浅谈热膨胀系数测试温度范围的选择对有釉陶瓷砖生产的指导＊

郑元耀

（广东三水大鸿制釉有限公司 广东 佛山 528143）

前言

随着消费者对有釉陶瓷砖的整体质量要求的提高以及陶瓷企业对有釉陶瓷砖质量控制精细程度的提升，工程技术人员对有釉陶瓷砖生产时的砖形和后期砖形变化的控制尤为重视。为了控制砖形变化在合理的管制范围内，就必须充分了解陶瓷釉料和陶瓷坯体的热膨胀系数，以利于生产实施前做好膨胀系数相互匹配的调整。为此越来越多的釉料企业和陶瓷企业通过购买热膨胀系数测试仪或委托有资质的第三方检测机构对陶瓷釉料和坯体的热膨胀系数进行测试，对陶瓷釉料与坯体的搭配调整和有釉陶瓷砖的砖形控制起到至关重要的数据支持作用。

1 现状

在测试陶瓷釉料和坯体热膨胀系数的过程中，经常遇到工程技术人员对热膨胀系数在表述与取值方面的疑问。因大部分陶瓷企业采用的是参照玻璃热膨胀系数的表述方法，用线性热膨胀系数α表示；但有的企业参照体热膨胀系数的表述方法，用3α表示，即体膨胀系数近似线膨胀系数的3倍；而测试到多少温度和在什么温度范围内取值比较合适，各企业间也持有不同的观点。釉料企业一般取100～400℃作为测试值；陶瓷企业中有的取室温～100℃作为测试值，有的参照釉料企业取100～400℃时的测试值，还有的企业取700～1000℃作为测试值。存在这种不同温度范围取值热膨胀系数的主要原因是对釉料或坯体的膨胀系数的理解与应用有所不同，加上釉料或坯体的膨胀系数与测试温度有一定关系，在不同的温度范围内，测得的热膨胀系数是不同的，如只简单地将釉料与坯体在不同温度范围测得的膨胀系数直接应用于生产陶瓷砖坯釉适应性的调整上，确实存在一些问题。

在釉料工业实验中，一般从室温到釉的固化点（tg）时500～550℃进行膨胀系数测试，同时在表示膨胀系数中还需将取值温度范围记录下来。理想的釉料要求和坯体在各种温度下具有同样的热膨胀系数，实际上要做到这一点是不可能的。由于坯体是以石英和方石英形式含有大量的硅酸，要使釉料同时产生573℃和150℃的异常膨胀是很困难的。而且坯体与釉料间膨胀系数真正起实质性的相互压应作用应是在有釉陶瓷砖烧成冷却至釉层开始固化以后，即至少是在生产精确控制缓慢冷却到573℃以下。为此将温度取值提高至超过573℃的700～1000℃甚至更高温度范围来考察釉料与坯体的膨胀系数，实际上对有釉陶瓷砖生产应用的指导意义不大。

目前，陶瓷企业测试热膨胀系数采用的国家标准是GB／T 3810.8《陶瓷砖试验方法 第8部分：线性热膨胀的测定》为测定依据。在该国家标准中的结果表示：线性热膨胀系数α1用（10－6／℃）来表示，精确到小数点后第一位，按下式表示：

式中：L0——室温下试样的长度，mm；

△L——试样在室温到100℃之间的增长，mm；

△t——温度的升高值，℃。

从以上标准的表达式中可知，该标准对陶瓷砖线性热膨胀系数的测试温度与取值范围是要求在室温100℃。由于GB／T 3810.8《陶瓷砖试验方法 第8部分：线性热膨胀的测定》等同采用ISO 10545－8《陶瓷砖 第8部分：线性热膨胀的测定》（英文版），说明该标准方法在全球陶瓷工业中具有普遍的指导意义，这与陶瓷砖的使用环境温度是100℃内应用于建筑物表面有关。陶瓷砖主要用于适合人们日常活动的建筑物表面的铺贴装饰，与其相粘接的其它建筑材料表面温度是常温条件下，而且铺贴表面通常也不会非常的致密。从使用环境条件来看，将测试的陶瓷砖和与之相匹配的建筑材料热膨胀系数的取值温度范围选择室温～100℃是合理的。然而在实际生产应用中对有釉陶瓷砖的坯体和釉料热膨胀系数的测试，参照GB／T 3810.8《陶瓷砖试验方法 第8部分：线性热膨胀的测定》中规定的温度范围测试取值，测试结果的稳定性不是最好的，而且坯体与釉料间的热膨胀系数变动差异较大，单从数据上就难以匹配，不利于指导有釉陶瓷砖的生产与应用调整，这也是导致陶瓷生产技术人员对热膨胀系数在表述与取值方面产生疑问的主要原因之一。笔者在长期测试陶瓷釉料和坯体膨胀系数的实践中总结发现，其主要原因在于该标准中要求测试的温度控制在室温～100℃，即测试的温度范围偏低，膨胀仪测试样品加热室内物料的实际温度尚未达到相对稳定状态，测试的不确定度相对偏大，无法平稳真实地反映出釉料和坯体固有的热膨胀系数。标准GB／T 3810.8《陶瓷砖试验方法 第8部分：线性热膨胀的测定》中要求控制膨胀仪的升温速率为5℃／min，如以室温为25℃计算，温度升至100℃时也只有75℃的温差值，也就是说只需要15min就可将釉料或坯体的膨胀系数测试完毕，而陶瓷釉料与坯体的测试棒是一般要求直径控制在4～6mm，长度在25～50mm的圆柱体，在短暂的15min时间内，陶瓷釉料或坯体制成的测试棒的表面温度与中心温度还未能达到与监测显示的温度一致就结束了测试，而且釉料与坯体的导热系数也不同，以如此低温结束测试，其结果的稳定性与横向可比性值得关注与探讨。

2 不同温度范围的测试结果

由于当前陶瓷企业在有釉陶瓷砖的生产过程中，技术人员为确保生产及后续应用过程中砖型变化能控制在正常的范围内，在设计调配坯体与釉料的线性热膨胀系数时一般要求控制坯体的线性热膨胀系数比釉料的稍大0.1×10－6～0.5×10－6／℃。为了简单、直观地观察陶瓷釉料与坯体在不同测试温度范围内热膨胀系数的变化情况，笔者从广东省内一家知名陶瓷品牌取得实际生产且比较有代表性的有釉瓷质地砖用坯体、陶质内墙砖用坯体、瓷质地砖用生料釉和亚光熔块、陶质内墙砖用乳白熔块来制棒。

测试采用德国耐驰的热膨胀仪以5℃／min的升温速率来测试从室温（25℃内）到700℃以上的热膨胀系数曲线，并分别取室温～100℃、100～400℃和400～700℃3个不同温度范围的平均线性热膨胀系数α来比对观察。测试样品制备：瓷质地砖坯体与陶质内墙砖坯体均直接从正常的生产线上取得，切割制成测试用的棒体；熔块的测试用棒为在熔块生产时直接从生产窑炉流口拉棒制成；生料釉的测试用棒是采用釉浆注浆法成形，并经应用温度烧成后打磨制成测试用棒，经烘干冷却后再放入膨胀仪样品加热室中进行测试。为了考察各样品测试结果的重现性，将每一种样品分别制成5支棒，棒体是长度为25.40mm±0.02mm，直径为5.0mm±0.5mm的圆柱体。具体测试曲线图与数据见图1～图5和表1，图1～图5均用1＃样品的测试图形来表示，表中α表示线性热膨胀系数，为便于习惯用体热膨胀系数的比对，同时用3α表示体热膨胀系数。

表1 瓷质地砖用坯体与釉料的热膨胀系数（10－6／℃）

图1 瓷质地砖坯体膨胀系数测试曲线图

图2 瓷质地砖用生料釉膨胀系数测试曲线图

图3 瓷质地砖用亚光熔块膨胀系数测试曲线图

表2 陶质内墙砖用坯体和乳白熔块的热膨胀系数（10－6／℃）

图4 陶质内墙砖坯体膨胀系数测试曲线图

3 结论

从以上对测试样的不同温区热膨胀系测试结果和曲线变化趋势可以比较直观地看出，不论坯体还是釉料，在不同的测试温度范围，测得的热膨胀系数是不同的，这对正常生产的有釉陶瓷砖坯体与釉料取样所测得的热膨胀系数也有一定的了解。其中，在室温（25℃内）～100℃，坯体与釉料的热膨胀系数的波动（极差）均相对较大，而且坯体在该温区的热膨胀系数与相对应釉料的还要小些，在应用上如单从该温度段测试数据上看是不符合坯与釉热膨胀系数相适应的调整原则，且容易误导坯体与釉料的热膨胀系数匹配的调整。若要在该温度段取值釉料和坯体的热膨胀系数测试结果，在应用上需更加谨慎，要特别注意生产时砖型的变化；在100～400℃，坯体与釉料的热膨胀系数的波动（极差）相对最小，而且测试的结果与实际生产有釉陶瓷砖的坯体与釉料的热膨胀系数调配相对一致；在400～700℃时，坯体与釉料的热膨胀系数的波动相对100～400℃时的要大一些，而且坯体在400～700℃时的热膨胀系数相对釉料的要大的多，在与熔块的对比时特别明显。因为，坯体与釉料在573℃石英晶型转换产生的膨胀系数变化是不一致的，从测试曲线上可以清晰地看到，不论坯体还是釉料当测试到573℃石英晶型转换导致的膨胀系数异常变化温度点均比理论温度573℃要高一些，而从150℃开始石英晶型转换的膨胀系数变化在测试曲线上表现平稳，无大的异常变化。为此，建议取值温度范围不要选择高于573℃以上的温度区间。

图5 陶质内墙砖用乳白熔块膨胀系数测试曲线

综合以上测试结果及结合有釉陶瓷砖的生产应用实践得出，适当控制坯体的线性热膨胀系数比釉料稍大0.1×10－6～0.5×10－6／℃，就可以得出比较适合同时考察陶瓷釉料与坯体热膨胀系数的测试取值温度范围，即100～400℃。

当研究者只为单一测试某一种陶瓷砖、釉料或坯体的热膨胀系数而无需考虑釉料与坯体之间热膨胀系数的匹配时，可依自已关注的重点区域来选择测试热膨胀系数的温度范围或温度点。如果需要在釉料与坯体、釉料与釉料、坯体与坯体之间进行横向比对与应用热膨胀系数的测试数据时则建议选择在100～400℃的取值比较适宜。当然这并不是一个绝对固定的取值温度范围，主要是提供除标准要求外可供参考的方向。如，针对釉料可结合釉式对釉料热膨胀系数的理论计算结果与测试时曲线的平滑程度，可在50～550℃进行选取合适的温度范围计算测试的平均热膨胀系数，因为选择的温度过低至近室温25℃或过高至近573℃时，测试数据相对没有近100～400℃的稳定性好。在实际有釉陶瓷砖生产中，还有较多资深的技术人员直接根据烧成砖形的弯曲度和翘曲度变化来调整釉料与坯体的膨胀系数，但在没有具体膨胀系数数据的情况下，较难实施标准化的生产与控制，且花费精力与时间较多。因此，陶瓷工程技术人员对陶瓷釉料和坯体热膨胀系数测试的主要目的是为生产有釉陶瓷砖的应用调整提供相对客观、稳定的数据支持，不仅仅是为了满足于测试而固守即定的标准。

1 蔡瑞年，等.陶瓷釉料热膨胀系数测试用釉棒的制备方法［J］.全国性核心科技期刊——陶瓷，2010（8）：57～58