第十二讲陶瓷及加工工艺

设计材料及加工工艺王智敏第十二讲陶瓷及加工工艺目录12.1陶瓷概述12.2陶瓷材料的基本性能12.3陶瓷的加工工12.4设计常用的陶瓷材料12.5陶瓷在设计中的应用12.1陶瓷概述“陶瓷”为无机非金属材料，是人类利用黏土矿物或岩石等多种天然资源，经过火烧制成功的技术成果。它与人类历史文明有着十分密切的关系，尤其是我们瓷器的发明及其工艺和技术的辉煌成就，对于人类文化都曾做出过很大的贡献。12.1.1陶瓷的发展历史人类的材料文明同火有着密切的联系，据说人类在用火是发现被烧的黏土特别硬而发明了陶器；而在烧制陶器过程中，发现还原出的铜，而发明了冶炼铜，进而有了冶炼铁。袋足内模制陶工具新石器时代陕西龙山文化中国是世界上历史悠久的文明古国之一，陶瓷生产有着悠久的历史和光辉的成就。制陶技艺的产生可追溯到4500年至2500年以前的时代。双格陶调色盒绘画用具高6.5厘米新石器时代马家窑文化宋代的高温色釉及碎纹釉、铁系花釉，如兔豪、油滴、玳瑁斑等。明清时期的青花、粉彩、祭红、郎窑红等产品都是我国陶瓷史上光彩夺目的明珠。唐代的越窑青瓷和邢窑白瓷、唐三彩。4.1.2陶瓷的分类（1）按材料分类：分为普通陶瓷（传统陶瓷）特种陶瓷（现代陶瓷）日用陶瓷建筑陶瓷绝缘陶瓷化工陶瓷多孔陶瓷金属陶瓷导电陶瓷压电陶瓷超导陶瓷耐酸陶瓷半导体陶瓷陶瓷（2）按制品特性分类：陶瓷是陶器与瓷器两大类产品的总称。传统的陶瓷材料是用粘土及其它天然矿物原料经粉碎加工、成型、煅烧等生成。陶器通常有一定吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲之声粗哑，有的无釉，有的施釉。瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，有釉层，比陶器烧结度高。根据陶瓷的颜色和吸水率大小不同，普通陶瓷又可分为陶器、炻器、瓷器。介于陶器与瓷器之间的一类产品，国外通称炻器，也有称为半瓷。具体内容详见下表。陶瓷制品的分类表1名称特点主要制品颜色吸水率（%）粗陶器带色＞10日用缸器、砖、瓦精陶器石灰质长石质白色白色18~229~12日用器皿、卫生陶瓷、装饰釉砖面炻器粗炻器细炻器白或带色4~8＜1缸器、建筑外墙砖、锦砖、地砖日用器皿、化工及电器工业用品、瓷质砖瓷器长石瓷绢云母瓷滑石瓷骨灰瓷白色白色白色白色＜0.5＜0.5＜0.5＜0.5日用餐茶具、陈设瓷、高低压电瓷日用餐茶具、美术用品日用餐茶具、美术用品日用餐茶具、美术用品名称特点主要制品特种瓷高铝质瓷镁质瓷锆质瓷钛质瓷磁性瓷电子陶瓷金属陶瓷其他耐高频、高强度、低介电损失高强度、高熔点、高韧性、抗氧化硅线石瓷、刚玉瓷等钛酸钡、钛酸锶、金红石瓷铁淦氧瓷、镍锌磁性瓷铁、镍、钴金属陶瓷，如火氧化物、碳化物、硅化物瓷等陶瓷制品的分类表2常用功能陶瓷的组成、特性及应用种类性能特征主要组成用途介电陶瓷绝缘性Al2O3、Mg2SiO4集成电路基板热电性PbTiO3、BaTiO3热敏电阻压电性PbTiO3、LiNbO3振荡器强介电性BaTiO3电容器光学陶瓷荧光、发光性Al2O3CrNd玻璃激光红外透过性CaAs、CdTe红外线窗口高透明度SiO2光导纤维电发色效应WO3显示器磁性陶瓷软磁性ZnFe2O、γ-Fe2O3磁带、各种高频磁心硬磁性SrO．6Fe2O3电声器件、仪表及控制器件的磁芯半导体陶瓷光电效应CdS、Ca2Sx太阳电池阻抗温度变化效应VO2、NiO温度传感器热电子放射效应LaB6、BaO热阴极12.2陶瓷的基本性能•具高熔点、高硬度、高化学稳定性；•耐高温、耐氧化、耐腐蚀。•密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。•易碎主要性能指标有：强度、硬度、热性能、电导率、绝缘强度、白度、透光度、光泽度、化学性能、气孔率、吸水率等显著特征性能(1)硬度是各类材料中最高的。（高聚物20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度：是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2)(3)强度：理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。（E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(4)塑性：在室温几乎没有塑性。(5)韧性：差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。(6)热膨胀性：低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)热稳定性：抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）(8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9)导电性：大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。4.3陶瓷的加工工艺陶瓷的加工工艺；将陶瓷原料按一定比例配制、混合，经成型和表面处理后烧制而成。常用的成型方法有两种：一种是半干法成型，另一种是浇注法。焙烧陶瓷的窑炉常用辊道窑、隧道窑。用半干法成型的陶瓷面砖的典型生产工艺。半干法成型的陶瓷砖生产工艺12.3陶瓷的加工工艺大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的。陶瓷所用原料，首先是保证陶瓷制品的各结构物的生成，其次是必须具有加工所需的各工艺性能。12.3.1原料配制•普通陶瓷所需原料可归纳为三大类，即具有可塑性的粘土类原料、具有非可塑性的石英类原料（瘠性原料）和熔剂原料。•除了上述普通陶瓷所需的三大原料外，陶瓷釉料还常常需用各种特殊的熔剂原料，包括采用各种化工原料。（1）可塑成型法•旋坯•滚压法•挤压（做管、棒）•拉坯（车坯）•雕塑与印坯•工业上使用最较多的是旋压和滚压两种12.3.2陶瓷成型旋压和滚压拉坯（2）注浆法和干压法空心注浆法示意图有空心注浆法、实心注浆法、压力注浆和离心注浆法实心注浆法示意图手工陶艺手工制碗普京制陶（3）干压法干压成型是利用压力，将干粉坯料在模中加压成致密坯体的一种成型方法。干压成型、等静压成型和热压成型，都是新出现的成型方法。其中干压成型过程简单，产量大，缺陷少，并便于机械化，对成型形状简单的小型坯体，有广泛的应用价值。由于干压成型的坯料水分少，压力大，坯体致密，因此能获得收缩小，形状准确，易于干燥的生坯。干压成型常用于特种陶瓷的生产。成型后的坯体经干燥、装饰、上釉和焙烧工艺后制成产品。a)单向加压b)双向加压图干压成形12.3.3上釉上釉所谓釉是指附着于陶瓷坯体表面的连续玻璃质层。釉料是在坯体烧结的温度下成熟。陶瓷施釉的目的在于改善坯体的表面性能，提高力学强度。上釉分釉下彩和釉上彩。釉下彩：在生坯(或素烧釉坯)上进行彩绘，然后施一层透明釉，最后釉烧即为釉下彩绘。釉上彩：在釉烧过的陶瓷釉上用低温颜料进行彩绘，然后在不高的温度下(660~900度)彩烧的装饰方法。釉下彩明青花瓷釉上彩清乾隆八仙图12.4设计常用的陶瓷材料传统陶瓷特种陶瓷日用器皿建筑陶瓷绝缘陶瓷卫浴洁具美术陶瓷园林陶瓷烹饪陶瓷氧化物陶瓷非氧化物陶瓷玻璃陶瓷功能陶瓷设计常用的陶瓷材料4.5陶瓷应用实例陶瓷材料的发展，不仅像以往那样生活实用器皿，摆设的工艺品，而且大量制成建筑用材，用于各种不同的工艺结构和艺术形式的大型壁画、雕刻和室内外的景观，其工艺效果与艺术魅力是其它材料望尘莫及的，是一个既传统、又崭新的无限广阔的艺术领域。见以下实例：景德镇瓷器Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴SiC陶瓷件SiC轴承Si3N4轴承绝缘子陶瓷零件电子陶瓷陶瓷生产工艺流程设计方案要求•1、产品的名称；•2、产品设计图和效果图；•3、产品的功用和工作参数；产品的造价大概是多少？•4、选用什么材料，为什么选用这种材料，选用该材料的优缺点；•5、所选用材料的性能和可以进行的加工成型方法；•6、选用何种成型方法，为什么？该成型方法的加工特点和优缺点；•7、产品的表面处理有哪些？你选用哪种表面处理方法？为什么？该方法的优缺点有什么？•8、你对该产品的设计理念是什么？•9、你对该产品的功能和美学是如何结合和统一的？使用了哪些美学原理？•10、总字数不小于3000字。