陶瓷产品在烧成时遭受热应力破坏的原因有哪些？如何避免？

Question

陶瓷产品在烧成时遭受热应力破坏的原因有哪些？如何避免？试述使陶瓷原料成分均匀化的常用方法？如何克服泥料中颗粒定向排列？如何提高喷雾干燥粉料的密度？请举例说明如何降低陶瓷烧成（或者熔制）过程的能耗。 降低陶瓷泥浆的含水率有何意义？如何降低？ 人工合成原料的目的与基本方法。试论粉体性能对硅酸盐生产及产品性能的影响

Answer 1

现以自清洁陶瓷中卫生陶瓷的烧成为例，我们使用的是隧道窑快速烧成技术。隧道窑是一种气流作逆向水平流动的横焰式陶瓷加热设备，制品在隧道窑中要先后经过预热带、烧成带、急冷带、缓冷带及快冷带等过程（如图5）。为保证隧道窑各带中温度分布的均匀性，并使其烧成周期尽可能缩短，应首先在改进坯、釉料配方的基础上改进烧成方法，使窑炉断面呈低矮、扁平悬顶结构，优化卫生陶瓷产品的造型、结构设计，以便在快烧过程中保证产品质量。

图5 快烧隧道窑的结构和气流流动示意图
5.1 坯釉烧成过程中所发生的物理化学变化
坯釉的烧成是一个由量变到质变的复杂过程。在整个烧成过程中坯釉在窑内经受温度与气氛变化的同时，伴随着失重、收缩以及密度、颜色、强度、硬度等物理特性的变化，自身发生显著的质变化学变化。根据坯釉的烧成过程中所发生的物理化学变化特征，可以将烧成分为五个阶段，见表6。
表6 坯釉在烧成过程中的物理化学变化
阶段名称 温度范围 主要作用
物理变化 化学变化
低温阶段 室温~300℃ 排除机械水、吸附水，质量减轻，气孔率增加
氧化分解阶段 300~1000℃ (一)质量减轻
(二)气孔率增加
(三)硬度与机械强度增加 (一)氧化反应：
1.碳素及有机物氧化；2.硫化铁氧化
(二)分解反应：
1.结晶水分解排除；2.碳酸盐分解；3.硫酸盐分解；4.氢氧化铁分解
(三)晶型转变：
1.石英的晶型转变；
2.氧化铝的晶型转变
玻化成瓷阶段 1000℃ (一)强度增加
(二)气孔率降低，直到最小值
(三)体积收缩，相对密度增大
(四)色泽增白 (一)继续氧化、分解（主要是碳素和硫酸盐）
(二)固相熔融形成液相
(三)形成新的结晶——莫来石
(四)对在还原气氛下烧成的制品高价铁还原成低价铁，并形成低铁硅酸盐
高温保温阶段 保持烧成温度 (一)玻璃相进一步增多，莫来石晶体进一步发育成长
(二)晶体扩散，固相、液相分布更为均匀
冷却阶段 烧成温度~室温 (一)液相凝固
(二)白度、光泽度增加
(三)硬度、机械强度增加 石英晶型转变：
1.冷却至573℃时，α-石英→β-石英
2.冷却至270℃时，α-方石英→β-方石英
5.2 烧成制度
5.2.1 快烧隧道窑烧成带截面温度分布及其均衡
通常，由预热带向烧成带的转换温度为900～950℃ ，此后窑内的传热方式便既有对流传热又有辐射传热，在高温带窑内温差超过15℃时就有可能导致桔釉、针孔、釉泡及至变形等欠烧或过烧缺陷，故在烧成带更应采取必要的温度均衡借施。为了减少烧成带的温差，首先应确定适宜灼窑炉断面结构。为了使来自窑墙和窑顶火焰的热辐射作用得到相互补充，应在窑顶与被烧制品的上边缘之间选择上部烧嘴的最佳位置，并应通过改进烧嘴结构避免窑内局部温度过高。
5.2.2 快烧隧道窑急冷带截面温度分布及其均衡
从烧成温度到800℃，由于坯体内液相尚处于热塑性状态，故可实施快速冷却。这样既可防止坯体中因液相析晶、晶体长大而影响制品的机械性能又可防止制品因釉面析晶而失去光泽，同时还可满足快烧需要，缩短烧成周期[6]。但是，如果急冷速度过快会导致窑内局部温度过低、温差太大，可能引起处在窑内不同部位的制品或制品的不同部位结晶程度的差异，急冷过快还可能超过窑具所能承受的冷却应力极限，影响到窑具的使用寿命。为了防止急冷带温差过大可采取如下措施：
l）由于急冷带传热主要是对流传热，因此它具有与预热带相似的窑炉断面，而且在隧道窑的急冷带设置“屏障”有助于遏制来自高温烧成带的热辐射作用。
2）通过设置在制品上方和下方的多个喷孔向急冷带横向鼓人冷风或低温热风可达到预期急冷效果。但为避免窑内局部过冷，应注意喷孔的合理选位及其结构形状设计。
3）在窑体急冷带设置分散、可变的热风抽出系统可减少热风向烧成带的流动，并利于窑炉断面温度的分布。
5.2.3 快烧隧道窑缓冷带和终冷带截面温度分布及其均衡
当制品冷却到800℃以下时，坯体中液相已基本凝结为脆性固态而失去其热塑性，制品只能靠弹性抵抗热应力；尤其是卫生陶瓷制品，在冷却到573℃时还会发生石英的晶型转变并导致坯体体积发生急剧变化（体积收缩），会产生一定破坏应力，故在常规烧成中这一阶段宜采用缓冷工艺。但是，在卫生陶瓷快速烧成的冷却阶段，如果坯体中的温度分布愈均衡则愈有利于制品安全、快速地通过这一关键阶段。为缩短冷却时间并保证窑炉冷却带截面温度分布均衡，可采取如下几项措施：
l）在冷却带的起始阶段，为减少自然升力对热气流分布和截面温度均匀的影响，窑顶可设计为具有较小间隙的低矮、扁平悬顶结构。
2）在急冷后采用较缓慢、均匀的冷却（如图5中所示），它有利于石英晶型转变的顺利完成。
3）在冷却带中、后期增设上、下冷风鼓人和热风抽出装置（如图5中所示），这既有利于截面温度均匀又利于实现快速烧成。
5.2.4 快烧隧道窑对装窑方式、窑车台面结构及窑具的要求
关于料垛的码放，原则上应尽量减小料垛和窑顶、窑墙及窑车台面间所形成的外：履道与料垛中的内通道之比[7]。首先应省通过采用平吊顶以便减小顶部外通道，然后通过合理码放制品来减小顶部间隙，优化装窑密度并可采用“上密下疏”的码装方式，亦可采用混装方式并将热容较大的制品置于上部，由此使上、下温差减小。窑车台面结构应采用轻质或中空、耐热、保温材料制作，窑具宜采用轻质、薄壁、抗热震性能好、荷重软化温度高的耐火材料，窑具与产品质量比控制在2.0以内。

Answer 2

莫来石陶瓷是一种有潜力应用在高温条件下的结构材料，因为它具有较低的热膨胀系数和较高的抗蠕变性，且具有高温下陶瓷力学性能增高的特点．然而为改善陶瓷性能往往在莫来石基体中引入氧化锆增韧剂．由于基体与增韧剂之间的热失配，导致该陶瓷抗热震性降低．本文从分析陶瓷的高温热应力入手，通过添加氧化磷提高陶瓷抗热震性．温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。又称变温应力。
　　求解热应力，既要确定温度场，又要确定位移、应变和应力场。与时间无关的温度场称定常温度场,它引起定常热应力;随时间变化的温度场叫非定常温度场，它引起非定常热应力。热应力的求解步骤：①由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还须初始条件）求出温度分布；②再由热弹性力学方程求出位移和应力。
　　各方面全方位定义;
　　定义1：
　　所谓热应力是指半成品干燥和烧成热加工中由于温差作用而产生的一种应力.热应力源包括升降温过程中砖坯内外及砖坯与环境温差卜
　　来源文章摘要：本文定义了彩釉砖板面细小裂纹的随机性，建立它的力学模型．在此基础上阐述了它的形成机理和工艺控制。
　　定义2：
　　(()热应力:凡由于在搪玻璃材料中存在温度差而产生的应力称为热应力.(2)制胎成型应力:在铁胎制造过程中,由于卷板、冲压、组焊等操作所造成的应力
　　来源文章摘要：<正> 质量优良的搪玻璃设备,其瓷层表面不仅要具有玻化程度适当,光滑平整致密,色泽均匀一致以及无棕孔、泡影,外来固体夹杂物,尤其不能有裂纹等缺陷。 但是,事实上,在搪玻璃设备的烧成过程中,常常会出现各种缺陷,其中瓷层裂纹是该厂搪玻璃产品中危害最大的一种缺陷。 一段时间以来,在我厂100ol反应罐盖的生产过程中,b型小咀r部位和小咀内壁瓷层常出现裂纹,并且裂纹一旦产生,就不能消除,最后只有打瓷返工,造成了大量的人力、物力浪费,并且,严重挫伤了工人的生产积极性。
　　定义3：
　　2热应力的分类和特性:2·1＄应力分类玻璃中由于存在温度差而产生的应力统称为热应力.浮法玻璃在退火过程中不可避免地会出现温度梯度.根据温度梯度的方向,玻璃板厚度方向的温度差所形成的热应力称作端面应力或厚度应力
　　来源文章摘要：浮法玻璃退火的目的是消除或减小玻璃中的热应力。本文从热应力的基本概念出发,分析讨论了热应力的起因、分类和特性,为正确制订浮法玻璃退火规范提供了理论依据。
　　定义4：
　　1.2三维热应力数学模型物体温度变化时,由于它受其他物体或者由于物体内各部分之间的相互约束而产生的应力,称为热应力.引起热应力的根本原因是温度变化.根据线性热应力理论,当物体受外力作用,又受温度作用时,物体内质点就要发生位移和相应的应变,并且它们可以进行代数迭加
　　来源文章摘要：建立了铸钢冷却壁的三维传热和热应力的数学模型,采用通用有限元软件ansys计算了冷却壁的温度场和应力场。计算结果表明:冷却水管由圆管改为椭圆管后,冷却壁热面最高温度和热应力升高不大,为冷却水管由圆形改成椭圆形提供了理论依据,由于椭圆水管截面积减少,就可以减少壁体厚度和大量节约冷却水量,从而达到降低炼铁成本的目的。
　　定义5：
　　从而引起螺栓受力情况的变化通常称为热应力.设系统原来温度为t.现为ti.连杆螺栓的线膨胀系数a.连杆大头的线膨胀系数为a
　　来源文章摘要：利用遥测应变仪对工程过程中的连杆螺栓进行动态测试，并利用自编的螺栓组载荷增分析系统，对实际测定的连杆螺栓动应力时间历程进行定量分析．确定连杆螺栓的实际受力情况，即所受的静应力、动应力、热应力及动应力随内燃机负荷、转速等变化而变化的趋势。该研究为连杆螺栓的改进设计和疲劳强度设计提供了依据．为遥测技术的工程应用提供了依据。
　　定义6：
　　第一种原因产生的残余应力被称为热应力,第二和第三种原因产生的残余应力被称为固有应力.热应力在蒸发沉积镀膜中表现很突出,但在离子束或磁控溅射法沉积镀制的多层膜中表现并不明显
　　来源文章摘要：在极紫外光刻技术中 ,光学系统对多层膜光学元件表面面形精度有严格的要求 ,并且多层膜光学元件需要较高的反射率。由于多层膜中存在的内应力将改变光学元件的表面面形 ,因此在不减少反射率的前提下 ,一定要减少或补偿多层膜内的残余应力。论述了mo/si多层膜应力产生的原因和几种减少与补偿应力的技术 ,介绍应力的几种测量方法。
　　定义7：
　　火焰加热对钢材性能的影响：钢材加热膨胀迅速冷却到低温收缩所产生的内应力称为热应力.当热应力大于钢材的弹性极限时会产生变形火焰矫正就是利用热应力产生变形而得到矫正
　　来源文章摘要：▲扩展受热面省煤器的应用研究燃煤锅炉省煤器磨损是锅炉运行中的一个突出问题，严重影响锅炉的安全性和经济性。据国内不完全统计，锅炉事故占火电厂事故的５０％左右，其中因省煤器磨损漏泄而停炉的事故占锅炉事故的４５％左右。为了保证锅炉的安全运行，对于燃煤锅炉，...
　　定义8：
　　温度应力又称为热应力,它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异,各处膨胀变形或收缩变形不一致,相互约束而产生的内应力
　　定义9：
　　(2)热裂纹模具表面冷热交替而引起的模具表面压与拉交替变化的应力称为热应力.这种反复循环的热应力有可能引起模具疲劳产生热裂纹
　　来源文章摘要：介绍了模具的损坏形式、模具设计与使用设备对模具寿命的影响及模具使用与维护的有关注意事项。
　　定义10：
　　冷却的过程也是体积减小的过程也会形成内应力一般称为热应力.热应力的大小取决于胶层与被粘材料的热胀系数之差和温度变化的幅度.因此高温固化会增加在冷却过程中形成的热应力