陶瓷材料的發展

李成

摘??要：陶瓷在食器、裝飾的使用和科學技術的發展中扮演重要的角色。黏土經淬取而成為陶瓷的原料。黏土具有韌性，常溫下遇水可塑，微干可雕，全干可磨，燒至700?℃可成能盛水的陶器;燒至1?230?℃會瓷化，可完全不吸水且耐高溫、耐腐蝕。陶瓷的用途多種多樣，被廣泛應用于當今文化、科技的發展中。

關鍵詞：陶瓷;膠態澆鑄;黏土;力學性能

中圖分類號：TQ174??????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.040

陶瓷是陶器和瓷器的總稱，中國人早在公元前8?000—2?000年（新石器時代）就發明了陶器。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物或碳化物，常見的陶瓷材料有黏土、氧化鋁和高嶺土等，其硬度一般較高，但可塑性較差。

1??陶瓷材料的分類

陶瓷材料一般可分為傳統硅酸鹽陶瓷和現代特種陶瓷。

傳統碳酸鹽陶瓷可分為陶器和瓷器，其各自的特點分別為：①陶器的結構不致密，斷面粗糙，敲擊聲比較渾濁;②瓷器的結構比較致密，質地細膩，斷面呈石狀或貝殼狀，敲擊聲清脆悅耳。綜合上述特點看，陶與瓷的區別在于胚體的孔隙度，即吸水率，而黏土最終會形成陶，還是形成瓷，取決于原料的成分和燒結溫度。如果原料粗糙、燒結溫度低，則形成陶;反之，則形成瓷。

現代特種陶瓷可分為功能陶瓷和結構陶瓷，其各自的特點分別為：①功能陶瓷具有電、磁、聲、化學和生物等性能;②結構陶瓷具有耐磨、耐蝕、抗高溫、耐熱和高強度等力學性能，是陶瓷在結構領域的廣泛應用。例如高熔點氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2和VO2等）、碳化物陶瓷（SiC、WC、TiC和BC等）、硼化物陶瓷（ZrB2）、氮化物陶瓷（Si3N4、BN和ZrN等）和硅化物陶瓷（MoSi2、ZrSi）。

無論是傳統硅酸鹽陶瓷，還是現代特種陶瓷，其力學性能、物理性能和化學性能均相差不多。

2??陶瓷材料的力學性能

陶瓷材料在工程材料中具有最高的彈性模量和硬度。陶瓷在受力后可產生一定的彈性變形，其彈性模量為1?000～1.0×106?MPa，硬度大多在1?500?HV以上。Si3N4和BN具有接近金剛石的硬度。陶瓷材料的理論強度很高，但由于其組織中的晶界和非晶相的影響，在拉伸狀態下很容易擴展形成裂紋，導致抗拉強度降低。陶瓷在拉伸時幾乎沒有塑性，在拉應力的作用下產生一定彈性變形后會直接脆斷。

3??陶瓷材料的物理性能

陶瓷材料的物理性能主要有以下3點：①熱性能陶瓷材料的熱性能包括熔點、熱容、導熱性、熱膨脹和耐熱沖擊等;②電性能陶瓷材料的導電性變化范圍很寬;③光學性能陶瓷具有特殊的光學性能，可作為激光材料、光導纖維材料、光存儲材料或熒光物質等。

4??陶瓷材料的化學性能

陶瓷材料的組織結構非常穩定，這是因為它不僅鍵結構力強，而且在離子晶體中金屬原子被包圍在非金屬原子的間隙中，形成了穩定的化學結構，無法再與介質中的氧發生反應，即使在1?000?℃的高溫下也不會發生氧化反應。

5??陶瓷材料成型方法

5.1??膠態澆鑄成型

膠態澆鑄成型是一種將具有流動性的漿料制成可自我支撐性狀材料的成型方法。該方法利用了漿料具有的流動性，將物料干燥并固化后得到一定形狀的成型體。具體包括以下4種方法：注漿成型（SlipCasting）、流延成型（TapeCasting）、軋膜成型和注射成型。除了上述常用的成型方法外，實際生產中還采用了以下4種成型方法。

5.2??紙帶成型

紙帶成型與流延成型法類似。該方法是以一卷具有韌性的、低灰分的紙帶（比如電容紙）作為載體，使這種紙帶以一定的速度通過泥漿槽，黏附上適當厚度的漿料，并通過烘干區形成一層薄瓷胚，卷軸待用。在燒結過程中，這層低灰分襯紙將被徹底燃盡。比如泥漿中采用熱塑性高分子物質作為黏結劑時，在加熱軟化的情況下，可將胚帶加壓定型。

5.3??滾壓成型

滾壓成型與軋膜成型相似。該方法是以熱塑性有機高分子物質作為黏合載體，將載體與陶瓷粉料放在一起，加入封閉式混練器混煉，煉好后再進入熱軋輥箱，軋制成一定厚度引出后用冷空氣冷卻，卷軸待用。如果要想制作其他定型胚帶，則可適時對胚片進行壓花。該方法與紙帶成型法均可用以制作垂直多孔筒狀熱交換器，兩者各有優點，用滾壓法所制的胚體孔型較好，空氣易流通，但制作工藝較難掌握。

5.4??印刷成型

印刷成型是指將超細粉料、黏合劑、潤滑劑和溶劑等充分混合，調制成流動性較好的稀漿料，并采用絲網漏印法，即可印出一層極薄的胚料。

5.5??噴涂成型

噴涂成型中所用的漿料與流延法、印刷法相似，但必須調制得更加細膩，以便在壓縮空氣通過噴嘴后形成霧粒。該方法主要用來制造獨石電容器。噴涂時，以事先刻制好的掩膜遮住不需要被噴涂的部分，噴涂至一定程度時可進行干燥處理，干燥后再開始第二次、第三次噴涂，到達預定厚度時更換掩膜，噴涂所需的其他漿料。按這種反復更換掩膜、交替噴涂金屬漿料和陶瓷漿料的方法噴涂，可形成獨石電容器結構。

6??陶瓷的發展前景

信息、能源和新材料被譽為當代科學技術的三大支柱。陶瓷作為一種既傳統又具有科技性的材料，以其優異的性能在材料領域獨樹一幟，受到人們的高度重視，在未來的社會發展中將發揮巨大的作用。

隨著科學技術的不斷進步，陶瓷材料在21世紀必將獲得驚人的發展。展望未來，陶瓷材料將在以下3個方面獲得重大突破，進而對現代科技的發展和人類社會的進步作出貢獻：①納米陶瓷。納米陶瓷是陶瓷材料的一個分支，指平均晶粒<100?nm的陶瓷材料。②生物陶瓷。生物陶瓷指直接用于人體或與人體相關的生物、醫用和生物化學等領域的陶瓷材料。③信息陶瓷。信息陶瓷指與信息技術相關的陶瓷材料，包括絕緣陶瓷、電子陶瓷、敏感陶瓷和磁性陶瓷等。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕

Development?of?Ceramic?Materials

Li?Cheng

Abstract：?Ceramics?play?an?important?role?in?the?development?of?tableware，?decorative?use?of?science?and?technology.?Clay?by?Cuiqu?become?ceramic?raw?materials.?Clay?has?the?toughness，?plastic?water?at?room?temperature，?slightly?dry?can?be?carved，?all?dry?grind，?till?700?℃?can?be?filled?with?water?into?pottery;?till?1?230?℃?will?be?porcelain，?can?be?completely?non-absorbent?and?temperature?resistance?corrosion.?Uses?a?variety?of?ceramics，?are?widely?used?in?today's?culture，?the?development?of?technology?in.

Key?words：?ceramics;?colloidal?casting;?clay;?mechanical?properties