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陶瓷燒成過程中的物理變化和化學(xué)反應(yīng)
發(fā)布時(shí)間：
2025-02-15 08:54
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一、陶瓷燒成過程中的物理變化
1.水分蒸發(fā)
自由水蒸發(fā)：在陶瓷坯體干燥和燒成初期階段，坯體中存在的自由水會首先開始蒸發(fā)。這部分水分主要存在于坯體顆粒之間的孔隙和表面，隨著溫度升高，水分獲得足夠能量，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，從坯體中逸出。一般在室溫到 100℃左右的溫度范圍內(nèi)，自由水基本蒸發(fā)完畢。
2.體積收縮
干燥收縮：在水分蒸發(fā)過程中，由于水分的排出，坯體顆粒間的距離減小，顆粒相互靠攏，坯體整體體積會發(fā)生收縮，這種收縮在干燥階段較為明顯，一般干燥收縮率在 3% - 10% 左右，具體取決于坯體的配方和成型工藝等因素。
燒成收縮：在高溫?zé)呻A段，隨著溫度進(jìn)一步升高，坯體中的物質(zhì)開始發(fā)生遷移和重排。顆粒間的接觸更加緊密，一些孔隙被填充，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生變化，導(dǎo)致坯體進(jìn)一步收縮。燒成收縮率通常在 10% - 20% 左右，這一階段的收縮對陶瓷的最終尺寸和形狀精度影響較大。
3.密度變化
孔隙減少致密度增加：隨著水分蒸發(fā)和坯體收縮，坯體內(nèi)部的孔隙逐漸減少，物質(zhì)變得更加致密。在燒成過程中，特別是在高溫階段，顆粒間的物質(zhì)會通過擴(kuò)散等方式填充孔隙，使得陶瓷的致密度不斷提高，密度也相應(yīng)增加。例如，普通陶瓷在燒成后，密度可能會比燒成前提高 10% - 30%。
晶相轉(zhuǎn)變影響密度：一些陶瓷在燒成過程中會發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，不同晶相的密度不同，從而也會導(dǎo)致陶瓷整體密度發(fā)生變化。如石英的晶型轉(zhuǎn)變，從低密度的晶型轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊木蜁r(shí)，陶瓷的密度會相應(yīng)增大。
4.熱膨脹
均勻熱膨脹：在加熱過程中，陶瓷坯體中的原子和分子熱運(yùn)動加劇，原子間的平均距離增大，導(dǎo)致坯體整體發(fā)生熱膨脹，尺寸均勻增大。熱膨脹系數(shù)是衡量陶瓷熱膨脹特性的重要指標(biāo)，不同類型的陶瓷熱膨脹系數(shù)有所不同，一般在 (5 - 15)×10??/℃的范圍內(nèi)。
各向異性熱膨脹：對于一些具有晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷，由于晶體在不同方向上的原子排列和化學(xué)鍵性質(zhì)不同，會呈現(xiàn)出各向異性的熱膨脹特性。即在不同方向上的熱膨脹系數(shù)不同，這可能會導(dǎo)致陶瓷在燒成過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響陶瓷的結(jié)構(gòu)完整性和性能。
5.相轉(zhuǎn)變
晶型轉(zhuǎn)變：陶瓷中的許多礦物和化合物在不同溫度下會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。如石英在 573℃時(shí)會發(fā)生 α - 石英向 β - 石英的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致晶體的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生變化，但不涉及化學(xué)組成的改變。
玻璃相形成：在高溫下，陶瓷中的一些低熔點(diǎn)物質(zhì)會熔融形成玻璃相。玻璃相是一種非晶態(tài)的物質(zhì)，它在陶瓷中起到粘結(jié)晶體顆粒、填充孔隙的作用，使陶瓷具有更好的致密度和表面光潔度。玻璃相的形成溫度一般在 800℃ - 1200℃左右，具體取決于陶瓷的配方和成分。
6.熔融與凝固
低熔點(diǎn)物質(zhì)熔融：陶瓷原料中通常含有一些低熔點(diǎn)的成分，如長石中的鉀、鈉等堿金屬氧化物，在高溫下這些物質(zhì)會首先開始熔融。一般在 1000℃ - 1300℃的溫度范圍內(nèi)，低熔點(diǎn)物質(zhì)會完全熔融形成液相，這些液相在陶瓷坯體中起到潤滑劑的作用，促進(jìn)顆粒間的物質(zhì)遷移和重排。
冷卻凝固：在燒成結(jié)束后，陶瓷制品開始冷卻，此時(shí)熔融的液相會逐漸凝固。液相凝固過程中會將周圍的晶體顆粒粘結(jié)在一起，形成一個(gè)整體的陶瓷結(jié)構(gòu)，冷卻凝固過程對陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有重要影響。
二、陶瓷燒成過程中的化學(xué)反應(yīng)
1.脫水反應(yīng)
黏土類礦物脫水：陶瓷原料中的黏土礦物通常含有結(jié)晶水，在加熱到一定溫度時(shí)，會發(fā)生脫水反應(yīng)。以高嶺土為例，其主要成分是高嶺石，在 400 - 600℃時(shí)，高嶺石會失去結(jié)構(gòu)中的羥基（-OH），發(fā)生脫水反應(yīng)，反應(yīng)方程式大致為：
氫氧化物脫水：原料中的一些氫氧化物也會在燒成過程中脫水。如氫氧化鋁Al(OH)3，在較低溫度下就會開始脫水，反應(yīng)方程式為：
2.碳酸鹽分解反應(yīng)
碳酸鈣分解：陶瓷原料中的方解石等含有碳酸鈣CaCO3，當(dāng)溫度升高到 800 - 900℃時(shí)，碳酸鈣會分解產(chǎn)生氧化鈣和二氧化碳，反應(yīng)方程式為：
碳酸鎂分解：碳酸鎂MgCO3在較低溫度下也會分解，反應(yīng)方程式為：
3.氧化反應(yīng)
有機(jī)物氧化：原料中可能含有一些有機(jī)物，在燒成初期，隨著溫度的升高，有機(jī)物會與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳和水等物質(zhì)，以纖維素\(C6H10O5)n為例，反應(yīng)方程式可表示為：
硫化物氧化：如果原料中含有黃鐵礦FeS2等硫化物，在高溫下會與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，如：
低價(jià)金屬氧化物氧化：陶瓷中的一些金屬元素可能以低價(jià)態(tài)存在，在燒成過程中會被氧化為高價(jià)態(tài)。如氧化亞鐵FeO在有氧氣存在的情況下，會被氧化為三氧化二鐵Fe2O3，反應(yīng)方程式為：
4.還原反應(yīng)
在還原氣氛燒成時(shí)，會發(fā)生還原反應(yīng)。如陶瓷原料中常含有鐵的氧化物，如三氧化二鐵Fe2O3。在還原氣氛下，F(xiàn)e2O3會被還原為氧化亞鐵FeO，反應(yīng)方程式為：
當(dāng)還原程度不同時(shí)，還可能生成金屬鐵，F(xiàn)eO進(jìn)一步被還原為Fe的反應(yīng)方程式為：
氧化亞鐵的存在可以降低陶瓷的熔點(diǎn)，促進(jìn)坯體的燒結(jié)，并且能使陶瓷呈現(xiàn)出不同的顏色，如青色、灰色等。
5.固相反應(yīng)
莫來石生成：在陶瓷燒成的高溫階段，氧化鋁Al2O3和二氧化硅SiO2會發(fā)生固相反應(yīng)生成莫來石3Al2O3·2SiO2，反應(yīng)方程式為：
尖晶石生成：當(dāng)原料中有氧化鎂MgO和氧化鋁Al2O3時(shí)，在高溫下會反應(yīng)生成尖晶石MgAl2O4，反應(yīng)方程式為：
6.液相反應(yīng)
在高溫下，陶瓷中的一些助熔劑會形成液相，與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。如長石在高溫下會形成液相，與黏土等物質(zhì)中的成分發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)陶瓷的燒結(jié)，使陶瓷更加致密，強(qiáng)度提高。
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