基本信息
- 项目名称：
- 超高强日用瓷的制备和性能表征
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目针对目前日用陶瓷行业高能耗、高资源消耗、高环境负担、低附加值的生产现状，利用相图理论，结合微晶玻璃的制备原理，合成了一种新型熔剂系统，来代替传统的钾钠长石熔剂系统，从而在实现低温液相烧结的同时，得到超高强度日用瓷。
- 详细介绍：
- 我国日用瓷生产量世界第一，但日用瓷的耗能居陶瓷行业之首，每年消耗巨大的资源能源，且生产出的日用瓷大都是低档瓷，出口创汇低，受到了国家政策和法律的诸多限制，本发明针对这种现状利用相图理论，结合微晶玻璃的制备原理，合成了一种新型熔剂系统，该熔剂系统在较低的温度下便可熔融，起到助熔作用，取代传统钾钠长石助熔剂实现陶瓷的低温烧成；在降温过程中能够快速整体析晶，净化晶界，使陶瓷获得高强度。综合实验表明：制备的超高强陶瓷坯体的烧成温度为1220℃，完全满足低温烧成的要求（传统镁质瓷烧成温度为1320℃），烧成温度范围宽（40～50℃，传统镁质瓷15℃），力学性能突出，瓷胎素烧抗弯强度达180MPa以上，上釉后强度达到220MPa，接近工程陶瓷的抗弯强度。确定了最佳的陶瓷烧结制度为阶梯降温烧结制度。XRD表明，瓷胎具有超高强度的原因是瓷胎的高温液相在冷却过程中析出了细小的MgSiO3晶粒，另外还析出了游离的SiO2。从而可以看出本发明实现了低温烧成和高性能的完美统一。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本发明设计了一种新型熔剂系统，来代替传统的钾钠长石熔剂系统，从而在实现低温液相烧结的同时，得到超高强度日用瓷。 本发明创新点在于首次合成了新型熔剂系统，实现了日用瓷低温烧成和超高强度的完美统一; 首次提出了陶瓷寿命的概念，实现了日用瓷的长寿命设计;能够消除陶瓷行业自身存在的高能耗、高资源消耗、高环境负担、低附加值的弊端;设计的熔剂系统适用于所有液相烧结的陶瓷，具有普遍性。 主要技术指标在于新型熔剂系统的高温粘度特性随温度的变化幅度较小；对瓷胎主晶相具有良好的溶解性和润湿性；高温熔体具有较大的表面张力；急冷条件（空冷、控制冷却）下能够快速、几乎全部微晶化，晶粒尺寸不大于10um。
科学性、先进性
- 日用瓷行业是高能耗、高资源消耗、高环境负担、低附加值的产业，受到了我国政策和法律的诸多限制。此外，机械洗刷的广泛应用，使高强日用瓷具有广阔的市场空间。因此节能降耗和提高附加值成了目前日用瓷行业的发展趋势。但现有技术几乎都是在长石矿物熔剂系统基础上，片面强化其熔融效果。在降低烧成温度的同时，也导致瓷胎中出现大量的液相（玻璃相），恶化陶瓷材料的理化性能。 本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，通过设计一种新型熔剂系统，实现日用瓷的低温烧成和超高强度的有机结合。 为了实现上述目的，本发明借鉴微晶玻璃理论，研制出了一种新型熔剂系统，替代传统长石熔剂制备出了低温烧成的超高强陶瓷制品。该熔剂系统在低温下便可熔融，同时在瓷胎冷却过程中能够快速自析晶，使玻璃相转化为晶相。既实现了日用陶瓷的低温烧成，又显著提高了瓷胎的机械强度，使陶瓷的理化性能大大提高，而且也实现了日用瓷的长寿命设计。
获奖情况及鉴定结果
- 经山东省科学技术情报研究所查新（查新编号2011GGB01083），查新结论为：依照用户的委托及国家科技部、山东省科技厅关于科技查新咨询工作的有关文件规定，在现有的检索领域内共检索出密切相关文献0篇，相关文献6篇。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合资经营
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 超高强日用瓷的制备采用一种新型熔剂系统，该熔剂系统在较低温度下便可完全熔融，起到液相烧结助熔作用，制出的镁质瓷坯体烧成温度仅为1220℃；同时在瓷胎冷却过程中能够快速整体自析晶，使玻璃相微晶化，显著提高瓷胎中的晶相含量，所得镁质瓷制品的抗弯强度能够达到220MPa。实现了日用瓷的低温烧成和超高强度完美的统一，以及长寿命设计。该熔剂系统适用于所有液相烧结的陶瓷，具有普遍性。 本发明改变了传统日用瓷行业高能耗、高资源消耗、高环境负担、低附加值的生产现状，加速了陶瓷行业升级转型速度，符合“十二五”规划的要求;所得制品的超高强性能能够满足国际市场对强化瓷的需求,具有广阔的市场前景;提高了日用瓷的使用寿命,能够有效地减轻环境负担。就经济效益而言，以100万件为单位估算，能耗方面可节约80万元，性能提高方面可带来利润600万元。而国内2010年日用陶瓷的需求量高达82亿件，可见本发明带来的经济效益是巨大的。本发明具有很好的产业化前景和极大的市场空间，对陶瓷行业的整体带动作用突出。
同类课题研究水平概述
- 国内对低温快烧技术进行了大量研究，具体如下： 曹南萍、李江等提出了几种降低高铝瓷烧成温度的可行技术方案：在刚玉瓷配料中引入TiO2、MnO2、Cu2O、Cr2O3等外加剂；加入可在烧结中形成足量液相的多元低共熔物，外加剂主要是含SiO2、CaO、MgO、BaO等的原料,如轻质CaCO3、高岭土、滑石、工业BaCO3等，它们按照CaO-MgO-SiO2-Al2O3相图中的最低共熔点组分进行配料,或由生料形式加入,或将各类生料混合细磨后煅烧成复合熔剂再加入。 王继杰等重点讨论了各种工业废渣，如钢铁工业废渣、粉煤灰、磷矿渣、煤矸石，以及废瓷粉、废玻璃粉、燃烧灰烬、废粘土、对于低温快烧的作用。 Nagae Hajime等人利用回收的废瓷粉、废玻璃粉、燃烧灰烬等工业废渣，研制出了一种再生陶瓷的可行性坯料配方：8～20％废瓷粉，20～80％燃烧灰烬，30％废玻璃粉，经1100℃烧成后，吸水率为9.9％，体积密度为2.52g/cm3。 张世英等通过对由玻璃粉料、三聚磷酸钠与熟矾土等结晶态原料组成的配方的烧结动力学研究，获得了一种性能与传统长石瓷相当而烧成温度仅860℃左右的超低温陶瓷，并对“准非反应”的烧结机理进行了探讨。 陈瑞军等人利用废玻璃代替部分水玻璃进行低温陶瓷坯体配方设计，当陶瓷坯体配方中废玻璃与水玻璃总量为16.5％且废玻璃量为8％时，获得性能较好且烧成温度为860℃左右的低温陶瓷坯体。 颜汉军提出降低烧成温度的工艺途径：一是调配适宜的坯、釉组成。碱金属氧化物是助熔能力很强的氧化物，能显著降低粘土质坯体出现液相的温度，并促进坯体中莫来石的形成。另外指出，组合型熔剂成分的引入对促进坯体低温烧成有更好的效果。二是提高坯料的细度。 西方发达国家由于对第三世界国家的产业转移，特别是大量低端陶瓷产业，如建筑陶瓷、卫生陶瓷等的转移，对于传统陶瓷的节能降耗和增效的相关研究很少。 上述技术措施对于大多数液相烧结的陶瓷不具备普遍性，甚至是有害的。例如，液相熔融强化措施固然可以降低烧成温度，但是会导致瓷胎中出现大量的液相（玻璃相），恶化陶瓷材料的理化性能，同时制品的规整度难以保证；工业废料等仅可以用于低档陶瓷的助熔剂；玻璃粉固然可以获得超低温，同时带来了高的变形度和低的理化性能。
