《陶瓷工艺学》读书报告

《纳米材料与技术》读书报告

——《陶瓷工艺学》

《纳米材料与技术》读书报告——《陶瓷工艺学》

摘要：本文是基于化学工业出版社出版，张锐主编的《陶瓷工艺学》的读书报告，其中内容为本书以及文尾的参考文献内容的整理与引用。可以认为是对陶瓷材料科学的一个概述，包括六项内容。 关键词：陶瓷材料；结构；成型；烧结；增韧；

前言

陶瓷材料作为材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。陶瓷材料是人类应用最早的材料之一，它是一种天然或人工合成的粉状化合物，经过成型或高温烧结，由金属元素和非金属的无机化合物构成的多相固体材料。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、原料丰富、成本低廉等诸多优点而被人一直关注。

一、陶瓷的原料

从陶瓷工业发展的历史上看，人们最初使用的主要是天然的矿物原料或岩石原料。这些天然原料多为硅酸盐矿物，且种类繁多，资源蕴藏丰富，分布广泛。但是，由于地质成矿条件复杂多变，天然原料很少以单一的，纯净的矿物产出，往往伴生有不同种类、含量的杂质矿物，使其化学组成、矿物组成和工艺性能产生波动。因此，随着陶瓷工业的发展，对陶瓷工业性能日益增高的要求，对其原料的要求也越来越高。

事实上，陶瓷制品的性能和品质，既取决于所选用的原料，也有赖于所采用的生产工艺过程。不同的陶瓷制品，需要不同的原料。对于某些陶瓷制品来说，选用一般品质的原料即可满足陶瓷生产及制品性能的要求。下面就是几种常见的陶瓷原料： 1、黏土类原料：

黏土是一种颜色多样、细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体，为一种层状结构，具有一定的可塑性以及较高的耐火度、良好的吸水性、膨胀性和吸附性。 2、石英类原料：

结晶态的二氧化硅统称为石英，其在地壳中丰度为60%，由于经历的地质作用及成矿条件不同，石英呈多种状态：水晶、脉石英、砂岩、石英岩、石英砂等。 3、长石类原料：

长石是陶瓷生产中的主要熔剂型原料，一般用作坯料、釉料、色料熔剂等的基本成分。其矿物是架状结构的碱金属或碱土金属的硅酸铝盐，常见有钠长石，钾长石，钙长石和钡长石。所有类的长石都由这四种长石组合而成。 4、其他原料：

瓷石、叶腊石、高铝质矿物原料、碳酸盐类矿物原料等，以及新型的氧化物类原料，如氧化铝，氧化镁；碳化物类原料，如碳化硅、碳化硼；和氮化物类原料，如氮化硅、氮化铝。

二、陶瓷的结构

陶瓷材料是由离子键或共价键结合的含有金属和非金属元素的复杂化合物和固溶体。陶瓷是硬的、脆的、高熔点的材料，具有低的导电性和导热性、良好的化学稳定性和热稳定性以及高的压缩强度。

陶瓷材料的相结构主要有三种：晶相，玻璃相和气相。 晶相：晶相是体现陶瓷材料性质的主要组成相，大多数陶瓷材料是由离子键和共价键为主要结合键。晶体中非金属元素的原子直径大，可排列成不同的晶系，形成晶体“骨架”，

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金属原子的直径小，处于骨架的间隙中。

玻璃相：玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固得到。陶瓷中玻璃相的作用是将分散的晶相粘结在一起，降低烧成温度，抑制晶体长大以及填充气孔空隙。但玻璃相的机械强度比晶相低，热稳定性差，在较低的温度下就开始软化。而且往往因带有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性能。工业陶瓷要控制玻璃相的数量，一般约为20%-40%。

气相：陶瓷材料中往往存在许多气孔，体积约占5%-10%，这主要是由于原材料和生产工艺方面的原因造成的。较大的气孔往往是裂纹形成的原因，因此会降低材料的机械性能。另外，陶瓷材料的介电损耗也因之增大，并造成击穿强度下降，故一般应尽量降低材料的孔隙率。但在某些情况下，如用作保温的陶瓷材料和化工用的过滤陶瓷等，则需要有控制的增加气孔量。

在陶瓷中，其晶体结构比金属中的晶体结构要复杂的多，其中立方晶系、四方晶系与六方仍是最重要的。在陶瓷材料中，某些晶体结构用典型的化合物的名字表示，如NaCl结构，CaF2结构等。这些典型化合物的化学制品本身在陶瓷材料中并非很重要，但他们代表一大批结构群。

总体来说可以分为氧化物结构与硅酸盐结构。

氧化物结构的结合键以离子键为主，通常以AmXn表示其分子式。大多是氧化物中氧离子的半径大于阳离子半径。其结构特点是以大直径离子密堆排列组成面心立方点阵或六方点阵，小直径的离子排入点阵的间隙处。NaCl结构，CaF2结构，刚玉结构，尖晶石结构均属于此种结构。

硅酸盐结构属于最复杂的结构之一，他们是由硅氧四面体为基本结构单元的各种硅氧集团组成的。按硅氧四面体在空间的不同组合，可形成四大类不同结构特征的材料：岛状硅酸盐、链状硅酸盐、层状硅酸盐和骨架状硅酸盐。

三、陶瓷的成型方法

陶瓷的成型技术对于制品的性能具有重要影响，其成型方法的选择，应当根据制品的性能要求、形状、尺寸、产量和经济效益等综合确定。

根据坯料含水量的不同，成型方法可以分为：注浆成型法，可塑成型法，干压成型法和等静压成型法。

在选择成型方法时，需要从以下几个方面来考虑：

1、产品形状、大小、厚薄等。一般形状复杂、大件、薄壁产品，可采用注浆成型法；而具有简单回转体形状的器皿则可采用旋压或滚压成型法。

2、坯料的工艺性能。可塑性较好的坯料适用于可塑成型法，可塑性较差的坯料可适用于注浆或干压成型法。

3、产品的产量和质量要求。产量大的产品可以采用可塑成型法，产量小的产品可采用注浆成型法。有的产品外商指定要求手工成型法，则只好采用这种方法。

4、成型设备要简单，劳动强度要小，劳动条件要好。 5、技术指标要高，经济效益要好。

在选择成型方法时，一方面要根据以上几个条件来选择成型方法，另一方面，从理论上难以确定成型方法时，需通过实践才能确定具体的成型方法。

下面是几种常用的成型方法： 1、 注浆成型：

注浆成型时由物理脱水和化学凝聚共同作用所形成的过程，其中，前者是主要的，后者是次要的。

注浆成型是把泥浆浇注在石膏模中使之成为制品的一种成型方法。花瓶、品锅、茶壶、

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糖缸等形状较复杂的制品多用注浆法成型。注浆成型法较为简单，即将坯料制成的泥浆注入石膏模型中，因石膏模具有吸水性，所以，靠近模型内壁的部分泥浆中的水，被多孔质的石膏吸收，而在石膏模内壁形成与模型内壁同样形状的泥层，这个泥层随着时间的增加而加厚。停一段时间后，倾去其中的多余泥浆，而靠近石膏模型内壁的泥料层则留在模型内；再过一段时间，泥层自然地收缩而与模型脱离，即可把形成的粗坯取出。可分为空心注浆（单面注浆）和实心注浆（双面注浆）。为提高注浆速度和坯体的质量，又出现了压力注浆、离心注浆等方法。

在注浆时，所用的浆料需具备以下性能：流动性、稳定性好；触变性要小；其含水量尽可能小，渗透性要好；脱模性要好；尽可能不含气泡。在生产过程中，固相的含量、颗粒大小、泥浆温度和PH值的高低等因素均会影响到泥浆的流动性。

注浆成型工艺简单，但劳动强度大，生产周期长，不易实现自动化；且坯料烧结后密度小，机械性能差，收缩变形大。对机械强度、几何尺寸、电气性能要求高的新型陶瓷产品，一般不用此种方法。 2、 干压成型：

使用陶瓷粉末，通过加入一定量的表面活性剂，改变粉体表面性质，包括改变颗粒表面吸附性能，改变粉体颗粒形状，从而减少超细粉的团聚效应，使之均匀分布；加入润滑剂减少颗粒之间及颗粒与模具表面的摩擦；加入黏合剂增强粉料的粘结强度。将粉体进行上述预处理后装入模具，用压机或专用干压成型机以一定压力和压制方式使粉料成为致密坯体。

干压成型坯体性能的影响因素：1. 粉体的性质，包括粒度、粒度分布、形状、含水率等。2. 添加剂特性及使用效果。好的添加剂可以提高粉体的流动性、填充密度和分布的均匀程度，从而提高坯体的成型性能。3. 压制过程中的压力、加压方式和加压速度，一般地说，压力越大坯体密度越大，双向加压性能优于单向加压，同时加压速度、保压时间、卸压速度等都对坯体性能也有较大影响。

干压成型的特点：干压成型的优点是生产效率高，人工少、废品率低，生产周期短，生产的制品密度大、强度高，适合大批量工业化生产；缺点是成型产品的形状有较大限制，模具造价高，坯体强度低，坯体内部致密性不一致，组织结构的均匀性相对较差等。 3、 可塑成型：

可塑成型主要是通过胶态原料制备、加工，从而获得一定形状的陶瓷坯体。雕塑、雕削、拉坯、印坯等都属于传统的可塑成型方法。在工业陶瓷生产上应用可塑成型的尚有挤压、湿压、车坯、轧膜等成型方法。常用的有挤压成型，热压铸成型。

挤压成型即坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出使之横截面积减小长度增加，成为所需制品的加工方法。

挤压成型时，要注意对挤制的压力，挤出速率和管壁的厚度进行合理的控制。

热压铸法是在压力作用下，把熔化的含蜡浆料注满金属模中，等到坯体冷却凝固后，在进行脱模。这种方法所成型的产品尺寸较准确、粗糙度较低、结构紧密，现已广泛应用于制造形状复杂、尺寸和质量要求高的工业陶瓷产品。

热压铸成型时，要注意控制浆料温度，注模温度，压力制度。其缺点在于工序较繁，耗能大，工期长。对薄壁、大而长的制品不宜采用。 4、 其他成型方法：

除了以上三种成型方法外，还有纸带成型，滚压成型，印刷成型，喷涂成型和爆炸成型等成型方法。

5、 坯体的干燥：

在成型后，需要对坯体进行干燥，目的在于提高其机械强度，有利于装窑操作并保证烧成初期能够顺利进行。

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