CN110759715B

CN110759715B - 一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN110759715B
Application number: CN201911067481.7A
Authority: CN
Inventors: 孙熠; 包亦望; 李月明; 沈宗洋
Original assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Current assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN110759715A

Abstract

本发明公开了一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷，由薄胎陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；所述涂层由底部涂层和面部涂层叠加构成，形成由坯体底部至表面热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层。此外，还公开了上述耐摔预应力增强薄胎陶瓷的制备方法。本发明通过在薄胎陶瓷坯体的表面引入双层压应力，来抵消陶瓷坯体在受到外部载荷时断裂产生的拉应力，从而显著提高了薄胎陶瓷强度，避免其受到冲击，达到耐摔的效果，增强了薄胎陶瓷的使用寿命，有效提高了实际使用的安全性。

Description

一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷及其制备方法。

背景技术

薄胎陶瓷，也称“蛋壳瓷”，是誉贯古今的传统产品之一，具有体薄而润、薄如蝉翼等特点，常见的产品有花瓶、灯罩、茶具、笔筒等，轻巧秀丽、薄而透明，深受人们的喜爱。由于坯体太薄（一般约0.5～1mm），薄胎瓷的机械强度会大幅下降，严重影响了产品的成品率。

预应力增强设计是指预先在材料或构件中引入压应力以便抵消外加的拉应力载荷，从而增加了基体受张力而开裂的应变量，达到提高材料断裂强度、可靠性及耐久性的目的。预应力增强设计被广泛用于混凝土结构及钢化玻璃（预应力玻璃）领域。由于陶瓷材料的复杂性，如何实现预应力陶瓷产品的增强，是目前急需研究的课题，同时对陶瓷材料产业节约资源和能源等各方面显示了巨大的、诱人的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷，基于陶瓷受力断裂原理，通过在薄胎陶瓷坯体表面，采用表层匹配法、通过叠加的方式形成热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，为薄胎陶瓷提供预应力，以显著提高薄胎瓷强度从而达到耐摔的效果。本发明的另一目的在于提供上述耐摔预应力增强薄胎陶瓷的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷，由薄胎陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；所述涂层由底部涂层和面部涂层叠加构成，形成由坯体底部至表面热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层。

本发明采用表层匹配法，通过叠加的方式形成具有梯度热膨胀系数和弹性模量的梯度涂层（坯体的热膨胀系数＞底部涂层的热膨胀系数＞面部涂层的热膨胀系数；坯体的弹性模量＜底部涂层的弹性模量＜面部涂层的弹性模量），为坯体提供梯度预应力，从而实现坯体强度的显著提高。

进一步地，本发明所述底部涂层的浆料和面部涂层的浆料，均由各自的基料和粘结剂溶液组成，按照重量比基料∶粘结剂溶液＝1∶1.3～1.6；所述底部涂层的浆料中，其底部基料的原料组成为氧化铝微粉10～20 wt%、石英45～70 wt%、滑石 10～30 wt%、工业氧化锌2～12 wt%、锂辉石2～10 wt%，底部粘结剂溶液为CMC、PVA、PVB溶液中的一种或其组合，其浓度为1～3 wt%；所述面部涂层的浆料中，其面部基料的原料组成为氧化铝微粉5～15 wt%、石英35～60 wt%、方解石0～10 wt%、白云石0～12 wt%、烧滑石 5～15 wt%、工业氧化锌0～8 wt%、锂辉石5～20 wt%，面部粘结剂溶液为CMC、PVA、PVB溶液中的一种或其组合，其浓度为1～5 wt%。

进一步地，本发明所述氧化铝微粉的粒度为800～1500目。

上述方案中，本发明所述薄胎陶瓷坯体的原料组成为高岭土20～40 wt%、石英10～25 wt%、绢云母40～60 wt%、长石0～10 wt%。

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的上述耐摔预应力增强薄胎陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1) 制备薄胎陶瓷坯体

按照所述薄胎陶瓷坯体的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛除铁、陈腐、注浆成型、修坯、干燥工序后，在500～850℃温度下进行素烧，冷却后即得到薄胎陶瓷坯体；

(2) 分别制备底部涂层的浆料和面部涂层的浆料

按照所述底部涂层其浆料中的底部基料的各组成进行配料，加入底部粘结剂溶液作为球磨介质进行球磨混合，过筛后，即制得底部涂层的浆料；同理，制得面部涂层的浆料；

(3) 在所述薄胎陶瓷坯体的表面施加底部涂层的浆料，在室温下阴干后形成底部涂层，然后重复同样的方法，在所述底部涂层的表面施加面部涂层的浆料，在室温下阴干后形成面部涂层，得到热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，即制得具有梯度涂层的薄胎陶瓷坯体；

(4) 将所述具有梯度涂层的薄胎陶瓷坯体进行烧结处理，自然冷却至室温，即制得共烧结的预应力增强薄胎陶瓷。

进一步地，本发明所述步骤(1)薄胎陶瓷坯体的厚度为0.5～1mm。所述步骤(3)底部涂层的涂覆厚度为10～50μm，面部涂层的涂覆厚度为10～30μm。所述步骤(4)在1280～1360℃温度下进行烧结，升温速率为2～6℃/min，保温时间为20～40min。

本发明具有以下有益效果：

(1) 本发明通过在薄胎陶瓷坯体的表面采用预应力梯度涂层材料，以控制底部涂层、面部涂层及坯体三者之间热膨胀系数、弹性模量之间的差异，从而在薄胎陶瓷坯体表面引入双层压应力，来抵消陶瓷坯体在受到外部载荷时断裂产生的拉应力，显著提高了薄胎陶瓷强度，避免其受到冲击，达到耐摔的效果（0.9～1.3米高度掉落不破），增强了薄胎陶瓷的使用寿命，提高了实际使用的安全性。

(2) 本发明原料无毒无污染，对环境友好，整个制备过程绿色清洁无污染。

(3) 本发明工艺简单易行，原料价格低廉，易于工业化应用和推广。

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例一：

1、本实施例一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷，由薄胎陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；涂层由底部涂层和面部涂层叠加构成，形成由坯体底部至表面热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层。其中：

薄胎陶瓷坯体的原料组成为高岭土30 wt%、石英15 wt%、绢云母50 wt%、长石5wt%。

底部涂层的浆料和面部涂层的浆料，均由各自的基料和粘结剂溶液组成，按照重量比基料∶粘结剂溶液＝1∶1.4。

底部涂层的浆料中，其底部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度1000目）15 wt%、石英50 wt%、滑石 22 wt%、工业氧化锌10 wt%、锂辉石3 wt%；底部粘结剂溶液为PVA溶液，其浓度为1 wt%。

面部涂层的浆料中，其面部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度1200目）10 wt%、石英55 wt%、方解石5 wt%、白云石5 wt%、烧滑石 10 wt%、工业氧化锌8 wt%、锂辉石7 wt%；面部粘结剂溶液为PVA溶液，其浓度为1 wt%。

2、本实施例一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷的制备方法，其步骤如下：

(1) 制备薄胎陶瓷坯体

按照上述薄胎陶瓷坯体的原料组成进行配料，经湿法球磨（配料∶球∶水＝1∶2∶0.5～0.7）、过筛除铁（250目筛筛余0.1%）、陈腐（陈腐时间20～24小时）、注浆成型、修坯、干燥工序后，在750℃温度下进行素烧，冷却后即得到厚度为0.8 mm的薄胎陶瓷坯体；

(2) 分别制备底部涂层的浆料和面部涂层的浆料

按照上述底部涂层其浆料中的底部基料的各组成进行配料，加入底部粘结剂溶液作为球磨介质进行球磨混合（基料∶球＝1∶2），过筛后，即制得底部涂层的浆料；同理，制得面部涂层的浆料；

(3) 采用喷釉法首先在上述薄胎陶瓷坯体的表面施加底部涂层的浆料，在室温下阴干后形成底部涂层，然后重复同样的方法，在上述底部涂层的表面施加面部涂层的浆料，在室温下阴干后形成面部涂层，得到热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，即制得具有梯度涂层的薄胎陶瓷坯体；其中，底面涂层的涂覆厚度为40 μm，面部涂层的涂覆厚度为20 μm；

(4) 将上述具有梯度涂层的薄胎陶瓷坯体以4℃/min速率升温，在1300℃温度下进行烧结处理，保温时间为30min，自然冷却至室温，即制得共烧结的预应力增强薄胎陶瓷。

实施例二：

本实施例一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷及其制备方法，与实施例一不同之处在于：

(1) 本实施例的预应力增强薄胎陶瓷，其底部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度1000目）12 wt%、石英57wt%、滑石 18 wt%、工业氧化锌8 wt%、锂辉石5 wt%。其面部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度1200目）10 wt%、石英52 wt%、方解石3 wt%、白云石7 wt%、烧滑石 13 wt%、工业氧化锌8 wt%、锂辉石7 wt%，面部粘结剂溶液为PVB溶液，其浓度为2wt%。

(2) 本实施例制备方法的步骤(1)中，薄胎陶瓷坯体的厚度为1 mm.

(3) 本实施例制备方法的步骤(3)中，底面涂层的涂覆厚度为45 μm，面部涂层的涂覆厚度为30 μm。

(4) 本实施例制备方法的步骤(4)中，升温速率为5℃/min，保温时间为25min，煅烧温度为1320℃。

实施例三：

(1) 本实施例的预应力增强薄胎陶瓷，其薄胎陶瓷坯体的原料组成为高岭土30wt%、石英17 wt%、绢云母48wt%、长石5 wt%。

(2) 本实施例的预应力增强薄胎陶瓷，其底部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度900目）10 wt%、石英57wt%、滑石 19 wt%、工业氧化锌9 wt%、锂辉石5 wt%，底部粘结剂溶液为PVA溶液，其浓度为2 wt%。其面部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度1500目）10 wt%、石英50 wt%、方解石4 wt%、白云石7 wt%、烧滑石 14 wt%、工业氧化锌8 wt%、锂辉石7 wt%，面部粘结剂溶液为PVA溶液，其浓度为2 wt%。

(3) 本实施例制备方法的步骤(1)中，素烧温度为800℃，薄胎陶瓷坯体的厚度为0.9 mm。

(4) 本实施例制备方法的步骤(3)中，底面涂层的涂覆厚度为43 μm，面部涂层的涂覆厚度为21 μm。

实施例四：

(1) 本实施例的预应力增强薄胎陶瓷，其面部基料的原料组成为氧化铝微粉（粒度1500目）13 wt%、石英47 wt%、方解石8 wt%、白云石7 wt%、烧滑石 10 wt%、工业氧化锌6wt%、锂辉石9 wt%，面部粘结剂溶液为PVA溶液，其浓度为2 wt%。

(2) 本实施例制备方法的步骤(1)中，薄胎陶瓷坯体的厚度为0.6 mm。

(3) 本实施例制备方法的步骤(3)中，底面涂层的涂覆厚度为30 μm，面部涂层的涂覆厚度为15 μm；

(4) 本实施例制备方法的步骤(4)中，升温速率为3℃/min，保温时间为35min，煅烧温度为1340℃。

将上述各实施例薄胎陶瓷坯体未涂覆涂层材料、其他条件不变所得到的薄胎陶瓷，作为与各实施例相应的对比例。从相同的高度掉落，对比两者的破碎情况。本发明各实施例所制备得到的耐摔预应力增强薄胎陶瓷的耐摔性能如表1所示。

表1 本发明各实施例所得预应力增强薄胎陶瓷的耐摔性能

Claims

1.一种耐摔预应力增强薄胎陶瓷的制备方法，其特征在于：所述陶瓷由薄胎陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；所述涂层由底部涂层和面部涂层叠加构成，形成由坯体底部至表面热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层；

所述薄胎陶瓷坯体的原料组成为高岭土20～40 wt%、石英10～25 wt%、绢云母40～60wt%、长石0～10 wt%；

所述底部涂层的浆料和面部涂层的浆料，均由各自的基料和粘结剂溶液组成，按照重量比基料∶粘结剂溶液＝1∶1.3～1.6；所述底部涂层的浆料中，其底部基料的原料组成为氧化铝微粉10～20 wt%、石英45～70 wt%、滑石 10～30 wt%、工业氧化锌2～12 wt%、锂辉石2～10 wt%，底部粘结剂溶液为CMC、PVA、PVB溶液中的一种或其组合，其浓度为1～3 wt%；所述面部涂层的浆料中，其面部基料的原料组成为氧化铝微粉5～15 wt%、石英35～60 wt%、方解石3～10 wt%、白云石5～12 wt%、烧滑石 5～15 wt%、工业氧化锌0～8 wt%、锂辉石5～20 wt%，面部粘结剂溶液为CMC、PVA、PVB溶液中的一种或其组合，其浓度为1～5 wt%；所述氧化铝微粉的粒度为800～1500目；

制备方法包括以下步骤：

(1) 制备薄胎陶瓷坯体

按照所述薄胎陶瓷坯体的原料组成进行配料，经湿法球磨、过筛除铁、陈腐、注浆成型、修坯、干燥工序后，在500～850℃温度下进行素烧，冷却后即得到厚度为0.5～1 mm的薄胎陶瓷坯体；

(2) 分别制备底部涂层的浆料和面部涂层的浆料

(3) 在所述薄胎陶瓷坯体的表面施加底部涂层的浆料，在室温下阴干后形成厚度为10～50 μm的底部涂层，然后重复同样的方法，在所述底部涂层的表面施加面部涂层的浆料，在室温下阴干后形成厚度为10～30 μm的面部涂层，得到热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，即制得具有梯度涂层的薄胎陶瓷坯体；

(4) 将所述具有梯度涂层的薄胎陶瓷坯体在1280～1360℃温度下进行烧结处理，升温速率为2～6℃/min，保温时间为20～40min，自然冷却至室温，即制得共烧结的预应力增强薄胎陶瓷，该陶瓷自0.9～1.3米高度掉落不破。