第七章-陶瓷原料

第七章陶瓷类原料7.1粘土类原料7.2石英类原料7.3长石类原料7.4其他天然原料7.5化工原料

陶瓷原料按其来源可分为天然原料和化工原料两大类。人类最初使用的陶瓷原料是粘土。我们从天然原料中的粘土开始了解陶瓷原料。7.1粘土类原料

粘土是多种微细的矿物的混合体。它主要是由铝硅酸盐类岩石经长期风化而成。粘土：东北的灰色、灰黄色粘土；

南方的红壤、黄壤黄土：主要分布在西北、华北页岩、粉砂岩：缺少粘土的山部地区河泥、湖泥：靠近江河湖海的地区

各种粘土情况千差万别，但在一定程度上它们或多或少都有可塑性。这种性质是指把粘土细粉加水调匀后，可以塑造成各种形状，干燥后维持原状不变，并且有一定强度。（1）粘土类原料的种类

按成因分类按可塑性分类原生粘土：质地较纯，颗粒稍粗，

可塑性较差，耐火度较高。次生粘土：颗粒细，杂质多，

可塑性较好，耐火度较差。高塑性粘土：分散度大，多呈疏松或板状，

如膨润土、木节土等。低塑性粘土：分散度小，呈致密块状或石状，

如叶腊石、瓷石等。耐火粘土：耐火度在1580℃以上，杂质较少，灼

烧后多呈白色、灰色或淡黄色，为瓷

器、耐火制品的主要原料。难熔粘土：耐火度为1350~1580℃，含易熔杂

质在10％~15％左右，可作陶器、耐酸制品、装饰砖及瓷砖的原料。易熔粘土：耐火度在l350℃以下，含大量的各种

杂质，多用于建筑砖瓦和粗陶等制品。按耐火度分类

按粘土的主要矿物

高岭石类粘土蒙脱石类粘土伊利石类粘土（2）粘土类原料的组成

粘土是含水铝硅酸盐的混合体，无固定的化学组成。化学成分：SiO2、Al2O3、结晶水，同时含少量的碱金属R2O

（K2O、Na2O）与碱土金属氧化物（CaO、MgO），

以及着色氧化物(Fe2O3、TiO2)等。

在自然界中粘土矿物很少以单矿物出现，经常是数种粘土矿物共生形成的多矿物组合。根据结构与组成的不同，工业所用粘土中的主要矿物可分为高岭石类、蒙脱石类及伊利石类。高岭石--最常见的粘土矿物组成：A12O3·SiO2·2H2O

晶体构造式：A14(Si4O10)(OH)8晶体呈白色，一般是六方鳞片状、粒状、也有杆状的，二次高岭土中的粒子不规则，边缘折断，尺寸也小。高岭土的吸附能力小，遇水不膨胀，可塑性和结合性较差，杂质少，白度高，耐火度高。加热至400~600℃会排出结晶水。蒙脱石

以蒙脱石为主要矿物的粘土叫做膨润土。化学通式：Al2O3·4SiO2·nH2O(n通常大于2)晶体构造式：A14（Si8O20）(OH)4·nH2O

蒙脱石呈不规则细粒状或鳞片状，颗粒较小，一般＜0.5微米，结晶程度差，晶体轮廓不清。颜色为白色或淡黄色。比重为2.0~2.5。

容易碎裂，颗粒微细，可塑性强，干燥后强度大，但干燥收缩也大。蒙脱石中A12O3的含量较低，又吸附了其他阳离子，杂质较多,因此烧结温度较低，蒙脱石的离子交换力很强。吸水性很强，吸水后体积膨胀。Montmorillon

伊利石：一种云母类矿物

晶体构造式：K2(AI,Fe,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)4·nH2O。

结构上，伊利石和蒙脱石相似。电子显微显微图像一般呈带有尖角的片状。也有呈边界圆滑的片状及板条状。一般可塑性差、干后强度低，干燥收缩小、烧结温度低，一般在800℃左右开始烧结，完全烧结在1000~1150℃。粘土的颗粒组成

颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分比含量。粘土矿物直径一般小于1~2微米。颗粒组成对工艺性质的影响如下：

粘土的细颗粒(＜1um的颗粒)愈多则可塑性愈强、干燥收缩大、干后强度高，而且烧结温度低。片状结构比杆状结构的颗粒堆积致密、塑性大、强度高。结晶程度差的颗粒可塑性也大。

测定粘土颗粒大小的方法有显微镜，电子显微镜，水簸法，混浊计法，吸附法等。最常用的方法是筛分析(0.06mm以上)与沉降法(1~50um)。（3）粘土的工艺性质

粘土原料的工艺性质主要取决于其化学、矿物与颗粒组成；粘土的工艺性质是工业生产中合理选择粘土原料的重要指标。

可塑性

结合性

触变性收缩性

烧结温度与烧结范围

可塑性

可塑性是指粘土与适量水混练后形成的泥团，在外力作用下，可塑造成各种形状而不开裂，当外力除去以后，仍能保持该形状不变的性能。粘土坯料与可塑性的关系

塑性限度(塑限)

液性限度(液限)

塑性指数

相应含水率结合性

结合性：它是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、

有一定的干燥强度的能力。结合性与可塑性的关系：一般情况下，可塑性强的粘土，

其结合性也大。粘土的结合性的检测：通常以能够形成可塑泥团时所加入标

准石英砂(颗粒组成为：0.25~0.15毫米70％，0.15~0.09毫米30％)的数量及干

后抗折强度来反映。触变性

触变性：粘土泥浆或可塑泥团在静置以后变稠或凝固，当受到搅拌或振动时，粘度降低而流动性增加，再放置一段时间后又能恢复原来状态，这种性质称为触变性。产生触变性的原因:

颗粒表面电荷是粘土产生触变性的主要原因。

此外——影响粘土颗粒电荷的各种因素，如矿物组成、颗粒大小和形状、水分含量、电解质种类与用量，以及泥浆(或可塑泥料)的温度等也会对泥浆的触变性产生影响。收缩粘土和坯料的收缩分三种：

干燥收缩、烧成收缩和总收缩。

干燥收缩：粘土经110℃干燥后，由于自由水及吸附水排出

所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩，

称为干燥收缩。

烧成收缩：干燥后的粘土经高温煅烧，由于脱水、分解、

熔化等一系列的物理化学变化而导致的体积进

一步收缩，称之为烧成收缩。线收缩S1可按下式计算：

S1=（Lo–L1）/Lo

100%

式中：

Lo——试样的原始长度；L1——试样干燥后或烧成后的长度。体积收缩Sv可用下式计算：

Sv=（V0–V1）/V0

100%

式中：

V0——试样的原始体积；

V1——试样干燥后或烧成后的体积。

粘土试样的总收缩St与干燥线收缩Sld与烧成线收缩Slf之间的数学关系如下：

Slf=（

St–Sld）/（100-Sld

）

100%

测定收缩是研制模型及制作生坯尺寸放尺的依据。

烧结温度与烧结范围粘土加热过程气孔率和收缩率的变化1—气孔率；2—收缩率T1—开始烧结温度T2—完全烧结温度T3—软化温度烧结范围：是指完全烧结温度T2与软化温度T3之间的温度范围1000-1050。耐火度耐火度：是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。

它反映了材料抵抗高温作用的性能。粘土的耐火度主要取决于化学组成。耐火度的测定三角锥弯倒情况

1-三角锥原貌2-三角锥顶点与底面接触

3-三角锥弯倒过大（4）粘土质工业废渣

某些工业废渣（如：赤泥、粉煤灰、煤矸石等）其化学成分与粘土相近，因此，它们可代替天然粘土作硅酸盐工业生产的原料。

使用工业渣时要注意其成分的的波动。名称主要来源化学成分

用途石煤

煤矿生产废渣以SiO2、Al2O3为主，少量Fe2O3、CaO要控制其含量。1.代替粘土配料；2.经煅烧处理后作混合材；3.作沸腾燃烧室燃料，其渣作水泥混合材。煤矸石

低碳煤赤泥烧结法从矾土中提取氧化铝时所排出的赤色废渣与水泥熟料化学成分相比，Al2O3和Fe2O3含量高,CaO含量低可作湿法生产的粘土质原料。粉煤灰煤粉燃烧后粉状灰烬

以SiO2、Al2O3为主1.作混合材料；2.代替部分或全部粘土参与配料。炉渣锅炉煤灰渣（5）粘土原料的作用

在硅酸盐水泥生产中的作用

粘土主要提供生成熟料矿物所需的SiO2、Al2O3以及Fe2O3等成分。通常生产1t水泥熟料需要0.3~0.4t粘土质原料。

粘土质原料的SiO2与Al2O3和Fe2O3之和之比为2.5~3.5；通常粘土应尽量不含碎石、卵石；应控制粘土中的碱含量；粘土中氧化镁含量应小于3%；粘土的工艺性能对水泥生产影响较大。在陶瓷生产中的作用

粘土的可塑性、结合性，调水后成为软泥，能塑造成形，烧后变得致密坚硬的性能，构成了陶瓷生产的工艺基础，赋予陶瓷以成型性能与烧成性能，以及一定的使用性能。因而粘土是陶瓷生产的基础原料。

游离石英的影响；

含铁矿物的影响；

碳酸盐矿物和硫酸盐矿物的影响；

含碱矿物的影响。淘洗除去淘洗、电磁选矿除铁在玻璃生产中的作用

质地较纯的高岭土可用于制造无碱玻璃、仪器玻璃。

7.2石英类原料

石英是自然界中构成地壳的主要成分。部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体。虽然它们的化学成分相同，均为SiO2，但由于造岩成矿的条件不同，而有许多种状态和同质异形体；又由于成矿之后所经历的地质作用不同，而呈现出多种状态。对于硅酸盐工业，石英是不可缺少的基本原料。

水晶脉石英石英岩(硅石)砂岩石英砂硅砂

水晶：最纯的石英晶体称为水晶。不作硅酸盐原料使用。

脉石英：SiO2含量高（SiO2>99%），杂质少。

石英岩(硅石)：石英岩含有一定量的杂质，SiO2含量为97%左右。

砂岩：是由粘土或其它物质胶结细粒二氧化硅晶体的水成岩石

称为砂岩。SiO2含量<95%。

石英砂：石英砂又称硅砂，质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂

因含有铁的氧化物和有机质，故多呈淡黄色、浅灰色或红褐色。

硅砂：是理想的玻璃工业原料。玛瑙

（2）

石英的组成

石英化学成分为SiO2，

少量杂质成分，如A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。

这些夹杂矿物主要有碳酸盐(白云石、方解石、菱镁矿等)、长石、金红石、板铁矿、云母、铁的氧化物等。此外，尚有一些微量的液态和气态包裹物。（3）

石英在加热过程中的晶型转变

石英是由[SiO4]4-互相以顶点连接而成的三维空间架状结构。

以共价键连接，空隙很小其他离子不易侵入网穴中，致使晶体纯净，硬度与强度高，熔融温度也高。

二氧化硅有许多结晶型态和一个玻璃态。

按照[SiO4]4-的连接方式，石英有三种存在状态：

870℃以下：石英

1713℃以下：方石英1470℃以下：鳞石英

超过1713℃变为熔融态石英

最常见的晶态是：α-石英、β-石英；α-鳞石英、β-鳞

石英、

γ-鳞石英；α-方石英、β-方石英。

α-石英

α-鳞石英α-方石英熔体β-石英β-鳞石英β-方石英γ-鳞石英870℃16.0%1470℃4.7%1713℃0.1%573℃0.82%163℃0.2%180℃~270℃2.8%117℃0.2%石英晶型和体积变化情况掌握石英的晶型转化规律对于指导生产具有重要的实际意义。（4）石英原料的作用

水泥生产中的作用

在硅酸盐水泥生产中，当氧化硅含量不足时，需掺加硅质校正原料。常用的有砂岩、河砂、粉砂岩等。一般要求硅质校正原料的氧化硅含量为70~90%。陶瓷生产中的作用

烧成过程中，二氧化硅的体积膨胀起着补偿坯体收缩的作用。

高温下石英部分地溶解于液相中，增加熔体的粘度，而未溶

解的石英颗粒构成坯体的骨架，减少变形的可能。可减少坯体的干燥收缩和缩短干燥时间。脉石英的二氧化硅含量高，杂质少，是生产日用细瓷的良好原料。杂质少的石英岩通常是制造一般陶瓷制品的良好原料。无定形的非晶质SiO2，如外观为致密块状或钟乳状的蛋白石，由硅藻的遗骸沉积所形成的硅藻土(含水SiO2)等，可作多孔陶瓷原料使用。鹅卵石如用作陶瓷原料，则应视SiO2含量高低与杂质含量多少，粉碎的难易程度决定。质量好的燧石也可作陶瓷原料。

陶瓷生产中使用石英原料的技术要求：Fe2O3+TiO2应小于0.5%，SiO2应大于97%。对石英砂，除成分外，要求粒度一般应在0.25~0.5mm之间，SiO2不小于95%，Fe2O3+TiO2应小于1%，高岭土与氧化钙含量应小于2%。玻璃生产中的作用

二氧化硅是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体[SiO4]的结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。石英砂、砂岩、石英岩和石英是引入SiO2的原料。在日用玻璃中的用量较多，约占配合料重量的60～70％以上。影响因素：

玻璃中二氧化硅的含量；

石英砂的主要成分；

石英砂颗粒度与颗粒组成；

矿物组成；

硬度影响。7.3长石类原料

长石是一族矿物的总称，是架状硅酸盐结构。化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐，主要是钾、钠、钙和少量含钡的铝硅酸盐，有时含有微量的铯、铷、锶等金属离子。钙长石钠长石钾长石钡长石

（1）长石的种类与性质

长石互溶系列最重要矿物正长石：指解理面交角为90º(正角)的长石，属

单斜晶系，成分上是钾长石或钾钠长石。斜长石：钠长石与钙长石的互熔物，一般含钙长

石在10％以下的称为钠长石，含钠长石

在10％以下的称为钙长石，这中间比例

的互熔物统称为斜长石。斜长石外观为

白色或浅灰色，比重2.62~2.76，硬度为

6。（2）长石类原料的应用

长石类矿物是玻璃和陶瓷工业的主要原料之一，硅酸盐水泥生产中不用此类原料。在陶瓷生产中的作用

作为熔剂物质，降低陶瓷产品的烧成温度；

与石英等原料高温熔化后所形成的玻璃态物质是釉层的主要成分；

高温下生成的长石玻璃能熔解粘土及长石原料，在液相中Al2O3

和SiO2互相作用，促进莫来石晶体的形成和长大；

长石熔化后形成的液相能填充坯体孔隙，增大致密度，提高产品的机械强度透光性和介电性能；陶瓷生产中长石的代用原料长石代用原料伟晶花岗岩：由石英与长石组成的矿物；

石英成分波动较大。霞石正长岩：主要为长石类及霞石的固溶体。

产品不易变形、

热稳定性好。但

含铁量往往较多。酸性玻璃熔岩：主要由玻璃质组成，含SiO2较

多，碱金属氧化物含量较高，

铁和钛等着色氧化物较少。含锂矿物：主要有锂辉石、锂云母、透锂长石、

磷铝锂石等。陶瓷生产中使用长石的技术要求

K2O+Na2O总量不小于11%，其中K2O∶Na2O应大于3，

CaO+镁MgO总量不大于1.5%，Fe2O3含量在0.6％以下为宜。

夹杂矿物云母与铁化物应少，尤其云母呈片状，难以粉碎，

细小的鳞片状云母分布在瓷坯中，在产品表面造成斑点和

熔调。使用中要进行选料和除铁处理。

长石的熔融温度应在1230℃以上，熔融温度范围应不小于

30~50℃，使用时要进行熔烧实验。7.4其他天然原料

以上所述的三种天然原料是构成传统陶瓷的三个基本组分。它们的作用分别是：

粘土：提供了可塑性，以保证成型的工艺要求。石英：是耐熔的骨架成分。长石：是助熔剂，促使烧结时玻璃相的形成。在传统陶瓷生产中，除要用到上述三种基本组分外，还常会用到其它一些天然原料。霞石、滑石、硅灰石、辉石、石灰石

霞石因在酸中分解生成云霞状硅胶而得名。晶体结构式为R+[AlSiO4](R=Li,Na,K)其熔融后的粘度较高，制品不易变形.。因优质长石资源并不多，常用霞石正长岩代替长石。

滑石系天然产含水硅酸镁。化学式为Mg3[Si4O10(OH)2]或3MgO·4SiO2·H2O,有良好的耐热性、润滑性、抗酸碱性、绝缘性及对油类有强烈吸附性等优良特性，是陶瓷工业常用原料之一。

硅灰石属链状结构的似辉石类矿物。化学式为Ca[SiO3]或CaO·SiO2其热膨胀系数小，适于快速烧成。可用于制造釉面砖、日用陶瓷、低损耗无线电陶瓷、卫生陶瓷、磨具、火花塞等石灰石属沉积岩的碳酸盐类矿石，以CaCO3为主，主要矿物是方解石。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。

辉石是辉石族矿物的总称。陶瓷工业用的透辉石和锂辉石均属单斜晶系。

透辉石是CaMg[Si2O6]，或CaO·MgO·2SiO2在陶瓷生产中应用与硅灰石类似，既可作助熔剂使用，也可作为主要原料，适于低温、快速烧成。

锂辉石化学式是LiAI[Si2O6]或Li2O·AI2O3·4SiO2。可用作陶瓷原料中的助熔剂，配合钾长石可降低坯体的吸水性和烧成温度，增加强度。7.5化工原料

化工原料与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称。它较之天然原料有质纯、杂质少、粒径小等优点，可满足先进陶瓷的高性能要求，是先进陶瓷的主要原料。化工原料的种类繁多，以满足不同先进陶瓷的各种功能需求，下面介绍几种。氧化物类原料：多是以离子键为主的金属氧化物晶体，故所构成的陶瓷多具有耐高温、强度高、良好的化学稳定性和电绝缘性等。如氧化铝、二氧化锆、莫来石。非氧化合物类原料：碳化物、氮化物1.氧化铝（Al2O3）

氧化铝具有熔点高（约2050℃）、硬度大绝缘性好等优点，可用作无线电陶瓷、高温陶瓷、耐磨材料等。制备氧化铝陶瓷和其它高性能陶瓷的主要原料之一。氧化铝有多种变体，其中常见的是α，β，