结晶釉之结晶原理与影响因素

摘要:本文通过分析结晶釉所用原料、配方与烧成,结合实验情况来分析结晶釉的结晶原理,以及结晶釉中可能影响其结晶的各种因素,并提出了在传统“升、顿、追、降、保、降”的六字烧成法的基础上增加“再升、再降、再保”三道工序的新烧成方法。

关健词:结晶釉;结晶原理;烧成制度;晶体生长

1前 言

结晶釉是一种人工晶体花釉,是在基础釉上引入了结晶剂,通过对其进行烧成控制,在釉层中形成各种形状花纹晶体的釉料。古往今来,美观大方的结晶釉产品一直都是许多学者研究的对象。早在宋代我国就成功研制出了“星盏”、“茶叶末”、“铁锈花”等结晶釉,但直至二十世纪五六十年代以后,结晶釉才进入了商品化生产的发展阶段。本文从结晶釉的使用原料、结晶釉配方和烧成方法三个方面来研究结晶釉的结晶原理。

2试 验

2.1 结晶釉的成分

结晶釉一般是在含氧化铝较低的釉料中加入结晶剂(如ZnO、MnO2、TiO2等),使之达到过饱和析晶而获得的。由于釉的基本组成是铝硅酸盐,可用通式RO・XAl2O3・YSiO2表示,当Al2O3和SiO2含量都较少而且SiO2/Al2O3比例较大时,就容易析晶,可得到辉石类矿物和正硅酸盐的橄榄石类等矿物晶体。一般控制SiO2含量为40%～50%,Al2O3含量为10%以下,SiO2∶Al2O3=12∶1～15∶1。

2.2 结晶釉配方

釉的高温粘度对结晶的影响很大,高温粘度越大,则越不易析晶,晶体长大也很困难。因此,宜选用高温熔体粘度低的釉料,以促进析晶及晶体长大,如可采用以下配方:玻璃粉33%、石英5%、长石10%、白云石5%、R2熔块20%、氧化锌25%、高岭土2%。

釉料组成直接影响着釉面析晶的效果。结晶釉料常用玻璃粉,它主要用于调节釉的高温粘度与析晶温度,粘度的大小直接束缚着成晶质点在熔体中的扩散迁移。在不同的粘度下,晶体的生长速度是不同的,由式(1)可以推算出晶体大小:

R=2DKtC (1)式中:

R――晶体半径;

D――扩散系数;

K――温度常数;

t――时间;

C――成晶物质在熔体中的溶度。

但是,当粘度小到泰曼析晶理论的T晶以下对应的粘度以后,则随熔体粘度的减少,晶体不但不长大,反而会因溶解于玻璃质熔体中而变小。由此,所需要晶体的大小,可以通过改变保温时间,或改变保温温度从而改变成晶物质在熔体中的溶度来控制晶体的生长发育。由改变保温温度来控制,容易发生晶核熔融或产生大量晶核的现象,不利于研究控制,所以,通常是设定一个最为合适的温度,通过延长或缩短保温时间来控制晶体的生长发育。如上述配方中,在1160℃保温时,晶体大小和保温时间的关系如表1所示。

从泰曼析晶理论可知:任何釉熔体的析晶,首先要形成一定尺寸大小(临界尺寸)的晶核,如果是达不到临界尺寸的小核(核胚),即使形成了也是很不稳定的。要形成大的晶核,则需要相当的原子或离子,从熔体中一个个排列到核胚的一定位置上来。一般来讲,晶核数量越多则晶花越多,但当数量太多时,因为每个晶核都按照自己的结晶习性生长,会形成众多的小晶体,互相重叠、拥挤,无法长大为晶花。因此,只有当晶核数量适中时,才可以长成完整美丽的晶花。

结晶釉中的结晶剂,一般在釉熔体中的溶解度小,溶解速度较慢,所以其在釉中含量不高时,就可以达到过饱和状态而形成晶核,长大为晶花。不同种类的结晶釉所用的结晶剂是不同的,例如:硅锌矿结晶釉的结晶剂是ZnO;辉结晶釉的结晶剂是金属氧化物,如TiO2、ZnO、Fe2O3等;当然还有一些是金属元素的盐类,如MgCO3、石灰石(CaCO3)等。

笔者经过多次研究实验,发现当釉式为式(1)所示时, 此时SiO2/Al2O3大概在13.5左右,使用白云石、碳酸钡来调节釉的性能和烧成温度,所得釉料的高温流动性很好。结晶剂的含量则需要根据结晶釉的结晶方式的不同而改变,如硅酸锌结晶釉,若要得到较好的定位结晶时则少加,氧化锌加入量大概为23%～28%;如要得到无规则大量结晶时则可以多加,氧化锌添加量甚至可以在40%以上。

2.3 结晶釉的烧成

大部分结晶釉的烧成都采用传统的“升、顿、追、降、保、降”六字烧成法,其掌握较为困难,在保温阶段常因为晶体内含有的潜热的散发,往往达不到预期的效果。同一配方,采用不同的烧成曲线,晶花形状是不同的。如硅酸锌结晶釉,当温度降至结晶温度范围,并有足够的结晶保温时间时,由于结晶潜热的放出,使局部温度波动太大,忽而达到熔点,忽而降到熔点以下,结果局部釉面回升到熔点,使一部分晶体被釉熔解,所得到的晶花只是晶体碎片。这种晶花往往呈树枝状、针状,若要得到放射状、蜘蛛网状的晶花,则需在结晶温度范围稍为偏高的温度下,把保温时间拉长;而若要得到圆形晶花,须在结晶温度范围偏下限的温度下进行保温,保温时间拉长。一般来说,达到最高温度时须尽快降温至保温温度,降温速度越快越好,快速降温有利于晶核的产生。

笔者经多次实验,在结晶釉以往的烧成基础上增加了“再升、再降、再保”三道烧成工序,即:升、顿、追、降、保、再升、再降、再保、降。主要是针对晶核内残余的潜热的散发,通过再升、再降、再保三道工序,可以进一步减少晶核内多余潜热的发散。同时,可以熔解一部分较小的晶核,使晶核数量不至于太多,以免晶核拥挤而使晶花长不大,如本实验中硅酸锌的烧成曲线与传统烧成曲线的对比见图1。

3影响结晶釉结晶的因素

3.1高温粘度对晶体长大的影响

晶体的生长受熔体粘度制约,粘度的大小直接束缚着成晶质点在熔体中的扩散迁移,粘度越大,扩散速度越慢,但当粘度小到泰曼析晶理论的T晶以下对应的粘度以后,则随着熔体粘度的减小,晶体不但不长大,反而会因溶解于熔体中而减小。

3.2杂质对晶体长大的影响

由于杂质的存在,产生相界面,晶体的长大就会受到异相界面的制约。只有能量足够大、运动速度足够时成晶质点才有可能穿过相界面粘附到晶核上去。如杂质对晶核是润湿的,则会将晶核包裹起来,使成晶质点无法粘附到晶核上去,则晶核无法长大。

3.3釉层厚薄不匀对晶体的影响

由于釉层厚薄不匀使得部分釉面热能相对集中,而溶解少量的新生成的晶花边缘,从而呈现网状晶花。使用浸釉法釉浆较为均匀,只要操作得当,一般很少出现厚薄不均的现象;而使用淋釉法釉浆极易产生厚薄不均的现象,从而影响釉面的结晶。

3.4烧成对晶体的影响

烧成对晶体的影响主要体现在两个方面:

(1) 最高烧成温度对晶体的影响

最高烧成温度对晶体的生长影响很大,尤其是对结晶剂均匀分布于釉中的结晶釉。若温度偏高,由于结晶剂均匀存在与釉中,其烧成范围很小,只有10℃左右,很容易造成晶核熔于釉中,无法得到晶体。而若温度过低,则烧成后釉面粗糙亚光,晶体很小。

(2) 保温温度对晶体的影响

如保温温度过高,则刚形成的晶核会随之熔于釉中或部分熔于釉中,造成无晶花或不完整的晶花碎片;而保温温度过低,则会使得釉面稠化,结出的晶花小,而且,温度过低还会形成许多晶核,产生晶花重叠现象。

4结 论

(1) 结晶釉一般都是在含铝量相对较低的基础釉中加入结晶剂(如ZnO、MnO2、TiO2等),使之达到过饱和而获得的;

(2) 结晶釉一般都要求是高温粘度较低的釉料,便于晶体长大;

(3) 结晶釉的烧成一般采用“升、顿、追、降、保、降”的六字烧成法,在传统的六字烧成法的基础上,增加“再升、再降、再保”三道工序后,有利于散发晶体内的潜热,从而得到发育良好的晶花。

参考文献

[1] 李家驹.陶瓷工艺学[M].北京:中国轻工业出版社,1999.

[2] 张玉南.陶瓷艺术釉工艺学[M].江西景德镇陶瓷学校,2009.