普通陶瓷文獻(xiàn)綜述

1、普通陶瓷文獻(xiàn)綜述 -岳春雨 材料科學(xué)與工程學(xué)院【摘要】陶瓷的發(fā)明是人類文明的重要進(jìn)程，它的出現(xiàn)，揭開了人類利用，改造自然的新的一頁，是人類文明發(fā)展史上一個重要的里程碑，對我們的社會生活發(fā)展有重要的意義?！娟P(guān)鍵詞】陶瓷材料，結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能，發(fā)展歷史。一，前言 普通陶瓷是以粘土類及其天然原料經(jīng)過粉碎，成型，燒成等制作工序的具有較高強度的固體制品，在日用、建筑、衛(wèi)生、化工、電工等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。陶瓷在人類生活和社會建設(shè)中是不可缺少的材料，它和金屬材料、高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料。 其基本的制備過程可概括為原料的篩選與去雜質(zhì)、按照要求的尺寸對原料顆粒細(xì)化、各種配料的混合加工、成型加工與干燥、燒

2、成等主要工序。其燒成溫度可在680-1450攝氏度的很大范圍變化。原料的成分和粒度控制的越精細(xì)、燒成的溫度越高，則制品的致密度，性能和價格就越高。普通陶瓷的主要成分為SiO2和Al2O3,原料精細(xì)、高溫?zé)傻亩喾Q為瓷器；原料粗糙、偏低溫?zé)傻亩喾Q為陶器；原料和燒成溫度介于兩者之間的稱為炻器。二，主題 1.陶瓷的產(chǎn)生和發(fā)展 陶瓷是以粘土為主要原料以及各種天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品。人們把一種陶土制成的在專門的窯爐中高溫?zé)频奈锲方刑沾?，陶瓷是陶器和瓷器的總稱 。早在遠(yuǎn)古時代，人類祖先就懂得利用石器作為工具，這是陶瓷制品的最初級產(chǎn)品。中古偶的陶瓷制品及其制造技術(shù)的出現(xiàn)可

3、以追溯到大約一萬年前，公元前3000年左右的商朝，就有了原始陶瓷的出現(xiàn)。到了漢代，開辟了陶瓷的時代，進(jìn)過唐宋元明的不斷發(fā)展，到了清代，陶瓷制造技術(shù)達(dá)到了極高的水平。陶瓷制品精美華貴，不僅是實用的器皿，也是高超的藝術(shù)品。近幾年來，隨著陶瓷技術(shù)的發(fā)展，陶瓷制品的應(yīng)用領(lǐng)域也廣泛拓展，逐漸由傳統(tǒng)的陶瓷形成了日用陶瓷，藝術(shù)陶瓷，建筑陶瓷和特種陶瓷等系列。奇妙的纖維結(jié)構(gòu)和功能特性使其在高技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料也從傳統(tǒng)的氧化物系列發(fā)展為氮化物，碳化物，硼化物及各類復(fù)合材料。廣泛的應(yīng)用于信息，能源，環(huán)境等新型領(lǐng)域。陶瓷材料的各種特性，陶瓷材料將成為名副其實的耐高溫和和高強度材料，從而可用作包括飛機

4、發(fā)動機在內(nèi)的各種熱機材料、燃料電池發(fā)電部件材料、核聚變反應(yīng)堆護(hù)壁材料、無公害的外燃式發(fā)動機材料等。有些科學(xué)家預(yù)言由于陶瓷材料的出現(xiàn)，人類將從鋼鐵時代重新進(jìn)入陶瓷時代。2，陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能 陶瓷和金屬相似，具有晶體構(gòu)造，但與金屬不同的是其結(jié)構(gòu)中并沒有大量的自由電子。這是因為陶瓷是以離子鍵或共價鍵為主的離子晶體或共價晶體，陶瓷的基本相及其結(jié)構(gòu)要比金屬復(fù)雜得多。將陶瓷材料經(jīng)切割、磨制、腐蝕后制成試樣，放在顯微鏡下觀察，可看到陶瓷材料通常是由三種不同的相組成，即由晶體相、玻璃相和氣相（氣孔）組成。晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱住鏡像，它往往決定著陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能等。例如，氧化鋁晶體組成結(jié)構(gòu)緊

5、密的剛玉瓷，具有機械強度高、耐高溫、耐腐蝕特性。 玻璃相是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的低熔點固體不同的陶瓷，玻璃相的量不同。高純度的氧化物陶瓷含玻璃相較少，一般日用瓷及電瓷含量較高。玻璃相的作用是填充晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、使陶瓷材料致密、降低燒成溫度、改善工藝性、抑制晶粒長大等。氣相在陶瓷材料中占有重要的地位。氣孔分為開口氣孔和閉口氣孔。開口氣孔影響陶瓷材料的透氣性、真空氣密性、化學(xué)腐蝕性。陶瓷的許多電性能和熱性能隨著氣孔率、氣孔尺寸及分布的不同在很大的范圍內(nèi)變化。 從微觀概念出發(fā)，固體的理論強度是其原子間的結(jié)合力發(fā)揮到臨界點的強度值。然而，由于陶瓷結(jié)構(gòu)復(fù)雜的本性所決定，加上顯微結(jié)構(gòu)方面的特征以及點線面缺陷的影

6、響，實際陶瓷晶體的強度與理論值之間存在著三個數(shù)量級的差別。影響陶瓷材料的三個主要參數(shù)分別是彈性模量，取決于材料的組分和結(jié)構(gòu)；斷裂能，取決于材料的組分和結(jié)構(gòu)，且對顯微織構(gòu)相當(dāng)敏感，是材料斷裂的阻力；裂紋半長度，可視之為材料中最危險的缺陷，作用在于造成局部的應(yīng)力集中，促進(jìn)材料斷裂?？梢?，為了提高材料的強度，應(yīng)盡可能的提高斷裂能和降低裂紋半長度。另外陶瓷材料的強度也受到微觀組織的影響，如晶粒尺寸、晶相、晶界特征和陶瓷的氣孔率。3，陶瓷材料的特征性能 脆性是陶瓷材料的特征性能，亦是陶瓷的致命弱點，它間接反映在陶瓷較低的抗機械沖擊和較差的抗溫度驟變性，直觀地表現(xiàn)在一旦受到臨界的外加負(fù)荷，陶瓷的斷裂具有爆

7、發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。另外，斷裂強度和屈服強度也是材料脆性的量度。所以，欲克服陶瓷的脆性和防止斷裂，可以提高陶瓷抵抗胚體內(nèi)原有裂紋擴展的能力，或者減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)，亦即，提高材料的斷裂性能，改善材料的韌性，如通過相變、彌散等方式增加陶瓷韌性，或減少配體內(nèi)裂紋缺陷的尺度。采用化學(xué)拋光陶瓷表面、細(xì)化晶體、熱處理鈍化裂紋等措施，則是減緩應(yīng)力集中的方法。另外，研究新型陶瓷復(fù)合材料如金屬陶瓷、相變誘導(dǎo)裂紋陶瓷、纖維復(fù)合材料等等。4，陶瓷的種類和生產(chǎn)制造 陶瓷的種類繁多，生產(chǎn)制作過程各不相同，但一般要經(jīng)歷以下三個階段：坯料制備、成形與燒結(jié)。陶瓷材料制品由多相的無機非金屬材料所構(gòu)成，所用原料大

8、部分是天然的礦物原料或巖石原料，其中多為硅酸鹽礦物。 坯料是指將陶瓷原料經(jīng)揀選、破碎等工序后進(jìn)行配料，再經(jīng)混合、細(xì)磨等工序后得到的具有成型性能的多組分混合物。坯料制備過程一般包括配料和坯料混合制備兩部分。坯料混合制備一般要經(jīng)過原料粉碎、精選（除去雜質(zhì)）、磨細(xì)、配料（保證制品性能）、脫水（控制坯料水分）、練坯、陳腐等過程。原料經(jīng)過坯料制備以后，根據(jù)含水量的不同，分為注漿料、可塑料、壓制粉料三類。成形是將坯料加工成一定形狀和尺寸的半成品，根據(jù)坯料的性能可將成形方法分為三類：可塑法（塑性料團(tuán)成形法）、注漿法（漿料成形法）和壓制法（粉料成形法）。陶瓷產(chǎn)品在成坯后經(jīng)過干燥，就要進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)的目的是使坯

9、料在高溫下發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，形成預(yù)期的礦物組成的顯微結(jié)構(gòu)，通過物質(zhì)傳遞變成致密的具有一定強度和固定外形的陶瓷。陶瓷燒結(jié)按研究對象的不同可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。5，陶瓷材料的研究進(jìn)程 1】新石器時代遠(yuǎn)在幾干年前的新石器時代，我們的祖先就已經(jīng)用天然黏土作原料，塑造成各種器皿，再在火堆中燒成堅硬的可重復(fù)使用的陶器，但由于燒成溫度較低，那時的陶瓷僅是一種含有較多氣孔、質(zhì)地疏松的未完全燒成制品。大約在2000年前的東漢晚期，人們利用含鋁較高的天然瓷土為原料，加上釉的發(fā)明，以及高溫合成技術(shù)的不斷改進(jìn)，使陶瓷步入瓷器階段，這是陶瓷技術(shù)發(fā)展史上意義重大的里程碑。2】先進(jìn)陶瓷階段先進(jìn)陶瓷可分為結(jié)構(gòu)陶

10、瓷和功能陶瓷兩大類。結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學(xué)和機械性能及部分熱學(xué)和化學(xué)功能的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)。功能陶瓷是指那些利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來實現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷。功能陶瓷的特點有品種多、產(chǎn)量大、價格低、應(yīng)用廣、功能全、技術(shù)高、更新快。目前，功能陶瓷主要用于電、光、磁、聲、熱和化學(xué)等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理和存儲等，并已在電子信息、能源工程、人工智能、生物工程等眾多近代科技領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)功能根據(jù)功能陶瓷組成結(jié)構(gòu)的易調(diào)性和可控性，可以制備超高、絕緣性、半導(dǎo)性、導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性陶瓷；根據(jù)功能陶瓷能量轉(zhuǎn)換和耦合特性，可以制備壓電、光電、熱電、磁電和鐵電等陶瓷；根據(jù)功能陶瓷對外場條件的敏感效應(yīng)，則可制備熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷3】納米陶瓷階段到20世紀(jì)90年代，陶瓷研究已進(jìn)入第三個階段-納米陶瓷階段所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相就有納米級尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等均在納米量級的尺度上。納米陶瓷的研究，不僅對先進(jìn)陶瓷的制備和表征有新的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新新，而且對現(xiàn)有的陶瓷理論也將發(fā)生重大變革，甚至可形成新的理論體系?？偨Y(jié)陶瓷材料作為一種新型材料，不僅節(jié)約能源，而且使用范圍廣泛，相信不久會在建筑裝飾