陶瓷材料

陶瓷材料是人类应用最早的材料。传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的先进陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，其内涵远远超出了传统陶瓷范畴，几乎涉及整个无机非金属领域。第5章陶瓷材料什么是陶？什么是瓷？陶和瓷的区别是什么？陶器和瓷器的主要区别一、烧成温度不同。陶器烧成温度一般都低于瓷器，最低甚至达到800℃以下，最高可达1100℃左右。瓷器的烧成温度则比较高，大都在1200℃以上，甚至有的达到1400℃左右。二、坚硬程度不同。陶器烧成温度低，坯体并未完全烧结，敲击时声音发闷，胎体硬度较差，有的甚至可以用钢刀划出沟痕。瓷器的烧成温度高，胎体基本烧结，敲击时声音清脆，胎体表面用一般钢刀很难划出沟痕。三、使用原料不同。陶器的胎料是普通的粘土，瓷器的胎料则是瓷土，即高岭土。四、透明度不同。陶器的坯体即使比较薄也不具备半透明的特点。瓷器的胎体无论薄厚，都具有半透明的特点。五、釉料不同。陶器多不施釉或施低温釉,即一般的陶器表面无釉，即使有釉也是低温釉。瓷器则多施釉，瓷器的釉料有两种，既可在高温下与胎体一次烧成，也可在高温素烧胎上再挂低温釉，第二次低温烧成。六、吸水率不同。陶器有较强的吸水性。一般来说，瓷的吸水率小于0.5%，而陶的吸水率大于10%。七、含铁量不同。陶的含铁量一般在3%以上，瓷胎含铁量一般在3%以下。八、胎体特征不同。陶器未玻化或玻化程度差，结构不致密，断面粗糙。瓷器玻化程度高，结构致密。在远古的石器时代，人类的祖先用天然的石头做成刀、斧、针和武器。在人类学会用火之后，人们用粘土加上水，合成泥，捏成各种器皿的形状，然后在火中焙烧，得到了十分坚硬的陶器。据考古学家分析，距今大约1万年前，就有陶器出现。这是人类最早、最伟大的文明创造。恩格斯把陶器的出现称为新石器时代开始的标志。在我国，陶器大约出现在8000年前，经过历代的改进，技术水平提高很快。有了陶器，人类可以吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可以长时间地储存食物；陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提供了物质条件，为人类的进化立下了不朽的功勋。陶器的不足是不致密、易渗漏、强度也不高。兵马俑，亦称陶俑，是典型的陶制品.举世闻名的秦兵马俑是秦代制陶工人的杰作。原料就地取土，未加调配。使用如此一般的粘土烧制这样巨大的陶俑而不变型，历经2000余年不损坏，这说明当时制陶技术的精湛、高超。秦兵马俑著名的唐三彩创始于唐高宗时期。所谓三彩，是用白色粘土做胎，以Cu、Fe、Co、Mn等的矿物做釉的着色剂，经两次烧制后，成为绚丽多彩的陶器精品。颜色以黄、绿和白色为主，故称“唐三彩”。但三彩是表示多色，并不是在一件器物上只限于三种色釉。唐三彩色调富丽，图案优美，尤以塑造的各种舞俑和三彩马俑更为生动。宜兴紫砂壶自明朝流传至今，制造技术精湛，色泽淳朴，用来泡茶，茶不失原味，耐热保温，不易变质。紫砂泥由粘土、石英、云母、赤铁矿组成，其中Fe2O3含量约占7%-10%，TiO21%。经过了几千年的发展，出现了瓷器。从陶到瓷，在技术上主要实现了三大突破：瓷土的发现和利用瓷土与陶土相比，Fe2O3、CaO、MgO等称为助熔剂的物质明显减少，SiO2的含量也降至70%以下，而Al2O3的含量显著增加。釉的发明和创新釉是覆盖在瓷器表面的一种玻璃态的物质，它是用矿物（长石、方解石、石英、滑石、高岭土等）和颜料按照一定的比例配制而成，用多种方法施于陶瓷胚体表面。烧制温度的提高烧制温度从800～1000℃提高到1200℃以上，相应配套的出现了窑炉。高温使釉料被熔融并均匀地覆盖在瓷器的表面，冷却后之地坚硬、光滑、不沾污、高度绝缘、色彩艳丽动人。瓷器是我国古代最重要的发明之一，凝聚着我国劳动人民的智慧。最早出现于距今3000多年前的商周，后经过近1000年的发展，到汉代已日趋成熟，在唐、宋、元、明、清历代，造瓷技术水平登峰造极，江西景德镇的薄胎瓷器被赞为洁如玉、明如镜、薄如纸、声如磬。至今藏于中国故宫博物院的大批古瓷器都是传世珍品。元代（公元1271～1368年）是中国青花瓷器烧造工艺发展历史上的重要时期。这一时期在前代釉下彩等工艺的基础上逐步确立、完善了青花瓷器的烧造技术，并形成了自身的独特风格。到明清时期（公元1368～1911年），青花瓷器已经发展成为中国瓷器中的主要产品。一、陶瓷材料基础知识1.陶瓷的定义★陶瓷的传统定义：陶器和瓷器的总称，包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等。★陶瓷的狭义定义—以粘土为主要原料，经高温烧制的制品。★陶瓷的广义定义—经高温烧制的无机非金属材料的总称。★陶瓷的精确定义—用天然原料或人工合成的粉状化合物，经过成形和高温烧结制成的，由无机化合物构成的多相固体材料。日用陶瓷日用瓷器是日常生活中人们接触最多，也是熟悉的瓷器，如餐具、茶具、咖啡具、酒具、饭具等陈设瓷等。在历史上，日用瓷器是从日用陶器发展而来的，又因为两者在性能和制造工艺上有相似之处，所以，习惯上把它们放在一起，统称为日用陶瓷。2.陶瓷的分类日用陶瓷唐山骨质瓷茶具景德镇飞天雕塑景德镇三阳开泰特征类别吸水率（％）特征陶器粗陶器＞15不施釉，制作粗糙普通陶器≤12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细细陶器7～10断面颗粒较细，气孔较小，结构均匀，表面施釉，制作精细炻器粗炻器3～7透光性差，胎体较厚，断面呈石状，制作较粗，细炻器1～3透光性差，胎体较薄，断面呈石状，制作较细瓷器普通瓷器≤1有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较精细细瓷器≤0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细日用陶瓷的细分类主要种类类别按用途、性能等细分的品种普通陶瓷日用陶瓷餐茶具中西餐茶具：盘，碗，杯，碟，壶等陈设瓷花瓶，陶瓷雕塑，陶瓷画，建筑卫生陶瓷墙地砖外墙砖，内墙砖，地砖卫生陶瓷洗面器，大小便器，洗涤器，手纸盒电瓷低压电瓷用于≤1KV的电瓷高压电瓷用于≥1KV的电瓷，先进陶瓷功能陶瓷电子陶瓷利用本征特性，如装置瓷，电阻等功能陶瓷利用功能特性，如敏感、压电陶瓷结构陶瓷结构陶瓷利用本征特性，如高强度，耐高温，耐磨，耐腐蚀等现代陶瓷的分类建筑卫生陶瓷建筑陶瓷：用于建筑物饰面或作为建筑构件的陶瓷制品。卫生陶瓷：用作卫生设施的有釉陶瓷制品。电瓷：主要由粘土、长石、石英（或铝氧原料）等硅酸盐原料混合配制，经加工成形，在较高温度下烧制而获得的无机绝缘材料。序分类材料类别主要适用范围1硅质电瓷压制硅质瓷低压绝缘子2硅质瓷低压绝缘子、一般高压绝缘子或瓷套3高强硅质瓷高压绝缘子或瓷套4铝质电瓷铝质瓷高压、超高压绝缘子或瓷套5高强铝质瓷高压、超高压绝缘子或瓷套金属氧化物避雷器10kV瓷拉棒绝缘子盘型悬式绝缘子电瓷20(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；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。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)塑性低：在室温几乎没有塑性。(5)韧性差，脆性大，是陶瓷的最大缺点。3、陶瓷材料的性能(6)热膨胀性低－导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-210-5w/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、陶瓷材料的相组成特点和结合键特点通常由三种不同的相组成晶相玻璃相气相晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。24共价键离子键陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。25•陶瓷材料以离子键结合为主，由于离子键的结合力大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。NaCl原料的制备粘土——细颗粒含水铝硅酸盐用水混合，具有可塑性，是作为基础。石英——无水SiO2，难熔，可减粘，在瓷坯中起骨架作用。长石——含K、Na、Ca离子的无水硅酸盐，属熔剂。可塑成形——传统陶瓷用较多注浆成形——浆料浇注到石膏模中成形，用于制造日用陶瓷和建筑陶瓷等形状复杂件压制成形——粉料加入塑化剂，在金属模具加压成形干燥的毛坯加热高温烧结，相变获得要求的性能5、陶瓷的制备过程坯体成型陶瓷的烧结1）注浆成型法这种成型方法是将坯料泥浆注入石膏模内，石膏将水中所悬浮的粘土与水一起吸引到模的表面，水被石膏吸收后就形成与模型一样形状的坯料。2）可塑成型法可塑性成型就是采用具有捏练状态的湿坯泥成型的方法。其成型方法有：挤出成型，热压成型，湿式及半湿式成型等。3）压制成型法将粒料和粉料加压变形而固结成型，它分湿压法和干压法。压制成型30陶瓷材料的工艺特点粉体－成型－烧结6、先进陶瓷材料先进陶瓷又称为新型陶瓷、精细陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷，其内涵远远超出了传统普通陶瓷范畴，几乎涉及整个无机非金属领域。一般认为，先进陶瓷是采用高度精选且具有特定化学组成的原料，按照便于进行结构设计和控制的工艺进行制备、加工，得到的具有优异性能的陶瓷。6.1先进陶瓷与传统陶瓷的差别（1）原材料不同：先进陶瓷选用人工合成或提纯的高质量粉体作起始原料；后者则将天然矿物，如黏土、石英、长石等，经过粉碎、除渣等工艺处理后直接使用。（2）化学组成不同：先进陶瓷除氧化物外，还有氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等，它们的化学和相组成简单明晰，纯度高，显微结构均匀细密。传统陶瓷以氧化物为主，其化学和相组成均复杂多变，显微结构粗劣且多气孔。先进陶瓷与传统陶瓷的差别（3）制备工艺不同。先进陶瓷必须加入添加剂才能进行干法或湿法成型，烧结温度较高（1200℃-2200℃），且需加工后处理；而普通陶瓷烧结温度较低（900℃-1400℃）。（4）品种不同。先进陶瓷除烧结体外，还有单晶、薄膜、纤维、复合物；而传统陶瓷主要是天然硅酸盐矿物原体的烧结体。（5）用途不同。先进陶瓷因为优异的力、光、电、磁性能等，被广泛应用于石油、化工、电子、航空航天、核动力、军事、纺织、生物和汽车等诸多工业领域，传统陶瓷一般仅限于日用和建筑使用。6.2先进陶瓷材料的分类根据性能和应用不同，先进陶瓷材料可以分为结构陶瓷、功能陶瓷和陶瓷涂层材料等。结构陶瓷：在工程结构上使用的陶瓷称为结构陶瓷，具有高温下强度和硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优越性能。功能陶瓷：利用陶瓷具有的物理性能（电、磁、光、压电、热释电等）制造的陶瓷材料称为功能陶瓷，也称为电子陶瓷，它具有的物理性能差异很大。陶瓷涂层材料：在生产中，几乎所有部件都可以用涂层的办法来满足其对耐高温、耐化学腐蚀的要求，即加工成陶瓷涂层材料。结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料。不同形状的特种结构陶瓷件36结构陶瓷：•这类陶瓷是作为结构材料用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能，如强度、韧性、硬度、模量、耐磨性及高温性能等。•不同成分陶瓷均可设计成为结构陶瓷，如Al2O3、Si3N4、ZrO2等，是常用的结构陶瓷。陶瓷零件37成分：Al2O3＋少量SiO2氧化铝陶瓷是一种技术成熟、工艺稳定、材料性能优良的结构陶瓷材料。由于其具有较好的耐磨性、抗腐蚀性以及具有较高的强度、硬度和相对较低的价格，因而被广泛的使用作为耐磨材料、密封制品等结构部件。同时氧化铝陶瓷又具有较佳的绝缘性能，也常作为绝缘部件应用于电子、电器零部件。氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷转心球阀氧