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        10月26日，中國建筑裝飾協(xié)會(huì)主辦、中國陶瓷網(wǎng)承辦的主題為“瓷心可鑒，十年新生”的“中國陶瓷十大品牌公益行”暨2020年度“中國建筑衛(wèi)生陶瓷十大品牌榜”啟動(dòng)禮，在佛山中國陶瓷產(chǎn)業(yè)總部基地陶瓷劇場成功舉行。佛山市子畫貿(mào)易有限公司總經(jīng)理邱子良在活動(dòng)上做“巖板應(yīng)力的解決之道”的主題分享。
 

溫馨提示
以下為演講實(shí)錄

未經(jīng)嘉賓本人審核
為方便閱讀，內(nèi)容為第一人稱

▲佛山市子畫貿(mào)易有限公司總經(jīng)理邱子良

        各位領(lǐng)導(dǎo)、各位來賓，很高興今天在這里與各位共襄盛舉，受邀請?zhí)氐胤窒硪幌履壳白罨鸨?、最流行的產(chǎn)品——巖板。

        我想大家對(duì)巖板都不陌生，巖板生產(chǎn)已有十多年的時(shí)間，可是真正進(jìn)入到大家的視線的，不過兩三年，當(dāng)中的原因是：其一，巖板不易生產(chǎn)，在生產(chǎn)技術(shù)上有許多要求；其二，銷售渠道的特殊性，涉及跨界。如果在資金籌備、生產(chǎn)技術(shù)和渠道銷售上沒有十分把握，貿(mào)然投資，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)效益損失。

         經(jīng)歷了七八年的發(fā)展后，大家對(duì)巖板產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)等有所了解，市場開始出現(xiàn)新的需求。2017年底，部分國內(nèi)的瓷磚生產(chǎn)廠家購買了進(jìn)口的生產(chǎn)設(shè)備，開始生產(chǎn)巖板產(chǎn)品。

        在此之前，國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)，如蒙娜麗莎在大板領(lǐng)域上耕耘了十多。雖然大家一開始都不太看好大板，但是隨著時(shí)間的遷移，大板從原來的900mm×1800mm發(fā)展到現(xiàn)在的1600mm×3200mm，已經(jīng)慢慢的形成了一股風(fēng)潮，接下來可能有更大的產(chǎn)品推出市場。

        陶瓷行業(yè)從一開始的100mm×100mm發(fā)展到現(xiàn)在1800mm×3200mm，這都是之前無法想象的。但是時(shí)間的推移，技術(shù)的研發(fā)和市場經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，把我們推向了這個(gè)風(fēng)口，所以我們必須要跟著風(fēng)口走。

應(yīng)力的產(chǎn)生

        我今天要講的是“巖板應(yīng)力”。兩年前，我們開始往巖板方向推的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)一個(gè)很大的問題——我們現(xiàn)在生產(chǎn)、銷售的產(chǎn)品，本身已經(jīng)不是瓷磚。為什么今天我們將同樣是陶瓷原料生產(chǎn)出來的大規(guī)格瓷磚稱為巖板，而不是瓷磚。因?yàn)樗皇前凑沾纱u渠道銷售的，巖板已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了瓷磚所能應(yīng)用的范圍。

        在以前的觀念中，瓷磚僅能用于衛(wèi)生間、客廳、廚房、內(nèi)墻、外墻等空間領(lǐng)域。而巖板不再僅僅是一種現(xiàn)代的建筑材料，它可以作為一種家居材料進(jìn)行使用。巖板可以通過各種各樣的加工，應(yīng)用于桌面、臺(tái)面、衛(wèi)生間臉盆、櫥柜等家居用品。目前，市場正在往巖板方向推動(dòng)，并且?guī)r板產(chǎn)品與大理石、花崗巖、石英石、人造石等材料，在生產(chǎn)和使用上都有很多區(qū)別。

       當(dāng)然，巖板本身也有很多缺點(diǎn)，但是與其他產(chǎn)品相比，巖板本身的缺點(diǎn)相對(duì)較小。而我今天要分享的“應(yīng)力”問題，就是目前巖板在加工過程中遇到的最大問題。合理的解決巖板應(yīng)力問題，才能提高巖板加工的良品率。

        首先，為什么巖板應(yīng)力一直存在？是因?yàn)閹r板產(chǎn)品在燒結(jié)過程中存在殘余的應(yīng)力，造成后期切割加工的過程中產(chǎn)生的破損。所謂的殘余應(yīng)力就是外力撤除后材料內(nèi)部殘留的應(yīng)力。

        舉個(gè)例子，目前市場上常見的三種陶瓷產(chǎn)品：潔具、餐具和瓷磚，三者間所使用的原料差距并不大，最大的差異是產(chǎn)品燒結(jié)的時(shí)間。巖板燒結(jié)的時(shí)間比瓷磚長，但是與潔具和餐具的燒結(jié)時(shí)間相比，則短很多。因此，在短時(shí)間求經(jīng)濟(jì)效益、求產(chǎn)能的過程中，我們就把殘余應(yīng)力留在了巖板里，而這種殘余應(yīng)力就是造成產(chǎn)品在加工過程里破損的原因之一。

        一般來說，我們將產(chǎn)品應(yīng)力分為兩種：宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力。微觀應(yīng)力一般在瓷磚領(lǐng)域里不需要過多的探討，因?yàn)槲⒂^應(yīng)力是晶粒內(nèi)部殘留的應(yīng)力，它的存在是衍射峰值變化而造成的,所以是晶體內(nèi)部應(yīng)力，基本對(duì)切割過程不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

        而宏觀應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的影響是最大的。宏觀應(yīng)力是指存在于多個(gè)晶體尺度范圍內(nèi)的應(yīng)力，相對(duì)于微觀應(yīng)力存在的范圍而視為宏觀上存在的應(yīng)力。一般情況下，殘余應(yīng)力的術(shù)語就是指在宏觀上存在的這種應(yīng)力。宏觀殘余應(yīng)力（以下稱殘余應(yīng)力）在X射線衍射譜上的表現(xiàn)是使峰位漂移。當(dāng)存在壓應(yīng)力時(shí)，晶面間距變小，因此，衍射峰向高角度偏移，反之，當(dāng)存在拉應(yīng)力時(shí)，晶面間的距離被拉大，導(dǎo)致衍射峰位向低角度偏移。

        意思就是說，在切割的過程中，如果產(chǎn)品本身存在太多拉應(yīng)力的時(shí)候，就容易產(chǎn)生切割的破裂和偏移，導(dǎo)致產(chǎn)品的良品率下降。

       對(duì)于殘余應(yīng)力的分析，我們可以使用XRD(X-射線繞射分析)。這個(gè)方法對(duì)于陶瓷行業(yè)來說是比較新的一個(gè)技術(shù)，但其他材料行業(yè)，尤其是金屬材料，已經(jīng)使用非常長的時(shí)間。X 射線衍射 (XRD) 是一種成熟的無損方法，用于測定多晶材料中的殘余應(yīng)力。例如，通過燒結(jié)或機(jī)械加工引起的應(yīng)力可在材料的內(nèi)部累積。

        也就是說，我們現(xiàn)在大部分的應(yīng)力是來自于燒結(jié)引起的材料內(nèi)部應(yīng)力的累積，也是目前是最大的問題。因?yàn)槲覀兡壳盀榱诉_(dá)到經(jīng)濟(jì)效益，把整個(gè)產(chǎn)品的燒結(jié)時(shí)間加快，加快之后內(nèi)部應(yīng)力殘留在里面，因?yàn)闆]有足夠的時(shí)間跟溫度來釋放應(yīng)力，這樣的情況下造成我們在后期加工的很多問題點(diǎn)。

        產(chǎn)品應(yīng)力引起材料晶格間距的微小變化，這可由具有非常高靈敏度的 XRD 揭示出來。在實(shí)踐中，樣品相對(duì)于入射 X 射線束的各種取向下的某點(diǎn)處測量適合的衍射峰的位置。由此可以確定不同方向上的晶格間距和相關(guān)的彈性應(yīng)變。然后，根據(jù)材料的彈性常數(shù)，計(jì)算拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力。

        這對(duì)于陶瓷產(chǎn)品來說，如果不進(jìn)行加工則問題不大。但當(dāng)產(chǎn)品需要切割、開槽、倒角時(shí)，這個(gè)問題就會(huì)突顯。

         X-射線繞射分析，適用于陶瓷、金屬、薄膜等多個(gè)領(lǐng)域。在質(zhì)量的控制工具以及用于學(xué)術(shù)及工業(yè)研究中很重要的一點(diǎn)，我們不需要特別用這個(gè)材料做一個(gè)特殊的樣品測試，一般把巖板樣品拿來就直接做，所以這個(gè)方法非常有測試的價(jià)值。

         同時(shí)，X-射線繞射分析通常在產(chǎn)品表面就可以測試出來，當(dāng)然也可以做比較深入的檢測，這就看我們對(duì)于產(chǎn)品研究的需求，匹配相應(yīng)的測試。

        陶瓷的內(nèi)應(yīng)力也可以通過X-射線繞射分析獲得。在測試的過程中要特別注意的是：并不是每一個(gè)XRD峰所計(jì)算的內(nèi)應(yīng)力都一致；這有可能是由于不同晶向的顆粒晶粒中儲(chǔ)存的內(nèi)應(yīng)力不同所致。

        我個(gè)人認(rèn)為，陶瓷材料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力如下：第一，燒結(jié)過程中，存在顆粒長大的趨勢。第二，晶界需要合并，由于晶界較晶內(nèi)的原子排列松散，從而使得晶界處產(chǎn)生了由于晶粒合并的拉應(yīng)力。第三，因?yàn)闊Y(jié)的時(shí)間不夠，晶界結(jié)合密度不夠，太過松散，應(yīng)力就會(huì)在晶界隙縫中慢慢形成。燒結(jié)所產(chǎn)生的大多數(shù)是拉應(yīng)力，這也是造成破損的最大問題。

克服陶瓷材料的脆性問題

        應(yīng)力通俗來說就是瓷磚常講的脆性，這也是陶瓷的通病。對(duì)于這個(gè)問題，目前全世界的科學(xué)家都在研究?，F(xiàn)在在國防軍工科技上，陶瓷已經(jīng)可以做到跟金屬一樣，可以敲打、延展的，但是在一般的工業(yè)陶瓷上，還付不起這個(gè)生產(chǎn)成本，所以暫且忽略。

        陶瓷材料都是由離子鍵或共價(jià)鍵所組成的多晶結(jié)構(gòu)，它缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng)?；葡到y(tǒng)，意思就是說在燒結(jié)過程中，因?yàn)榫Ц窀Ц裰g融合后產(chǎn)生的晶界滑動(dòng)。目前巖板還沒有辦法做到滑移系統(tǒng)，因此一旦受到外力的負(fù)荷，加上表面的一些缺陷就容易產(chǎn)生斷裂的問題。

        所以陶瓷“脆”的原因有兩種：第一，陶器的燒成溫度較低，通常在800℃～1000℃，氣孔率比較高，因此在陶器碎片面上，可以看到很多細(xì)孔。拿瓷器來說，用肉眼幾乎看不出細(xì)微缺陷，但如果通過顯微鏡觀察，瓷器碎片的斷面上，仍然可以看到細(xì)微的傷痕、裂紋、氣孔等。第二，陶瓷屬于脆性材料，不具有塑性變形能力。因此一旦出現(xiàn)裂紋的時(shí)候只能打破砂鍋「紋」到底。由于陶瓷產(chǎn)品導(dǎo)熱性差，熱膨脹性系數(shù)大，熱應(yīng)力由此增加。

        我們?nèi)绾慰朔嘈詥栴}：第一，自增韌陶瓷材料。氧化鋯是目前比較經(jīng)濟(jì)的一種自增韌性的陶瓷原料，在氧化鋯中加人少量的氧化鎂、氧化鈣等粉末，可以增添陶瓷的韌性。目前生活中我們可以接觸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統(tǒng)。意思就是說，讓陶瓷材料內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)纖維，我們將其稱為晶須。陶瓷產(chǎn)品時(shí)常會(huì)因?yàn)橛愿邚?fù)合時(shí)彼此間的膨脹系數(shù)和彈性模數(shù)不同，當(dāng)高溫?zé)Y(jié)融合在一起的時(shí)候，兩種材料之間產(chǎn)生的應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致瓷磚變翹，這就是瓷磚的韌性較低造成的。

         第三，納米陶瓷材料。這是目前幾種增加韌性方法中最容易達(dá)到的。當(dāng)陶瓷材料的晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)別，材料的超塑性行為是普遍地存在的話，陶瓷材料脆性的問題就有望解決了。

         從事生產(chǎn)的人都的，在眾多的陶瓷原料中，黏土是陶瓷生產(chǎn)中必備的可塑性材料，也是重要的增加韌性的材料。

▲黏土的化學(xué)成分

         我們今天在這里討論應(yīng)力的問題，是要讓大家把黏土用好，在產(chǎn)品成型的過程中將產(chǎn)品壓到致密，來解決應(yīng)力的問題。

▲礦物組成的計(jì)算方式

         當(dāng)沒有化學(xué)儀器在手上的時(shí)候，可以通過簡單的計(jì)算方式計(jì)算出黏土量。

黏土的應(yīng)用

        可塑性，是黏土帶給我們最重要的一個(gè)性質(zhì)。不管是做藝術(shù)陶瓷、花瓶、潔具、瓷磚，做任何一種陶瓷產(chǎn)品，最重要的是必須要有能夠成形的材料。黏土的可塑性能夠讓我們制作出無數(shù)各形各色的陶瓷器皿。

        黏土分為兩種：一是原生黏土，二是次生黏土。

        原生的黏土，本身擁有一個(gè)非常完整的礦脈，經(jīng)由幾千萬年形成的。而次生黏土，是由母巖地方遷徙而來的，在河流中水的作用中，經(jīng)由沉降、沉積而形成的。

▲高嶺土和粘土的性質(zhì)與顆粒組成的關(guān)系

        我們這里可以看一下，從上面往下看，以粗顆粒、中顆粒、細(xì)顆粒為例，原料的顆粒越粗，強(qiáng)度越弱。再看可塑性黏土和高嶺土，其本身的抗折強(qiáng)度有所提升。

▲烏克蘭黏土化學(xué)分析報(bào)告

        目前市場上看到的國產(chǎn)黏土，99%都是次生黏土。而烏克蘭黏土是目前全世界唯一一個(gè)巨大黏土資源。據(jù)化學(xué)分析顯示，烏克蘭黏土在1200°C下著火損失8.3%，比國產(chǎn)的年度低4%-5%。

       有了黏土，我們就可以燒成莫來石。因?yàn)樵谒械奶沾僧a(chǎn)品中，你要燒成一個(gè)耐磨產(chǎn)品、成熟產(chǎn)品，耐沖擊的陶瓷產(chǎn)品，靠的就是莫來石。莫來石本身是硅酸鋁的產(chǎn)品，將來如果我們想要把巖板做好，莫來石這個(gè)材料在我們產(chǎn)品里面絕對(duì)少不了。

        根據(jù)研究分析，莫來石在1180°C開始保溫3小時(shí)以上，莫來石的晶體可以得到很好的成長，但是存在一定的難度。因此我們可以通過礦化劑的使用，提早讓莫來石成長，從而節(jié)省了燒制的溫度和時(shí)間。

▲在不同溫度下礦化劑對(duì)莫來石生成的影響

        通過上面的表格，我們可以看到氧化鎂是幫我們形成莫來石最好的伙伴，但是氧化鎂在瓷磚中運(yùn)用得并不多。

▲陶瓷機(jī)械強(qiáng)度對(duì)比圖

         塊滑石和鎂橄欖石是我們目前最常用、最有效的能夠增加強(qiáng)度的原料，氧化鋁也可以，但是氧化鋁的溫度太高，我們沒有辦法用得太多。因此我們一般是使用塊滑石和鎂橄欖石來幫助我們形成莫來石。

         形成莫來石后，我們可以使用一些先進(jìn)的科技儀器來判斷燒成產(chǎn)品的結(jié)果。

▲陶瓷原料高溫相圖（部分）

        由于時(shí)間的關(guān)系，后面涉及化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，簡單介紹，感謝大家的聆聽！