搪瓷的物理和化學(xué)特性

1、搪瓷的物理和化學(xué)特性簡介：100年前，搪瓷曾經(jīng)是許多國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用中最耐用的金屬涂層。搪瓷應(yīng)用在金屬涂層上是一種獨(dú)特的玻璃結(jié)構(gòu)。另外，玻璃金屬合成物的濃縮效果是經(jīng)過烘烤之后來增加它的物理熱特性得來的。從搪瓷應(yīng)用的發(fā)展趨向來看，今天的器具和其它產(chǎn)品的設(shè)計(jì)所用到的特性都應(yīng)不被超越且有一定的發(fā)展空間。搪瓷的化學(xué)特性搪瓷通常是由一種堿性的硼酸鹽玻璃構(gòu)成的，它的構(gòu)成成分含量如下：石英(SiO2)35%60%硼砂(Na2O.2B2O3.10H2O)10%15%長石(K2O.Al2O3.6SiO2)10%15%其它較少成分的10%20%金屬氧化物等等.與其它形式的玻璃，如窗戶玻璃、烹飪用具的玻璃相比，搪瓷玻璃

2、一般是低溫玻璃，各種特征都能從玻璃上透露出來，各種特性能通過各種金屬氧化物引進(jìn)從玻璃上顯示出來，從而形成粘性和不透明的瓷釉。對于金屬氧化物的應(yīng)用，帶有金屬的玻璃的烤制形成粘合劑是很重要的，此粘性機(jī)構(gòu)是一種通過燒烤爐形成的化合物。燒制的時候玻璃和金屬間進(jìn)行相互復(fù)雜的作用。在玻璃和金屬接觸的同時金屬鐵分解，而這一反應(yīng)的產(chǎn)物是一種帶有朦朧層次感和不明顯顏色的物質(zhì)。另外，瓷釉的稠度在物理、化學(xué)上給人的感覺像玻璃。玻璃具有粘性特性。常溫下，玻璃的粘性極高，我們沒有觀察到它的特性的變化。因此，玻璃涂層是很有用的。但是，隨著溫度的不斷增加，玻璃的粘性和特性會發(fā)生改變。圖1(A)對堿性硼酸鹽玻璃粘性作了下圖表

3、的概括：圖1(A).相對溫度硼酸鹽玻璃的粘性特性當(dāng)他們與金屬一起燒制的時候搪瓷呈現(xiàn)出相同的特性。此外，常溫和適當(dāng)?shù)奶岣邷囟葧?dǎo)致玻璃濃縮過程中玻璃的熱膨脹失調(diào)。圖1(B)闡明了不同的膨脹系數(shù)對鋼和兩種瓷釉的熱膨脹的影響。然而，它們都是很堅(jiān)硬的玻璃以至于它們對燒制的溫度上就有一定的限制。圖2闡明了濃縮結(jié)果與拉伸力和熱膨脹的作用。在上升到燒制溫度前，瓷釉受到自由壓力的作用。冷卻之后，瓷釉首先呈現(xiàn)出拉伸力是因?yàn)椴Ａ湛s的速度大于金屬的收縮速度，然后冷卻到常溫收縮是因?yàn)榇藭r玻璃的收縮速度又慢于金屬的收縮速度。在正常上釉的溫度范圍內(nèi)，鋼的熱膨脹大致是呈線性的。圖1(B)鋼搪瓷熱膨脹和壓力曲線圖2.搪瓷和

4、鋼(一般特征)的壓力張力關(guān)系玻璃的化學(xué)特性玻璃的結(jié)構(gòu)明顯的區(qū)別于其它的材料。許多材料都呈現(xiàn)出原子規(guī)則排列的水晶結(jié)構(gòu)。晶體都頻繁地表現(xiàn)出特殊的熔點(diǎn)，這些規(guī)則排列的原子結(jié)構(gòu)使其它原子或離子進(jìn)入這些材料的能力減小到最低。例如一種水晶材料石英，作為陶制品的材料，它在大約573攝氏度（1063。F）甚至更高的溫度下，在各種形態(tài)下都呈現(xiàn)出一種很穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。玻璃的結(jié)構(gòu)是無組織的，在任何溫度下也沒有發(fā)現(xiàn)它的明顯結(jié)構(gòu)。X光的衍射也沒有讓玻璃和瓷釉形成明顯的圖案。然而，玻璃具有吸引其它原子進(jìn)入它們結(jié)構(gòu)的能力，從而形成一種具有多特性的材料。圖3闡明了規(guī)則的水晶石英結(jié)構(gòu)和無規(guī)則的象玻璃的石英結(jié)構(gòu)之間的不同點(diǎn)，例如熔絲

5、石英或黑曜石（火山爆發(fā)的礦石）。圖3.水晶和礦石的不定型結(jié)構(gòu)玻璃和瓷釉的象玻璃結(jié)構(gòu)允許它們在材料特性和化學(xué)耐久力上有一個比較寬的波動范圍。各種堿性離子（Na+,K+，和Li+）和各種堿性金屬離子（Ca+,Sr+,和Ba2+）在制成玻璃的使用范圍變得更廣了，堿性物質(zhì)的熔化溫度達(dá)到一個合理的水平時，堿性金屬的耐久度就難控制了?；瘜W(xué)耐久力受玻璃表面的溶解物間的相互作用的影響，隨著硅石的逐漸分解，它的堿性成分也被選擇性的清除了，搪瓷機(jī)構(gòu)的侵蝕是有計(jì)劃的經(jīng)過兩個進(jìn)程，一個是玻璃中的正離子（主要為堿性的）和氯離子分解，也有可能發(fā)生離子交換。H+（分解）+Me+（玻璃）H+（玻璃）+H+（分解）在這種酸性環(huán)

6、境的條件下，離子交換在沒有打亂玻璃結(jié)構(gòu)的情況下發(fā)生;那就是說，硅石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然保持不變的，而且，硅石玻璃內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能通過堿性氫氧化物破環(huán)（Si-0-Si）結(jié)構(gòu)而被溶解：Si-0-SiNaOHSi-0-Na+SiOH這些過程依賴于溶液的PH值，這些PH值是在9以下的。內(nèi)膽瓷釉的侵蝕伴隨著PH值有規(guī)律的進(jìn)行著，玻璃表面圖層的作用能夠減少侵蝕的發(fā)生。這種情況之所以發(fā)生是因?yàn)楸砻鎴D層減少了溶液的活性，或者表面圖層影響了水中搪瓷表面的硅石離子。在很多種情況下，難溶物質(zhì)在生產(chǎn)瓷釉的過程中時制造了包含離散的離子微粒（石英），鋯硅酸鹽（鋯石），長石，霞石，黑花崗石或其它的難熔物質(zhì)等材料。這些材料在許多情

7、況下，提高搪瓷的腐蝕抵抗力和磨損抵抗力。特殊規(guī)則內(nèi)膽搪瓷如果包含添加40硅石就會制造出一個非常耐用的圖層。在酸性環(huán)境，堿性的環(huán)境和磨損抵抗力的提升隨著硅石的添加成為標(biāo)準(zhǔn)的圖層系統(tǒng)是有可能的。然而，化合物的形成時，適宜的溫度或成熱溫度隨著難熔物的添加是不斷升高的。大約一半的硅石類添加物能被溶解在玻璃溶液中。其余的被壓縮了。溶解的硅石能有效的改變玻璃結(jié)構(gòu)從而提升其化學(xué)特性。未溶解的硅石有助于提升玻璃硅石化合物的磨損抵抗力。鋯石提升堿性抵抗力已經(jīng)顯現(xiàn)出來了，同時也會增加瓷釉的密集程度。當(dāng)然，一些未溶解的更大的微粒鋯石也可能改變玻璃的化學(xué)特性同時也提升了一些堿性物理抗抗性。圖4顯示出了瓷釉硅石（石英）

8、和鋯石微粒。:二.Figure4.Two-coat-two-fireenamelshowingquartzandzirconparticlesinthegrounccoatglassmatrixofafiredcoating.Atitaniumopacifiedcovercoatisseenabovethegroundcoat.圖4。兩層，兩次火燒瓷釉顯示出了瓷釉溶液周圍表面石英（quartz）和鋯石（zircon）微粒。鈦使圖層看起來是不透明的。表1.薄鋼表面搪瓷典型物理特性特性值密度（g/cm3）2.427熱特性（g.cal/C）0.2-0.3傳導(dǎo)性(g.cal/(cm?.s)1.812-

9、3.243在100C;1.6982.796在0C傳導(dǎo)性(W/(C.cm)3/19/03不相關(guān)的第二資源0.050.05熔解熱（Btu/lb）81.3熔解溫度（F（C）14001500(760815)初始系數(shù)（psi）8.0y*10的六次方平衡系數(shù)0.200.24(典型0.22)殘余壓力（psi）154*10的三次方一30*10的負(fù)七次方熱膨脹(in./(in.C)80*10的負(fù)七次方一100*10的負(fù)七次方硬度56張力(Mpa(psi)34-103(4900-15000)壓縮力（Mpa（psi）13802760（2*10的五次方一4*10的五次方）彈性系數(shù)（Gpa（psi）5583（8*10的

10、六次方一4*10的六次方）絕緣常數(shù)56導(dǎo)致失效的瓷釉應(yīng)力（cm/cm）0.002-0.003應(yīng)用特性搪瓷應(yīng)用很廣是因?yàn)樗臋C(jī)械，熱，化學(xué)耐久性等特性，機(jī)械與鋼的結(jié)構(gòu)相比，搪瓷就是通過玻璃鋼結(jié)構(gòu)的低熱膨脹的功效使其變粘，變硬，如是要金屬部分只覆蓋在一邊，這部分可能會偏或彎曲是因?yàn)楦鞣N材料間的不同膨脹的原因，兩邊都覆蓋上一層薄金屬使其受的壓力相等，這樣就會得到一個平坦的產(chǎn)物。在玻璃涂層發(fā)生斷裂之前濃縮壓力會提供一個濃縮的力量。薄薄的涂層有很高的濃縮壓力就跟玻璃有很低的熱膨脹系數(shù)一樣。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)初始階段利用搪瓷的物理特性可以得到最優(yōu)化的應(yīng)用，特別如果電腦輔助設(shè)計(jì)被用來材料特征領(lǐng)域上來時。鋼構(gòu)特性對生產(chǎn)者和設(shè)計(jì)者來說是很重要的，也是最普通的搪瓷的本原。另外，材料特性的基本原理，搪瓷在其應(yīng)用中是獨(dú)特的。正如圖5所顯示的，瓷釉涂層一般來說如果不過厚的話是在可壓縮范圍內(nèi)的。非常厚的涂層可能會導(dǎo)致表面張力過大和產(chǎn)生碎片的情形。如果瓷釉變得太厚，那就是說，大于15mils,邊緣碎片經(jīng)常會被觀察到。這些情況在爐帽邊緣，角落，和其它可能堆積釉多的任何地方可被