陶瓷

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索
陶瓷:新石器时代桶形彩绘陶罐(内蒙古出土)
陶瓷:均窑三足瓷洗(北宋)

  陶瓷汉语拼音:Taoci;英语:Ceramics),以无机非金属天然矿物或人工合成的化合物为原料,经加工、成型和高温烧成的制品。是一种多晶固体材料。陶瓷是陶器瓷器的总称,通常称为传统陶瓷或普通陶瓷,主要用于日用器皿和建筑、卫生制品。

  20世纪新型陶瓷的出现和发展,为陶瓷制品赋予新的性能并大大拓宽了使用范围,使其成为国民经济建设特别是高新技术领域不可缺少的一类材料与制品。

  陶瓷,通俗地讲用陶土烧制的器皿叫陶器,用瓷土烧制的器皿叫瓷器。陶瓷则是陶器,炻器和瓷器的总称。凡是用陶土和瓷土这两种不同性质的粘土为原料,经过配料,成型,干燥、焙烧等工艺流程制成的器物都可以叫陶瓷。

  陶瓷包括的范围较广,有些能耐水,有些并能耐酸。广泛应用于建筑,化工,电力、机械等工业及日用装饰等方面。此外,用粘土以外的其它原料,依陶瓷制造的工艺方法制成的制品,也叫做陶瓷,如块滑石瓷,金属陶瓷,电容器陶瓷,磁性瓷等。广泛应用于无线电,原子能,火箭,半导体等工业。目前,将所有陶瓷制品通称为“无机非金属固体材料。

  从结构上看,一般陶瓷制品是由结晶物质,玻璃态物质和气泡所构成的复杂系统。这些物质声数量上的变化,对陶瓷的性质起着一定程度的影响。

  陶瓷的老祖宗是“硅酸盐”,习惯也称“硅酸盐陶瓷”,由于现代陶瓷发展得非常快,人们进行了大量的试验来改进硅酸盐陶瓷,不断提高配方中氧化铝的含量,加入许多纯度较高的人工合成化合物去代替天然原料,来提高陶瓷的强度、耐高温性和其它性能。后来发现,完全不用天然原料,完全不含硅酸盐,也可以做成陶瓷,而且性能更为优越。于是历来完全由硅酸盐统治着的陶瓷家族,发生了变化,出现了完全崭新的不属“硅酸盐”的现代陶瓷。

  确切说“陶瓷”的定义为:陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物,经过成形和高温烧结制成的,由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。不论是传统的硅酸盐陶瓷,还是现代陶瓷,都包括在这个范围里。

简史

  中国有长达9,000年的陶瓷发展史,陶瓷的产生和发展,是中国古代文化的重要组成部分。

  在公元前5000~前3000年的新石器时代,中国就有了带红色、灰色或黑色的彩陶。夏代(约公元前22世纪末至前17世纪初)出现了以含杂质较少的黏土烧制的白陶器,胎质坚硬、细腻,标志着制陶业的新发展。约在商代(约前17世纪初至前11世纪)中期已制造出原始瓷器。与陶器相比,它含氧化铁较少,坯体的烧成温度也较高,生成莫来石(3Al2O3·2SiO2)晶体和较多的玻璃相,从而提高了瓷坯的强度、透明度和白度。

  东汉时期(公元25~220)出现了瓷器。到了时代(581~907),瓷器的使用已很普遍,制品以青釉(即青瓷)为主,远销南亚东南亚中东埃及日本等地。唐代的三彩陶瓷(唐三彩)最为著名。宋代(960~1279)已有钧窑汝窑官窑哥窑定窑5大名窑,所制瓷器远销欧洲

  到了明代江西景德镇开始成为瓷业中心,并有专门为皇室烧制瓷器的瓷厂。清代乾隆以后,陶瓷生产逐渐低落,制品质量也逐渐下降。

  1949年以来,陶瓷工业又开始有了新的发展,恢复了失传已久的传统名瓷如龙泉青瓷,以及名贵色釉如钧红、天青、郎窑红等。工业陶瓷高压电瓷、建筑卫生陶瓷、化工陶瓷及某些特种陶瓷都有较大的发展。20世纪以来,随着科学技术的发展,陶瓷的制造工艺和用途不断地得到发展,出现各种具有特异性能的先进陶瓷,包括结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷等。

  20世纪90年代开始,纳米技术纳米材料的出现对陶瓷材料及其制备产生重要影响,出现了纳米级陶瓷材料。陶瓷材料正朝着多功能、多用途、高性能、高技术等方向发展,逐步成为高新技术领域不可缺少的一类关键工程材料。

  最古老的陶器在世界各文明古国都是各自独立制作的。埃及和中东地区,具有悠久的陶器制造历史。埃及在距今约5,000年前即已能制出多种陶器,其中包括硬质陶器。在土耳其,曾发现距今9,000年的软陶器。在伊拉克北部,发现距今6,000年的彩陶盘。在美索不达米亚,也发现距今5,000年的陶器。约在公元前3000年,希腊中部的特萨里区爱琴海克里特岛已成为当时欧洲的制陶中心。公元前1600年,希腊出现用快轮成型和用还原气氛烧成灰陶器。罗马帝国时期,意大利受到埃及铅陶釉技术的影响生产了锡釉陶。公元前2000年,中美洲玛雅人已能制造陶器。在南美洲西海岸的玻利维亚秘鲁也能制造陶器,而且采用模制成型。亚洲中国外,日本也是较早制造陶器的国家,约公元前2500年,即有质地粗糙的绳纹黑陶。朝鲜也发现在史前时期有擳木陶钵。唐代中国的“南青北白”瓷器经过海陆丝绸之路传至东南亚西亚后,对这些地区的制瓷技术都产生过影响。明清时期,中国景德镇的制瓷技术对欧洲瓷器的发展产生过直接影响。到了近代,西方发达国家瓷器的工业化生产反过来对中国瓷器的生产也起到了促进和推动作用。

种类

陶瓷有多种的分类方法,一般人们习惯按以下四个方面进行分类:

  ①按用途来分,可分为日用陶瓷,艺术(陈列)陶瓷,卫生陶瓷,建筑陶瓷,电器陶瓷,电子陶瓷,化工陶瓷,纺织陶瓷,透千(燃气输机)陶瓷等等。

  ②按是否施釉来分,可分为有釉陶瓷和无釉陶瓷两类。

  ⑧人们为了生产、研究和学习上的方便,有时不按化学组成,而根据陶瓷的性能,把它们分为高强度陶瓷,铁电陶瓷、耐酸陶瓷,高温陶瓷、压电陶瓷,高韧性陶瓷,电解质陶瓷、光学陶瓷(即透明陶瓷),磁性陶瓷,电介质陶瓷,磁性陶瓷和生物陶瓷等等。

  ④可简单分为硬质瓷,软质瓷、特种瓷三大类。

  我国所产的瓷器以硬质瓷为主。硬质瓷器,坯体组成熔剂量少,烧成温度高,在1360℃以上色白质坚,呈半透明状,有好的强度,高的化学稳定性和热稳定性,又是电气的不良传导体,如电瓷、高级餐具瓷,化学用瓷,普通日用瓷等均属此类,也可叫长石釉瓷。

  软质瓷器与硬质瓷不同点是坯体内含的熔剂较多,烧成温度稍低,在1300℃以下,因此它的化学稳定性,机械强度,介电强度均低,一般工业瓷中不用软质瓷,其特点是半透明度高,多制美术瓷,卫生用瓷,瓷砖及各种装饰瓷等,通常如骨灰瓷、熔块瓷属于此类。

  特种瓷种类很多,多以各种氧化物为主体,如高铝质瓷,它是以氧化铝为主,镁质瓷,以氧化镁为主;滑石质瓷,以滑石为主;铍质瓷,以氧化铍或绿柱石为主;锆质瓷,以氧化锆为主;钛质瓷,以氧化钛为主。

  上述特种瓷的特点多是,由不含粘土或含极少量的粘土的制品,成型多用干压、高压方法,在国防工业,重工业中多用此类瓷,如火箭,导弹上的挡板,飞机、汽车上用的火花塞,收音机,内用的半导体,快速切削用的瓷刀等等。

  早期人们把陶瓷分为两类:粗陶瓷,包括砖瓦、各种耐火和耐酸的材料、陶器、黏土制品和琉璃砖瓦等;细陶瓷,包括瓷器和施釉瓷器等。近代通常把陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两类。

另,

  普通陶瓷(又称传统陶瓷) 主要是以黏土为主要原料烧成的制品,由于所用原料基本上由三种成分组成,即塑性组分(黏土)、瘠性组分(石英)、熔剂组分(长石),故又有三组分陶瓷之称。

  普通陶瓷按用途分为日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电瓷和化工陶瓷等;

  按主要熔剂原料分为石灰质陶瓷长石质陶瓷骨灰质陶瓷等;

  按烧成温度和瓷坯硬度分为硬质瓷和软质瓷等;

  按坯体致密程度分为土器、陶器、炻器和瓷器四大类。


  特种陶瓷(又称先进陶瓷) 是20世纪以来发展起来的。由于天然硅酸盐原料中含杂质较多,不能满足特种陶瓷性能上的要求,故常用纯度较高的化工原料或人工合成原料,如氧化物(氧化铝氧化锆氧化钛等)和非氧化物(氮化硅碳化硅等)。特种陶瓷的原料、组成、性能和用途,都超出普通陶瓷的范围。一般把特种陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。随着科学技术的发展,生物医用陶瓷的研究和应用越来越广,因而也可以把生物医用陶瓷另归一类,称为生物陶瓷。

生产工艺

  与传统陶瓷的生产过程大致相同,主要工序为:

  1. 泥料制备 原料经过拣选、破碎、配料、细磨、过筛、除铁、调节水分等工序制成颗粒细小、混合均匀、适合各种成型方法的泥料。特种陶瓷多采用人工合成原料,在细磨时要加入黏结剂以增加成型能力。为保证一定的晶相组成及减少烧成收缩,有时要对原料或配合料进行预烧。泥料的制备过程复杂,天然原料质量不稳定,制品的品种繁多,成型方法各异,致使泥料制备过程的自动化、连续化较为困难。21世纪初,一些现代化工厂直接采购经过精选的、加工好的原料,不仅质量稳定,而且简化了工艺,有利于自动化水平的提高。
  2. 成型 普通陶瓷的成型主要有干压成型(泥料含水4%~10%)、可塑成型(泥料含水16%~25%)和注浆成型(泥料含水25%~35%)3大类。干压成型适用于制造形状单一的片状或块状制品,其工艺简单,便于实现自动化生产。可塑成型有拉坯、旋坯、印坯和滚压法等工序,适用于制造杯、盘、碗等多种形状的制品,用途较广。注浆成型适用于制造形状复杂、尺寸大的制品,如洗面器、大便器等。由于先进陶瓷的原料缺少可塑性,并对生坯的质量要求严格,除了采用普通陶瓷的成型方法外,又发展了许多先进的成型方法与技术,如热压铸、等静压、流延法、轧膜法等以及注射成型、胶态成型、CVI、CVD等成型方法。
  3. 干燥 为防止在烧成过程中开裂,生坯要经过干燥。过去多采用以热空气和蒸汽做热源的室式或隧道式干燥室。为达到快速干燥的目的,21世纪初采用了热风干燥、电热干燥、微波干燥和远红外干燥等新的干燥方法。
  4. 上釉 为改善陶瓷表面质量,往往要施一层熔点比坯体低、膨胀系数接近坯体的釉浆料,使之在烧成过程中熔融成釉玻璃,覆盖在陶瓷表面。该工序多用在传统陶瓷如日用陶瓷、卫生陶瓷等。为了增加表面美观,可以用雕塑釉、彩釉或用无机颜料通过彩绘、印贴等方法对陶瓷表面进行彩饰。
  5. 烧成 将成型干燥好的生坯在高温下煅烧,使瓷体内发生一系列的物理化学变化,使制品达到所需的性能和形状。是传统陶瓷生产中极为重要的工序。不同品种的陶瓷要求有各自的最佳烧成工艺和合适的烧成设备。

  窑炉是烧成的基本设备,传统陶瓷烧成的窑炉设备有倒焰窑、隧道窑、辊道窑等。先进陶瓷由于采用的原料多数是较纯的化工原料,在高温热处理过程中,陶瓷显微结构变化特征是瓷体的致密化过程,因此将陶瓷的致密化过程称为烧结。先进陶瓷的烧结设备除采用传统陶瓷的烧成设备外,还有各种电窑、箱式炉和一些特种烧成设备。已出现许多先进烧结工艺和设备,如微波烧结、热压烧结、气压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结、自蔓燃高温烧结等工艺和设备。

用途

  传统陶瓷主要用于人们的日常生活中,有日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、美术陶瓷等。还有用于化工、电工等领域的化工陶瓷和电工陶瓷等。先进陶瓷由于具有优异的力学、热学、化学等性质或者具有很好的电、磁、声、光、热、弹等性质及其耦合效应,因此广泛用于各工业部门和高新技术或军事技术中的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化的结构材料与部件,以及电子、计算机、激光、核反应、宇航、生物医用等领域的功能材料与器件等。

展望

  从无釉的多孔陶器到有釉的质地致密的陶器,经历了5,000年的历程。高铝瓷土的应用,高温技术的进展,高温窑炉的改进,燃料的优选,釉的发明,使中国的瓷器弛名世界,这是陶瓷科学技术发展的第一个飞跃。从传统陶瓷向先进陶瓷的发展经历了几十年的历程,采用超细的人工合成原料、先进的制备技术获得优异的性能,在高新技术和国防工业领域得到广泛的应用。这是陶瓷科学技术发展的第二次飞跃。20世纪90年代纳米技术和纳米材料的出现,对陶瓷材料及其制备产生重要影响。从微米级的先进陶瓷进入纳米级陶瓷是陶瓷科学技术发展的第三个阶段。主要特征是采用纳米级原料,显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等均处于纳米级尺度水平。纳米陶瓷的出现必将引起陶瓷工艺、陶瓷科学、材料性能和使用效能等方面的变革性进展。

  先进陶瓷的发展趋势是:

  1. 由单相、高纯材料向多相复合陶瓷或多重复杂结构方向发展;
  2. 从微米级尺度向纳米级尺度发展;
  3. 陶瓷材料按使用性能要求进行组成、结构的剪裁设计与制备。