建筑卫生陶瓷高温塑性形变的微观机理与调控机制

The deformation of building ceramics & sanitary ware during the manufacturing process has become a big issue which effects the development of lightweight body on the ceramic productions. Especially the micro-mechanism and regulation of pyroplastic deformation are the critical scientific issues. This project is based on the typical components of building ceramics & sanitary ware. The quartz, mullite (transformation of kaolin clay under the high temperature) and feldspar are selected to present the typical ternary system. The effect of Na2O on the phase equilibrium of SiO2-K2O·Al2O3·6SiO2-3Al2O3·2SiO2 area in the K2O-Al2O3-SiO2 phase diagram is studied in this research in order to caculate the content of liquid phase. The law of the influences of morphology of crystals, the size of particles and the distribution of the solid phases in the liquid on the liquid viscosity is explored. And then, the content of liquid phase, the liquid viscosity and apparent viscosity are coupling to gain an insight into the micro-mechanism and controlling of pyroplastic deformation on the building ceramics & sanitary ware. Finally, the theoretical and practical significance of the established micro-mechanism in this study is verified via experimental modeling in order to gain the lightening building ceramics & sanitary ware productions with predesigned shape and size.

建筑卫生陶瓷生产过程中的塑性形变成为阻碍产品轻量化发展的重要问题，特别是高温下塑性形变的微观机理及其抑制方案是亟需深入探索的关键科学问题。本项目根据建筑卫生陶瓷的典型组成，选择石英、莫来石（由高岭土在高温下转变而成）和长石构建具有代表性的三元体系，研究Na2O对 K2O-Al2O3-SiO2相图中SiO2-K2O·Al2O3·6SiO2-3Al2O3·2SiO2区域相平衡关系的影响来计算高温烧成过程中产生诱导发生形变的液相的含量；探索高温熔体中晶体的形貌、粒径及分散程度对高温液相粘度的影响规律；进而耦合液相量、液相粘度与表观粘度三者之间的关系，建立数学模型，阐明建筑卫生陶瓷高温塑性形变的微观机制并提出调控策略。最后，通过模拟实验，验证本研究所建立的证明建筑卫生陶瓷高温塑性形变的微观机理对实际生产的理论指导价值，实现确保获得规定尺寸和形状的轻薄建筑卫生陶瓷产品。

建筑卫生陶瓷制品的高温塑性形变 (pyroplastic deformation) 是特指陶瓷坯体在烧制过程中产生大量液相并在自身重力作用下发生的形状变化。控制陶瓷坯体在烧制过程中的塑性形变是确保获得规定尺寸和形状的陶瓷产品的首要前提条件。研究表明，陶瓷坯体的高温塑性形变量和坯体的厚度有着密切的关系，对陶瓷坯体减薄会造成其高温塑性形变量的急剧增加，同时也会造成陶瓷产品的强度不够，影响产品的抗折和抗压强度。特别是对于建筑卫生陶瓷，由于其尺寸大、形状复杂并且自身重量较重，在成型时通常对建筑卫生陶瓷坯体的壁厚进行加厚处理来减少坯体在烧制过程中产生的高温塑性型变量，借此增加建筑卫生陶瓷产品的强度。但是，加厚处理会造成建筑卫生陶瓷制品偏重，消耗更多的原料。本项目采用二氧化硅、氧化铝、碳酸氢钾为原料，配比了K2O-Al2O3-SiO2系统莫来石区1300°C、1400°C等温线选点的化学组成，重新测定了K2O-Al2O3-SiO2系统莫来石区1300°C、1400°C等温线并讨论了Na2O的加入相平衡的影响。设计了一款适合高温下高粘度连续测量的粘度测量装置对卫生陶瓷高温液相粘度进行了测量，对比不同的模型对陶瓷高温液相粘度预报的准确性并探讨了关于卫生陶瓷高温液相粘度的合适模型(M-SW模型)，同时对模型进行修正，得到适合预报卫生陶瓷高温液相粘度的数学模型。研究了不同的晶相组成和微观形貌对高温塑性形变的影响，均匀分散的固相颗粒大大减少了陶瓷的高温塑性形变。分析探讨添加不同原料卫生陶瓷的高温塑性形变机理，最后归纳出卫生陶瓷高温塑性形变与液相粘度之间的关系。归纳出了液相量，液相粘度及晶相组成的耦合规律，建立了高温液相粘度和卫生陶瓷形变量之间的数学模型。通过研究内容设计出一款新的卫生陶瓷配方，并研究了新配方的高温塑性形变的相关机理。公开发表学术论文 9 篇，其中 SCI 收录 7 篇，培养 5 名硕士研究生。还有若干成果在两年内会陆续发表。