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1、陶瓷材料的制备,陶瓷是最古老的一种材料，是人类在征服自然中获得的第一种经过化学变化而制成的产品。它的出现比金属材料早得多。它是人类文明的象征之一，也是人类文化史上重要的研究对象。陶瓷在我国有着悠久的历史，也是我国古代灿烂文化的重要组成部分。,唐五代越窑,南宋龙泉窑,龙泉窑青釉印花牡丹炉,长期以来，陶瓷的发展靠的是工匠技艺的传授，产品主要是日用器皿、建筑材料（如砖、玻璃）等。现在随着许多新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，陶瓷材料又得到了惊人的新发展。,在2005年伦敦拍卖2.3亿人民币,以当天的国际牌价2吨黄金,由于材料科学的发展，人们对材料的结构和性能之间的关系有了深刻的认识，通过控制
2、材料的化学成分和微观结构（组织），具有不同性能的陶瓷材料相继研制成功。陶瓷作为未来最有希望的高温结构材料，日益受到人们的重视。各种功能陶瓷材料（如电子材料、光导纤维，敏感陶瓷材料等）得到了愈来愈广泛的应用。,结构陶瓷,陶瓷轴承,陶瓷坩埚 (耐热堇青石陶瓷),蜂窝陶瓷蓄热体,电子陶瓷,防雷击保护器件陶瓷气体放电管,光源陶瓷（插座）,目前，陶瓷材料的研究和开发已经成为材料科学和工程的一个重要组成部分，被看做单独的一类工程材料，与金属材料和聚合物材料一起，成为工程材料的三大支柱。但是，陶瓷作为工程材料而加以系统研究的历史尚短，许多方面远不如金属材料成熟和深入，因此，就这个意义上说，陶瓷材料又是一种新
3、型的、年轻的材料。,陶瓷材料具有熔点高、耐高温、硬度高、耐磨损、化学稳定性高、耐氧化和腐蚀以及重量轻、弹性模量大、强度高等优良性能，但陶瓷材料的塑性变形能力差，易发生脆性破坏和不易成形加工。,陶瓷材料结构上的另一个特点是其显微组织的不均匀性和复杂性，这是因为陶瓷材料的生产制造过程与金属材料不同。,金属材料通常是从相当均一的金属液体状态凝固而成，随后还可以通过冷热加工等手段来改善材料的组织和性能。即使金属材料中有第二相析出，其分布也比较均匀。一般情况下金属材料不含或极少含有气孔，相对陶瓷而言，其显微组织均匀而单纯。陶瓷材料一般经过原料粉碎配制、成形和烧结等过程，其显微组织由晶体相、玻璃相和气相组
4、成，而且各相的相对量变化很大，分布也不够均匀，陶瓷材料一旦烧制成形，其显微组织无法通过冷热加工的方法加以改变。,由于上述基本特性，陶瓷材料能够在各种苛刻的服役条件下（如高温、腐蚀和辐照环境下）工作，成为一种非常有发展前途的工程结构材料。另一方面，陶瓷材料具有性能和用途的多样性与可变性，使它在磁性材料、介电材料、半导体材料、光学材料等方面占据了重要的地位，并展现了愈来愈广阔的应用前景，成为一种非常有发展前途的功能材料。,传统陶瓷,传统陶瓷的原料,石 英,长 石,粘 土,非可塑性原料,可塑性原料,黏土类物质，包括高岭土、多水高岭土、烧后呈白色的各种类型黏土和作为增塑剂的膨润土等。它们在生产中起塑化
5、和结合作用，赋予坯料以塑性与注浆成形性能，保证干坯强度及烧后的各种使用性能，如机械强度、热稳定性、化学稳定性等。它们是成形能够进行的基础，也是黏土质陶瓷的成瓷基础。,石英属于减粘物质，可降低坯料的黏性，烧成过程中部分石英熔解在长石玻璃中，提高液相黏度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架作用。长石属于熔剂原料，高温下熔融后，可以熔解一部分石英及高岭土分解产物，熔融后的高黏度玻璃可以起到高温胶结作用。除长石外，还有花岗岩、滑石、白云石、石灰石等也能起同样作用。,()石英(SiO2),石英是构成地壳的主要成分，部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩石；另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体
6、。 不论石英以哪种形态存在，其化学成分均为SiO2，此外还经常含有少量的Al2O3、Fe2O3，CaO，MgO，TiO2等杂质。石英的外观视其种类不同而异，有的呈乳白色，有的呈灰色半透明状态，断口有玻璃光泽。莫氏硬度为7，比重依晶型而异，一般在2.232.65之间。,石英晶型转化的结果，会引起体积、比重、强度等一系列物理变化。其中对陶瓷生产影响较大的是体积变化。,()长石,长石是一族矿物的总称，是网架状硅酸盐结构，一般又分四大类： 钠长石（Na2OAl2O36SiO2）， 钾长石（K2OAl2O36SiO2）， 钙长石（CaOAl2O36SiO2）， 钡长石（BaOAl2O36SiO2）。,在
7、地壳中单一的长石很少，多数是几种长石的互溶物。钾长石一般呈粉红色，比重为2.562.59，莫氏硬度为66.5，断口呈玻璃光泽，解理清楚。钠长石和钙长石一般呈白色或灰白色，比重为2.5，其他物理性能与钾长石近似。其熔融温度分别为：钾长石1190，钠长石1100，钙长石1510。,在陶瓷生产中使用的长石是几种长石的互溶物，并含有其他杂质，所以它没有一个固定熔融温度，只是在一个温度范围内逐渐软化熔融变为乳白色黏稠玻璃态物质。熔融后的玻璃态物质能够溶解一部分黏土分解物及部分石英，促进成瓷反应的进行，并降低烧成温度，减少燃料消耗。这种作用通常称为助熔作用。此外，由于高温下长石熔体具有较大黏度，可以起到高
8、温热塑作用与高温胶结作用，防止高温变形。冷却后长石熔体以透明玻璃体状态存在于瓷体中，构成瓷的玻璃基质，增加透明度，提高光泽与透光度，改善瓷的外观质量与使用效能。,（）黏土。,黏土是一种含水铝硅酸盐的矿物，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化与地质作用而生成。 黏土矿物的主要化学成分是SiO2、Al2O3和水，还含有Fe2O3、TiO2 等成分。黏土具有独特的可塑性与结合性。调水后成为软泥，能塑造成形，烧后变得致密坚硬。这种性能构成了陶瓷的生产工艺基础，因而它是传统陶瓷的基础原料。,黏土矿物主要有以下几类： 高岭石类。一般称为高岭土(Al2O32SiO22H2O)。 伊利石类。这类黏土主要是水云母
9、质黏土，或绢云母质黏土。 蒙脱石类。主要是由蒙脱石和拜来石类等构成的黏土，这类黏土又称为膨润土。,质纯的高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能,陶瓷制备过程,坯料制备,成形,坯体干燥,上釉,烧成,坯料制备,传统日用陶瓷坯料通常按制品的成形法分成含水量1926%的可塑法成形坯料与含水量为3035%的注浆法成形坯料两种。,(1)可塑法成形坯料,可塑法成形坯料要求在含水量低的情况下有良好的可塑性，同时坯料中各种原料与水分应混合均匀以及含空气量低。可塑法成形是陶瓷生产中最常用的一种成形方法。,石英需要煅烧以便于粉碎。通常的脉石英或石英岩质地坚硬，粉碎困难，
10、通过煅烧到9001000，低温石英转变为石英，其体积发生骤然膨胀，致使石英内部结构疏松，利于粉碎。煅烧后若在空气中或冷水中急冷可加剧内应力，促使碎裂。 原料中的Fe含量对烧成后陶瓷的颜色有很大影响，对烧后颜色影响最大的为铁钛化合物。Fe2O3含量不同，烧成后可以被着成不同的颜色。如Fe2O3含量在0.5%以下时，烧成后呈白色；若高达10%以上便可呈现深色。对于日用和工艺陶瓷来说，烧后的颜色是产品质量中的一个重要因素。因此去除Fe是一个重要的工艺过程。,()注浆法成形坯料,注浆法成形用的坯料含水量为3035%。对注浆料来说要求它在含水量较低的情况下具有良好的流动性、悬浮性与稳定性，料浆中各种原料
11、与水分均匀混合，而且料浆具有良好的渗透性等。上述这些性能主要通过调整坯料配方与加入合适的电解质来解决。但正确选择制备流程与工艺控制也可以在某种程度上改善泥浆性能。如泥浆搅拌可促使泥浆组成均一，保持悬浮状态，减少分层现象。 陈腐不但可使水分均匀，促使泥料中的空气排除，同时也可增加坯料的黏性和强度。一般泥浆在使用前需存放13昼夜.,注浆泥料的制备流程基本上和可塑法成形坯料制备流程相似，一般有经过压滤与不经过压滤两种方法。 不压滤法是按配比将各种原料、水和电解质一起装入球磨机混合研磨，直接制成注浆泥浆，或将粉磨好的各种原料按配比在搅拌机中加水和电解质混合成均匀的泥浆。该法虽操作简单、设备费用低，但泥
12、浆稳定性较差。 经过压滤的泥浆，质量高，稳定性好。压滤泥浆的制备方法是将球磨后的泥浆经过压滤脱水成泥饼，然后将泥饼碎成小块，与电解质以及水再搅拌成泥浆。经过压滤的泥料，由于在压滤时滤去了由原料中混入的有害的可溶性盐类（如Ca2+，Mg2+以及其他有影响的阴离子SO2-4 ）。可以改善泥浆的稳定性，适用于生产质量要求较高、形状较复杂的产品，但成本较高。,成形,(1)可塑法成形。用各种不同的外力对具有可塑性的坯料（泥团）进行加工，迫使坯料在外力作用下发生可塑变形而制成生坯。可塑法成形基于坯料具有可塑性。对于可塑成形来说，要求可塑坯料具有较高的屈服值和较大的延伸变形量(在破裂点前)。较高的屈服值是为
13、了保证成形时坯料有足够的稳定性，而较大的延伸变形量则保证其易被塑成各种形状而不开裂。,（）注浆法成形。是把制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸水性，泥浆被模具吸水，收缩而与模型脱离。,注浆法成形适用于形状复杂、不规则、薄而体积大且尺寸要求不严的器物。如花瓶、茶壶、汤碗等。注浆成形后的坯体结构较均匀，但其含水量大，干燥与烧成收缩也较大；另一方面，有适应性大、便于机械化等优点。,（）干压法成形。是利用压力将干粉坯料在模型中压成致密坯体的一种成形方法。由于干压成形的坯料水分少，压力大，坯体比较致密，因此能获得收缩小、形状准确、无需大干燥的生坯。干压成形过程简单，生产量大，缺陷少，便于
14、机械化，对于成形形状简单的小型坯体较为合适，但对于形状复杂的大型制品，采用一般的干压成形就有困难。,(1)可塑成型在坯料中加入水或塑化剂，捏练成可塑泥料，经手工、挤压或机械加工成型。普通陶瓷中应用较多。 (2)注浆成型将浆料浇注到石膏模中成型，常用于制造形状复杂、精度要求不高的建筑陶瓷等。 (3)压制成型在粉料中加入少量水分或塑化剂，在金属模具中加较高压力成型。主要用于特种陶瓷和金属陶瓷。,(4)等静压成形,等静压成形过程是将粉料装进一个有弹性的模具内，密封，然后把模具连同粉料一起放在充有液体或气体的高压容器中。封闭后，用泵对液体或气体加压，压力均匀地传送到弹性模壁，使粉料被压成与模具形状相像
15、的压实物，但尺寸要比模型小一些。受压结束后，慢慢减压，从模具中取出坯体。,4.坯体干燥,成形后的各种坯体，一般都含有较高的水分，尤其是可塑成形和注浆成形的坯体，还呈可塑状态，因而在运输和再加工（如修坯、粘接和施釉）过程中，很易变形或因为强度不高而破损。为了提高成形后坯体的强度，就要进行干燥以除去坯体中所含的一部分水分，使坯体失去可塑性，具有一定的强度。此外，经过干燥的坯体在烧成初期可以经受快速升温，从而缩短烧成周期。为了提高坯体吸附釉层能力，也需进行干燥。因此，成形后的坯体必须进行干燥，排除水分。 实践表明，生坯的强度随着水分的降低而大为提高。当生坯的水分含量被干燥到时，已有足够的强度和吸附釉
16、层的能力，无须再继续干燥。,5.上釉,釉是附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层，具有与玻璃相类似的物理与化学性质。陶瓷坯体表面的釉层从外观来说使陶瓷具有平滑而光泽的表面，增加陶瓷的美观。尤其是颜色釉与艺术釉更增添了陶瓷制品的艺术价值。就机械性能来说，正确配合的釉层可以增加陶瓷的强度与表面硬度，同时还可以使陶瓷的电气绝缘性能、抗化学腐蚀性能有所提高。,按釉料的组成成分可分为长石釉、石灰釉、铅釉、硼釉、铅硼釉等。传统日用瓷生产中主要用长石釉与石灰釉。长石釉主要由石英、长石、大理石、高岭土等所组成，其特征是硬度较高，光泽较强，略具乳白色。石灰釉主要是由瓷石(由石英、绢云母组成，并含有若干高岭土、长石等岩石矿物)与釉灰(主要成分为碳酸钙)配制而成。石灰釉的特点是透光性强，适应性能好，硬度亦较高。,6.烧成,将釉料经配料、制浆后进行施釉。施釉方法可以分为浸釉法、喷釉法、浇釉法、刷釉法。浸釉法是将产品全部浸入釉料中，使之附着一层釉浆。喷釉法是利用压
