CN113563094A - 陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷，属于陶瓷材料技术领域。陶瓷组合物其按质量百分比计包括：氧化硅65～70％、氧化铝20～23％、氧化铁0.3～0.6％、氧化钙2～5％、氧化镁1～3％、氧化钾2～4％、氧化钠2～4％以及氧化锆0.4～0.7％。采用该陶瓷组合物进行烧制处理，制备得到的耐切削陶瓷以云母相为主晶相还含有莫来石晶须和纳米氧化锆，开发出一种由原位生成的云母晶体和莫来石晶须及外加氧化锆粉体构成的耐切削陶瓷组合物，显著提高陶瓷岩板强度、韧性和耐切削性能的同时，降低陶瓷岩板的加工破损和贴板破损率。

Description

陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷
技术领域
本申请涉及陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷。
背景技术
陶瓷岩板，英文描述是SINTERED STONE，意思是“烧结的石头”，是由天然原料经过特殊工艺，借助万吨(超过15000吨)以上压机压制，结合先进的生产技术，经过一定高温烧制而成，能够经得起切割、钻孔、打磨等加工过程的超大规格新型瓷质材料。作为一种新型建筑装饰材料，陶瓷岩板具有板面大、强度高、重量轻、耐磨损、耐酸碱、耐高温、无放射、零吸水、零渗透、防火阻燃、环保耐用、质感细腻、外观时尚、整洁大方、经久耐用、加工方便、灵活定制、不怕污染、极易清洁、抗菌抑菌、不藏污纳垢、仿真3D纹理、无毒无辐射、安装效率高、装饰效果好、板面不容易划伤、无有害金属元素、施工劳动强度低、适应后期深加工工艺等特点。陶瓷岩板由于其卓越的性能，可广泛应用在地面、幕墙、家居装饰(空间立面装饰、衣柜饰面板、橱柜饰面板等家具装饰以及门饰面板)和实验室等要求严苛的环境等，同时也可以应用在全空间墙地一体化方案(地面装饰铺贴、墙面装饰铺贴、背景墙装饰、柱面装饰)、异型加工***方案(家具台面板、橱柜台面板、楼梯梯级板、柱面装饰加工、橱台支撑面板)，具体地可以广泛应用于酒店、会所、实验室、公共建筑、特殊场所(如医院)等场所。相对于金属、木材、布艺、塑料、皮革、涂料、天然石材、人造石材、人造板材等传统家居空间装修而言，陶瓷岩板的优势也十分明显，如陶瓷岩板不会出现如人造板材会长时间散发出有害物质，存在寿命短，易开裂、起皮、怕水泡等缺陷问题，也不可能遭遇白蚁的侵袭；不会出现人造石时间一长出现变色、发霉、发臭等缺陷；相较天然石材，陶瓷岩板具有无辐射、来源广泛、价格低廉等优点；因此，陶瓷岩板可以进阶建筑、装饰风格，使其从家居陈设到总体设计多方面都可以应用到。作为一种绿色、环保的建筑、家居、装修材料，陶瓷岩板优良的特点和性能很受欢迎，也正在逐步取代一部分石材产品。随着陶瓷岩板制备和加工工艺的更加完善和成熟，以及成本的逐步下降，岩板一定会像瓷砖一样在建筑装饰领域遍地开花，处处生辉。近两年来，不少建筑陶瓷企业相继投产陶瓷岩板生产线，陶瓷岩板已然成为建筑陶瓷行业研究和生产的新热点，是未来建筑陶瓷应用发展的必然趋势。因此，陶瓷岩板制备新技术的开发或产品质量提升技术方案的研发意义重大。
尽管陶瓷岩板具有一系列优异的特性和广阔的应用市场，也已经有不少陶瓷岩板制备工艺和产品的专利和报道。但如果把岩板从国内自己开始制造算起，从2017年到现在才五个年头。同时，目前的陶瓷岩板普遍存在材质“硬”带“脆性”的特点，使得其冷加工难，导致陶瓷岩板的加工破损和贴板破损率高达8％以上，是陶瓷岩板制备新技术开发要解决的最核心问题之一。
发明内容
本申请的目的在于提供一种陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷，其能提高陶瓷的切削性能和可加工性能。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种陶瓷组合物，其按质量百分比计包括：氧化硅65～70％、氧化铝20～23％、氧化铁0.3～0.6％、氧化钙2～5％、氧化镁1～3％、氧化钾2～4％、氧化钠2～4％以及氧化锆0.4～0.7％。
第二方面，本申请实施例提供一种耐切削陶瓷的制备方法，包括：采用如第一方面实施例提供的陶瓷组合物进行烧制处理。
第三方面，本申请实施例提供一种耐切削陶瓷，耐切削陶瓷的主晶相为云母相，耐切削陶瓷还含有莫来石晶须和纳米氧化锆。
本申请实施例提供的陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷，有益效果包括：
本申请提供的陶瓷组合物，具有特定的化合物组成，使得在烧制该陶瓷组合物制备耐切削陶瓷时具有合适的液相体系，能够在耐切削陶瓷中原位生成云母相作为主晶相，并能够在耐切削陶瓷中原位生成莫来石晶须和掺杂纳米氧化锆。
本申请提供的耐切削陶瓷，以云母相作为主晶相，能够提高陶瓷的耐切削性能。同时，通过原位生成莫来石晶须和纳米氧化锆掺杂，能够提高陶瓷的强度和云母相之间的层间结合力，从而能够实现对陶瓷的强韧化，进而能够提高陶瓷的可加工性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的耐切削陶瓷的断面的第一个FE-SEM照片；
图2为本申请实施例1提供的耐切削陶瓷的断面的第二个FE-SEM照片。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，本申请中的“和/或”，如“特征1和/或特征2”，均是指可以单独地为“特征1”、单独地为“特征2”、“特征1”加“特征2”，该三种情况。
另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“一种或多种”中的“多种”的含义是指两种及两种以上；“数值a～数值b”的范围包括两端值“a”和“b”，“数值a～数值b+计量单位”中的“计量单位”代表“数值a”和“数值b”二者的“计量单位”。
下面对本申请实施例的陶瓷组合物、耐切削陶瓷的制备方法及耐切削陶瓷进行具体说明。
发明人研究发现，目前常规的规陶瓷岩板的主晶相是残余石英，其切削能非常高，是导致陶瓷岩板加工和贴板容易破损的重要原因。发明人还研究发现，云母相的切削能低，选用云母相作为主晶相能够有效提高陶瓷岩板的切削性能。但是，现有的陶瓷岩板的制备工艺不容易制备得到以云母相作为主晶相的陶瓷岩板；而且，由于云母本身强度较低且层间结合力也较低，其会对陶瓷的机械强度和加工韧性造成影响，从而影响陶瓷岩板的加工性能。
第一方面
本申请实施例提供一种陶瓷组合物，其按质量百分比计包括：
氧化硅65～70％，该氧化硅在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为65％、66％、67％、68％、69％和70％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化铝20～23％，该氧化铝在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为20％、21％、22％和23％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化铁0.3～0.6％，该氧化铁在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为0.3％、0.4％、0.5％和0.6％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化钙2～5％，该氧化钙在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为2％、3％、4％和5％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化镁1～3％，该氧化镁在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为1％、1.5％、2％、2.5％和3％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化钾2～4％，该氧化钾在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为2％、2.5％、3％、3.5％和4％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化钠2～4％，该氧化钠在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为2％、2.5％、3％、3.5％和4％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
氧化锆0.4～0.7％，该氧化锆在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为0.4％、0.5％、0.6％和0.7％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
可以理解的是，本申请实施例提供的陶瓷组合物还含有不可避免的杂质和烧失组分。为了较好地控制陶瓷组合物在烧制过程中和烧制后的体系，作为一种示例，该陶瓷组合物按质量百分比计还包括烧失组分2～4％，该烧失组分在陶瓷组合物中的质量百分比例如但不限于为2％、2.5％、3％、3.5％和4％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
本申请提供的陶瓷组合物，具有特定的化合物组成，使得在烧制该陶瓷组合物制备陶瓷材料时具有合适的液相体系，能够在陶瓷材料中原位生成片状云母相作为主晶相，并能够原位生成莫来石晶须。
本申请提供的陶瓷组合物烧制得到的陶瓷材料，能够以云母相作为主晶相，同时原位生成莫来石晶须和掺杂纳米氧化锆。其中，以云母相作为主晶相，能够明显降低陶瓷材料的切削能，从而能够有效提高陶瓷的耐切削性能。同时，通过原位生成莫来石晶须和掺杂纳米氧化锆，能够提高陶瓷材料的强度和陶瓷材料中云母相之间的层间结合力，从而能够实现对陶瓷材料的强韧化，进而能够提高陶瓷材料的可加工性能。
为了更好地控制该烧陶瓷组合物制得到的陶瓷材料中纳米氧化锆的掺杂情况，作为一种示例，氧化锆为四方氧化锆，其粒径D50为0.1～5μm，例如但不限于为0.1μm、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm和5μm中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
在一些示例性的实施方案中，陶瓷组合物中结合由非水沉淀法制备高分散性纳米氧化锆粉体，即该氧化锆为由非水沉淀法制备的纳米氧化锆。
第二方面
本申请实施例提供一种耐切削陶瓷的制备方法，包括：采用如第一方面实施例提供的陶瓷组合物进行烧制处理。
作为一种示例，该耐切削陶瓷为陶瓷岩板，其大小规格和厚度规格均可以按照本领域公知的标准选择和确定。
需要说明的是，在本申请提供的耐切削陶瓷的制备方法的实施工艺中，除有特别说明之外，其操作步骤以及操作参数均可以根据本领域公知的标准进行选择和确认，不受特别限制。
在一些可选的实施方案中，耐切削陶瓷的制备方法包括依次进行的如下步骤：按照第一方面实施例提供的陶瓷组合物的配方进行配料；投球料；将球料过筛出铁；喷粉料；压机压制粉料；喷釉；喷墨打印；入釉烧；以及，分选包装。
在另一些可选的实施方案中，烧制处理为釉烧，烧制温度为1140～1200℃，例如但不限于为1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃和1200℃中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值；烧制时间为1～3h，例如但不限于为1h、1.5h、2h、2.5h和3h中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
作为一种示例，在烧制处理为釉烧的实施方案中，烧制温度为1160℃，烧制时间为2h。
第三方面
本申请实施例提供一种耐切削陶瓷，耐切削陶瓷的主晶相为云母相，耐切削陶瓷还含有莫来石晶须和纳米氧化锆。
本申请实施例提供的耐切削陶瓷，其原料示例性地包括如第一方面实施例提供的陶瓷组合物，或者，其示例性地由如第二方面实施例提供的耐切削陶瓷的制备方法制备得到。
作为一种示例，纳米氧化锆为外加的由非水沉淀法制备得到的高分散性的纳米级氧化锆。
本申请提供的耐切削陶瓷，云母相作为主晶相，云母片具有低切削能，能够提高陶瓷的耐切削性能。主晶相中的片状大晶体交错咬颌；同时，通过原位生成莫来石晶须和掺杂纳米氧化锆提高陶瓷的强度和云母相之间的层间结合力，从而能够实现对陶瓷的强韧化，进而能够提高陶瓷的可加工性能。
在本申请提供的耐切削陶瓷中，云母相、莫来石晶须和纳米氧化锆按照上述质量比例进行控制，组织之间能够较好地配合，能够更好地协调耐生产成本以及切削陶瓷的耐切削性能和可加工性能。
作为一种示例，耐切削陶瓷的元素组成按质量百分比计包括：
42～46％的O，该O元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为42％、43％、44％、45％和46％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
1～2％的Na，该Na元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为1％、1.5％和2％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
1～2％的Mg，该Mg元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为1％、1.5％和2％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
14～17％的Al，该Al元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为14％、15％、16％和17％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
34～38％的Si，该Si元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为34％、35％、36％、37％和38％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
0.4～0.8％的K，该K元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为0.4％、0.5％、0.6％、0.7％和0.8％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
0.8～1.2％的Fe，该Fe元素在耐切削陶瓷中的质量百分比例如但不限于为0.8％、0.9％、1％、1.1％和1.2％中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
在本申请提供的耐切削陶瓷中，元素组成按照上述比例分配时，能够更好地形成以云母相为主相并原位生成合适的量的莫来石晶须的组织结构，有利于更好地调控耐切削陶瓷的耐切削性能和可加工性能。
本申请提出借助氧化锆陶瓷粉体和莫来石陶瓷晶须联合增强、增韧陶瓷岩板，开发出一种由氧化锆陶瓷粉体、莫来石陶瓷晶须和陶瓷岩板构成的耐切削陶瓷组合物，显著提高陶瓷岩板强度、韧性和耐切削性能的同时，降低陶瓷岩板的加工破损和贴板破损率。本申请技术开发团队的前期研究过程发现，目前尚没有高质量莫来石晶须的供应商，网上零星号称的莫来石晶须供应商提供的实际也只是莫来石粉体。为此，本申请通过开发能原位形成以耐切削性好的片状云母晶体和莫来石晶须的配方体系，辅助外加景德镇陶瓷大学提出的非水沉淀法制备高分散性纳米氧化锆粉体(ZL201510950063.8)，联合提高复合陶瓷岩板的强度、韧性和耐切削性能。尤其是原位形成的莫来石晶须和非水沉淀法制备高分散性纳米氧化锆粉体的引入不仅可以有效提高陶瓷岩板片层结构的层间结合强度、产品的结晶度和韧性。利用纳米氧化锆粉体在岩板配方高温形成的熔体中表面离子化并进入岩板片层结构的层间、增强片层间结合力，结合氧化锆颗粒的相变增韧和弥散增韧；并借助莫来石晶须多种增强、增韧机制的耦合效应，能够有效解决现有陶瓷岩板存在生产和后续加工时极容易出现开裂、甚至炸裂等缺陷的问题，提高了干燥和烧成合格率，降低了岩板的加工破损率，并提高了岩板的强度、韧性和硬度，开发出了一种新型耐切削陶瓷的制备方法及耐切削复合陶瓷材料。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例
一种耐切削陶瓷，其制备方法包括：
S1.根据陶瓷组合物的配方进行配料。
S2.投球料。
S3.将球料过筛出铁。
S4.喷粉料。
S5.压机压制粉料。
S6.喷釉。
S7.喷墨打印。
S8.入釉烧。
S9.分选包装。
在各实施例和对比例中，S1步骤中的陶瓷组合物的组分如表1所示，S9步骤中的烧制参数如表2所示。
表1.陶瓷组合物的组分(wt％)
Figure BDA0003231822410000101
需要说明的是，陶瓷组合物的组分中的各组分的含量为经过XRF测试得到的结果，其可能存在不可避免的测试和取值误差，因此其总量相对于100wt％存在较小的误差是可以理解的。
表2.烧制参数
项目 烧制温度(℃) 烧制时间(h)
实施例1 1160 2
实施例2 1200 1
实施例3 1140 3
实施例4 1150 2.5
实施例5 1190 1.5
实施例6 1180 1.5
实施例7 1170 2
实施例8 1160 2
实施例9 1160 2
对比例1 1120 0.8
试验例1
图1～2为实施例1提供的耐切削陶瓷的断面FE-SEM照片。
在图2所示的FE-SEM照片中选取如“﹢1”和“﹢2”标记的两个检测点位，获取耐切削陶瓷的EDS测试结果，其结构如表3所示。根据耐切削陶瓷的EDS测试结果，对耐切削陶瓷的元素组成进行分析。
表3.耐切削陶瓷的EDS测试结果
Figure BDA0003231822410000111
Figure BDA0003231822410000121
需要说明的是，耐切削陶瓷的EDS测试结果中，可能存在不可避免的测试和取值误差，因此其总量相对于100wt％存在较小的误差是可以理解的。
根据图1～2可知，实施例1提供的耐切削陶瓷中，存在大量的片状物和棒状材料。结合EDS测试结果分析，该片状物为云母片，该棒状材料为莫来石晶须。
试验例2
对各实施例和对比例制备得到的耐切削陶瓷的成品率和加工破损率进行统计，以获得耐切削陶瓷的耐切削性能和可加工性能。
统计结果如表4所示。
表4.成品率和加工破损率
项目 成品率(％) 加工破损率(％)
实施例1 99.82 0.08
实施例2 98.86 0.12
实施例3 98.75 0.12
实施例4 97.56 0.14
实施例5 96.82 0.16
实施例6 96.58 0.16
实施例7 96.53 0.18
实施例8 96.48 0.18
实施例9 96.21 0.22
对比例1 72.33 10.89
根据表4可知，本申请的实施例提供的耐切削陶瓷，均具有非常高的成品率和较低的加工破损率。而在对比例1中，其并未添加氧化锆进行配合，烧制温度偏低且烧制时间偏短，耐切削陶瓷的成品率显著降低且加工破损率显著升高。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种陶瓷组合物，其特征在于，其按质量百分比计包括：氧化硅65～70％、氧化铝20～23％、氧化铁0.3～0.6％、氧化钙2～5％、氧化镁1～3％、氧化钾2～4％、氧化钠2～4％以及氧化锆0.4～0.7％。
2.根据权利要求1所述的陶瓷组合物，其特征在于，其按质量百分比计包括：所述氧化硅65～67％、所述氧化铝21～23％、所述氧化铁0.4～0.5％、所述氧化钙2～3％、所述氧化镁1～2％、所述氧化钾2～3％、所述氧化钠2～3％以及所述氧化锆0.5～0.6％。
3.根据权利要求1所述的陶瓷组合物，其特征在于，所述氧化锆为四方氧化锆，粒径D50为0.1～5μm。
4.根据权利要求1所述的陶瓷组合物，其特征在于，所述氧化锆为由非水沉淀法制备的纳米氧化锆。
5.根据权利要求1～4任一项所述的陶瓷组合物，其特征在于，其按质量百分比计还包括：烧失组分2～4％。
6.一种耐切削陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：采用如权利要求1～5任一项所述的陶瓷组合物进行烧制处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述烧制处理为釉烧，烧制温度为1140～1200℃，烧制时间为1～3h。
8.一种耐切削陶瓷，其特征在于，所述耐切削陶瓷的主晶相为云母相，所述耐切削陶瓷还含有莫来石晶须和纳米氧化锆。
9.根据权利要求8所述的耐切削陶瓷，其特征在于，所述纳米氧化锆为外加的由非水沉淀法制备得到的纳米级氧化锆。
10.根据权利要求8或9所述的耐切削陶瓷，其特征在于，所述耐切削陶瓷的元素组成按质量百分比计包括：42～46％的O、1～2％的Na、1～2％的Mg、14～17％的Al、34～38％的Si、0.4～0.8％的K以及0.8～1.2％的Fe。
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