陶瓷大板如何避免切割裂产生，意大利陶瓷中心最新研究

关于陶瓷板切割性能评价技术以及避免切割裂产生，行业内已经开展了广泛的研究，本文将分享一篇从微观角度对陶瓷板切割性能评价的新方式，供行业参考。文章来源于意大利陶瓷中心E. Rambaldi以及Sichenia Gruppo Ceramiche集团公司的A. Tartaglia共同发表在SCI杂志Ceramics International上的文章。本文分析分为上下两篇，上篇将介绍研究的相关背景和采用的方法；下篇将介绍研究的分析过程及结论。

该项研究基于“逆向思维”方式，通过分析成品来追踪导致切割产生不同结果的原因。作者研究分析了五块采用不同工艺制备的厚度分别为12和20 mm的陶瓷大板产生的切割反应。两块陶瓷大板显示出与线性切割的偏差，导致在金刚石盘锯下切割效果欠佳，而其他三块陶瓷大板切割良好。为了突出这些板材之间的差异，进行了化学分析及微观结构分析，包括测定烧结指数、总孔隙度和孔径分布。分析结果表明：总孔隙率和烧结指数都可以作为评价陶瓷大板切割响应的关键参数。当总孔隙率尽可能大，气孔尽可能小，烧结指数尽可能小，同时又不影响陶瓷大板的质量和技术性能时，可获得良好切割响应的最佳折中方案。

（图片来源：拍信创意，侵删）

一、陶瓷板切割行为分析

工业生产的3000×1500 mm陶瓷大板采用相同的切割方式（水冷的优质金刚石盘踞，进刀速度为1.2 m/min）在切割过程中表现出不同的结果。根据EN 14411和ISO 13006，陶瓷大板属于BIa类，吸水率<0.5 wt%。如今，企业已经可以生产尺寸从1200×2400 mm到1800×4800 mm的陶瓷大板，切割性能也越来越成为影响产品成品率与质量的关键因素。 

目前，有部分研究试图通过估计在陶瓷大板中产生残余应力来评价切割性能，这部分研究认为陶瓷大板残余应力产生的主要原因是工业窑炉在达到峰值的烧成温度1180℃至1220℃之间后，快速冷却产生，或者可能与石英颗粒上的残余应力有关。

然而，一块陶瓷大板究竟在切割时会出现怎么的变化？首先，参考格里菲斯的理论，该理论指出，当裂纹扩展引起的势能减少大于或等于由于创建新的自由表面引起的表面能增加时，裂纹将扩展。该理论适用于脆性断裂的弹性材料。

然后，考虑到上述前提，当切割发生在压缩区域时，不会造成不平衡（图1）。随着切割的进行，盘踞进入拉伸区，拉伸区不再受切割边缘的约束，对工件施加应力，导致断裂在45°方向产生（莫尔圆）。众所周知，导致断裂的力为材料中的拉伸应力和切割点处截面表面积的乘积。因此，切割越深，力越小：如果发生断裂，则断裂不会从材料的中间位置开始出现。 

理论上，由于切口效应，切口越锋利，应力越高，断裂概率越大。切割设备的振动引发的张力峰值增加了断裂的风险，另外，通过预磨去除部分边缘，通常会减少压缩力，从而降低区域之间的差异，降低了断裂概率。横截面上也会发生同样的情况，因此去除压缩状态（抛光或研磨）意味着释放张力，从凸面变为凹面。

(图片来源：中国建筑卫生陶瓷协会-公众号，侵删)

平面图剖面图

图1 残余应力影响切割的分析：进刀处、压缩区末端和拉伸区开始处发生断裂（红色部分）。

在切割过程中，工件在盘踞的进刀处没有问题，在中心位置也没有问题，但在出口处会产生断裂（图2）。这可能主要是由于两个原因：（a）最小截面上的残余机械应力，可能由于远离切口的陶瓷大板的重量而在弯曲时受到应力，通常是因为它是凸面的；（b）不均匀烧结引起的张力。在烧制过程中，陶瓷大板在不同位置遵循不同的动力学，通常在外表面（顶部、底部和侧面）进行烧结。同一块板，在不同的位置，可能具有不同的吸水率、不同的热膨胀系数，更重要的是，会发生不同的收缩。

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平面图剖面图

图2 非均匀烧结情况下的切割分析：金刚石盘踞穿过板坯内部整个压缩区后，出刀口、拉伸区开始处的断裂（红色部分）。

正如它发生在平面图中一样，它也发生在剖面图中。在图3中，可以观察到从中心开始并向陶瓷大板背面扩展的断裂。

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图3 拉伸切口：采用莫尔圆表示的截面视图 

切割应力（进刀速度、振动等）总是被金刚石盘踞的楔形缺口效应放大，从而在局部产生应力激增。例如，干式切割机导致的断裂是从深方向开始，然后分裂展开。由于孔隙率高，雕刻和劈裂产生的断裂问题可能比圆盘切割产生的断裂问题少。金刚石切口进入板中几毫米所造成的断裂以厘米为单位传播，如图4所示。

(图片来源：中国建筑卫生陶瓷协会-公众号，侵删)

图4 仅由金刚石盘踞雕刻引起的断裂扩展图像：(a) 白色板中亚甲基蓝突出显示的效果；(b)在黑色板中浸入荧光后突出显示的效果。

二、 研究方法

采用相同的原料混合物（40-45 wt%的高岭石和伊利石粘土以及55-60 wt%的长石砂）与氧化铝和锆石（白坯中约10 wt%）或铁铬基颜料（黑坯中约5 wt%）进行制备，以获得白色陶瓷大板（S1G板）或黑色陶瓷大板（S2N、S3G、S4G、S5N板）。通过控制不同烧结温度、保温时间、总烧结时间，进行对比分析，具体样品情况如表1所示。

这些板材对金刚石切割盘表现出不同的反应：标有（G）的S1G、S2G和S4G板材表现出良好的线性和清晰切割，而标有（N）的S2N和S5N板材在切割过程中表现出不太好的裂纹偏转行为。特别是，在这两块板中，与线性切割的偏差会突然发生。

为了解陶瓷大板在切割过程中的变化，该研究采用微观结构分析方法。首先，通过X射线衍射分析进行定量化学分析，并估计非晶相的数量。烧结指数（IS）根据式[1]计算，其中烧结过程中形成的新相（莫来石和非晶相）的数量除以未熔融原料残余的残余晶相，利用该指标反映陶瓷大板的烧结程度。

IS = (%莫来石 + %非晶相) / (%参与晶相)

利用光学显微镜、扫描电镜、以及EDS分析等对陶瓷大板的显微结构进行表征。并利用光学显微镜对确定样品的总孔隙度以及孔隙度沿厚度方向的分布情况，具体结果如图5-10所示，相关结果的分析见下篇，敬请关注。

(图片来源：中国建筑卫生陶瓷协会-公众号，侵删)

图5 陶瓷大板抛光表面的显微照片：S1G (a), S2N (b), S3G (c), S4G (d), S5N (e)

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图6 陶瓷板断裂面的扫描电镜分析：S1G (a), S2N (b), S3G (c), S4G (d), S5N (e)

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图7 陶瓷大板代表性区域的EDS分析：S1G (a), S2N (b), S3G (c), S4G (d), S5N (e)

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图8 12 mm板厚度方向的孔隙率分布

(图片来源：中国建筑卫生陶瓷协会-公众号，侵删)

图9 20 mm板厚度方向的孔隙率分布

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图10 陶瓷大板的孔隙尺寸分布

(文章来源：中国建筑卫生陶瓷协会-公众号，侵删)