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        10月26日，中國建筑裝飾協會主辦、中國陶瓷網承辦的主題為“瓷心可鑒，十年新生”的“中國陶瓷十大品牌公益行”暨2020年度“中國建筑衛生陶瓷十大品牌榜”啟動禮，在佛山中國陶瓷產業總部基地陶瓷劇場成功舉行。佛山市子畫貿易有限公司總經理邱子良在活動上做“巖板應力的解決之道”的主題分享。
 

溫馨提示
以下為演講實錄

未經嘉賓本人審核
為方便閱讀，內容為第一人稱

▲佛山市子畫貿易有限公司總經理邱子良

        各位領導、各位來賓，很高興今天在這里與各位共襄盛舉，受邀請特地分享一下目前最火爆、最流行的產品——巖板。

        我想大家對巖板都不陌生，巖板生產已有十多年的時間，可是真正進入到大家的視線的，不過兩三年，當中的原因是：其一，巖板不易生產，在生產技術上有許多要求；其二，銷售渠道的特殊性，涉及跨界。如果在資金籌備、生產技術和渠道銷售上沒有十分把握，貿然投資，會造成巨大經濟效益損失。

         經歷了七八年的發展后，大家對巖板產品、生產設備、生產技術等有所了解，市場開始出現新的需求。2017年底，部分國內的瓷磚生產廠家購買了進口的生產設備，開始生產巖板產品。

        在此之前，國內先進企業，如蒙娜麗莎在大板領域上耕耘了十多。雖然大家一開始都不太看好大板，但是隨著時間的遷移，大板從原來的900mm×1800mm發展到現在的1600mm×3200mm，已經慢慢的形成了一股風潮，接下來可能有更大的產品推出市場。

        陶瓷行業從一開始的100mm×100mm發展到現在1800mm×3200mm，這都是之前無法想象的。但是時間的推移，技術的研發和市場經濟的進步，把我們推向了這個風口，所以我們必須要跟著風口走。

應力的產生

        我今天要講的是“巖板應力”。兩年前，我們開始往巖板方向推的時候，發現一個很大的問題——我們現在生產、銷售的產品，本身已經不是瓷磚。為什么今天我們將同樣是陶瓷原料生產出來的大規格瓷磚稱為巖板，而不是瓷磚。因為它不是按照瓷磚渠道銷售的，巖板已經遠遠超越了瓷磚所能應用的范圍。

        在以前的觀念中，瓷磚僅能用于衛生間、客廳、廚房、內墻、外墻等空間領域。而巖板不再僅僅是一種現代的建筑材料，它可以作為一種家居材料進行使用。巖板可以通過各種各樣的加工，應用于桌面、臺面、衛生間臉盆、櫥柜等家居用品。目前，市場正在往巖板方向推動，并且巖板產品與大理石、花崗巖、石英石、人造石等材料，在生產和使用上都有很多區別。

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

        首先，為什么巖板應力一直存在？是因為巖板產品在燒結過程中存在殘余的應力，造成后期切割加工的過程中產生的破損。所謂的殘余應力就是外力撤除后材料內部殘留的應力。

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

        一般來說，我們將產品應力分為兩種：宏觀應力和微觀應力。微觀應力一般在瓷磚領域里不需要過多的探討，因為微觀應力是晶粒內部殘留的應力，它的存在是衍射峰值變化而造成的,所以是晶體內部應力，基本對切割過程不會產生太大的影響。

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

        意思就是說，在切割的過程中，如果產品本身存在太多拉應力的時候，就容易產生切割的破裂和偏移，導致產品的良品率下降。

       對于殘余應力的分析，我們可以使用XRD(X-射線繞射分析)。這個方法對于陶瓷行業來說是比較新的一個技術，但其他材料行業，尤其是金屬材料，已經使用非常長的時間。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力。例如，通過燒結或機械加工引起的應力可在材料的內部累積。

        也就是說，我們現在大部分的應力是來自于燒結引起的材料內部應力的累積，也是目前是最大的問題。因為我們目前為了達到經濟效益，把整個產品的燒結時間加快，加快之后內部應力殘留在里面，因為沒有足夠的時間跟溫度來釋放應力，這樣的情況下造成我們在后期加工的很多問題點。

        產品應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。在實踐中，樣品相對于入射 X 射線束的各種取向下的某點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的彈性應變。然后，根據材料的彈性常數，計算拉伸應力或壓縮應力。

        這對于陶瓷產品來說，如果不進行加工則問題不大。但當產品需要切割、開槽、倒角時，這個問題就會突顯。

         X-射線繞射分析，適用于陶瓷、金屬、薄膜等多個領域。在質量的控制工具以及用于學術及工業研究中很重要的一點，我們不需要特別用這個材料做一個特殊的樣品測試，一般把巖板樣品拿來就直接做，所以這個方法非常有測試的價值。

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

        陶瓷的內應力也可以通過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XRD峰所計算的內應力都一致；這有可能是由于不同晶向的顆粒晶粒中儲存的內應力不同所致。

        我個人認為，陶瓷材料在燒結過程中產生的內應力如下：第一，燒結過程中，存在顆粒長大的趨勢。第二，晶界需要合并，由于晶界較晶內的原子排列松散，從而使得晶界處產生了由于晶粒合并的拉應力。第三，因為燒結的時間不夠，晶界結合密度不夠，太過松散，應力就會在晶界隙縫中慢慢形成。燒結所產生的大多數是拉應力，這也是造成破損的最大問題。

克服陶瓷材料的脆性問題

        應力通俗來說就是瓷磚常講的脆性，這也是陶瓷的通病。對于這個問題，目前全世界的科學家都在研究。現在在國防軍工科技上，陶瓷已經可以做到跟金屬一樣，可以敲打、延展的，但是在一般的工業陶瓷上，還付不起這個生產成本，所以暫且忽略。

        陶瓷材料都是由離子鍵或共價鍵所組成的多晶結構，它缺乏能促使材料變形的滑移系統。滑移系統，意思就是說在燒結過程中，因為晶格跟晶格之間融合后產生的晶界滑動。目前巖板還沒有辦法做到滑移系統，因此一旦受到外力的負荷，加上表面的一些缺陷就容易產生斷裂的問題。

        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，可以看到很多細孔。拿瓷器來說，用肉眼幾乎看不出細微缺陷，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。因此一旦出現裂紋的時候只能打破砂鍋「紋」到底。由于陶瓷產品導熱性差，熱膨脹性系數大，熱應力由此增加。

        我們如何克服脆性問題：第一，自增韌陶瓷材料。氧化鋯是目前比較經濟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。意思就是說，讓陶瓷材料內產生高強纖維，我們將其稱為晶須。陶瓷產品時常會因為釉跟胚復合時彼此間的膨脹系數和彈性模數不同，當高溫燒結融合在一起的時候，兩種材料之間產生的應力，會導致瓷磚變翹，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到的。當陶瓷材料的晶粒尺寸達到納米級別，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。

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

▲黏土的化學成分

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

▲礦物組成的計算方式

         當沒有化學儀器在手上的時候，可以通過簡單的計算方式計算出黏土量。

黏土的應用

        可塑性，是黏土帶給我們最重要的一個性質。不管是做藝術陶瓷、花瓶、潔具、瓷磚，做任何一種陶瓷產品，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，本身擁有一個非常完整的礦脈，經由幾千萬年形成的。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，經由沉降、沉積而形成的。

▲高嶺土和粘土的性質與顆粒組成的關系

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

▲烏克蘭黏土化學分析報告

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

       有了黏土，我們就可以燒成莫來石。因為在所有的陶瓷產品中，你要燒成一個耐磨產品、成熟產品，耐沖擊的陶瓷產品，靠的就是莫來石。莫來石本身是硅酸鋁的產品，將來如果我們想要把巖板做好，莫來石這個材料在我們產品里面絕對少不了。

        根據研究分析，莫來石在1180°C開始保溫3小時以上，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，從而節省了燒制的溫度和時間。

▲在不同溫度下礦化劑對莫來石生成的影響

        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用得并不多。

▲陶瓷機械強度對比圖

         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的科技儀器來判斷燒成產品的結果。

▲陶瓷原料高溫相圖（部分）

        由于時間的關系，后面涉及化學實驗的內容，簡單介紹，感謝大家的聆聽！