陶瓷材料的发展

李成

摘  要：陶瓷在食器、装饰的使用和科学技术的发展中扮演重要的角色。黏土经淬取而成为陶瓷的原料。黏土具有韧性，常温下遇水可塑，微干可雕，全干可磨，烧至700 ℃可成能盛水的陶器;烧至1 230 ℃会瓷化，可完全不吸水且耐高温、耐腐蚀。陶瓷的用途多种多样，被广泛应用于当今文化、科技的发展中。

关键词：陶瓷;胶态浇铸;黏土;力学性能

中图分类号：TQ174              文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.040

陶瓷是陶器和瓷器的总称，中国人早在公元前8 000—2 000年（新石器时代）就发明了陶器。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物或碳化物，常见的陶瓷材料有黏土、氧化铝和高岭土等，其硬度一般较高，但可塑性较差。

1  陶瓷材料的分类

陶瓷材料一般可分为传统硅酸盐陶瓷和现代特种陶瓷。

传统碳酸盐陶瓷可分为陶器和瓷器，其各自的特点分别为：①陶器的结构不致密，断面粗糙，敲击声比较浑浊;②瓷器的结构比较致密，质地细腻，断面呈石状或贝壳状，敲击声清脆悦耳。综合上述特点看，陶与瓷的区别在于胚体的孔隙度，即吸水率，而黏土最终会形成陶，还是形成瓷，取决于原料的成分和烧结温度。如果原料粗糙、烧结温度低，则形成陶;反之，则形成瓷。

现代特种陶瓷可分为功能陶瓷和结构陶瓷，其各自的特点分别为：①功能陶瓷具有电、磁、声、化学和生物等性能;②结构陶瓷具有耐磨、耐蚀、抗高温、耐热和高强度等力学性能，是陶瓷在结构领域的广泛应用。例如高熔点氧化物陶瓷（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）。

无论是传统硅酸盐陶瓷，还是现代特种陶瓷，其力学性能、物理性能和化学性能均相差不多。

2  陶瓷材料的力学性能

陶瓷材料在工程材料中具有最高的弹性模量和硬度。陶瓷在受力后可产生一定的弹性变形，其弹性模量为1 000～1.0×106 MPa，硬度大多在1 500 HV以上。Si3N4和BN具有接近金刚石的硬度。陶瓷材料的理论强度很高，但由于其组织中的晶界和非晶相的影响，在拉伸状态下很容易扩展形成裂纹，导致抗拉强度降低。陶瓷在拉伸时几乎没有塑性，在拉应力的作用下产生一定弹性变形后会直接脆断。

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点：①热性能陶瓷材料的热性能包括熔点、热容、导热性、热膨胀和耐热冲击等;②电性能陶瓷材料的导电性变化范围很宽;③光学性能陶瓷具有特殊的光学性能，可作为激光材料、光导纤维材料、光存储材料或荧光物质等。

4  陶瓷材料的化学性能

陶瓷材料的组织结构非常稳定，这是因为它不仅键结构力强，而且在离子晶体中金属原子被包围在非金属原子的间隙中，形成了稳定的化学结构，无法再与介质中的氧发生反应，即使在1 000 ℃的高温下也不会发生氧化反应。

5  陶瓷材料成型方法

5.1  胶态浇铸成型

胶态浇铸成型是一种将具有流动性的浆料制成可自我支撑性状材料的成型方法。该方法利用了浆料具有的流动性，将物料干燥并固化后得到一定形状的成型体。具体包括以下4种方法：注浆成型（SlipCasting）、流延成型（TapeCasting）、轧膜成型和注射成型。除了上述常用的成型方法外，实际生产中还采用了以下4种成型方法。

5.2  纸带成型

纸带成型与流延成型法类似。该方法是以一卷具有韧性的、低灰分的纸带（比如电容纸）作为载体，使这种纸带以一定的速度通过泥浆槽，黏附上适当厚度的浆料，并通过烘干区形成一层薄瓷胚，卷轴待用。在烧结过程中，这层低灰分衬纸将被彻底燃尽。比如泥浆中采用热塑性高分子物质作为黏结剂时，在加热软化的情况下，可将胚带加压定型。

5.3  滚压成型

滚压成型与轧膜成型相似。该方法是以热塑性有机高分子物质作为黏合载体，将载体与陶瓷粉料放在一起，加入封闭式混练器混炼，炼好后再进入热轧辊箱，轧制成一定厚度引出后用冷空气冷却，卷轴待用。如果要想制作其他定型胚带，则可适时对胚片进行压花。该方法与纸带成型法均可用以制作垂直多孔筒状热交换器，两者各有优点，用滚压法所制的胚体孔型较好，空气易流通，但制作工艺较难掌握。

5.4  印刷成型

印刷成型是指将超细粉料、黏合剂、润滑剂和溶剂等充分混合，调制成流动性较好的稀浆料，并采用丝网漏印法，即可印出一层极薄的胚料。

5.5  喷涂成型

喷涂成型中所用的浆料与流延法、印刷法相似，但必须调制得更加细腻，以便在压缩空气通过喷嘴后形成雾粒。该方法主要用来制造独石电容器。喷涂时，以事先刻制好的掩膜遮住不需要被喷涂的部分，喷涂至一定程度时可进行干燥处理，干燥后再开始第二次、第三次喷涂，到达预定厚度时更换掩膜，喷涂所需的其他浆料。按这种反复更换掩膜、交替喷涂金属浆料和陶瓷浆料的方法喷涂，可形成独石电容器结构。

6  陶瓷的发展前景

信息、能源和新材料被誉为当代科学技术的三大支柱。陶瓷作为一种既传统又具有科技性的材料，以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会发展中将发挥巨大的作用。

随着科学技术的不断进步，陶瓷材料在21世纪必将获得惊人的发展。展望未来，陶瓷材料将在以下3个方面获得重大突破，进而对现代科技的发展和人类社会的进步作出贡献：①纳米陶瓷。纳米陶瓷是陶瓷材料的一个分支，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体或与人体相关的生物、医用和生物化学等领域的陶瓷材料。③信息陶瓷。信息陶瓷指与信息技术相关的陶瓷材料，包括绝缘陶瓷、电子陶瓷、敏感陶瓷和磁性陶瓷等。

参考文献

[1]王树海，李安明，岳红志.先进陶瓷的现代制备技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]刘维良，喻佑华.先进陶瓷工艺学[D].武汉：武汉理工大学，2004.

[3]孙康宁，李爱菊.工程材料及其成形技术基础[M].北京：高等教育出版社，2009.

〔编辑：张思楠〕

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