利用矿物原料和微硅粉（作为辅助原料）生产瓷质炻器工艺的优化

《Ceramics》：Optimization of the Process of Producing Porcelain Stoneware from Mineral Raw Materials and Microsilica as a Secondary Raw Material

陶瓷材料性能优化研究。通过添加微硅石（3%含量）和调整烧结温度（1200℃）及时间（60分钟），显著提升哈萨克斯坦本地原料制备的陶瓷砖性能：抗弯强度达41.5MPa（超标准值35MPa），水吸收率降至0.023%，抗冻循环次数提升至107次，同时实现8-12%碳排放减少及150kg/吨废料回收。XRD和SEM分析证实微硅石促进莫来石形成，优化烧结过程。

　　
该研究聚焦于哈萨克斯坦托克斯坦地区本地原材料与硅微粉协同制备高性能陶瓷砖的创新工艺。研究团队通过系统分析原料配比、烧结参数与产品性能的关联，首次实现了含3%硅微粉的陶瓷砖量产，其技术突破主要体现在三个方面：材料革新、工艺优化和环保效益提升。

一、材料体系创新
研究采用"本地黏土-长石-石英岩"传统配方为基础，引入硅微粉作为活性成核剂。原料经球磨至0.04mm以下粒径，通过干法制浆获得均质泥浆，压力成型后经110-1300℃梯度烧结。实验表明，硅微粉中38.09%的活性SiO?在1200℃烧结时与铝氧化物发生协同反应，生成密度达3.08g/cm3的莫来石晶体网络（XRD分析显示莫来石含量达82%以上）。这种结构使陶瓷砖获得41.5MPa抗弯强度，较行业标准提升18.5%。

二、工艺参数优化
通过三维响应面法建立烧结温度（1100-1200℃）、保温时间（30-90分钟）与微硅粉掺量（2-5%）的交互作用模型。发现1200℃/60分钟工艺组合下，材料收缩率达11.12%，孔隙率降至0.35%，达到传统陶瓷材料的2.3倍致密性。特别值得注意的是，当微硅粉掺量超过3%时，烧结温度可降低50℃仍保持性能稳定，这主要得益于硅微粉形成的高活性液相（熔融温度约1450℃），有效缩短了致密化过程。

三、性能提升机制
微观结构分析（SEM-EDS）显示，添加2%硅微粉的样品（M2）在晶界处形成纳米级莫来石晶须（平均长度8.2μm），显著提升材料韧性。XRD图谱（图3-5）证实，硅微粉中活性SiO?与铝硅酸盐反应生成两相莫来石结构：每100g莫来石含3.0g Al?O?和2.1g SiO?，其晶格常数（5.41?）与纯莫来石理论值偏差<0.5%，证明反应完全。这种结构使抗冻融性能达到107次循环，较传统产品提升40%。

四、环保效益量化
采用生命周期评价（LCA）方法，测算每吨产品碳减排量达8.2-12.3吨。具体而言，硅微粉的引入使烧结能耗降低22%（缩短保温时间40%），同时实现150kg工业废渣的循环利用。原料本地化率达92%，较进口原料减少运输碳排放67%。

五、产业化应用前景
研究建立的原材料配比体系（表9）已通过中试生产验证，具备以下工业化优势：
1. 原料成本降低35%（硅微粉替代30%石英砂）
2. 窑炉周转率提升28%（缩短烧结周期至1小时）
3. 产品缺陷率从12%降至0.3%（消除黑斑、裂纹等常见问题）
4. 实现生产全流程碳足迹追踪，较传统工艺减少17%碳排放

该技术已获哈萨克斯坦国家知识产权局发明专利（专利号2023/0160.1），并完成中试线建设。据测算，若在哈萨克斯坦陶瓷产区全面推广，每年可减少固体废弃物填埋量12万吨，降低行业碳排放强度19%，为资源型地区产业转型提供示范样本。

研究局限与展望：
1. 现有分析未涵盖微裂纹萌生与扩展机制，需开展断裂力学实验
2. 长期暴露于高湿环境（>80%RH）下的性能衰减规律待研究
3. 微硅粉表面改性工艺影响活性利用率，建议开发纳米包覆技术
4. 可拓展至其他硅酸盐体系，如建筑陶粒、透光釉料等应用领域

该成果标志着资源型地区陶瓷工业的突破性进展，其"以废治废"的循环经济模式为全球建材行业提供了创新范式，特别是在实现联合国SDGs第12（负责任消费与生产）和13（气候行动）目标方面具有重要实践价值。