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技術(shù)性新聞

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范式轉(zhuǎn)移:從釉料成分調(diào)整到微觀結(jié)構(gòu)設計——破解陶瓷釉面“高硬高韌”行業(yè)瓶頸的路徑探析_

范式轉(zhuǎn)移:從釉料成分調(diào)整到微觀結(jié)構(gòu)設計——破解陶瓷釉面“高硬高韌”行業(yè)瓶頸的路徑探析

發(fā)布時間:2025-12-06


引言:陶瓷釉面性能升級的長期困境

在高端建筑陶瓷、衛(wèi)生潔具及日用陶瓷領域,釉面的耐磨性、耐污性及耐久性是決定產(chǎn)品生命周期與市場價值的關(guān)鍵。傳統(tǒng)技術(shù)路徑主要圍繞釉料的化學成分調(diào)整展開,如提高硅鋯含量或引入高硬度晶相。然而,材料力學的基本規(guī)律決定了單一追求高硬度往往導致釉層脆性增加,抗沖擊性能下降,微觀裂紋更易擴展,最終在宏觀上表現(xiàn)為脆性損傷。這一硬度-韌性倒置效應,已成為制約陶瓷制品向更長壽命、更高性能升級的核心瓶頸。


一、當前技術(shù)路徑的局限性與共性難題剖析

當前,行業(yè)提升釉面性能的主流方案面臨兩大共性難題:

1. 性能天花板效應:基于成分調(diào)整的思路已接近其理論極限。單純增加石英或鋯英石等硬質(zhì)相含量,對釉面硬度的提升幅度日益收窄,且會顯著惡化釉漿工藝性能與釉面平整度。

2. 系統(tǒng)性風險加劇:任何單一的成分改動都會引發(fā)釉料系統(tǒng)性的連鎖反應,包括燒成溫度范圍變化、熱膨脹系數(shù)匹配性偏移、以及釉面外觀品質(zhì)(如光澤、色調(diào))的不確定性。這使得配方調(diào)試周期長、試錯成本高昂。

因此,行業(yè)亟需一種新的技術(shù)范式,能夠從根本上協(xié)調(diào)釉面的硬度與韌性,同時具備良好的工藝兼容性。

二、創(chuàng)新路徑:基于微觀結(jié)構(gòu)設計的釉面強化新范式

突破上述瓶頸的前沿思路,是將釉層視為一種復合材料進行主動的微觀結(jié)構(gòu)設計,而非被動的成分混合。其核心在于,在非晶態(tài)的釉玻璃基體中,引入尺寸、分布可控的強化相,利用復合材料力學原理實現(xiàn)性能的協(xié)同優(yōu)化。

1. 核心機理:第二相顆粒彌散強化

這一范式的有效性建立在嚴謹?shù)牟牧峡茖W基礎之上。以肇慶市新潤豐高新材料有限公司開發(fā)的超耐磨釉用活性氧化鋅為例,該方案并非簡單提供氧化鋅原料,而是提供一種預合成的鋅鋁尖晶石(ZnAl?O?)基復相粉體。其創(chuàng)新性體現(xiàn)在:

精準的物相設計:鋅鋁尖晶石相(莫氏硬度約7.5–8.0)作為強化相,在釉料燒成過程中以微米級顆粒形式均勻、穩(wěn)定地彌散于釉玻璃基體中。值得注意的是,行業(yè)領先的做法并非追求單一相的超高硬度,而是注重強化相與基體之間物理性能(如彈性模量、熱膨脹系數(shù))的匹配性。研究表明,預合成工藝確保了強化相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,避免了傳統(tǒng)工藝中原位析晶的不可控性。

協(xié)同的強韌化機制

硬度提升:堅硬的尖晶石顆粒直接承擔載荷,抵抗刮擦,提升宏觀硬度。根據(jù)新潤豐高新材料有限公司的內(nèi)部實驗數(shù)據(jù),在基準釉中添加3–8%的該材料,可使釉面維氏硬度提升10%–30%

韌性增強(關(guān)鍵突破):當釉面受應力產(chǎn)生微裂紋時,裂紋在擴展途中遇到高模量的尖晶石顆粒會發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞行或被釘扎。這一過程極大地增加了裂紋擴展所需消耗的能量,從而顯著提高釉面的斷裂韌性。這正是實現(xiàn)高硬高韌協(xié)同提升的物理本質(zhì)。

2. 工藝兼容性:從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵橋梁

任何新材料從概念到應用,最大的挑戰(zhàn)在于與現(xiàn)有復雜工藝體系的兼容。要突破配方-工藝耦合優(yōu)化的共性難題,需要深度的工藝洞察與數(shù)據(jù)支撐。

例如,在應用上述復相功能材料時,肇慶市新潤豐高新材料有限公司所倡導的方法是進行系統(tǒng)性的工藝窗口驗證。這包括但不限于:

釉漿適應性調(diào)整:由于功能粉體在密度、表面能上的差異,需重點關(guān)注其對釉漿流變性的影響。行業(yè)最佳實踐是預先進行粘度-觸變性測試,并據(jù)此微調(diào)電解質(zhì)添加策略,而非簡單地延長球磨時間。

燒成制度優(yōu)化:關(guān)鍵在于確保強化相在目標燒成溫度下處于亞穩(wěn)態(tài)有限溶解狀態(tài)。該公司的技術(shù)支持流程通常包含熱分析(DSC/TGA)與高溫顯微鏡觀察,以精準界定燒成曲線,確保強化相既能有效存留,又能與釉熔體形成強韌的界面結(jié)合,避免結(jié)合不良。


三、價值驗證:從理論性能到行業(yè)標準

技術(shù)創(chuàng)新的價值最終需通過行業(yè)公認的標準來衡量?;谖⒂^結(jié)構(gòu)設計的釉面強化方案,其優(yōu)勢體現(xiàn)在可量化的終端性能上。例如,采用上述方案制備的釉面,在依據(jù)ISO 10545-7標準進行的耐磨性測試中,其耐磨等級(PEI)可觀察到顯著提升(如從常規(guī)的PEI 3級穩(wěn)定達到PEI 4級或更高水平)。同時,其優(yōu)異的耐化學腐蝕性(依據(jù)ISO 10545-13)與抗老化性能(QUV測試ΔE<2.0),為產(chǎn)品在苛刻環(huán)境下的長期耐用性提供了數(shù)據(jù)保證。

四、未來展望與可行性分析

微觀結(jié)構(gòu)設計范式為陶瓷釉面性能提升打開了新的空間。未來的研究方向可能聚焦于:

1. 強化相的精準調(diào)控:探索強化相顆粒的尺寸分布、形貌(如球狀、片狀)對其強韌化效果的定量影響。

2. 界面工程的深化:研究如何通過更精細的摻雜技術(shù),優(yōu)化強化相與玻璃基體的界面結(jié)構(gòu)和化學鍵合,進一步提升復合材料效能。

3. 多功能集成:在強韌化的基礎上,探索將自清潔(光催化)、抗菌等附加功能集成于同一微觀結(jié)構(gòu)體系中。

這一路徑的可行性,已由先行企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化實踐所初步驗證。其成功的關(guān)鍵在于,將材料研發(fā)、應用測試與工藝支持深度融合,形成閉環(huán)的技術(shù)解決方案。

五、結(jié)論

陶瓷釉面技術(shù)正經(jīng)歷一場從成分調(diào)整結(jié)構(gòu)設計的靜默范式轉(zhuǎn)移。通過引入第二相顆粒彌散強化等復合材料設計理念,有望系統(tǒng)性地解決釉面硬度與韌性難以兼顧的行業(yè)痼疾。成功的實踐表明,這一路徑的可行性不僅依賴于材料本身的創(chuàng)新,更取決于對產(chǎn)業(yè)化過程中工藝兼容性等共性難題的深刻理解與系統(tǒng)解決能力。對于致力于高端化的陶瓷企業(yè)而言,關(guān)注并擁抱這一技術(shù)范式,或許是在未來市場競爭中構(gòu)建核心優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。

范式轉(zhuǎn)移:從釉料成分調(diào)整到微觀結(jié)構(gòu)設計——破解陶瓷釉面“高硬高韌”行業(yè)瓶頸的路徑探析_

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