传统概念中的陶瓷是陶器和瓷器的总称,现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(也称先进陶瓷)的出现和发展,赋予陶瓷制品新的性能并拓宽了使用范围,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
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。
- 英文名称
- ceramics
- 所属学科
- 材料科学与工程
中国有长达9000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(图1)。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,原始瓷器含氧化铁较少,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。到了隋唐时代(581~907),瓷器的使用已很普遍,制品以青釉(即青瓷)为主,并远销南亚、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(图2)。到了明代,江西省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。清代在乾隆以后,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。工业陶瓷如高压电瓷、建筑卫生陶瓷、化工陶瓷等都有较大的发展。20世纪以来,为满足现代科学技术发展的需要,出现了各种具有特异性能的先进陶瓷,包括结构陶瓷、功能陶瓷及生物医用陶瓷等。
最古老的陶器在世界各文明古国都是各自独立创制的。埃及和中东地区,具有悠久的陶器制造历史。埃及在距今约5000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9000年的软陶器。在伊拉克北部,发现距今6000年的彩陶盘。在美索不达米亚,也发现距今5000年的陶器。约在公元前3000年,希腊中部的特萨里区和爱琴海的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,中美洲的玛雅人已能制造陶器。在南美洲西海岸的玻利维亚和秘鲁也能制造陶器,而且采用模制成型。亚洲除中国外,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。
中国陶瓷业对世界的影响深远。初唐时期,瓷器便由海陆“丝绸之路”输入到东南亚及西亚,对这些地区的制瓷技术都产生过影响。从无釉的多孔陶器到有釉的质地致密的瓷器,经历了5000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,都是陶瓷科学技术发展的里程碑。中国的瓷器驰名世界,故中国一词的英文“CHINA”与瓷器同义。
从传统陶瓷向先进陶瓷的发展经历了几十年的历程。先进陶瓷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又一次飞跃。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崭新时期。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。
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。
又称传统陶瓷,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),故又称三组分陶瓷。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、长石质陶瓷和骨灰质陶瓷等;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4大类,它们的性能、原料、种类、成分、烧成温度和用途见表。
又称先进陶瓷,是20世纪以来发展起来的,采用高纯人工合成的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物等无机非金属物质为原料,经先进的成型和烧成与后加工技术制成。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,因而也有把生物医用陶瓷分为一类,称为生物陶瓷。特种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。
传统陶瓷和先进陶瓷的生产工艺过程大致相同,但先进陶瓷因材料体系、性能要求不同会采用新的工艺措施。陶瓷工艺过程主要有:
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。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%)。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。传统工艺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,后采用了热风干燥、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上,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。烧成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。