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

粘土是多種微細的礦物的混合體。它主要是由鋁硅酸鹽類巖石經(jīng)長期風化而成。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，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，無固定的化學組成?；瘜W成分：SiO2、Al2O3、結晶水，同時含少量的堿金屬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)結構與組成的不同，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，可塑性和結合性較差，雜質(zhì)少，白度高，耐火度高。加熱至400~600℃會排出結晶水。蒙脫石

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

蒙脫石呈不規(guī)則細粒狀或鱗片狀，顆粒較小，一般＜0.5微米，結晶程度差，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，可塑性強，干燥后強度大，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,因此燒結溫度較低，蒙脫石的離子交換力很強。吸水性很強，吸水后體積膨脹。Montmorillon

伊利石：一種云母類礦物

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

結構上，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、干后強度低，干燥收縮小、燒結溫度低，一般在800℃左右開始燒結，完全燒結在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：

粘土的細顆粒(＜1um的顆粒)愈多則可塑性愈強、干燥收縮大、干后強度高，而且燒結溫度低。片狀結構比桿狀結構的顆粒堆積致密、塑性大、強度高。結晶程度差的顆粒可塑性也大。

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、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。

可塑性

結合性

觸變性收縮性

燒結溫度與燒結范圍

可塑性

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

塑性限度(塑限)

液性限度(液限)

塑性指數(shù)

相應含水率結合性

結合性：它是指粘土能結合非塑性原料形成良好的可塑泥團、

有一定的干燥強度的能力。結合性與可塑性的關系：一般情況下，可塑性強的粘土，

其結合性也大。粘土的結合性的檢測：通常以能夠形成可塑泥團時所加入標

準石英砂(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

后抗折強度來反映。觸變性

觸變性：粘土泥漿或可塑泥團在靜置以后變稠或凝固，當受到攪拌或振動時，粘度降低而流動性增加，再放置一段時間后又能恢復原來狀態(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變化而導致的體積進

一步收縮，稱之為燒成收縮。線收縮S1可按下式計算：

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)學關系如下：

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)。

燒結溫度與燒結范圍粘土加熱過程氣孔率和收縮率的變化1—氣孔率；2—收縮率T1—開始燒結溫度T2—完全燒結溫度T3—軟化溫度燒結范圍：是指完全燒結溫度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到特定軟化程度時的溫度。

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)渣時要注意其成分的的波動。名稱主要來源化學成分

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

低碳煤赤泥燒結法從礬土中提取氧化鋁時所排出的赤色廢渣與水泥熟料化學成分相比，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；通常粘土應盡量不含碎石、卵石；應控制粘土中的堿含量；粘土中氧化鎂含量應小于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、結合性，調(diào)水后成為軟泥，能塑造成形，燒后變得致密堅硬的性能，構成了陶瓷生產(chǎn)的工藝基礎，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

石英是自然界中構成地殼的主要成分。部分以硅酸鹽化合物狀態(tài)存在，構成各種礦物巖石。另一部分則以獨立狀態(tài)存在，成為單獨的礦物實體。雖然它們的化學成分相同，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)膠結細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-互相以頂點連接而成的三維空間架狀結構。

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

二氧化硅有許多結晶型態(tài)和一個玻璃態(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)律對于指導生產(chǎn)具有重要的實際意義。（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，當氧化硅含量不足時，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間。脈石英的二氧化硅含量高，雜質(zhì)少，是生產(chǎn)日用細瓷的良好原料。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要求：Fe2O3+TiO2應小于0.5%，SiO2應大于97%。對石英砂，除成分外，要求粒度一般應在0.25~0.5mm之間，SiO2不小于95%，F(xiàn)e2O3+TiO2應小于1%，高嶺土與氧化鈣含量應小于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]的結構組元形成不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)絡，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，是架狀硅酸鹽結構?；瘜W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)品的機械強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)中使用長石的技術要求

K2O+Na2O總量不小于11%，其中K2O∶Na2O應大于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少，尤其云母呈片狀，難以粉碎，

細小的鱗片狀云母分布在瓷坯中，在產(chǎn)品表面造成斑點和

熔調(diào)。使用中要進行選料和除鐵處理。

長石的熔融溫度應在1230℃以上，熔融溫度范圍應不小于

30~50℃，使用時要進行熔燒實驗。7.4其他天然原料

以上所述的三種天然原料是構成傳統(tǒng)陶瓷的三個基本組分。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，促使燒結時玻璃相的形成。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。晶體結構式為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。

硅灰石屬鏈狀結構的似輝石類礦物?；瘜W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，可滿足先進陶瓷的高性能要求，是先進陶瓷的主要原料?；ぴ系姆N類繁多，以滿足不同先進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，故所構成的陶瓷多具有耐高溫、強度高、良好的化學穩(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）

氧化鋁具有熔點高（約2050℃）、硬度大絕緣性好等優(yōu)點，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，