本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品及其制备方法。
背景技术：
随着人们生活水平及审美水平的提高，建筑陶瓷的尺寸规格越来越大，对其使用周期及弯曲强度要求也越来越高。此外，建筑陶瓷产业本身属于高污染、高耗能、高资源消耗的“三高产业”，不仅消耗大量的自然资源和能源，严重阻碍了我国陶瓷行业的可持续发展，同时对人类生活居住环境产生严重的污染和破坏，影响到人们的正常工作和生活，与我国生态文明建设和生态环境保护的发展理念存在矛盾。如果能有效提高建筑陶瓷的强度，必然会降低单位产品的能耗及资源(建筑陶瓷减薄化)，从而大幅度节约建筑陶瓷原材料和能源消耗，提升资源利用率。因此，如何提高陶瓷强度来应对上述产业的共性需求及遵循节能降耗的国家战略，是近些年建筑陶瓷行业的重点发展方向。
预应力增强设计是指预先在材料或构件中引入压应力以便抵消外加的拉应力载荷，从而增加了基体受张力而开裂的应变量，达到提高材料断裂强度、可靠性及耐久性的目的。预应力增强设计被广泛用于混凝土结构及钢化玻璃(预应力玻璃)领域，由于陶瓷材料的复杂性，如何实现预应力陶瓷产品的增强，是目前急需研究的课题，同时对建筑陶瓷材料产业节约资源和能源等各方面显示了巨大的、诱人的前景。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品，通过在建筑陶瓷坯体表面，采用表层匹配法、通过叠加的方式形成热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，为建筑陶瓷坯体提供预应力，从而显著提高建筑陶瓷的强度。本发明的另一目的在于提供上述梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品，由建筑陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；所述涂层至少为二层，由坯体底部至表面的各涂层其热膨胀系数递减、弹性模量递增而形成梯度涂层。
本发明采用表层匹配法，通过叠加的方式形成具有梯度热膨胀系数和弹性模量的梯度涂层(坯体的热膨胀系数＞底部涂层的热膨胀系数＞n层涂层的热膨胀系数＞表面涂层的热膨胀系数；坯体的弹性模量＜底部涂层的弹性模量＜n层涂层的弹性模量＜表面涂层的弹性模量)，为坯体提供梯度预应力，从而实现坯体抗折强度的显著提高。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别制备各涂层的浆料
所述各涂层的浆料，均由各自的基料和粘结剂溶液组成，按照重量比基料∶粘结剂溶液＝1∶1.0～1.6；将所述基料的各组成进行配料，加入所述粘结剂溶液作为球磨介质进行球磨混合，过筛后，即制得浆料；
(2)在建筑陶瓷坯体的表面施加作为底部涂层的浆料，在室温下阴干后形成具有大的热膨胀系数、小弹性模量的涂层，然后重复同样的方法，继续施加其他层的浆料而形成由坯体底部至表面热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，得到具有梯度涂层的陶瓷坯体；
(3)将所述具有梯度涂层的陶瓷坯体进行烧结处理，自然冷却至室温，即制得共烧结的预应力增强建筑陶瓷制品。
进一步地，本发明所述梯度涂层采用二层叠加，即由底部涂层和面部涂层构成。
上述方案中，本发明所述底部涂层的浆料由底部基料和底部粘结剂溶液组成，所述底部基料的原料组成为氧化铝微粉5～25wt％、石英35～65wt％、白云石20～40wt％、锂辉石5～15wt％，所述底部粘结剂溶液为cmc、pva、pvb中的一种或其组合的溶液，其浓度为1～3wt％；所述面部涂层的浆料由面部基料和面部粘结剂溶液组成，所述面部基料的原料组成为氧化铝微粉5～15wt％、石英35～60wt％、白云石0～12wt％、烧滑石0～10wt％、工业氧化锌0～10wt％、锂辉石6～20wt％，所述面部粘结剂溶液为cmc、pva、pvb中的一种或其组合的溶液，其浓度为1～5wt％。
进一步地，本发明所述氧化铝微粉的粒度为800～1500目。
上述方案中，本发明所述建筑陶瓷坯体为厚度为6～15mm的砖体，所述步骤(2)在建筑陶瓷坯体的上表面和下表面、或全部表面施加底部涂层的浆料和面部涂层的浆料。所述面部涂层的厚度小于底部涂层的厚度；所述梯度涂层总厚度/陶瓷坯体厚度＜0.05。所述步骤(4)在1180～1230℃温度下进行烧结，升温速率为2～6℃/min，保温时间为20～40min。
进一步地，本发明所述陶瓷坯体的原料组成为大同砂石0～20wt％、石英15～30wt％、紫木节0～15wt％、长石25～50wt％、章村土0～15wt％。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过在建筑陶瓷坯体的表面采用预应力梯度涂层材料，以控制梯度涂层及其与坯体之间热膨胀系数、弹性模量的差异，在建筑陶瓷烧结后由高温冷却到常温的过程中，从而在表面形成较强的梯度压应力。与现有技术残余应力增韧增强方法不同，本发明是通过形成具有梯度热膨胀系数和弹性模量的涂层，给陶瓷坯体施加预压应力，增加了陶瓷坯体从受力到破坏的应变量，极大地提高了建筑陶瓷制品的强度(抗折强度提高率为95％以上)、整体性，提高了实际使用的安全性。
(2)本发明原料无毒无污染，对环境友好，整个制备过程绿色清洁无污染。
(3)本发明工艺简单易行，原料价格低廉，易于工业化应用和推广。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是本发明实施例预应力增强建筑陶瓷制品其底部涂层的xrd测试结果；
图2是本发明实施例预应力增强建筑陶瓷制品其面部涂层的xrd测试结果。
具体实施方式
本发明实施例一种梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品，由建筑陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；其中，涂层采用二层叠加，为由底部涂层和面部涂层构成的梯度涂层，即坯体的热膨胀系数＞底部涂层的热膨胀系数＞面部涂层的热膨胀系数，坯体的弹性模量＜底部涂层的弹性模量＜面部涂层的弹性模量。
底部涂层的浆料和面部涂层的浆料，均由各自的基料和粘结剂溶液组成，按照重量比基料∶粘结剂溶液＝1∶1.0～1.6。
底部涂层的浆料中，其底部基料的原料组成为氧化铝微粉5～25wt％、石英35～65wt％、白云石20～40wt％、锂辉石5～15wt％，底部粘结剂溶液为cmc、pva、pvb中的一种或其组合的溶液，其浓度为1～3wt％。
面部涂层的浆料中，其面部基料的原料组成为氧化铝微粉5～15wt％、石英35～60wt％、白云石0～12wt％、烧滑石0～10wt％、工业氧化锌0～10wt％、锂辉石6～20wt％，面部粘结剂溶液为cmc、pva、pvb中的一种或其组合的溶液，其浓度为1～5wt％。
本发明各实施例涂层的浆料组成如表1所示。
表1本发明各实施例涂层的浆料组成
*为重量比
本发明实施例所用的建筑陶瓷坯体，按重量份数其原料组成为：大同砂石13wt％、石英25wt％、紫木节12wt％、长石38wt％、章村土12wt％。其制备方法为：按照该坯体组成将原料混合，经湿法球磨(配料∶球∶水＝1∶2∶0.5)、过筛除铁(250目筛筛余0.1％)、造粒、压制成型(含水率7％)工序后，在450℃温度下进行素烧，冷却后即得到长100mm×宽80mm×厚6mm的建筑陶瓷坯体。
本发明实施例上述梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其步骤如下：
(1)分别制备底部涂层的浆料和面部涂层的浆料
将底部基料的各组成进行配料，加入底部粘结剂溶液作为球磨介质进行球磨混合(基料∶球＝1∶2)，过筛后，即制得底部涂层的浆料；同理，制得面部涂层的浆料；
(2)采用喷釉法首先在上述建筑陶瓷坯体的上表面和下表面(或者全部表面)施加底部涂层的浆料，在室温下阴干后形成底部涂层，然后重复同样的方法在底部涂层上施加面部涂层的浆料，得到具有梯度涂层的陶瓷坯体；其中，面部涂层的厚度小于底部涂层的厚度，梯度涂层总厚度/陶瓷坯体厚度＜0.05；
(3)将上述具有梯度涂层的陶瓷坯体以2～6℃/min速率升温，在1180～1230℃温度下进行烧结处理，保温时间为20～40min，自然冷却至室温，即制得共烧结的预应力增强建筑陶瓷制品。
本发明各实施例制备方法的工艺参数如表2所示。
表2本发明各实施例建筑陶瓷制品的制备方法工艺参数
本发明各实施例所制得的共烧结的预应力增强建筑陶瓷制品，其吸水率小于1％；如图1所示，底部涂层烧成后主晶相为堇青石、尖晶石；如图2所示，面部涂层烧成后主晶相为堇青石、尖晶石、钙长石。将上述各实施例建筑陶瓷坯体未涂覆涂层材料、其他条件不变所得到的建筑陶瓷制品，作为与各实施例相应的对比例。本发明实施例所制得的共烧结的预应力增强建筑陶瓷制品、以及相应各对比例的抗折强度如表3所示。
表3本发明各实施例以及对比例所制得建筑陶瓷制品的抗折强度
技术特征：
1.一种梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品，其特征在于：由建筑陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；所述涂层至少为二层，由坯体底部至表面的各涂层其热膨胀系数递减、弹性模量递增而形成梯度涂层。
2.权利要求1所述梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)分别制备各涂层的浆料
所述各涂层的浆料，均由各自的基料和粘结剂溶液组成，按照重量比基料∶粘结剂溶液＝1∶1.0～1.6；将所述基料的各组成进行配料，加入所述粘结剂溶液作为球磨介质进行球磨混合，过筛后，即制得浆料；
(2)在建筑陶瓷坯体的表面施加作为底部涂层的浆料，在室温下阴干后形成具有大的热膨胀系数、小弹性模量的涂层，然后重复同样的方法，继续施加其他层的浆料而形成由坯体底部至表面热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，得到具有梯度涂层的陶瓷坯体；
(3)将所述具有梯度涂层的陶瓷坯体进行烧结处理，自然冷却至室温，即制得共烧结的预应力增强建筑陶瓷制品。
3.根据权利要求2所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述梯度涂层由底部涂层和面部涂层构成。
4.根据权利要求3所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述底部涂层的浆料由底部基料和底部粘结剂溶液组成，所述底部基料的原料组成为氧化铝微粉5～25wt％、石英35～65wt％、白云石20～40wt％、锂辉石5～15wt％，所述底部粘结剂溶液为cmc、pva、pvb中的一种或其组合的溶液，其浓度为1～3wt％；所述面部涂层的浆料由面部基料和面部粘结剂溶液组成，所述面部基料的原料组成为氧化铝微粉5～15wt％、石英35～60wt％、白云石0～12wt％、烧滑石0～10wt％、工业氧化锌0～10wt％、锂辉石6～20wt％，所述面部粘结剂溶液为cmc、pva、pvb中的一种或其组合的溶液，其浓度为1～5wt％。
5.根据权利要求4所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述氧化铝微粉的粒度为800～1500目。
6.根据权利要求2所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述建筑陶瓷坯体为厚度为6～15mm的砖体，所述步骤(2)在建筑陶瓷坯体的上表面和下表面、或全部表面施加底部涂层的浆料和面部涂层的浆料。
7.根据权利要求3或4或5或6所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述面部涂层的厚度小于底部涂层的厚度；所述梯度涂层总厚度/陶瓷坯体厚度＜0.05。
8.根据权利要求2或3或4或5或6所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)在1180～1230℃温度下进行烧结，升温速率为2～6℃/min。
9.根据权利要求2或3或4或5或6所述的梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法，其特征在于：所述陶瓷坯体的原料组成为大同砂石0～20wt％、石英15～30wt％、紫木节0～15wt％、长石25～50wt％、章村土0～15wt％。
技术总结
本发明公开了一种梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品，由建筑陶瓷坯体、以及涂覆于坯体表面的涂层构成；所述涂层至少为二层，由坯体底部至表面的各涂层其热膨胀系数递减、弹性模量递增而形成梯度涂层。此外，还公开了上述梯度涂层预应力增强建筑陶瓷制品的制备方法。本发明通过在建筑陶瓷坯体表面，采用表层匹配法、通过叠加的方式形成热膨胀系数递减、弹性模量递增的梯度涂层，为建筑陶瓷坯体提供预应力，从而显著提高了建筑陶瓷的强度。
技术研发人员：孙熠;包亦望;李月明;沈宗洋
受保护的技术使用者：景德镇陶瓷大学
技术研发日：.11.04
技术公布日：.01.24
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