陶瓷工艺学：第4章 传统陶瓷的生产-传统陶瓷原料

传统陶瓷的生产4.1传统陶瓷原料陶瓷原料,用于陶瓷制品生产的原材料。通常指提供陶瓷制品化学成分的原材料。分化工原料与矿物原料两大类。矿物原料为天然的原料，其杂质含量较高，但得到的成本较低；化工原料是经过高度提纯的原料，纯度高，但得到的成本高。先进陶瓷生产一般采用化工原料，有时也采用部分矿物原料；普通(传统)陶瓷生产多采用采用矿物原料，但随着传统资源的枯竭或者本身生产技术的提高，也越来越多地采用化工原料，一般地是采用化工原料+矿物原料的混合原料。传统的陶瓷制品的化学成分属于铝硅酸盐，外加一些碱金属和碱土金属元素。之所以形成这样的成分，是因为提供这种成分特点的矿物原料更容易获得与更容易制备成陶瓷，这是历代陶瓷从业者不断试错的结果，是历史的选择。为了满足制品化学成分的要求，传统陶瓷大量使用以下矿物原料：4.1.1粘土多种含水铝硅酸盐矿物的混合体，外观多为土状或致密的块状，呈白、黄、红灰等多种颜色。1）粘土的化学组成粘土主要化学成分是SiO2、Al2O3、H2O等，简单记为:xSiO2·yAl2O3·zH2O,其中x、y、z随具体矿物而定。粘土同时含有碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化物CaO、MgO等及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。由于成矿条件不同，各地粘土的化学成分成分有较大差异。

表4－1我国主要粘土原料的化学组成续表4－1续表4－12）粘土矿物组成粘土是多种矿物的混合物。主要分高岭石类、蒙脱石类、伊利石类。高岭石类化学式为:Al2O3·2SiO2·2H2O，是一种常见的粘土矿物，为制瓷的优质粘土。因首先在江西浮梁县高岭村发现，故称为高岭土（Kaolin）。

它的主要矿物是高岭石（包括地开石、珍珠陶土及多水高岭石）。景德镇自古以来陶瓷产业发达，得益于浮梁县的高岭土。但现在，该高岭土的资源已经耗竭，景德镇已被国务院列为资源枯竭型城市，其产业结构面临着重大转型。蒙脱石类以蒙脱石为主要矿物的粘土，化学式为:Al2O3·4SiO2·nH2O(n常大于4)伊利石类又称水云母类矿，包括白云母（化学式为:K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O）、水云母（白云母中的K+离子被（H3O)+离子部分取代）及绢云母（细小鳞片状白云母）矿。

特点是K2O含量较多。表4－2我国几种粘土原料的矿物组成3）粘土在传统陶瓷生产中的作用传统陶瓷中生产中通常或多或少采用一些粘土原料。目前，粘土占日用陶瓷原料份额的40%~60%，占釉面砖原料份额的40%以上。采用粘土的理由各异，归纳如下：粘土的可塑性是传统陶瓷制品赖以成型的基础当粘土与适量的水混炼后形成泥团，具有较好的可塑性，广泛用于各种塑法成形。图4.1某粘土含水量与应力－应变曲线的关系

可塑性限度（简称塑限），粘土由粉末状态进入塑性状态的含水量。液体限度（简称液限），粘土由塑性状态变成流动状态的含水量。可塑性指数，塑限与液限之差。

图4.2粘土的的可塑性与水含量的关系。利用粘土的的可塑性，可以将粘土粉末先变成泥料，然后制成成型坯。粘土加入适量水后形成的浆料，具有良好的悬浮性和稳定性，即浆料组分均匀，不沉淀分层，可以进行注浆成型。粘土粉末与水组成的泥料或浆料具有一定的粘合性

可以将各种将各种不具有可塑性的粉末原料结合在一起，形成型坯。粘土中Al2O3及杂质的多少是确定陶瓷坯体的烧结温度、软化温度、烧成程度的主要因素因此，改变粘土的种类与用量，可获得多品种的陶瓷产品。粘土中原料中的Al2O3是陶瓷坯体中生成莫来石晶体的主要成分来源由于莫来石的生成及其适当含量，使人们可以获得机械强度、介电性能、热稳定性和化学稳定性等性能均良好的陶瓷产品。表4－3粘土颗粒大小对工艺性能的影响4）粘土分类根据可塑性指数或可塑性指标分类。强塑性粘土指数>15，或指标>3.6中塑性粘土指数7～15，或指标2.5～3.6弱塑性粘土指数1～15，或指标<2.5非塑性粘土指数<14.1.2石英主要成分为SiO2。

SiO2在地壳中的丰度约为60%。在自然界形成分布广泛的矿物，存在有高纯度（大于99%）石英矿。1）石英性质有多种晶体结构。表4－4石英的密度和比容图4.3石英石英相变过程表4－5石英晶形转变时的体积效应（计算值）2）石英矿最纯的石英称为水晶。因其产量很少，陶瓷工业一般无法采用。陶瓷工业采用较多的石英类原料有脉石英、砂岩、石英岩石英砂、硅藻土、燧石等。表4－6石英矿物的化学成分3）石英在陶瓷生产中的作用作为瘠性原料（即可塑性不好的原料），可以调节泥料的可塑性，可降低坯体的干燥收缩与变形，有助加速干燥过程。在陶瓷烧成时，石英的加热膨胀可以对坯体的的收缩起部分补偿作用。高温时，石英部分溶解于液相中，增加熔体的粘度，而未溶解的石英颗粒构成坯体的骨架，可防止坯体发生变形与开裂。石英能改善瓷器的白度与透光度SiO2是釉料与玻璃质的主要组分增加釉中的石英含量，可相应提高釉熔温度及粘度，并减少釉的膨胀系数。同时石英还可以赋予釉以较高的机械强度、硬度、耐磨性及耐化学侵蚀性。4.1.3长石类原料

1）矿物自然界中的长石种类很多，归纳起来都是由下面简单的长石组合而成。钠长石：Na2O·Al2O3·6SiO2或Na[AlSi3O8]，熔点为1100℃；钾长石：K2O·Al2O3·6SiO2或K[AlSi3O8]，熔点1150℃；钙长石：CaO·Al2O3·2SiO2或Ca[Al2Si2O8]，熔点1550℃；钡长石：BaO·Al2O3·2SiO2或Ba[Al2Si2O8]，熔点1715℃。从化学组成上为碱金属或碱土金属的硅酸盐。相对其它矿物原料，含有较多的碱金属或碱土金属是长石原料的特点。

表4－7长石的理论化学组成（%）表4－8长石矿的化学组成2）作用长石原料在高温下熔化，可以帮助陶瓷实现致密烧结，故在传统陶瓷中常作为熔剂(形成液相烧结的添加剂)使用。

通常，为了降低生产成本，希望传统陶瓷能在尽可能低的温度下烧成。基于这一点，多采用熔点低的长石，即钠长石、钾长石，作熔剂，而高熔点的钡长石使用较少。4.1.4滑石天然的含水硅酸镁矿物。化学通式为：3MgO·4SiO2·H2O，结构式为：Mg3(Si4O10)(OH)2，其理论组成为MgO31.9%、SiO263.4%、H2O4.7%。

相对其它矿物，含较高比例的氧化镁是滑石的特点。表4－9滑石的化学与矿物组成（%）4.1.5硅灰石为偏硅酸钙矿物。化学通式为：CaO·SiO2，其理论组成为SiO251.7%、CaO48.3%。能提供Si和Ca。表4－10硅灰石的化学组成（%）4.1.6骨灰、磷灰石属于钙的磷酸盐。1）骨灰脊椎动物如牛、羊、猪等的骨骼经一定温度煅烧后的产物。其基本成分是羟基磷灰石，其结构式为：Ca10(PO4)6(OH)2.2）磷灰石天然的磷酸钙矿物。其化学通式为：Ca5[PO4]3(F,Cl,OH)。4.1.7碳酸盐类原料1）白云石碳酸镁和碳酸钙的固溶体，其化学通式为CaCO3·MgCO3。2）菱镁矿

MgCO3。3）方解石主要成分是碳酸钙CaCO3。4.1.8工业废渣及废料1）磷矿渣用磷矿石生产黄磷的过程中产生的大量磷矿渣，其主要成分为SiO244.8%，Al2O30.47%，Fe2O30.49%