陶瓷工藝學：緒論

陶瓷工藝學

主要參考書1.劉維良，喻佑華，先進陶瓷工藝學，武漢理工大學出版社，2010年1月0緒論0.1基本概念陶瓷，有廣義與狹義之分。0.1.1狹義的陶瓷1)狹義陶瓷的定義通過“制粉→成型→燒結(jié)”工藝路線制備的無機非金屬材料。注意，這里有兩個要點：工藝類型、材料化學屬性.陶瓷工藝制粉→成型→燒結(jié)無機非金屬

在無機非金屬中，只有通過特殊的工藝制備的一類材料才算陶瓷。2）狹義陶瓷的分類由于制作工藝的原因，在狹義陶瓷中，不可避免存在氣孔。根據(jù)氣孔率（材料中的氣孔體積分數(shù)）的大小，狹義陶瓷可以分為陶與瓷。陶指燒結(jié)程度不太高的陶瓷制品，通常含有15%以上的氣孔率，且多為開孔。由于有開孔隙，所以陶有一定的吸水性。

習慣上，又將陶進一步分為陶器與炻器。陶器密度較低的陶。

氣孔率大于或等于15%.粗陶器質(zhì)地比較粗糙的陶器，如盆罐、磚瓦、各種陶罐等。精陶器質(zhì)地比較精細的陶器，如日用精陶、美術(shù)陶器、釉面磚等。炻器密度較陶器高的陶。氣孔率介于10%—15%之間.

如日用炻器、衛(wèi)生陶瓷、化工陶瓷、低壓電瓷、地磚、錦磚、青瓷等。瓷指燒結(jié)程度比較高的陶瓷制品，其中的氣孔率在5%以下，孔隙多為閉孔，基本不吸水。陶瓷是陶與瓷之和。表0.1陶瓷制品的詳細分類3)粉末冶金通過“制粉→成型→燒結(jié)”路線制備金屬材料的技術(shù)。0.1.2廣義的陶瓷無機非金屬材料。這種分法與工藝無關(guān)，只強調(diào)化學屬性。玻璃、水泥、無機單晶、無機非金屬薄膜、纖維、晶須等等都屬陶瓷。按照制造制品的主要工藝，廣義的陶瓷分為三塊：玻璃、水泥、陶瓷（狹義的陶瓷）

本課程關(guān)注的是狹義的陶瓷。

0.2陶瓷的發(fā)展簡史0.2.1歷史原始陶器（出現(xiàn)于8000年以前）→精陶→釉器（陶器表面有連續(xù)的玻璃薄層，主要是美觀與抗水滲）→瓷器（1700年前）→先進陶瓷原料的選擇（如種類與純度）越來越講究，工藝水平（如溫度、壓力）越來越高，性能越來越好。傳統(tǒng)陶瓷主要采用一些天然的礦物原料制造，陶瓷的化學成分比較雜，但大體上屬于硅酸鹽系列，故過去在學術(shù)上稱陶瓷為硅酸鹽材料。硅酸鹽研究所、硅酸鹽學報、硅酸鹽學會分別為國內(nèi)陶瓷行業(yè)的頂尖研究機構(gòu)、研究性學術(shù)雜志、學會。

在近30年來，陶瓷技術(shù)發(fā)展很快，在原材料、工藝、性能方面出現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)陶瓷有很大差別的陶瓷。0.2.2先進陶瓷采用高度精選或合成的原料生產(chǎn)的、具有能精確控制化學成分的、采用便于控制的制造技術(shù)加工的、便于進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的、并且具有優(yōu)異特性的陶瓷。關(guān)鍵是：技術(shù)先進，性能優(yōu)異。表0.2先進陶瓷與普通陶瓷的主要區(qū)別

先進陶瓷按特性和用途分為兩大類：1）結(jié)構(gòu)陶瓷指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷。它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。表0.3結(jié)構(gòu)陶瓷的分類、特性和用途2）功能陶瓷指具有電、磁、光、聲、超導(dǎo)、化學、生物等特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的陶瓷。表0.4功能的分類、特性和用途續(xù)表0.4續(xù)表0.40.3無機玻璃具有玻璃轉(zhuǎn)變點的無機非晶材料。圖0.1Si2O的XRD衍射圖譜

a)石英晶體b)石英玻璃（無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型）c)石英玻璃（晶子模型）圖0.2石英晶體和石英玻璃的結(jié)構(gòu)0.3.1無機玻璃簡史玻璃制造有悠久的歷史。1）遠古文明時代據(jù)考古發(fā)掘的文史記載，大約在公元前2500～公元2000年，在西亞（即目前的中東）地區(qū)出現(xiàn)玻璃。

但最早的玻璃并不是真正的玻璃，而是含有玻璃的物質(zhì)：釉砂和玻砂。釉砂是石英砂、堿和石灰混在一起在700～800℃燒結(jié)的產(chǎn)物，其中玻璃含量較低。玻砂是玻璃和石英砂的混雜，其中玻璃含量較石英砂高。公元前16世紀，美索不達米亞出現(xiàn)玻璃器皿制造技術(shù)。公元前9世紀，猶太國已采用玻璃澆注技術(shù)，并且澆注的制品經(jīng)過焊接并進行冷加工，能制成玻璃花瓶。我國戰(zhàn)國時期的墓葬中也出土了一些玻砂。楚國在戰(zhàn)國后期制造了世界最早的鉛鋇體系的玻璃。在玻璃生產(chǎn)中出現(xiàn)了模壓工藝。2）古典文明時代西方古典文明時代以古希臘和古羅馬為代表。古希臘出現(xiàn)花紋玻璃，古羅馬出現(xiàn)雕花玻璃，并誕生了玻璃吹制技術(shù)。3）中世紀時代出現(xiàn)以基督教為中心的拜占庭玻璃和以伊斯蘭教為中心的伊斯蘭玻璃。

中國在南北朝（公元420～589年）時引入了西方的玻璃吹制技術(shù)。4）近代時期在西方，文藝復(fù)興時期及17～19世紀，玻璃制造技術(shù)在歐洲發(fā)展很快。在威尼斯興起了玻璃制作中心。威尼斯水晶玻璃是指薄壁、無色透明的鈉鈣硅酸鹽玻璃。其工藝技術(shù)流傳至今。威利斯的玻璃十分華麗。因為對琺瑯化玻璃技術(shù)有了新的發(fā)展。這一時期，中國玻璃制造技術(shù)沒有大的突破。表0.5各個文明時代的西方玻璃制造技術(shù)的發(fā)展0.3.2玻璃工藝簡介1）工藝流程圖圖0.3玻璃制造工藝流程

壓延澆鑄原料→加工→熔融→冷卻→成型噴吹等→退火吹制漂浮焊接拉制圖0.4玻璃制造工藝流程2）玻璃液的冷卻

玻璃液從高溫冷卻下來，在避免結(jié)晶的條件下，進行成型與加工，最終得到制品。圖0.5玻璃液臨界冷速圖0.6硅酸鹽玻璃的粘度-溫度曲線在冷卻過程中，玻璃的粘度連續(xù)性降低。玻璃的粘度－溫度曲線上存在一些對玻璃工藝有重要作用的特征粘度，可以用來描述玻璃的特殊狀態(tài)或特征。表0.6玻璃粘度與玻璃工藝操作的關(guān)系玻璃液的粘度是貫穿整個玻璃工藝的最重要參數(shù)。表0.7玻璃粘度－溫度曲線上的特征點3）典型的成型工藝在玻璃液仍具有可塑性的溫度段，對玻璃液進行成型。圖0.7壓制成型示意圖圖0.8壓－吹法成型示意圖圖0.8各種壓延法成型示意圖圖0.9浮法玻璃生產(chǎn)工藝示意圖1－流槽；2－玻璃液；3－頂蓋；4－玻璃板；5－錫液；6－槽底；7－保護氣管道；8－拉邊棍；9－過渡輥臺；10－胸墻；11－閘板

0.4無機膠凝材料與水泥0.4.1膠凝材料概念膠凝材料，能將散狀材料（如砂、石子）或纖維膠結(jié)在一起，經(jīng)物理、化學作用，由漿體硬化而成為堅固的人造石材的材料。膠凝材料分有機和無機兩大類。有機膠凝材料包括石油瀝青、煤瀝青以及各種天然和人造樹脂等。無機膠凝材料按照硬化條件分為氣硬性和水硬性膠凝材料。氣硬性膠凝材料指只能在空氣中而不能在水中硬化的材料，如石灰、石膏、鎂質(zhì)膠凝材料、水玻璃等。水硬性膠凝材料指與水拌和后既能在空氣中又能在水中硬化的材料，主要包括各種品種的水泥。水泥無機水硬性膠凝材料，即與適量的水拌和后形成塑性漿體，既能在水中硬化也能在空氣中硬化，并能把砂、石或纖維等材料牢固地膠結(jié)在一起的無機粉狀物的總稱。水泥的種類很多，目前已達100多種。按其用途和性能可分為一般用途水泥（稱為通用水泥,generalpurposecement）和特種水泥（specialcement）。通用水泥中的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥和石灰石硅酸鹽水泥被稱為7大水泥，應(yīng)用最為普遍。2）水泥的固化原理水泥中總是含有遇水能水化和硬化的成分。

以硅酸鹽水泥為例。硅酸鹽水泥含有大量（50%以上）的硅酸三鈣(3CaO.SiO2,簡單記為C3S)、β-硅酸二鈣(2CaO.SiO2,簡單記為β-C2S)、鋁酸三鈣(3CaO.Al2O3,簡單記為C3A)。水化反應(yīng)硅酸三鈣的水解3CaO.SiO2+nH2O==xCaO.SiO2.yH2O+(3-x)Ca(OH)2

即C3S+nH=C-S-H+(3-x)CH

其中水化硅酸鈣（C-S-H）是一種成分復(fù)雜的無定型物，氫氧化鈣（CH）是成分固定的結(jié)晶體。

3CaO.SiO2溶解于水中，xCaO.SiO2.yH2O和Ca(OH)2以形核、長大方式從溶液中析出，最后連接成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個漿料固化。β-硅酸二鈣的水解

2CaO.SiO2+mH2O=xCaO.SiO2.yH2O+(2-x)Ca(OH)2

即C2S+mH=C-S-H+(2-x)CH鋁酸三鈣的水解2(3CaO.Al2O3)+27H2O=4CaO.Al2O3.19H2O+2CaO.Al2O3.8H2O即2C3A+27H=C4AH19+C2AH8

C4AH19與C2AH8等連接成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個漿料固化。固化理論水泥中的各種礦物首先溶解于水，與水反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物；水化產(chǎn)物由于濃度超過了其溶解度，沉淀結(jié)晶出來；反應(yīng)物繼續(xù)溶解，水化產(chǎn)物不斷沉淀。如此溶解-沉淀不斷進行，伴隨結(jié)晶沉淀物的相互交聯(lián)而凝結(jié)硬化。3）水泥的制備工藝以硅酸鹽水泥為例。硅酸鹽水泥，即以硅酸鈣為主要成分的熟料所制得的水泥的總稱。工藝路線為：原料→生料制備→煅燒→熟料→粉碎→水泥原料主要原料是石灰質(zhì)原料、粘土