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一篇演讲说透如何提高岩板加工的良品率!

2019-11-04 来源:中国陶瓷网 责任编辑:刘思桃
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        10月26日,中国建筑装饰协会主办、中国陶瓷网承办的主题为“瓷心可鉴,十年新生”的“中国陶瓷十大品牌公益行”暨2020年度“中国建筑卫生陶瓷十大品牌榜”启动礼,在佛山中国陶瓷产业总部基地陶瓷剧场成功举行。佛山市子画贸易有限公司总经理邱子良在活动上做“岩板应力的解决之道”的主题分享。
 

温馨提示
以下为演讲实录

未经嘉宾本人审核
为方便阅读,内容为第一人称

▲佛山市子画贸易有限公司总经理邱子良

        各位领导、各位来宾,很高兴今天在这里与各位共襄盛举,受邀请特地分享一下目前最火爆、最流行的产品——岩板。

        我想大家对岩板都不陌生,岩板生产已有十多年的时间,可是真正进入到大家的视线的,不过两三年,当中的原因是:其一,岩板不易生产,在生产技术上有许多要求;其二,销售渠道的特殊性,涉及跨界。如果在资金筹备、生产技术和渠道销售上没有十分把握,贸然投资,会造成巨大经济效益损失。

         经历了七八年的发展后,大家对岩板产品、生产设备、生产技术等有所了解,市场开始出现新的需求。2017年底,部分国内的瓷砖生产厂家购买了进口的生产设备,开始生产岩板产品。

        在此之前,国内先进企业,如蒙娜丽莎在大板领域上耕耘了十多。虽然大家一开始都不太看好大板,但是随着时间的迁移,大板从原来的900mm×1800mm发展到现在的1600mm×3200mm,已经慢慢的形成了一股风潮,接下来可能有更大的产品推出市场。

        陶瓷行业从一开始的100mm×100mm发展到现在1800mm×3200mm,这都是之前无法想象的。但是时间的推移,技术的研发和市场经济的进步,把我们推向了这个风口,所以我们必须要跟着风口走。

 

应力的产生

 

        我今天要讲的是“岩板应力”。两年前,我们开始往岩板方向推的时候,发现一个很大的问题——我们现在生产、销售的产品,本身已经不是瓷砖。为什么今天我们将同样是陶瓷原料生产出来的大规格瓷砖称为岩板,而不是瓷砖。因为它不是按照瓷砖渠道销售的,岩板已经远远超越了瓷砖所能应用的范围。

        在以前的观念中,瓷砖仅能用于卫生间、客厅、厨房、内墙、外墙等空间领域。而岩板不再仅仅是一种现代的建筑材料,它可以作为一种家居材料进行使用。岩板可以通过各种各样的加工,应用于桌面、台面、卫生间脸盆、橱柜等家居用品。目前,市场正在往岩板方向推动,并且岩板产品与大理石、花岗岩、石英石、人造石等材料,在生产和使用上都有很多区别。

       当然,岩板本身也有很多缺点,但是与其他产品相比,岩板本身的缺点相对较小。而我今天要分享的“应力”问题,就是目前岩板在加工过程中遇到的最大问题。合理的解决岩板应力问题,才能提高岩板加工的良品率。

        首先,为什么岩板应力一直存在?是因为岩板产品在烧结过程中存在残余的应力,造成后期切割加工的过程中产生的破损。所谓的残余应力就是外力撤除后材料内部残留的应力。

        举个例子,目前市场上常见的三种陶瓷产品:洁具、餐具和瓷砖,三者间所使用的原料差距并不大,最大的差异是产品烧结的时间。岩板烧结的时间比瓷砖长,但是与洁具和餐具的烧结时间相比,则短很多。因此,在短时间求经济效益、求产能的过程中,我们就把残余应力留在了岩板里,而这种残余应力就是造成产品在加工过程里破损的原因之一。

        一般来说,我们将产品应力分为两种:宏观应力和微观应力。微观应力一般在瓷砖领域里不需要过多的探讨,因为微观应力是晶粒内部残留的应力,它的存在是衍射峰值变化而造成的,所以是晶体内部应力,基本对切割过程不会产生太大的影响。

        而宏观应力对产品的影响是最大的。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力,相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下,残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力(以下称残余应力)在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时,晶面间距变小,因此,衍射峰向高角度偏移,反之,当存在拉应力时,晶面间的距离被拉大,导致衍射峰位向低角度偏移。

        意思就是说,在切割的过程中,如果产品本身存在太多拉应力的时候,就容易产生切割的破裂和偏移,导致产品的良品率下降。

       对于残余应力的分析,我们可以使用XRD(X-射線繞射分析)。这个方法对于陶瓷行业来说是比较新的一个技术,但其他材料行业,尤其是金属材料,已经使用非常长的时间。X 射线衍射 (XRD) 是一种成熟的无损方法,用于测定多晶材料中的残余应力。例如,通过烧结或机械加工引起的应力可在材料的內部累积。

        也就是说,我们现在大部分的应力是来自于烧结引起的材料内部应力的累积,也是目前是最大的问题。因为我们目前为了达到经济效益,把整个产品的烧结时间加快,加快之后内部应力残留在里面,因为没有足够的时间跟温度来释放应力,这样的情况下造成我们在后期加工的很多问题点。

        产品应力引起材料晶格间距的微小变化,这可由具有非常高灵敏度的 XRD 揭示出来。在实践中,样品相对于入射 X 射线束的各种取向下的某点处测量适合的衍射峰的位置。由此可以确定不同方向上的晶格间距和相关的弹性应变。然后,根据材料的弹性常数,计算拉伸应力或压缩应力。

        这对于陶瓷产品来说,如果不进行加工则问题不大。但当产品需要切割、开槽、倒角时,这个问题就会突显。

         X-射线绕射分析,适用于陶瓷、金属、薄膜等多个领域。在质量的控制工具以及用于学术及工业研究中很重要的一点,我们不需要特别用这个材料做一个特殊的样品测试,一般把岩板样品拿来就直接做,所以这个方法非常有测试的价值。

         同时,X-射线绕射分析通常在产品表面就可以测试出来,当然也可以做比较深入的检测,这就看我们对于产品研究的需求,匹配相应的测试。

        陶瓷的内应力也可以通过X-射线绕射分析获得。在测试的过程中要特别注意的是:并不是每一个XRD峰所计算的内应力都一致;这有可能是由于不同晶向的颗粒晶粒中储存的内应力不同所致。

        我个人认为,陶瓷材料在烧结过程中产生的内应力如下:第一,烧结过程中,存在颗粒长大的趋势。第二,晶界需要合并,由于晶界较晶内的原子排列松散,从而使得晶界处产生了由于晶粒合并的拉应力。第三,因为烧结的时间不够,晶界结合密度不够,太过松散,应力就会在晶界隙缝中慢慢形成。烧结所产生的大多数是拉应力,这也是造成破损的最大问题。

 

克服陶瓷材料的脆性问题

 

        应力通俗来说就是瓷砖常讲的脆性,这也是陶瓷的通病。对于这个问题,目前全世界的科学家都在研究。现在在国防军工科技上,陶瓷已经可以做到跟金属一样,可以敲打、延展的,但是在一般的工业陶瓷上,还付不起这个生产成本,所以暂且忽略。

        陶瓷材料都是由离子键或共价键所组成的多晶结构,它缺乏能促使材料变形的滑移系统。滑移系统,意思就是说在烧结过程中,因为晶格跟晶格之间融合后产生的晶界滑动。目前岩板还没有办法做到滑移系统,因此一旦受到外力的负荷,加上表面的一些缺陷就容易产生断裂的问题。

        所以陶瓷“脆”的原因有两种:第一,陶器的烧成温度较低,通常在800℃~1000℃,气孔率比较高,因此在陶器碎片面上,可以看到很多细孔。拿瓷器来说,用肉眼几乎看不出细微缺陷,但如果通过显微镜观察,瓷器碎片的断面上,仍然可以看到细微的伤痕、裂纹、气孔等。第二,陶瓷属于脆性材料,不具有塑性变形能力。因此一旦出现裂纹的时候只能打破砂锅「纹」到底。由于陶瓷产品导热性差,热膨胀性系数大,热应力由此增加。

        我们如何克服脆性问题:第一,自增韧陶瓷材料。氧化鋯是目前比较经济的一种自增韧性的陶瓷原料,在氧化鋯中加人少量的氧化镁、氧化钙等粉末,可以增添陶瓷的韧性。目前生活中我们可以接触到的陶瓷刀大部分都是氧化鋯材料。

         第二,建立陶瓷材料中的弱介面系统。意思就是说,让陶瓷材料内产生高强纤维,我们将其称为晶须。陶瓷产品时常会因为釉跟胚复合时彼此间的膨胀系数和弹性模数不同,当高温烧结融合在一起的时候,两种材料之间产生的应力,会导致瓷砖变翘,这就是瓷砖的韧性较低造成的。

         第三,纳米陶瓷材料。这是目前几种增加韧性方法中最容易达到的。当陶瓷材料的晶粒尺寸达到纳米级别,材料的超塑性行为是普遍地存在的话,陶瓷材料脆性的问题就有望解决了。

         从事生产的人都的,在众多的陶瓷原料中,黏土是陶瓷生产中必备的可塑性材料,也是重要的增加韧性的材料。

▲黏土的化学成分

         我们今天在这里讨论应力的问题,是要让大家把黏土用好,在产品成型的过程中将产品压到致密,来解决应力的问题。

▲矿物组成的计算方式

         当没有化学仪器在手上的时候,可以通过简单的计算方式计算出黏土量。

 

黏土的应用

 

        可塑性,是黏土带给我们最重要的一个性质。不管是做艺术陶瓷、花瓶、洁具、瓷砖,做任何一种陶瓷产品,最重要的是必须要有能够成形的材料。黏土的可塑性能够让我们制作出无数各形各色的陶瓷器皿。

        黏土分为两种:一是原生黏土,二是次生黏土。

        原生的黏土,本身拥有一个非常完整的矿脉,经由几千万年形成的。而次生黏土,是由母岩地方迁徙而来的,在河流中水的作用中,经由沉降、沉积而形成的。

▲高岭土和粘土的性质与颗粒组成的关系

        我们这里可以看一下,从上面往下看,以粗颗粒、中颗粒、细颗粒为例,原料的颗粒越粗,强度越弱。再看可塑性黏土和高岭土,其本身的抗折强度有所提升。

▲乌克兰黏土化学分析报告

        目前市场上看到的国产黏土,99%都是次生黏土。而乌克兰黏土是目前全世界唯一一个巨大黏土资源。据化学分析显示,乌克兰黏土在1200°C下着火损失8.3%,比国产的年度低4%-5%。

       有了黏土,我们就可以烧成莫来石。因为在所有的陶瓷产品中,你要烧成一个耐磨产品、成熟产品,耐冲击的陶瓷产品,靠的就是莫来石。莫来石本身是硅酸铝的产品,将来如果我们想要把岩板做好,莫来石这个材料在我们产品里面绝对少不了。

        根据研究分析,莫来石在1180°C开始保温3小时以上,莫来石的晶体可以得到很好的成长,但是存在一定的难度。因此我们可以通过矿化剂的使用,提早让莫来石成长,从而节省了烧制的温度和时间。

▲在不同温度下矿化剂对莫来石生成的影响

        通过上面的表格,我们可以看到氧化镁是帮我们形成莫来石最好的伙伴,但是氧化镁在瓷砖中运用得并不多。

▲陶瓷机械强度对比图

         块滑石和镁橄榄石是我们目前最常用、最有效的能够增加强度的原料,氧化铝也可以,但是氧化铝的温度太高,我们没有办法用得太多。因此我们一般是使用块滑石和镁橄榄石来帮助我们形成莫来石。

         形成莫来石后,我们可以使用一些先进的科技仪器来判断烧成产品的结果。

▲陶瓷原料高温相图(部分)

        由于时间的关系,后面涉及化学实验的内容,简单介绍,感谢大家的聆听!

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