藝術(shù)陶瓷材料的制備與性能研究

賴雙安

(泉州工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362500)

瓷藝術(shù)品是一種“既能觀賞、還能把玩；既能使用，還能投資、收藏”的藝術(shù)品種，重新組織語言，語句不通順。藝術(shù)陶瓷也以其精巧的裝飾美、夢幻的意境美、陶藝的個性美、獨特的材質(zhì)美，形成了特有的陶瓷文化，受到了人們的喜愛，并逐漸成為人們投資收藏的首選，其中SiC多孔陶瓷材料由于其具有耐高溫、耐腐蝕以及力學(xué)與化學(xué)性能穩(wěn)定等特性而受到了人們的普遍關(guān)注[1]，但是由于其制備工藝中影響最終成品質(zhì)量的因素較多，目前市場上的陶瓷制品往往存在折彎強度低和透氣度低等缺陷[2-3]，急需對SiC多孔陶瓷的制備工藝進行研究，以期為氣孔率高、常溫和高溫折彎強度大的多孔藝術(shù)陶瓷的制備提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

以SiC細粉(D50=90 μm)、SiC微粉(D50=2.8 μm)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，D50=32 μm)為原料，化學(xué)成分見表1。

表1 試驗原料的化學(xué)成分 質(zhì)量分數(shù)，單位：%

采用SiC重結(jié)晶燒結(jié)法制備了多孔陶瓷材料，配方表見表2，包括改變成型壓力、SiC微粉含量和造孔劑(PMMA)的加入量。制備工藝包括：配料、磨料(混合后研磨6 h)、結(jié)合劑加入(加入質(zhì)量分數(shù)5%的PVA溶液，然后混煉30 min并過100目篩)、液壓成型、干燥(105 ℃/24 h)、排膠(550 ℃/5 h)和燒結(jié)(真空碳化硅燒結(jié)爐中進行2 300 ℃/2 h保溫)。

參照GB/T2997—2000《致密定形耐火制品體積密度、顯氣孔率和真氣孔率試驗方法》測試陶瓷材料的體積密度、顯氣孔率[4]；參照GB/T3002—2004《耐火材料高溫抗折強度試驗方法》測試陶瓷試樣的常溫和高溫(條件為1 150 ℃，保溫30 min)折彎強度；采用日立S-4800掃描電子顯微鏡對微觀形貌進行觀察。

表2 陶瓷的配方表

2 結(jié)果及討論

2.1 成型壓力

圖1為成型壓力對A100陶瓷試樣體積密度和顯氣孔率的影響?？梢?，當成型壓力為20 MPa時，體積密度和顯氣孔率分別為1.63 g/cm3和49.2%，增加成型壓力至120 MPa，陶瓷試樣的體積密度和顯氣孔率分別為1.82 g/cm3和43.6%。隨著成型壓力升高，A100陶瓷試樣的體積密度逐漸增加，而顯氣孔率逐漸減小。

圖2為成型壓力對A100陶瓷試樣常溫抗折強度的影響。成型壓力為20 MPa時，陶瓷試樣的抗折強度約為23.6 MPa，增加成型壓力至120 MPa，陶瓷試樣的抗折強度達到45.2 MPa。隨著成型壓力升高，A100陶瓷試樣的抗折強度逐漸增大，但是當成型壓力高于100 MPa時，折彎強度變化幅度較小。綜合而言，多孔陶瓷適宜的成型壓力為100 MPa。

2.2 SiC微粉加入量

圖3為 SiC微粉加入量對陶瓷試樣體積密度和顯氣孔率的影響?？梢?，當 SiC微粉加入量為30%時，體積密度和顯氣孔率分別為2.30 g/cm3和28.6%，增加SiC微粉加入量至100%，陶瓷試樣的體積密度和顯氣孔率分別為1.81 g/cm3和44.3%。隨著 SiC微粉加入量的增加，A100陶瓷試樣的體積密度逐漸減小，而顯氣孔率逐漸增加，這主要是因為SiC微粉加入量越大，則微粉吸入的空氣量會越多，相應(yīng)地顯氣孔率越大[5]。

圖2 成型壓力對陶瓷常溫抗折強度的影響

圖3 SiC微粉加入量對陶瓷體積密度和顯氣孔率的影響

圖4為SiC微粉加入量對A100陶瓷試樣折彎強度的影響。當SiC微粉加入量為30%時，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度分別約為32.6 MPa和42.1 MPa，增加SiC微粉加入量至100%，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度分別約為45.2 MPa和53.6 MPa。隨著SiC微粉加入量的增加，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度都呈現(xiàn)出先增加而后減小，然后又逐漸增加的特征，在SiC微粉加入量為70%時，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度最低。此外，相同SiC微粉加入量下，陶瓷試樣的高溫抗折強度高于常溫抗折強度。當SiC微粉加入量在40%～70%時，雖然SiC微粉含量的增加有利于燒結(jié)頸部生長并有利于提高折彎強度[6-7]，但同時顯氣孔率的增加會減小折彎強度。綜合而言，當SiC微粉加入量為40%時，陶瓷試樣具有較高的常溫和高溫折彎強度，且此時的體積密度較高、顯氣孔率較低。

圖4 SiC微粉加入量對陶瓷抗折強度的影響

2.3 造孔劑加入量

圖5為造孔劑加入量對陶瓷試樣(A40B40C40D40)體積密度和顯氣孔率的影響?？梢姡斣炜讋┘尤肓繛?%時，體積密度和顯氣孔率分別為2.23 g/cm3和30.7%，增加造孔劑加入量至9%，陶瓷試樣的體積密度和顯氣孔率分別為1.81 g/cm3和43.4%。隨著造孔劑加入量的增加，陶瓷試樣的體積密度逐漸減小，而顯氣孔率逐漸增加。

圖5 造孔劑加入量對陶瓷體積密度和顯氣孔率的影響

圖6為 SiC微粉加入量對陶瓷試樣(A40B40C40D40)折彎強度的影響。當造孔劑加入量為0時，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度分別約為48.3 MPa和55.2 MPa，增加造孔劑加入量至9%，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度分別約為19.8 MPa和20.6 MPa。隨著造孔劑加入量的增加，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征。在相同的造孔劑加入量下，陶瓷試樣的高溫抗折強度高于常溫抗折強度。

對A40、C40和D40多孔藝術(shù)陶瓷試樣進行掃描電鏡顯微形貌觀察，結(jié)果如圖7，其中灰色區(qū)域為SiC，而黑色區(qū)域為氣孔。對于A40陶瓷試樣，基體中氣孔數(shù)量較多，形狀呈不規(guī)則特征，三維交錯的網(wǎng)狀孔洞貫穿其中，整體氣孔率較高；在陶瓷試樣中添加造孔劑后，氣孔數(shù)量增多，平均孔徑變大，D40陶瓷試樣中已經(jīng)密集分布著尺寸不等的氣孔，此時的折彎強度會減小[8]。

圖6 造孔劑加入量對陶瓷抗折強度的影響

圖7 多孔藝術(shù)陶瓷的顯微形貌

3 結(jié)語

1)當成型壓力為20 MPa時，體積密度和顯氣孔率分別為1.63 g/cm3和49.2%，增加成型壓力至120 MPa，陶瓷試樣的體積密度和顯氣孔率分別為1.82 g/cm3和43.6%。成型壓力為20 MPa時，陶瓷試樣的抗折強度約為23.6 MPa，增加成型壓力至120 MPa，陶瓷試樣的抗折強度達到45.2 MPa。

2)隨著SiC微粉加入量的增加，A100陶瓷試樣的體積密度逐漸減小，而顯氣孔率逐漸增加，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度都呈現(xiàn)出先增加而后減小，然后又逐漸增加的特征，在SiC微粉加入量為70%時，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度最低。

3)當造孔劑加入量為0時，體積密度和顯氣孔率分別為2.23 g/cm3和30.7%，增加造孔劑加入量至9%，陶瓷試樣的體積密度和顯氣孔率分別為1.81 g/cm3和43.4%。隨著造孔劑加入量的增加，陶瓷試樣的常溫和高溫抗折強度都呈現(xiàn)逐漸減小的特征。在相同造孔劑加入量下，陶瓷試樣的高溫抗折強度高于常溫抗折強度。