一种高强度离子交换预应力钠长石质瓷的制备方法及其陶瓷制品与流程

本发明涉及日用陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种增强预应力钠长石质瓷的制备方法及其陶瓷制品。

背景技术：

钠长石质瓷，具有洁白细腻、规整度高、透明度好的特点，是一种以含钠长石的瓷石为主体原料制成的一种高级日用细瓷。该瓷所用原料质量好、储量丰富、价格便宜，因此成本低，具有很好的经济效益和社会效益，在制瓷技术的研究方面也具有重要的学术价值。但是，钠长石熔融范围窄、高温粘度小、易变形，导致钠长石质瓷产品存在强度低、热稳定性差的缺点。因此，提高钠长石质瓷的机械强度及热稳定性对于提升陶瓷材料的安全可靠性及耐久性具有重要意义。

对于传统日用陶瓷材料而言，目前主要是通过提高瓷坯的烧结致密度、细化晶粒，或者，引入增强相，即直接引入高强度第二相颗粒或晶须，来实现陶瓷强度的提高。但这些方法均受到施工设备、生产成本等因素的限制，很难在高级日用细瓷领域进行大规模的推广应用。此外，现有的预应力增强方法难以满足日用陶瓷材料的使用需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度离子交换预应力钠长石质瓷的制备方法，用熔盐中半径较大的碱金属离子替换钠长石质瓷表层半径较小的钠金属离子，以此增强钠长石质瓷的抗折强度及热稳定性，从而有利于形成强度高、可靠性好、耐久性好的预应力钠长石质陶瓷材料。本发明的另一目的在于提供利用上述高强度离子交换预应力钠长石质瓷的制备方法制得的陶瓷制品。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种高强度离子交换预应力钠长石质瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钠长石质瓷坯体进行烧结处理；

(2)将所述烧结完成处于随后冷却过程的钠长石质瓷坯体置于碱金属熔盐中进行保温处理，以实现材料表面的离子交换；

(3)所述保温处理结束后，取出钠长石质瓷自然冷却至室温，水洗后即制得高强度离子交换预应力钠长石质瓷制品。

进一步地，本发明所述步骤(2)烧结完成处于随后冷却过程的钠长石质瓷，冷却至350～500℃时置于同样温度的碱金属熔盐中保温1～10h。

上述方案中，本发明所述碱金属熔盐为kno3、rbno3、csno3中的一种或其组合。

上述方案中，本发明所述钠长石质瓷坯体按重量份数其原料组成为瓷石25～35、石英0～10、高岭土45～55、长石15～20；其中，所述瓷石的矿物组成为石英60～70wt％、钠长石30～40wt％。所述钠长石质瓷坯体其原料的化学组成为：sio265～73wt％、al2o318～22wt％、fe2o30～0.5wt％、(mgo+cao)1.5～2wt％、na2o1.5～2.5wt％、k2o0.1～0.5wt％、i.l4～9wt％。

进一步地，本发明所述步骤(1)中钠长石质瓷坯体在1220～1260℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为2～4h。

本发明提供的利用上述高强度离子交换预应力钠长石质瓷的制备方法制得的陶瓷制品，其抗折强度＞125mpa，抗折强度的提高率≥30％；其热稳定性180～20℃循环不裂次数为3～5次。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过离子交换改变材料的表面组成。在材料温度高时，利用熔盐中半径较大的碱金属离子替换钠长石质瓷表层半径较小的钠金属离子；随后由高温冷却到常温的过程中，半径较大的碱金属离子受到挤压，从而给材料提供预压力，在表面形成较强的压应力，增加了陶瓷基体从受力到破坏的应变量，大大推迟了陶瓷坯体裂缝的出现，能够有效防止坯体过早开裂破坏，从而极大地提高了钠长石质陶瓷制品的强度(抗折强度为125mpa以上，提高率为30％以上)，同时也达到了提高陶瓷构件整体的韧性、可靠性及耐久性的目的。

(2)本发明通过离子交换的方式增强钠长石质砖，有助于提高日用陶瓷的热稳定性，降低日用陶瓷生产过程中的损耗率，而且有利于提高日用陶瓷的使用寿命及生命周期，为日用陶瓷行业的可持续发展发挥重要作用。

(3)本发明在钠长石质瓷冷却过程中进行熔盐离子交换，极大地节约了能耗和资源。并且制备方法及应用生产简单易控、成本低，沿用现有的工艺成熟的陶瓷生产设备即可，有助于推广应用，具有很高的实用价值和应用前景。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例离子交换原理示例图(r为钾离子(k)、铷离子(rb)、铯离子(cs)中的一种或其组合，na为钠离子)。

具体实施方式

1、本发明实施例钠长石质瓷坯体，按照重量份数其原料组成为：瓷石30(含石英60wt％、钠长石40wt％)、石英5、高岭土50、长石15。其化学组成为：sio270wt％、al2o320wt％、fe2o30.1wt％、(mgo+cao)1.7wt％、na2o2wt％、k2o0.4wt％、i.l5.8wt％。

2、本发明实施例钠长石质瓷坯体的制备方法为：

按照上述配方组成将原料混合，经碎样、湿法球磨、过筛除铁、在90℃温度下干燥后，加入6％的水造粒，并过60目筛而得到粉料；然后将粉料采用金属膜压坯，成型压力为20mpa，保压30s，通过单面加压，制得长40mm×宽10mm×厚5mm的钠长石质瓷坯体样品。

3、本发明实施例高强度离子交换预应力钠长石质瓷的制备方法，其步骤如下：

(1)将上述钠长石质瓷坯体样品在1220～1260℃温度下进行烧结，烧成时间为1～4h，保温时间为2～4h(各实施例烧结制度见表1)；

(2)上述烧结后的钠长石质瓷在冷却至350～500℃时置于同样温度的碱金属熔盐中保温1～10h，以实现材料表面的离子交换(各实施例离子交换工艺参数见表2)；

(3)上述保温处理结束后，取出钠长石质瓷自然冷却至室温，水洗后即制得高强度离子交换预应力钠长石质瓷制品。

表1本发明各实施例钠长石质瓷坯体的烧结制度

表2本发明各实施例离子交换保温处理工艺参数

注：kno3+csno3中按照摩尔比k∶cs＝1∶1

本发明通过离子交换改变材料的表面组成，如图1所示，在保温过程中利用碱金属熔盐中半径较大的碱金属离子r替换钠长石质瓷表层半径较小的钠离子na，冷却后由于半径较大的离子r受到挤压，从而给材料提供预压力，在表面形成较强的压应力，增加了钠长石质瓷基体受张力而开裂的应变量，实现了钠长石质瓷制品抗折强度、热稳定性的显著提高。

本发明各实施例所制得高强度离子交换预应力钠长石质陶瓷制品的吸水率小于0.5％。以本发明实施例烧结后未进行离子交换的钠长石质瓷作为对比例。本发明实施例所制得的高强度离子交换预应力钠长石质瓷制品、以及相应各对比例的抗折强度、热稳定性如表3所示。

表3本发明各实施例以及对比例所制得钠长石质瓷制品的抗折强度及热稳定性