无机材料工艺原理03配方料设计与计算.ppt
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1、配方(料)设计与计算,本部分讲授内容,配方设计方法配方(料)计算原理配方(料)计算方法及实例,配方设计方法引言,引言 无机非金属材料的生产是一个系统工程:原料选择、配方设计,原料加工、成型制作、窑炉烧成都是其重要内容。配方的设计与计算是获得好产品的一个关键性内容。,配方设计方法引言,传统陶瓷配方的计算程序:靠经验选定化学成分,确定所使用的原料,用原料来满足各种氧化物成分要求,得出配方。再实测该配方所制产品的性能指标,决定是否采用该配方。所得配方往往不是最优的配方。也不便于了解该配方系统的性质和进行配方调整。,配方设计方法引言,如何获得合理的配方?现在已有许多种方法,尚没有最好的方法。确定最佳配
2、方及配方方法的“希望寄托在你们身上!”,配方研制的过程,确定目标评价原料初拟配方加工配料试烧产品测定性能评价效果,目标确定是配方研制的关键,在配方设计中,要准确全面地确定配方的目标。一切工作都要围绕目标来安排。产品的定位确定目标的出发点新建厂或是老厂确定配方的基础新研发产品或是老产品调整确定配方的主要因素。,配方研制的准备工作,在拟定配方之前,应对所用原料的化学组成、矿物组成、物理性质以及工艺性能做全面分析,并根据分析结果有选择地运用到配方设计中去。尤其要注意与相应的工艺装备联系起来。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,提高陶瓷强度的途径:高硅质瓷高铝质瓷,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,本
3、研究通过引入工业氧化铝和一些稀有元素,控制坯体的显微结构和坯釉中间层以在接近普通陶瓷烧成温度的条件下,生产出高强度、高热稳定性的日用陶瓷。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,1.确定原料 选用石英、烧滑石、长石、瓷粉、-Al2O3、苏州土、安溪土、龙岩土、徐水土、建宁土、熟建宁、宽城土、膨润土、球粘土、碳酸钡、氧化钇、氧化锌、锂辉石等为原料。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,原料化学组成(wt%),例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,2.选定工艺过程 原料 配料球磨 过筛 压滤 陈腐 成型 素烧 检测施釉 釉烧 检验,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,确定坯料配方 坯体的化学成分,例1:高铝质
4、强化日用瓷的研制过程,确定坯料配方 烧成后各试样的性能,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,确定坯料配方在上表,4号配方的性能最好,但也与所要求的目标相距甚远。改进方法:加入高可塑性粘土(如球粘土)来改善成型性能;引入微量的添加剂(如氧化钇)来控制制品的显微结构,实现莫来石、刚玉晶粒的均匀细化,避免大裂纹的出现;采用复合熔剂,利用多碱效应降低烧成温度,同时严格烧成制度,增强熔剂效果。可按正交表安排试验。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,改进的坯料配方,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,改进坯料配方后的性能,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,釉料配方的确定目标:提高坯釉适应能力、釉面光泽度等物理
5、性能要求,并全面考虑釉浆生产工艺性能设计原则。方法:在传统长石釉基础上引入更多的瓷粉及加入锂辉石、氧化锌、碳酸钡等添加剂(用正交法做了40多个配方)。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,釉料配方的确定结果:提高釉料的始熔温度,降低高温粘度,克服釉泡等缺陷。使制品的釉面光泽度、平整度、釉面硬度等有了显著提高,且由于锂辉石等的引入,有效调整了釉的热膨胀系数,且大量的瓷粉加强了离子间的相互扩散,增进了坯釉结合和中间层的形成,有效提高了制品的热震性能。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,釉料配方的确定优选确定的33#配方,K2O、Na2O和Li2O的含量有所增加,其白度为75.9%,釉面光泽度89.3
6、%,釉面质量达到了较高水平。这主要是K2O、Li2O熔解石英的能力很强,造成釉料的高温粘度和表面张力下降,高温流动性增加,从而提高釉面的平整度和反射率,使釉面具有高的光泽度。Li2O有利于提高釉层的弹性。这形成了良好的坯釉中间层,且使釉烧冷却后产生了最大可能的釉层压应力,制品的热稳定性达到了240-20水中热交换一次不裂,釉面硬度达7373MPa。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,33#釉料配方的化学组成,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,釉料配方的确定在上述基础上,用工厂目前的生产工艺进行小批量实际生产验证。试产结果表明,所得产品与前述实验阶段所得制品在釉面性能、釉面硬度、热稳定性能等方面
7、相似且略有提高,说明本研究所确定的釉料配方是合理、稳定的。,例1:高铝质强化日用瓷的研制过程,强化瓷新产品检测的检测结果,例2:釉面光泽度与配方的关系,拟定配方的过程与方法目标:满足陶瓷制品性能的要求和生产工艺的需要;选定原料:有矿物原料,有化工原料;有硬质料,有软质料;有的适用于坯料配方中,有的适用于釉料配方中。原料的工艺性能:直接影响生产工艺和瓷器的物理性能。,釉面光泽度与配方的关系,拟定配方的基本资料所用原料的成分:化学组成、矿物组成、颗粒组成;所用原料的物理性质以及工艺性能;原料性能与制品性能间的可能联系。,釉面光泽度与配方的关系,试验方法的选用确定目标:提高釉面的光泽度选用合适的因素
8、和水平;试验设计:如平分法、黄金分割法(即0.618法)、正交设计试验法等;反复试验:小试、中试以及批量生产阶段,最终获得一个较满意的配方并投入大生产使用。,釉面光泽度与配方的关系,国家标准规定产品质量指标必须达到标准方可出口或投向国内市场。1995年“日用陶瓷产品标准”规定:日用瓷器光泽度指标优质品必须85,合格品80。拟定配方应先应考虑瓷器釉面光泽度的要求,科学合理地进行配方设计,优选所需要的各种原料。,釉面光泽度与配方的关系,瓷器的光泽度与釉层表面的平整光滑程度和折射率有关,它取决于光线在釉面产生的镜面反射的程度。如釉层表面光滑,反射效应强烈,则光泽度就好。,例2:釉面光泽度与配方的关系
9、,影响釉面光泽度的因素釉的配方组成和生产工艺釉配方釉的始熔温度、高温粘度和表面张力釉面的平滑程度进而影响光泽度。影响釉面光泽度的表观缺陷有针孔、波浪纹、桔釉、釉缕等。,例2:釉面光泽度与配方的关系,提高瓷器的釉面质量的方法釉面应具有较高的折射率、较高的始熔温度,以利于烧成时排出分解气体,减少釉面针孔缺陷;应具备适当的高温粘度和表面张力,粘度过高在高温时难以铺展和釉层中气体的逸出不利,易引起波纹和桔釉。适当的粘度利于改善釉的高温流动性,降低釉层的显气孔率;适当的表面张力会使釉层在坯体表面得到均匀的铺展,使釉面平整光滑,从而提高光泽度。若釉的表面张力过小,会使釉中的气泡汇集成大气泡,也不利于光泽度
10、的提高。,例2:釉面光泽度与配方的关系,要求釉具有较高的折射率,较高的始熔温度,适当的高温粘度和表面张力。添加适量的PbO、BaO、ZnO、SnO2和SrO等具有高折射率的氧化物。,例2:釉面光泽度与配方的关系,加入一定量的废瓷粉。在釉中加入15%20%的废瓷粉,能提高釉面质量,减少釉层中的气泡和针孔缺陷,改善釉面表观质量。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,一次烧成的优点:简化了工艺流程;节约了能源,降低了成本坯釉结合好,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,原料选择:原则:在保证提高陶瓷釉砖各项烧结性能的条件下,省去素烧工艺,实现产品的一次烧成。原料种类:山西木节、唐山木节、唐山永圩土
11、,辽宁法库土、唐县土。测定粘土的各项物性。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,结合粘土的各项物理性能,迁西膨润土结合性最强,干燥强度也最高,再看一看表,还有什么样的特征。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,结合粘土的化学组成(),例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,结合粘土的选择迁西膨润土结合性最强,干燥强度也最高,但含水釉浆将直接施在未经素烧的干坯表面,坯体表层的膨润土会由于吸收水而出现膨化作用,导致釉面裂纹,因此其用量不能超过3%。唐山木节结合性能和干燥强度较好,但烧失量大(17%以上),尤其是有机成分较高,快烧时容易造成釉面针孔、起泡等缺陷。辽宁法库土和唐县土结合性好,烧失量较
12、小(小于7%),干燥强度也较高,为理想原料,但法库土Fe2O3较高,限制了白坯内内墙砖的应用。唐山永圩土和山西木节烧失量适中(10%12%),且Al2O3含量较高(分别为20%、36%),结合性能和干燥强度均较高,可作瓷土粘性的补充。最终选择了唐县土、唐山永圩土和山西木节作为一次烧成釉面砖坯体配方的粘土原料。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,硬质原料的化学组成(),例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,硬质原料的选择1)瓷石:烧失量小,体积变化小,适合于低温快烧工艺,且储量丰富易于开采,运输距离较近,既可满足坯体配方的要求又可降低生产成本。2)透辉石:可快速升温。透辉石是柱面解理的柱状晶
13、体,利于研磨,且为水分排除提供了通道;透辉石的膨胀系数小,避免了快速升温时造成坯裂缺陷;透辉石质坯体烧结程度好、吸水率低、强度高、晶相多、玻璃相少,且玻璃相又是富碱土金属,其吸湿膨胀小,不易产生后期龟裂。3)滑石:具有滑润性能,坯体脱膜时可减少坯体与模具的摩擦力;还可降低产品的吸湿膨胀,减少釉面砖产品的后期龟裂现象。4)石:可补充Al2O3含量,扩宽坯体烧成范围。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,坯体配方的确定:坯体配方范围:山西木节(1020)、唐山木节、永圩土(510),透辉石(2030)、唐县土(1020)、白D石(1020)、瓷石(2030)、滑石(510)。,例3:一次烧成釉面
14、砖坯釉料配方的研制,坯体配方的确定依据理论计算,参考有关资料初步设计了十几个配方。经对这些配方和性能进行计算和预测,最终选定4个试验配方(见下表)。根据这些配方进行配料、加工、成形后,采用一次烧成工艺,1150烧后试样的各项性能。通过以上烧成试样的性能对比可知,各配方均能烧结成瓷,收缩率能达到模型和产品的尺寸要求,且吸水率符合国家标准。但其中的3号配方的性能最佳。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,坯体配方的确定,坯体的化学组成(质量),例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,坯体配方的确定,烧成后试样的性能,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,坯体配方的确定以性能好的3号配方为蓝本,再运
15、用经验算法,进行大量的梯度试验,对其进行优化,确定最定配方。,坯体配方的化学组成,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,釉料配方的设计原则:始熔点要高于坯体中物质氧化分解反应的最终温度。釉料的膨胀系数要与化妆土和坯体的配方的膨胀系数相一致。釉的熔融温度范围须与坯体的烧成范围相适应。在最高烧成温度下和较短烧成时间内,面釉要有足够的流散度。面釉要有足够的光泽度或较理想的哑光。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,釉用原料及配方试验:熔块:9095%,粘土:510%。确定了熔块使用佛山大陆制釉公司的43L熔块。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,釉料的化学组成(质量),例3:一次烧成釉面砖坯釉
16、料配方的研制,2.釉料配方确定将上述配方加工后施于青坯上进行一次烧成试验。结果表明,2号配方的釉面质量较好,这主要由于2号釉料中K2O、Na2O和B2O3的含量有所增加,特别是K2O熔解石英的能力很强,使釉料的高温粘度和表面张力下降,高温流动性增加。釉液在高温铺展能力的增加使熔融釉液能均匀并平整地覆盖坯体的表面,从而提高釉面的平整度和反射率,使釉面具有高的光泽度。,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,调整:将SrO替代Pb3O4,以提高釉面光泽,最终釉料配方如下:,例3:一次烧成釉面砖坯釉料配方的研制,釉面的性能检测了该釉的各种性能:始熔点:1070;熔融温度范围:11101150;光泽度:
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- 无机 材料 工艺 原理 03 配方 设计 计算
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