因分類按可塑性分類原生粘土：質(zhì)地較純，顆粒稍粗，

可塑性較差，耐火度較高。次生粘土：顆粒細(xì)，雜質(zhì)多，

可塑性較好，耐火度較差。高塑性粘土：分散度大，多呈疏松或板狀，

如膨潤土、木節(jié)土等。低塑性粘土：分散度小，呈致密塊狀或石狀，

如葉臘石、瓷石等。耐火粘土：耐火度在1580℃以上，雜質(zhì)較少，灼

燒后多呈白色、灰色或淡黃色，為瓷

器、耐火制品的主要原料。難熔粘土：耐火度為1350~1580℃，含易熔雜

質(zhì)在10％~15％左右，可作陶器、耐酸制品、裝飾磚及瓷磚的原料。易熔粘土：耐火度在l350℃以下，含大量的各種

雜質(zhì)，多用于建筑磚瓦和粗陶等制品。按耐火度分類

按粘土的主要礦物

高嶺石類粘土蒙脫石類粘土伊利石類粘土（2）粘土類原料的組成

粘土是含水鋁硅酸鹽的混合體，無固定的化學(xué)組成。化學(xué)成分：SiO2、Al2O3、結(jié)晶水，同時(shí)含少量的堿金屬R2O

（K2O、Na2O）與堿土金屬氧化物（CaO、MgO），

以及著色氧化物(Fe2O3、TiO2)等。

在自然界中粘土礦物很少以單礦物出現(xiàn)，經(jīng)常是數(shù)種粘土礦物共生形成的多礦物組合。根據(jù)結(jié)構(gòu)與組成的不同，工業(yè)所用粘土中的主要礦物可分為高嶺石類、蒙脫石類及伊利石類。高嶺石--最常見的粘土礦物組成：A12O3·SiO2·2H2O

晶體構(gòu)造式：A14(Si4O10)(OH)8晶體呈白色，一般是六方鱗片狀、粒狀、也有桿狀的，二次高嶺土中的粒子不規(guī)則，邊緣折斷，尺寸也小。高嶺土的吸附能力小，遇水不膨脹，可塑性和結(jié)合性較差，雜質(zhì)少，白度高，耐火度高。加熱至400~600℃會(huì)排出結(jié)晶水。蒙脫石

以蒙脫石為主要礦物的粘土叫做膨潤土?；瘜W(xué)通式：Al2O3·4SiO2·nH2O(n通常大于2)晶體構(gòu)造式：A14（Si8O20）(OH)4·nH2O

蒙脫石呈不規(guī)則細(xì)粒狀或鱗片狀，顆粒較小，一般＜0.5微米，結(jié)晶程度差，晶體輪廓不清。顏色為白色或淡黃色。比重為2.0~2.5。

容易碎裂，顆粒微細(xì)，可塑性強(qiáng)，干燥后強(qiáng)度大，但干燥收縮也大。蒙脫石中A12O3的含量較低，又吸附了其他陽離子，雜質(zhì)較多,因此燒結(jié)溫度較低，蒙脫石的離子交換力很強(qiáng)。吸水性很強(qiáng)，吸水后體積膨脹。Montmorillon

伊利石：一種云母類礦物

晶體構(gòu)造式：K2(AI,Fe,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)4·nH2O。

結(jié)構(gòu)上，伊利石和蒙脫石相似。電子顯微顯微圖像一般呈帶有尖角的片狀。也有呈邊界圓滑的片狀及板條狀。一般可塑性差、干后強(qiáng)度低，干燥收縮小、燒結(jié)溫度低，一般在800℃左右開始燒結(jié)，完全燒結(jié)在1000~1150℃。粘土的顆粒組成

顆粒組成是指粘土中含有不同大小顆粒的百分比含量。粘土礦物直徑一般小于1~2微米。顆粒組成對工藝性質(zhì)的影響如下：

粘土的細(xì)顆粒(＜1um的顆粒)愈多則可塑性愈強(qiáng)、干燥收縮大、干后強(qiáng)度高，而且燒結(jié)溫度低。片狀結(jié)構(gòu)比桿狀結(jié)構(gòu)的顆粒堆積致密、塑性大、強(qiáng)度高。結(jié)晶程度差的顆?？伤苄砸泊?。

測定粘土顆粒大小的方法有顯微鏡，電子顯微鏡，水簸法，混濁計(jì)法，吸附法等。最常用的方法是篩分析(0.06mm以上)與沉降法(1~50um)。（3）粘土的工藝性質(zhì)

粘土原料的工藝性質(zhì)主要取決于其化學(xué)、礦物與顆粒組成；粘土的工藝性質(zhì)是工業(yè)生產(chǎn)中合理選擇粘土原料的重要指標(biāo)。

可塑性

結(jié)合性

觸變性收縮性

燒結(jié)溫度與燒結(jié)范圍

可塑性

可塑性是指粘土與適量水混練后形成的泥團(tuán)，在外力作用下，可塑造成各種形狀而不開裂，當(dāng)外力除去以后，仍能保持該形狀不變的性能。粘土坯料與可塑性的關(guān)系

塑性限度(塑限)

液性限度(液限)

塑性指數(shù)

相應(yīng)含水率結(jié)合性

結(jié)合性：它是指粘土能結(jié)合非塑性原料形成良好的可塑泥團(tuán)、

有一定的干燥強(qiáng)度的能力。結(jié)合性與可塑性的關(guān)系：一般情況下，可塑性強(qiáng)的粘土，

其結(jié)合性也大。粘土的結(jié)合性的檢測：通常以能夠形成可塑泥團(tuán)時(shí)所加入標(biāo)

準(zhǔn)石英砂(顆粒組成為：0.25~0.15毫米70％，0.15~0.09毫米30％)的數(shù)量及干

后抗折強(qiáng)度來反映。觸變性

觸變性：粘土泥漿或可塑泥團(tuán)在靜置以后變稠或凝固，當(dāng)受到攪拌或振動(dòng)時(shí)，粘度降低而流動(dòng)性增加，再放置一段時(shí)間后又能恢復(fù)原來狀態(tài)，這種性質(zhì)稱為觸變性。產(chǎn)生觸變性的原因:

顆粒表面電荷是粘土產(chǎn)生觸變性的主要原因。

此外——影響粘土顆粒電荷的各種因素，如礦物組成、顆粒大小和形狀、水分含量、電解質(zhì)種類與用量，以及泥漿(或可塑泥料)的溫度等也會(huì)對泥漿的觸變性產(chǎn)生影響。收縮粘土和坯料的收縮分三種：

干燥收縮、燒成收縮和總收縮。

干燥收縮：粘土經(jīng)110℃干燥后，由于自由水及吸附水排出

所引起的顆粒間距離減小而產(chǎn)生的體積收縮，

稱為干燥收縮。

燒成收縮：干燥后的粘土經(jīng)高溫煅燒，由于脫水、分解、

熔化等一系列的物理化學(xué)變化而導(dǎo)致的體積進(jìn)

一步收縮，稱之為燒成收縮。線收縮S1可按下式計(jì)算：

S1=（Lo–L1）/Lo

100%

式中：

Lo——試樣的原始長度；L1——試樣干燥后或燒成后的長度。體積收縮Sv可用下式計(jì)算：

Sv=（V0–V1）/V0

100%

式中：

V0——試樣的原始體積；

V1——試樣干燥后或燒成后的體積。

粘土試樣的總收縮St與干燥線收縮Sld與燒成線收縮Slf之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

Slf=（

St–Sld）/（100-Sld

）

100%

測定收縮是研制模型及制作生坯尺寸放尺的依據(jù)。

燒結(jié)溫度與燒結(jié)范圍粘土加熱過程氣孔率和收縮率的變化1—?dú)饪茁剩?—收縮率T1—開始燒結(jié)溫度T2—完全燒結(jié)溫度T3—軟化溫度燒結(jié)范圍：是指完全燒結(jié)溫度T2與軟化溫度T3之間的溫度范圍1000-1050。耐火度耐火度：是指材料在高溫作用下達(dá)到特定軟化程度時(shí)的溫度。

它反映了材料抵抗高溫作用的性能。粘土的耐火度主要取決于化學(xué)組成。耐火度的測定三角錐彎倒情況

1-三角錐原貌2-三角錐頂點(diǎn)與底面接觸

3-三角錐彎倒過大（4）粘土質(zhì)工業(yè)廢渣

某些工業(yè)廢渣（如：赤泥、粉煤灰、煤矸石等）其化學(xué)成分與粘土相近，因此，它們可代替天然粘土作硅酸鹽工業(yè)生產(chǎn)的原料。

使用工業(yè)渣時(shí)要注意其成分的的波動(dòng)。名稱主要來源化學(xué)成分

用途石煤

煤礦生產(chǎn)廢渣以SiO2、Al2O3為主，少量Fe2O3、CaO要控制其含量。1.代替粘土配料；2.經(jīng)煅燒處理后作混合材；3.作沸騰燃燒室燃料，其渣作水泥混合材。煤矸石

低碳煤赤泥燒結(jié)法從礬土中提取氧化鋁時(shí)所排出的赤色廢渣與水泥熟料化學(xué)成分相比，Al2O3和Fe2O3含量高,CaO含量低可作濕法生產(chǎn)的粘土質(zhì)原料。粉煤灰煤粉燃燒后粉狀灰燼

以SiO2、Al2O3為主1.作混合材料；2.代替部分或全部粘土參與配料。爐渣鍋爐煤灰渣（5）粘土原料的作用

在硅酸鹽水泥生產(chǎn)中的作用

粘土主要提供生成熟料礦物所需的SiO2、Al2O3以及Fe2O3等成分。通常生產(chǎn)1t水泥熟料需要0.3~0.4t粘土質(zhì)原料。

粘土質(zhì)原料的SiO2與Al2O3和Fe2O3之和之比為2.5~3.5；通常粘土應(yīng)盡量不含碎石、卵石；應(yīng)控制粘土中的堿含量；粘土中氧化鎂含量應(yīng)小于3%；粘土的工藝性能對水泥生產(chǎn)影響較大。在陶瓷生產(chǎn)中的作用

粘土的可塑性、結(jié)合性，調(diào)水后成為軟泥，能塑造成形，燒后變得致密堅(jiān)硬的性能，構(gòu)成了陶瓷生產(chǎn)的工藝基礎(chǔ)，賦予陶瓷以成型性能與燒成性能，以及一定的使用性能。因而粘土是陶瓷生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料。

游離石英的影響；

含鐵礦物的影響；

碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物的影響；

含堿礦物的影響。淘洗除去淘洗、電磁選礦除鐵在玻璃生產(chǎn)中的作用

質(zhì)地較純的高嶺土可用于制造無堿玻璃、儀器玻璃。

7.2石英類原料

石英是自然界中構(gòu)成地殼的主要成分。部分以硅酸鹽化合物狀態(tài)存在，構(gòu)成各種礦物巖石。另一部分則以獨(dú)立狀態(tài)存在，成為單獨(dú)的礦物實(shí)體。雖然它們的化學(xué)成分相同，均為SiO2，但由于造巖成礦的條件不同，而有許多種狀態(tài)和同質(zhì)異形體；又由于成礦之后所經(jīng)歷的地質(zhì)作用不同，而呈現(xiàn)出多種狀態(tài)。對于硅酸鹽工業(yè)，石英是不可缺少的基本原料。

水晶脈石英石英巖(硅石)砂巖石英砂硅砂

水晶：最純的石英晶體稱為水晶。不作硅酸鹽原料使用。

脈石英：SiO2含量高（SiO2>99%），雜質(zhì)少。

石英巖(硅石)：石英巖含有一定量的雜質(zhì)，SiO2含量為97%左右。

砂巖：是由粘土或其它物質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒二氧化硅晶體的水成巖石

稱為砂巖。SiO2含量<95%。

石英砂：石英砂又稱硅砂，質(zhì)地純凈的硅砂為白色，一般硅砂

因含有鐵的氧化物和有機(jī)質(zhì)，故多呈淡黃色、淺灰色或紅褐色。

硅砂：是理想的玻璃工業(yè)原料?，旇?/p>

（2）

石英的組成

石英化學(xué)成分為SiO2，

少量雜質(zhì)成分，如A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。

這些夾雜礦物主要有碳酸鹽(白云石、方解石、菱鎂礦等)、長石、金紅石、板鐵礦、云母、鐵的氧化物等。此外，尚有一些微量的液態(tài)和氣態(tài)包裹物。（3）

石英在加熱過程中的晶型轉(zhuǎn)變

石英是由[SiO4]4-互相以頂點(diǎn)連接而成的三維空間架狀結(jié)構(gòu)。

以共價(jià)鍵連接，空隙很小其他離子不易侵入網(wǎng)穴中，致使晶體純凈，硬度與強(qiáng)度高，熔融溫度也高。

二氧化硅有許多結(jié)晶型態(tài)和一個(gè)玻璃態(tài)。

按照[SiO4]4-的連接方式，石英有三種存在狀態(tài)：

870℃以下：石英

1713℃以下：方石英1470℃以下：鱗石英

超過1713℃變?yōu)槿廴趹B(tài)石英

最常見的晶態(tài)是：α-石英、β-石英；α-鱗石英、β-鱗

石英、

γ-鱗石英；α-方石英、β-方石英。

α-石英

α-鱗石英α-方石英熔體β-石英β-鱗石英β-方石英γ-鱗石英870℃16.0%1470℃4.7%1713℃0.1%573℃0.82%163℃0.2%180℃~270℃2.8%117℃0.2%石英晶型和體積變化情況掌握石英的晶型轉(zhuǎn)化規(guī)律對于指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要的實(shí)際意義。（4）石英原料的作用

水泥生產(chǎn)中的作用

在硅酸鹽水泥生產(chǎn)中，當(dāng)氧化硅含量不足時(shí)，需摻加硅質(zhì)校正原料。常用的有砂巖、河砂、粉砂巖等。一般要求硅質(zhì)校正原料的氧化硅含量為70~90%。陶瓷生產(chǎn)中的作用

燒成過程中，二氧化硅的體積膨脹起著補(bǔ)償坯體收縮的作用。

高溫下石英部分地溶解于液相中，增加熔體的粘度，而未溶

解的石英顆粒構(gòu)成坯體的骨架，減少變形的可能?？蓽p少坯體的干燥收縮和縮短干燥時(shí)間。脈石英的二氧化硅含量高，雜質(zhì)少，是生產(chǎn)日用細(xì)瓷的良好原料。雜質(zhì)少的石英巖通常是制造一般陶瓷制品的良好原料。無定形的非晶質(zhì)SiO2，如外觀為致密塊狀或鐘乳狀的蛋白石，由硅藻的遺骸沉積所形成的硅藻土(含水SiO2)等，可作多孔陶瓷原料使用。鵝卵石如用作陶瓷原料，則應(yīng)視SiO2含量高低與雜質(zhì)含量多少，粉碎的難易程度決定。質(zhì)量好的燧石也可作陶瓷原料。

陶瓷生產(chǎn)中使用石英原料的技術(shù)要求：Fe2O3+TiO2應(yīng)小于0.5%，SiO2應(yīng)大于97%。對石英砂，除成分外，要求粒度一般應(yīng)在0.25~0.5mm之間，SiO2不小于95%，F(xiàn)e2O3+TiO2應(yīng)小于1%，高嶺土與氧化鈣含量應(yīng)小于2%。玻璃生產(chǎn)中的作用

二氧化硅是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面體[SiO4]的結(jié)構(gòu)組元形成不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，成為玻璃的骨架。石英砂、砂巖、石英巖和石英是引入SiO2的原料。在日用玻璃中的用量較多，約占配合料重量的60～70％以上。影響因素：

玻璃中二氧化硅的含量；

石英砂的主要成分；

石英砂顆粒度與顆粒組成；

礦物組成；

硬度影響。7.3長石類原料

長石是一族礦物的總稱，是架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)成分為不含水的堿金屬與堿土金屬鋁硅酸鹽，主要是鉀、鈉、鈣和少量含鋇的鋁硅酸鹽，有時(shí)含有微量的銫、銣、鍶等金屬離子。鈣長石鈉長石鉀長石鋇長石

（1）長石的種類與性質(zhì)

長石互溶系列最重要礦物正長石：指解理面交角為90o(正角)的長石，屬

單斜晶系，成分上是鉀長石或鉀鈉長石。斜長石：鈉長石與鈣長石的互熔物，一般含鈣長

石在10％以下的稱為鈉長石，含鈉長石

在10％以下的稱為鈣長石，這中間比例

的互熔物統(tǒng)稱為斜長石。斜長石外觀為

白色或淺灰色，比重2.62~2.76，硬度為

6。（2）長石類原料的應(yīng)用

長石類礦物是玻璃和陶瓷工業(yè)的主要原料之一，硅酸鹽水泥生產(chǎn)中不用此類原料。在陶瓷生產(chǎn)中的作用

作為熔劑物質(zhì)，降低陶瓷產(chǎn)品的燒成溫度；

與石英等原料高溫熔化后所形成的玻璃態(tài)物質(zhì)是釉層的主要成分；

高溫下生成的長石玻璃能熔解粘土及長石原料，在液相中Al2O3

和SiO2互相作用，促進(jìn)莫來石晶體的形成和長大；

長石熔化后形成的液相能填充坯體孔隙，增大致密度，提高產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度透光性和介電性能；陶瓷生產(chǎn)中長石的代用原料長石代用原料偉晶花崗巖：由石英與長石組成的礦物；

石英成分波動(dòng)較大。霞石正長巖：主要為長石類及霞石的固溶體。

產(chǎn)品不易變形、

熱穩(wěn)定性好。但

含鐵量往往較多。酸性玻璃熔巖：主要由玻璃質(zhì)組成，含SiO2較

多，堿金屬氧化物含量較高，

鐵和鈦等著色氧化物較少。含鋰礦物：主要有鋰輝石、鋰云母、透鋰長石、

磷鋁鋰石等。陶瓷生產(chǎn)中使用長石的技術(shù)要求

K2O+Na2O總量不小于11%，其中K2O∶Na2O應(yīng)大于3，

CaO+鎂MgO總量不大于1.5%，F(xiàn)e2O3含量在0.6％以下為宜。

夾雜礦物云母與鐵化物應(yīng)少，尤其云母呈片狀，難以粉碎，

細(xì)小的鱗片狀云母分布在瓷坯中，在產(chǎn)品表面造成斑點(diǎn)和

熔調(diào)。使用中要進(jìn)行選料和除鐵處理。

長石的熔融溫度應(yīng)在1230℃以上，熔融溫度范圍應(yīng)不小于

30~50℃，使用時(shí)要進(jìn)行熔燒實(shí)驗(yàn)。7.4其他天然原料

以上所述的三種天然原料是構(gòu)成傳統(tǒng)陶瓷的三個(gè)基本組分。它們的作用分別是：

粘土：提供了可塑性，以保證成型的工藝要求。石英：是耐熔的骨架成分。長石：是助熔劑，促使燒結(jié)時(shí)玻璃相的形成。在傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)中，除要用到上述三種基本組分外，還常會(huì)用到其它一些天然原料。霞石、滑石、硅灰石、輝石、石灰石

霞石因在酸中分解生成云霞狀硅膠而得名。晶體結(jié)構(gòu)式為R+[AlSiO4](R=Li,Na,K)其熔融后的粘度較高，制品不易變形.。因優(yōu)質(zhì)長石資源并不多，常用霞石正長巖代替長石。

滑石系天然產(chǎn)含水硅酸鎂?；瘜W(xué)式為Mg3[Si4O10(OH)2]或3MgO·4SiO2·H2O,有良好的耐熱性、潤滑性、抗酸堿性、絕緣性及對油類有強(qiáng)烈吸附性等優(yōu)良特性，是陶瓷工業(yè)常用原料之一。

硅灰石屬鏈狀結(jié)構(gòu)的似輝石類礦物?；瘜W(xué)式為Ca[SiO3]或CaO·SiO2其熱膨脹系數(shù)小，適于快速燒成?？捎糜谥圃煊悦娲u、日用陶瓷、低損耗無線電陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、磨具、火花塞等石灰石屬沉積巖的碳酸鹽類礦石，以CaCO3為主，主要礦物是方解石。860-976℃分解生成CaO和CO2可作引入CaO的原料。是石灰釉的主要原料。

輝石是輝石族礦物的總稱。陶瓷工業(yè)用的透輝石和鋰輝石均屬單斜晶系。

透輝石是CaMg[Si2O6]，或CaO·MgO·2SiO2在陶瓷生產(chǎn)中應(yīng)用與硅灰石類似，既可作助熔劑使用，也可作為主要原料，適于低溫、快速燒成。

鋰輝石化學(xué)式是LiAI[Si2O6]或Li2O·AI2O3·4SiO2?？捎米魈沾稍现械闹蹌?，配合鉀長石可降低坯體的吸水性和燒成溫度，增加強(qiáng)度。7.5化工原料

化工原料與天然原料不同的是它是由人工合成的，故也有人工合成原料之稱。它較之天然原料有質(zhì)純、雜質(zhì)少、粒徑小等優(yōu)點(diǎn)，可滿足先進(jìn)陶瓷的高性能要求，是先進(jìn)陶瓷的主要原料。化工原料的種類繁多，以滿足不同先進(jìn)陶瓷的各種功能需求，下面介紹幾種。氧化物類原料：多是以離子鍵為主的金屬氧化物晶體，故所構(gòu)成的陶瓷多具有耐高溫、強(qiáng)度高、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性等。如氧化鋁、二氧化鋯、莫來石。非氧化合物類原料：碳化物、氮化物1.氧化鋁（Al2O3）

氧化鋁具有熔點(diǎn)高（約2050℃）、硬度大絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，可用作無線電陶瓷、高溫陶瓷、耐磨材料等。制備氧化鋁陶瓷和其它高性能陶瓷的主要原料之一。氧化鋁有多種變體，其中常見的是α，β，