1、现代仪器分析技术在建筑陶瓷工业中的应用 摘要：近年来，随着现代仪器分析技术的发展，越来越多的新技术、新方法被应用到建筑陶瓷工业中，推动了建筑陶瓷工业的发展。本文综述了XRF、XRD、SEM、DTA、TG以及FT-IR等现代仪器分析方法在陶瓷原料成份、矿物组成、微观结构、工艺性能以及产品质量控制和缺陷分析等方面的实际应用。 关键词：仪器分析；建筑陶瓷；应用 1 前言 在建筑陶瓷工业中，对原料的选择、工艺参数的调整、产品质量的控制，以及质量缺陷的分析等都离不开各种分析技术的应用。近年来，随着现代仪器分析技术的发展，越来越多的新技术、新方法被应用到建筑陶瓷工业中，推动了建筑陶瓷工业的发展。本文主要综
2、述了XRF、XRD、DTA、TG、SEM、FT-IR等现代仪器分析方法在建筑陶瓷工业中的应用。 2 XRF在陶瓷原料成份分析中的应用 化学组成是陶瓷原料最基本的性能指标，是原料配方的基础，在生产上有着重要的指导意义。传统的陶瓷原料大多采用化学分析法，但是由于陶瓷原料的组成复杂，特别是对釉料进行化学分析时，元素间的干扰、分离等问题较难解决，而且采用化学分析方法耗时、费力。XRF（X射线荧光光谱法）利用发射X射线激发被测样品，使得样品中的元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放出的二次射线具有特定的能量特征：由探测系统测量这些放射出来的二次射线的能量及数量：然后通过分析软件将探测系统所收集到的信
3、息转换成样品中相对应元素的种类及含量。XRF分析具有试样制备简单、分析速度快、精密度高、重现性好、成本低、一次可以给出多种元素信息等优点。但是，采用XRF进行成份分析时，其结果会受仪器的测量条件、标准样品的选取、样品的制备方法及熔融条件、基体效应校正模型等方面的影响。 目前，与陶瓷原料分析相关的XRF国家标准有两个，GB/T 21114和GB/T 14506.28。XRF作为一种实时、在线分析，能够准确及时地给出检测结果，因此，可以在陶瓷原料成份分析中发挥重要作用。如Paola Ligas利用X射线荧光法分析了意大利西北部高岭土的化学成份。李艳萍等利用X射线荧光光谱法分析了不同地区陶瓷原料的成
4、份，并对其质量进行了评价。常建平等人分别研究了样品的粒度、制备方法、仪器测量条件等参数对测试结果的影响，并对陶瓷的釉用原料进行了分析，以熔融法制样，使用经验系数校正基体效应，测定了陶瓷材料中的SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2成份，取得了较好的结果。张志峰等运用熔铸玻璃片法制样，用XRF分析烧失量严重（15%-25%）弥散型天然高岭土组分，以及利用仪器所配（X40）软件包汇编程序，直接测定烧失量，实现了天然高岭土组分的XRF光谱快速、准确和自动化分析。张永青在使用XRF测定陶瓷原料中的常规元素时，选用LP数学模型进行基体效应校正的方法。实践证明，该法与
5、化学法测试结果具有良好的一致性，分析的准确度与精确度都能满足生产要求，具有简便、快速、准确等优点。M.A.Marina等通过XRF和电感耦合等离子体原子发射光谱法，测定陶瓷原料中的磷元素，结果发现，XRF对测试条件有较高的灵敏度，且制样简单。S.Sanchez Ramos等研究了用XRF测定陶瓷原料中的B2O3，通过熔铸玻璃片法制样，建立一系列校准曲线，并优化仪器参数，得出XRF可测定含量较低或较高的B2O3，且与其他方法对比，结果较精确。应晓浒等采用XRF熔铸玻璃片法分析了钠长石和钾长石中的Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、Fe2O3、Rb、Sr、Y
6、、Zr、Ba共计14个成份的含量。所得结果与化学分析结果相符。李建英等采用熔铸玻璃片法制样测定了釉料中Fe2O3、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、MnO、NiO、CuO、ZnO、ZrO2和PbO等组分含量，使用理论系数和经验系数法校正基体效应，分析结果与化学法基本相符，除Na2O、MgO、CaO外，其余组分12次测定的相对标准偏差均小于10%。 3 XRD在陶瓷工业中的应用 XRD（X射线衍射）是测量陶瓷原料矿物组成的方法，矿物组成也是陶瓷原料的一个重要指标，决定了产品烧成过程中的一系列物理化学变化。XRD主要分析陶瓷-原料的矿物组成，晶体的发育状况、完整程度
7、等。根据矿物组成判断原料的纯度，确定杂质的种类，及加工工艺，调整配方，获得优质的成品。卢建海等人研究了透辉石-叶腊石-粘土系统陶瓷中，透辉石、叶腊石、石英和粘土的不同含量对烧成后陶瓷晶相组成的影响，并采用XRD分析了陶瓷的品相组成。朱振峰等人采用XRD对陕西宝鸡透辉石原料矿物进行了研究，发现透辉石岩的主要矿物组成为：透辉石85%、透闪石7%、石英5%、方解石及白云石含量为3%。黄燕纯等人运用XRD对陶瓷釉料样品的物相进行了定性分析，其结果显示这些釉料样品中基本不含有毒的Pb、Cd等氧化物。王雪静等应用XRD研究了茂名、北京、苏州三个产地的高岭土结构，这三种高岭土的两个强衍射峰（晶面001.20
8、=12.5：晶面002.20=25.1）的强度差别不大，苏州高岭土的020、110、111晶面强度相对较弱，这说明苏州高岭土有序性较差。此外，茂名高岭土和北京高岭土中还含有少量石英。苏州高岭土中杂质含量较少。李歌等人基于XRD和化学成份分析数据，依据物质平衡原理，采用“相混合计算”方法，确定陕西洋县膨润土为钙基膨润土，主要矿物成份有蒙脱石、石英、高岭石、白云母、赤铁矿等。陈志伟等人以江西新庄镁土为样品，研究了扫描范围和扫描速度的变化与实验结果之间的关系，并对陶瓷原料的矿物组成进行了定性分析，在不影响实验结果的情况下，扫描速度可以相对调大些，以9/min为佳，这样可以节约时间、提高效率；扫描范围
9、应取稍宽些，因为陶瓷原料矿物组成复杂，所以衍射峰相对要多些，以5-90为佳。图1为镁土在不同实验参数下的XRD图。 5.2 SEM在陶瓷产品缺陷分析中的应用 陶瓷成品缺陷是陶瓷生产中的老大难问题。各种陶瓷缺陷的产生极大地影响了产品质量。陶瓷生产的工艺条件、产品的显微结构与制品的性能三者具有紧密的相互关系。陶瓷材料在烧结过程中形成的显微结构，在很大程度上由原料粉体的特性及工艺过程，如颗粒度、颗粒形状、团聚状态等决定，研究陶瓷的显微结构，可以反向推断工艺条件。利用扫描电子显微镜和能谱仪对陶瓷成品的缺陷位置进行分析，可以快速找到产生缺陷的原因。图4是一块釉面出现黑斑的陶瓷碎片纵切面的SEM图，为背散
10、射成像。在背散射成像中，图中各点的亮度与其化学成份密切相关，亮度越大则重元素含量越高。从图中可以看出黑斑所在的区域1的亮度要稍高于周围的正常区域，初步判断可能是重元素杂质混入所致。再对比表1中黑斑所在缺陷区域1与正常区域2的EDS结果，在区域1中出现了异常的铬、铁和镍元素，显然与不锈钢碎片混入有关。不锈钢是人造材料，不可能来源于天然矿物，只能是原料生产中混入杂质或陶瓷产品生产流程中混入。黑斑的扩散范围不大，仅限于釉料表面以下，因此推测不锈钢杂质并非来自原料本身，而可能是生产过程中不锈钢容器或管道掉落而产生的污染。不锈钢碎片掉落釉料表面，随着烧成温度升高在釉面形成黑斑。 6 FT-IR在陶瓷原料
11、中的应用 FT-IR（红外光谱法）是利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收进行结构分析，以及对各种吸收红外光的化合物进行定性和定量的分析。粘土矿物是层状硅酸盐矿物，在红外光的照射下，其振动可以近似地分为羟基的振动、硅酸盐阴离子团的振动、八面体阳离子的振动和层间阳离子的振动，每一种振动都有自己的振动范围。如（OH）伸缩振动位于3400-3750cm-1之间；（OH）弯曲振动位于600-3750cm-1之间；Si-O伸缩振动位于700-1200cm-1之间；Si-O弯曲振动位于150-600cm-1之间；层状阳离子的振动位于70-150cm-1之间。高岭土有自己的特征峰：3696cm-1、367
12、0cm-1、3655cm-1、3622cm-1，而且其结构有序性越高，峰形越尖锐。图5为高岭土和膨润土的红外光谱比较，两者的区别有3处：高岭土在3700-3600cm-1有3696cm-1、3670cm-1、3655cm-1、3622cm-14个吸收带，而膨润土只在3625cm-1有吸收：高岭土在938cm-1和915cm-1有内部OH和内表层OH弯曲振动吸收，而膨润土只在916cm-1有吸收：高岭土中Si-O-Al和Si-O键的振动吸收在542cm-1和472cm-1，膨润土在530cm-1和469cm-1。 7 结语 （1）XRF、XRD、SEM、DTA、TG以及FT-IR等现代仪器分析方
13、法为建筑陶瓷生产过程中产品质量的分析和控制提供了标准的检验方法，为陶瓷材料的热力学和动力学研究提供了操作简便、快速、灵敏等研究手段。 （2）要分析和鉴定物质，以分析资料来指导科研和生产，只依靠单一的分析方法是不行的，往往需要多种技术配合使用方能奏效。例如：XRF结合XRD分析可以定量确定陶瓷原料的成份和物相组成；热分析与XRF、XRD等联用可以分析陶瓷原料的工艺性能，为制定烧成制度提供依据；TG与FT-IR联用可以了解陶瓷产品烧结过程的物理化学反应；微区成份分析与SEM结合可以对产品缺陷进行诊断。 （3）计算机硬件技术的开发和应用，使得仪器分析方法如虎添翼，可传统方法相媲美。第 7 页 共 7 页
