裂纹釉的研制及残余应力有限元分析

李家科 刘欣

(景德镇陶瓷学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西景德镇333403)

裂纹釉的研制及残余应力有限元分析

李家科 刘欣

(景德镇陶瓷学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西景德镇333403)

以长石、滑石、方解石、高岭土等为主要原料制备裂纹釉。研究了釉料配方组成对釉面裂纹效果的影响，并用有限元方法对釉层中的残余应力分布特征及残余应力对裂纹产生的作用机理进行了分析。结果表明：在1250～1300℃、保温时间30min，以及坯、釉的物理性能具有合适的差异时，可以得到效果较好的裂纹釉，且有限元对残余应力的分析与实验结果取得了较好的吻合。

裂纹釉，热膨胀系数，残余应力，有限元分析

1 前言

裂纹釉又称“纹片”或“开片”，也称“百极碎”，外人称“龟裂”或“发裂”釉[1-2]。要使釉面生成网状裂纹，一般要使釉的膨胀系数大于坯的膨胀系数，同时施釉较厚[3]。裂纹釉因表面分布着不同形状的网状裂纹，看起来给人一种雅致美观、别具风格的艺术享受。近年来，随着人们生活水平的提高，对艺术品的欣赏水平也在不断提高，裂纹釉陶瓷制品因其特殊的艺术效果受到了人们的喜爱。

本实验以长石、滑石、方解石、高岭土等为主要原料，通过调整各原料的配比获得不同的釉料配方，考察了釉料组成对釉面裂纹效果的影响，并对试样中的残余应力分布特征进行了有限元分析，揭示了残余应力对裂纹釉产生的作用机理，这将对裂纹釉的制备具有较好的理论指导作用[4-5]。

2 实验

2.1 坯料、釉料的化学组成

坯料和釉料的化学组成分别如表1、表2所示。

2.2 试样制备

坯料为采用工厂中加工好的粉体，然后用手动压片机压制而成，坯体的规格为50mm×50mm× 6.5mm（长×宽×厚），将坯体放置在80℃的烘箱中干燥60min后备用。

按照料∶球∶水＝1∶2∶0.6进行配料，外加0.2wt.%三聚磷酸钠、0.1wt.%CMC作为稀释剂和粘接剂，球磨时间30min，釉料颗粒细度为250目筛余0.1%；采用淋釉或浸釉的工艺方法，施釉厚度约为0.8mm；施釉后试样在80℃的烘箱中干燥60min后在高温炉中以10℃/min的升温速度升到1300℃，保温30min后自然冷却。

2.3 有限元模拟设计及计算过程

表1坯料的化学成分（wt%）Tab.1 Chemical composition of the body

表2釉料的化学组成(wt%)Tab.2 Chemical composition of the glaze

表3有限元计算中采用的材料性能参数Tab.3 The properties of the material used in FEM analysis

为了研究试样中残余应力分布特征以及坯、釉膨胀系数对残余应力分布特征的影响，实验模拟了不同釉料配方所制备试样的残余应力。表3为有限元分析中所使用材料的性能参数。

由于试样具有对称性，为了减小计算的工作量，仅模拟试样的1/4部分，具体如图1所示。采用典型的分析结构应力的八节点三维固体类型为分析单元，为了提高模拟精度，对模型采取非均匀网格划分，即在坯釉中间层和试样边缘处网格划分比较密集，在其它部分采用较疏的网格划分，具体如图2所示。由于釉料的始熔温度约为1200℃，在始熔温度以上试样处于塑性状态，不会产生应力，因此，确定1200℃为模拟的开始参考温度。在上述条件基础上，采用Marc有限元分析软件计算试样从1200℃降到室温时的残余应力分布情况。

表4不同釉料制备的试样釉面效果Tab.4 The quality of samples with different glaze batch formulae

3 结果分析与讨论

3.1 不同釉料配方制备试样的釉面效果

表4为采用不同釉料配方所制备试样的釉面裂纹效果。从表可以看出，随着坯、釉膨胀系数差值的增加，釉面裂纹逐渐由无到有、由细小变为粗大、由稀疏变为密集。如坯、釉膨胀系数差值为1.46×10-6/℃时（试样S1），釉面无裂纹产生；当坯、釉膨胀系数差值增加到1.84×10-6/℃时（试样S2），釉面开始出现稀疏的裂纹；而当坯、釉膨胀系数差值增加到2.96× 10-6/℃时（试样S3），釉面出现密集的网状细裂纹，具有较好的裂纹效果；而当坯、釉膨胀系数差值增加到3.66×10-6/℃时（试样S4），釉面出现大量的网状粗裂纹，局部甚至出现崩釉现象。产生这一实验现象的原因为，当坯、釉之间的热膨胀系数具有较小的差值时，在冷却过程中，由于釉层中产生的拉应力小于本身的拉伸强度，使得釉面没有裂纹产生；当坯、釉之间的热膨胀系数的差值增加到某一临界值时，使得釉层中产生的拉应力达到釉层的拉伸强度时，釉面开始出现裂纹，如试样S2；然后随着坯、釉之间热膨胀系数差值的进一步增加，釉面的裂纹数目逐渐增加且达到较好的效果，如试样S3；但是，当坯、釉之间膨胀系数差值过大时，由于釉层中产生的残余热应力过大，从而导致局部釉层的崩裂，如试样S4。在随后对釉层的残余应力有限元分析中也将证实上面的分析结果。因此，从对实验结果的分析可知，要获得良好的裂纹釉，坯、釉之间的热膨胀系数应具有合适的差值，就本实验而言，坯、釉之间的热膨胀系数的差值为2.96×10-6/℃时是比较合适的。

3.2 试样残余应力有限元分析及裂纹产生的机理

图3所示为四种不同釉料制备的试样在X-Y中心面X方向上的残余应力分布云图。从图可以看出，试样残余应力的分布具有类似的规律，即釉层中主要承受拉应力，且从试样中心到边缘拉应力逐渐减小，当到达近边缘处时，存在着急剧的拉、压应力转变。而坯体中主要承受压应力，仅在试样的边缘处受到较小的拉应力作用。此外，从图中还可以看出，随着坯、釉膨胀系数差值的增加，釉层中的残余拉应力也在逐渐增大。

为了进一步分析釉层中的应力分布特征，图4给出了从试样中心到边缘釉层沿X方向表面（平行釉面）的应力分布。从图中可以看出，试样的釉层表面所受应力具有相同的变化趋势，即从中心到边缘的过程中，拉应力在相当一段距离范围内均保持一个相对稳定值，当在近边缘处（离边缘约4.5mm）时，拉应力迅速减小，并在边缘转变为微压应力。如对于试样S3，从中心的0 mm到21.5 mm的距离范围内，釉层表面均匀保持稳定的拉应力（86.5MPa），当在离边缘为4.5mm时，拉应力开始急剧减小，在边缘处时转变为微压应力（-5MPa）。

在试样冷却过程中，由于坯、釉的物理性能差异导致了试样中热应力的产生，当釉层所受残余拉应力超过其抗张强度时，釉面就会产生裂纹。从对试样中残余应力有限元分析可知，最大的残余应力在试样的中部，因此，釉层中的裂纹首先在试样的中部萌生，然后再在压应力和剪切应力的共同作用下，使得裂纹向釉层的边缘扩展，最终导致裂纹分布在整个釉层，从而形成裂纹釉。

对于试样S1的釉层中存在的残余应力最大值为65.48MPa，小于其釉的抗张强度为66.47MPa（表3所示），故釉面没有出现裂纹；而试样S2在釉层中的最大残余应力为73.07MPa，略大于其釉的抗张强度72.06MPa（表3），所以釉面只出现无规则的稀疏裂纹；对于试样S3，釉层中的最大残余应力为86.12MPa，比其釉的抗张强度大5.12 MPa，使得Δσ（σ应力-σ釉）具有合适的差值，故釉面呈现密集的网状裂纹；而试样S4的釉层中最大残余应力为92.38MPa，比其釉的抗张强度大10.56MPa（表3），由于Δσ（σ应力-σ釉）值过大，所以釉面出现大量的网状粗裂纹，甚至出现少许崩釉现象。因此，从有限元对釉层中的残余应力分析结果可以看出，其与实验现象取得了较好的吻合。

4 结论

(1)以长石、滑石、高岭土等为主要原料制备裂纹釉，研究了釉料配方组成对釉面效果的影响。结果表明，当使用釉料C所制备的试样S1，釉面效果良好，此时的坯、釉之间的热膨胀系数的差值（α釉-α釉）为2.96×10-6/℃；

(2)裂纹釉的产生除与坯、釉膨胀系数之间的差值有关外，釉本身的抗张强度也对裂纹的产生有着重要的影响；

(3)有限元分析可知，釉层中的残余拉应力是裂纹产生的驱动力，其最大值在试样中部的釉层中；当釉层中的残余拉应力大于釉层本身的抗张强度时，裂纹开始萌生，并从中部向边缘扩展，最终导致裂纹分布于整个釉层中；合适的Δσ（σ应力-σ釉）值是形成具有良好裂纹釉的关键。

1周玉所,金艳.裂纹釉的试制.河北陶瓷,2000,28(2):40～41

2廖珺琪.新型裂纹釉的试制生产.佛山陶瓷,2001,46(1):30～31

3祝桂洪,周健儿,曹春娥.陶瓷釉配制基础.北京:中国轻工业出版社,1989

4梁力,林韵梅.有限元网格修正的自适应分析与其应用.工程力学,1995,12(2):109～118

5李家驹.日用陶瓷工艺学.武汉:武汉工业大学出版社,1992

Abstract

Crackled glaze was prepared using feldspar,talcum,calcite and kaolin as main raw materials.The effect of the composition of the glaze on crackled quality was investigated.Distribution of residual stresses and mechanisms of cracks produced in the glaze were analyzed by means of finite element method(FEM).The results show that a good crackled glaze may be obtained when there is appropriate difference in the physical performance between the glaze and the body,the firing temperature is 1250～1300℃and the holding time is 30 min.The finite element analysis results of the residual stresses are consistent with those of the experiments.

Keywords crackled glaze,coefficient of thermal expansion,residual stresses,finite element method

PREPARATION OF CRACKLED GLAZE AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OF RESIDUAL STRESSES

Li Jiake Liu Xin
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province,Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.4+3

A

1000-2278（2011）01-0057-05

2010-11-08

李家科