离子交换增强建筑陶瓷的研究
发布时间：2021-12-23 15:42
中国是世界最大的建筑陶瓷生产国和出口国,年产量超100亿m2,但高产量意味着要消耗大量的原材料资源及能源,同时给环境、资源造成较大压力。故建筑陶瓷产品的轻量化、薄型化势在必行,而提高建筑陶瓷的机械强度是实现这一目标的有效手段。离子交换强化是一种工艺流程简单,强化效果良好的手段,经强化后的样品具有不变形、强度高、无自爆、抗冲击性高及表面耐磨性高等优点,在建筑陶瓷行业有着良好的应用前景。本研究采用低温离子交换法对建筑陶瓷砖进行强化,通过熔盐中的K+与瓷砖内部的Na+进行离子交换,在瓷砖表面产生“钉扎效应”,从而形成一层压缩预应力层以提高建筑陶瓷砖的强度。研究强化工艺、熔盐成分、瓷体组成对离子交换强化效果以及陶瓷力学性能的影响。主要研究内容如下:（1）离子交换时间和温度对离子交换强化瓷砖效果的影响:以分析纯KNO3为熔盐,将瓷砖浸入熔盐中经不同时间、温度进行离子交换处理,结果表明:K+-Na+离子交换主要发生在陶瓷的玻璃相中,晶相以及气相的存在对K+<...
【文章来源】：景德镇陶瓷大学江西省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可知，如果表面压应力太大可能导致中间拉应力也随之增大，图1.1离子交换强化机理图
景德镇陶瓷大学硕士毕业论文1文献综述6个小时不等，强化结束后因大半径离子取代小半径离子，从而形成半径差在玻璃表面产生压缩预应力来使玻璃增强。低温型离子交换强化主要使用钾盐为熔盐，成本低廉、来源广泛，在化学钢化玻璃、牙科陶瓷上有比较广泛的应用[40,41]。1.3.3高温型离子交换强化高温型离子交换强化通常是指强化温度在玻璃转变温度Tg以上，以离子半径较小的离子交换离子半径较大的离子（如以Li+交换Na+）这类强化。因为强化温度高离子交换快，故强化时间较短。离子交换后在样品表面形成低膨胀系数微晶，由于表面膨胀系数小于内部，冷却后在样品表面形成压应力层使样品增强，此法也称为表面结晶或膨胀差法[39]。1.4影响离子交换强化的因素由离子交换强化的机理可知，强化的原理是因为在被强化样品表面形成了压应力层，而压应力的大小与强化过程中离子的体积效应有关。体积效应公式如下[42,43]：σ=13(E1μ)(Δvv)（1-2）式中：σ：压应力，MPa；E：弹性模量，MPa；μ：泊松比；△V：离子交换强化前后的体积差。由上式可知，离子交换量越大，样品强化前后的体积差就会越大，从而导致表面的压缩预应力越大。通过离子交换对陶瓷表面形成的压应力能够部分或全部抵消图1.2离子交换强化过程示意Fig1.2Sketchmapofion-exchange
景德镇陶瓷大学硕士毕业论文1文献综述8所以，离子交换强化的温度不是越高越好，时间也不是越久越好，而且时间太长会影响生产效率。存在最适合的温度范围和时间范围，可以使样品的强度达到最高并获得最大的经济效益。对于不同配方的陶瓷，其微观结构有所差异，一般有不同的基础强度，离子交换强化时对应的最佳工艺条件（如离子交换强化时间、离子交换强化温度）也会不同。1.4.2被强化样品的成分被强化样品的成分对离子交换强化有很大的影响，研究表明：玻璃中的Na2O及K2O作为例子交换源，通过提高玻璃成分中Na2O的含量同时减少K2O含量，可以提高玻璃与熔盐之间的例子浓度差[47]。在硅酸盐玻璃中增加Al2O3、ZnO、TiO2、P2O5、B2O3、ZrO2等氧化物含量，有利于离子交换增强[48]。在钢化玻璃的实际生产中，一般都是将已有的玻璃产品进行离子交换增强，玻璃成分都是沿用原有的成分，很少为离子交换的需要而单独设计成分。但在陶瓷行业，陶瓷的成分控制相对来说要灵活许多，因此这是离子交换强化在陶瓷行业应用的优势之一。1.4.3熔盐成分熔盐成分对于离子交换强化的影响主要包括熔盐的纯度以及添加剂的使用两个方面。（1）熔盐纯度：熔盐的纯度在很大程度上影响着被强化样品的增强效果，KNO3的纯度越高，能使交换速度更快，交换层深度更深，离子交换强化效果也越好[49]。（2）熔盐添加剂：熔盐添加剂可以看作是离子交换强化过程的催化剂，起着提图1.4强度与时间关系Fig.1.4Relationshipbetweenstrengthandtime图1.3强度与温度关系Fig.1.3Relationshipbetweenstrengthandtemperature
【参考文献】：
期刊论文
[1]离子交换工艺对化学钢化玻璃性能的影响[J]. 刘锡宇,何峰,陈七,张树岩,张卓恒,谢峻林,宋培煜. 玻璃. 2018(11)
[2]我国建筑陶瓷行业碳排放及减排潜力分析[J]. 王彦静,刘宇,崔素萍,王志宏. 材料导报. 2018(22)
[3]热压烧结工艺对金刚石陶瓷磨边轮胎体性能的影响[J]. 于奇,马佳,钟素娟,龙伟民,丁天然,潘建军. 材料导报. 2018(S2)
[4]预应力混凝土在路桥施工中的应用[J]. 张春霞. 绿色环保建材. 2018(11)
[5]离子交换温度对化学钢化玻璃结构和性能的影响[J]. 刘小青,何峰,刘锡宇,张卓恒,马强,谢峻林. 硅酸盐通报. 2018(11)
[6]第二步离子交换工艺对钠铝硅系玻璃性能的影响[J]. 金明芳,何峰,刘锡宇,张卓恒,何怡君,谢峻林,张树岩. 人工晶体学报. 2018(07)
[7]化学强化玻璃的发展现状及研究展望[J]. 胡伟,谈宝权,覃文城,陈芳华. 玻璃与搪瓷. 2018(03)
[8]不同晶型ZrO2纳米粉对氧化镁陶瓷烧结和抗热震性的影响[J]. 赵志鹏,吴锋,李红林,董理,牛颖,薛宗伟. 耐火材料. 2018(03)
[9]化学增强型超薄碱铝硅酸盐玻璃发展概况与展望[J]. 田英良,李俊杰,杨宝瑛,张璐,宫汝华,孙诗兵,吕锋. 燕山大学学报. 2017(04)
[10]公路桥梁施工预应力技术问题与对策[J]. 寇晓峰. 科技资讯. 2017(07)
硕士论文
[1]高铝硅酸盐玻璃化学强化研究[D]. 和阿雷.浙江大学 2016
[2]离子交换增强技术中熔盐添加剂作用的研究[D]. 刘沈龙.中国建筑材料科学研究总院 2013
[3]光学玻璃强化工艺及机理研究[D]. 徐泽.西安工业大学 2012
本文编号：3548747
【文章来源】：景德镇陶瓷大学江西省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可知，如果表面压应力太大可能导致中间拉应力也随之增大，图1.1离子交换强化机理图
景德镇陶瓷大学硕士毕业论文1文献综述6个小时不等，强化结束后因大半径离子取代小半径离子，从而形成半径差在玻璃表面产生压缩预应力来使玻璃增强。低温型离子交换强化主要使用钾盐为熔盐，成本低廉、来源广泛，在化学钢化玻璃、牙科陶瓷上有比较广泛的应用[40,41]。1.3.3高温型离子交换强化高温型离子交换强化通常是指强化温度在玻璃转变温度Tg以上，以离子半径较小的离子交换离子半径较大的离子（如以Li+交换Na+）这类强化。因为强化温度高离子交换快，故强化时间较短。离子交换后在样品表面形成低膨胀系数微晶，由于表面膨胀系数小于内部，冷却后在样品表面形成压应力层使样品增强，此法也称为表面结晶或膨胀差法[39]。1.4影响离子交换强化的因素由离子交换强化的机理可知，强化的原理是因为在被强化样品表面形成了压应力层，而压应力的大小与强化过程中离子的体积效应有关。体积效应公式如下[42,43]：σ=13(E1μ)(Δvv)（1-2）式中：σ：压应力，MPa；E：弹性模量，MPa；μ：泊松比；△V：离子交换强化前后的体积差。由上式可知，离子交换量越大，样品强化前后的体积差就会越大，从而导致表面的压缩预应力越大。通过离子交换对陶瓷表面形成的压应力能够部分或全部抵消图1.2离子交换强化过程示意Fig1.2Sketchmapofion-exchange
景德镇陶瓷大学硕士毕业论文1文献综述8所以，离子交换强化的温度不是越高越好，时间也不是越久越好，而且时间太长会影响生产效率。存在最适合的温度范围和时间范围，可以使样品的强度达到最高并获得最大的经济效益。对于不同配方的陶瓷，其微观结构有所差异，一般有不同的基础强度，离子交换强化时对应的最佳工艺条件（如离子交换强化时间、离子交换强化温度）也会不同。1.4.2被强化样品的成分被强化样品的成分对离子交换强化有很大的影响，研究表明：玻璃中的Na2O及K2O作为例子交换源，通过提高玻璃成分中Na2O的含量同时减少K2O含量，可以提高玻璃与熔盐之间的例子浓度差[47]。在硅酸盐玻璃中增加Al2O3、ZnO、TiO2、P2O5、B2O3、ZrO2等氧化物含量，有利于离子交换增强[48]。在钢化玻璃的实际生产中，一般都是将已有的玻璃产品进行离子交换增强，玻璃成分都是沿用原有的成分，很少为离子交换的需要而单独设计成分。但在陶瓷行业，陶瓷的成分控制相对来说要灵活许多，因此这是离子交换强化在陶瓷行业应用的优势之一。1.4.3熔盐成分熔盐成分对于离子交换强化的影响主要包括熔盐的纯度以及添加剂的使用两个方面。（1）熔盐纯度：熔盐的纯度在很大程度上影响着被强化样品的增强效果，KNO3的纯度越高，能使交换速度更快，交换层深度更深，离子交换强化效果也越好[49]。（2）熔盐添加剂：熔盐添加剂可以看作是离子交换强化过程的催化剂，起着提图1.4强度与时间关系Fig.1.4Relationshipbetweenstrengthandtime图1.3强度与温度关系Fig.1.3Relationshipbetweenstrengthandtemperature
【参考文献】：
期刊论文
[1]离子交换工艺对化学钢化玻璃性能的影响[J]. 刘锡宇,何峰,陈七,张树岩,张卓恒,谢峻林,宋培煜. 玻璃. 2018(11)
[2]我国建筑陶瓷行业碳排放及减排潜力分析[J]. 王彦静,刘宇,崔素萍,王志宏. 材料导报. 2018(22)
[3]热压烧结工艺对金刚石陶瓷磨边轮胎体性能的影响[J]. 于奇,马佳,钟素娟,龙伟民,丁天然,潘建军. 材料导报. 2018(S2)
[4]预应力混凝土在路桥施工中的应用[J]. 张春霞. 绿色环保建材. 2018(11)
[5]离子交换温度对化学钢化玻璃结构和性能的影响[J]. 刘小青,何峰,刘锡宇,张卓恒,马强,谢峻林. 硅酸盐通报. 2018(11)
[6]第二步离子交换工艺对钠铝硅系玻璃性能的影响[J]. 金明芳,何峰,刘锡宇,张卓恒,何怡君,谢峻林,张树岩. 人工晶体学报. 2018(07)
[7]化学强化玻璃的发展现状及研究展望[J]. 胡伟,谈宝权,覃文城,陈芳华. 玻璃与搪瓷. 2018(03)
[8]不同晶型ZrO2纳米粉对氧化镁陶瓷烧结和抗热震性的影响[J]. 赵志鹏,吴锋,李红林,董理,牛颖,薛宗伟. 耐火材料. 2018(03)
[9]化学增强型超薄碱铝硅酸盐玻璃发展概况与展望[J]. 田英良,李俊杰,杨宝瑛,张璐,宫汝华,孙诗兵,吕锋. 燕山大学学报. 2017(04)
[10]公路桥梁施工预应力技术问题与对策[J]. 寇晓峰. 科技资讯. 2017(07)
硕士论文
[1]高铝硅酸盐玻璃化学强化研究[D]. 和阿雷.浙江大学 2016
[2]离子交换增强技术中熔盐添加剂作用的研究[D]. 刘沈龙.中国建筑材料科学研究总院 2013
[3]光学玻璃强化工艺及机理研究[D]. 徐泽.西安工业大学 2012
本文编号：3548747
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