《工艺与材料》PPT课件.ppt

第四章工艺与材料 第一节陶瓷原料与釉料 一 陶瓷原料陶瓷原料在一定程度上决定了陶瓷的工艺选择范围 也决定了陶瓷的质量 陶瓷所用的原料主要来自天然硅酸盐矿物或岩石风化物 这些资源在地壳中分布广泛 取之不尽 用之不竭 陶瓷原料分类 可塑性原料 主要来自粘土 起塑化和结合作用 赋坯体以塑性与注浆成形性能 保证干坯强度和烧成后的各种使用性能 瘠性原料 主要有石英 熟料 碎瓷粉等 可降低坯料的粘性 防止高温变形 冷却后在坯体中起骨架作用 熔剂原料 主要有长石 伟晶花岗岩 滑石 白云石 石灰石等 在高温下熔融后可溶解一部分石英及高岭土分解产物 熔融后的高粘度玻璃可以起到高温胶结作用 一 粘土 粘土是一种疏松的或呈胶状的紧密含水铝硅酸盐矿物 具有独特的可塑性和结合性 调水后能塑造成形 烧后变得致密坚硬 是最经典的陶瓷原料 1 粘土的主要矿物类型 1 高岭石类多呈白或浅灰 浅绿 浅黄 浅红等颜色 土状光泽 吸水性强 和水具有可塑性和滑腻感 当加热到1200 1250 生成机械强度高 热稳定性 化学稳定性都很好的莫来石结构 2 蒙脱石类包括蒙脱石 拜来石 绿脱石或绿高岭石 皂石等 它们风化而成的土能够吸附大量的水 体积膨胀 呈胶泥状态 具有强的结合性 故又称膨润土 主要用作增塑剂 用来提高坯料的可塑性与结合能力 釉浆中可用它作为悬浮剂使用 但用量不宜过多 3 伊利石类包括水云母 绢云母 绿鳞石和海绿石等 具有较大可塑性 助溶性 悬浮性 附着性 可作为高岭土 长石使用 4 水铝英石类在自然界并不常见 往往少量地包含在其它粘土中 呈无定形态存在 在水中能形成胶凝层 包围在其它粘土颗粒上 从而提高粘土的可塑性和结合性 5 叶蜡石类又名冻石 图章石 是一种硬质粘土 是微细矿物的集合体 质软 富于脂肪滑腻感 呈致密块状 不属于粘土矿物 因其某些性质近于粘土 而划归粘土之列 2 粘土的工艺性能 1 粘土的可塑性粘土与适量的水混练以后形成的泥团在外力作用下产生变形但不开裂 当外力去掉后 仍能保持其形状不变的这种性质称为可塑性 可塑性是塑性法成形的基础 2 粘土的结合性粘土塑性泥团干燥后 变得坚实 具有一定的强度 能够维持粘土颗粒之间的相互结合而不散 这种性能称为粘土的结合性 3 粘土的颗粒度一般粘土的颗粒在1纳米 5微米之间 大部分在2微米以下 重量20 的粘土颗粒直经在1微米以下 颗粒度的大小直接影响到粘土的可塑性 干燥收缩 空隙度和强度 以及烧成收缩和烧结性等 4 粘土的吸附性粘土颗粒能从周围介质中吸附气态物质 液态物质 有机物质等各种色素的能力称为粘土的吸附性 粘土的吸附性与它的矿物组成和分散性有关 蒙脱石粘土的吸附性最强 5 干燥收缩和烧成收缩塑性泥料干燥后 因水份蒸发 空隙减少 颗粒之间的距离缩短而产生的体积收缩称为干燥收缩 烧成以后 由于粘土中产生液相填充在空隙中 以及某些结晶物质生成 又使体积进一步收缩 称为烧成收缩 6 粘土烧后的颜色粘土因有机物质和其它杂质矿物的存在 被着成各种颜色 如灰 浅灰 黄 褐 紫 绿 黑等色 对烧后颜色影响最大的是铁钛化合物 二 石英 石英是构成地壳的主要成分 石英占瓷坯体配方中20 30 在制坯时对泥料的可塑性起调节作用 降低坯体干燥收缩和变形倾向 缩短干燥时间 起瘠化剂作用 石英在陶瓷坯体中的作用 石英占瓷坯体配方中20 30 在制坯时对泥料的可塑性起调节作用 降低坯体干燥收缩和变形倾向 缩短干燥时间 起瘠化剂作用 在烧成过程中石英的加热膨胀 可部分补偿坯体收缩 高温时部分石英参与化学反应 生成莫来石 部分石英溶于液相 从而增加熔体粘度 增进抗变形能力 而未熔化的石英则与莫来石构成架 防止弯曲 变形等 使瓷器具有机械强度 增加瓷器透光度和白度 2 石英在釉中的作用 在釉料中石英是玻璃相的主要来源 增加石英含量可以使釉熔融温度与粘度提高 同时减少釉的热膨胀系数 提高釉的机械强度 硬度 耐磨性和耐化学浸蚀性的指标 3 陶瓷工业对石英类原料的质量要求 在陶瓷工业石英类原料一般要求二氧化硅含量大于97 氧化铁和二氧化钛小于0 5 杂质成分愈少愈好 不论块状 砂状或粉状矿石 经1350 煅烧后要求色洁白或无色 三 长石 化学成分为不含水的碱金属与碱土金属铝硅酸盐 主要是钾 钠 钙和少量钡的铝硅酸盐 有的含有微量的铯 铷 锶等金属离子 长石掺入量视矿石化学成分及配方而异 一般胎料加入20 30 釉料中加入10 35 长石最重要的性质是有宽的熔融范围 较高的高温粘度 和良好的熔解其它物质的能力 二 釉料釉是一种近似于玻璃的物质 覆盖于陶瓷器物的表面 它利用某些天然矿物和化工原料 按一定的比例配制 经高温作用熔融后覆盖于坯体表面 具有抗酸碱性强 氢氟酸和热碱除外 不透气 不透水 质地致密 光滑 有光泽 硬度大等性能 同时呈现多种色彩及光亮 析晶 乳浊 消光 裂纹 窑变等视觉效果 一 釉料的组成及其作用 1 配釉常用的天然矿物1 石英2 长石3 高岭石类4 石灰石和方解石5 萤石 氟石 2 助熔剂助熔剂的作用是促进高温化学反应 加速高熔点晶体结构键的断裂 生成低共熔点化合物 调整釉层物理化学性质 如机械性质 膨胀系数 粘度 化学稳定性等 的作用 常用的助熔剂1 硼砂2 铅丹3 锌白 氧化锌 4 碳酸镁5 钠和钾6 碳酸钡7 骨灰 3 着色剂釉色泽丰富 变化万千 主要通过添加金属氧化物着色剂来实现 不同的金属氧化物着色效果各具特色 其中的规律十分复杂 二 釉的分类 1 玻璃釉即 透明釉 釉层薄而透明如玻璃状 故名 釉内几乎不含任何未熔物 析晶 气泡和两液分相 在显微镜下酷似一池清水 釉面光洁平滑 如东汉至西晋的越窑釉 北方早期的邢窑 定窑 巩窑 以及景德镇的青白瓷釉 2 析晶釉这类釉在烧成过程中会大量析出钙长石针晶 针晶的大小约数个微米 大于可见光波长 由于可见光在这些针晶上的反射 散射作用 使釉具有乳浊的玉质感 似玉非玉胜于玉 如南宋官窑 龙泉窑及汝窑等 3 分相釉这类釉具有某一特定范围内的化学组成 在烧成过程中 在一定物理化学平衡条件下 釉液会分离成两个成分不同 互不混溶的液相 一相以无数的孤立小液滴 直径100nm 分散于另一个连续相之中 或两相自身连通 相互穿插的结构而存在 如钧窑瓷的颜色 蓝色 就是这些孤立小液滴对入射可见光产生瑞利散射的结果 邛崃窑青瓷是中国最早的分相釉 4 分相析晶釉与分相釉的作用不同 一般是经过液相分离 使某一组成在液滴相中富集而导致析晶 有学者提出 由于析晶使析晶附近的液相分相 如福建建窑产的 建盏 釉 南宋官窑 汝窑都有分相析晶 5 开片釉或纹片釉釉的膨胀系数明显大于胎 瓷器经高温冷却至200 以下时 釉的收缩量将大大超过胎 因釉已硬化 弹性甚小 受到较大张应力 其积累到一定程度 超过釉本身的抗张强度 导致釉的开裂 常见开片釉有 北宋官窑 汝窑 修内司窑 郊坛下窑 传世哥窑 龙泉仿官窑以及景德镇的仿官 仿哥 郎窑红等 三 常见釉料 1 灰釉 把植物烧成灰后 用狼萁灰或榨木灰 稻草灰 谷壳灰等与水一块捣洗后陈腐 过筛 磨碎 干燥后就可以备用 灰釉通常在高温还原中烧成效果尤佳 若在灰釉中加入其他矿物和发色剂 就可以配制极为柔和而华丽的有色斑点釉 宋元灰釉三角罐 2 结晶釉 制成底釉作为基础釉 加入结晶剂和发色剂 为调整熔融温度 加入玻璃粉 硼砂和铅丹作为熔剂 此外还可加入少量的氧化铝和五氧化二钒 促成晶种生长 3 开片釉 在釉中添加收缩率高的原料 使坯釉烧成收缩不一致 如加入钠的成份 釉的收缩率高于坯而产生冰裂 龟裂状 出窑后在开裂的线中涂上氧化金属 色彩便渗入其中 若再次烧成 出窑后再上色 则会产生两种色彩各异的裂纹效果 4 土釉 全部以粘土为原料 粘土的成分是由长石 石英 高岭土所组成 土釉烧成温度宽 而且很稳定 由于特殊的组成 即能产生意想不到的效果 在传统中被世人称赞的天目釉 油滴釉 兔毫釉 乌金釉和鸠鸪釉都同属土釉 5 闪光釉 加入金属盐或碳酸盐 在釉形成后产生一种闪光金属般的釉面感觉 6 盐釉 将食盐从火孔中投入窑内 盐即刻变成雾化 盐内的钠和坯中的钠同坯中的氧化硅化合成釉质 第二节陶瓷窑炉 一 陶瓷的烧成对坯体来说 烧成过程就是将成形后的生坯在一定条件下进行热处理 经过一系列物理化学变化 得到具有一定矿物组成和显微结构 达到所要求的理化性能指标的成坯 烧制陶瓷的设备称为 窑炉 烧成条件对产品性能的影响 1 烧成温度2 保温时间3 升 降温速度4 烧成气氛 二 陶瓷窑炉 原始陶器一般就地取土 质地粗糙 平地堆烧而成 大致烧成温度在700 C左右 甑皮岩 680 巫山大溪文化 750 830 宜都红花套下层 大溪文化 600 700 云南傣族地区至今仍有这种平地露天堆烧方法 1 龙窑 主要分布于我国南方地区 以粘土 砖或砖坯依倾斜的山坡构筑而成 由下自上 呈长条形 象龙蛇状 故名龙窑 也称蛇窑 蜈蚣窑 窑室分窑头 窑床 窑尾三部分 龙窑焰抽力大 升温快 同时装烧面积大 产量高 龙窑使用时间 商周以降 明清至今 龙窑优点 建筑方便 装烧量大 产量高 温度升降速度快 容易维持还原气氛 适合于焙烧胎体薄 高温下粘度小的石灰釉瓷器 龙窑是青瓷的摇篮 五百年未断火的龙窑 广东佛山南风古灶 2 登窑 也称阶级窑 阶梯窑 由龙窑演化而来 依附山的坡度 由下往上 建造一个个倒焰式窑 连接成一体 形成梯状 优点 利用了余热 充分提高了热效率 同时也缩减了烧制时间 窑的规模有4 7室 最多可达20室 主要由窑室 燃烧室和烟囱三部分组成 登窑 3 柴窑 景德镇柴窑 4 圆窑 也称煤窑 窑顶呈半球体 窑身呈圆柱体 沿着圆形开有两个对称窑门 周围设有多个燃烧口 是间歇式烧成 制品需装入匣体内 然后入窑 罗叠成柱状 封住窑门后烧制 煤烧圆窑耗煤量大 烧成时间长 劳动强度大 质量不易控制 尤其是冒出的浓烟 危害性大 现在已经逐步淘汰 煤烧圆窑 5 电炉 以电为能源 低温800度左右常用电热丝 而烧制1100度以上 则采用硅碳棒导热 普通电炉适合于800度左右釉面彩饰的烧烤 6 隧道窑 窑体呈隧道状 铺有运行铁轨 陶瓷制品装在窑车上 窑车连续进入 经过预热区 烧成区 冷却区 然后出窑 隧道中部烧成区两侧设有数个点火口 连续烧制 最适合产业陶瓷的大批量生产 隧道窑 隧道窑入口 7 辊道窑 近年发展起来的快烧陶瓷工业窑炉 是靠链轮和螺旋齿轮传动 辊棒输送制品 达到全自动化 燃料为柴油或煤气 耗能比传统窑炉低 在实现快烧的基础上 也保证了质量和产量的提高 最长的辊道窑达到了80米 主要用于建筑陶瓷烧制 辊道窑 8 梭式窑 以燃气烧制陶瓷的窑炉 近十年来得到广泛普及 摆脱了传统的装匣烧成 实行了裸烧工艺 成品质量提高 减少了污染 对于品种多 小批量烧成的制品尤其适合 给陶瓷作坊 个人陶艺工作室 工艺实验室带来了生机 取得了烧成条件的突破 梭式窑 9 锦炉 成瓷的釉面彩饰后 烧烤釉面色料 使之成熟 光洁 不退落 以前多用木柴和木炭做燃料 窑分为外窑 内窑 作品不直接接触火焰 现在都采用电燃的锦炉 作品直接裸烧 炉有圆形 方形 有翻盖的 拉门的操作方法 锦炉 第三节现代科技手段在陶瓷中的应用 断代 释光仪和磁学断代仪 物相或显微结构 体视显微镜 偏光显微镜 扫描电子显微镜 X射线衍射仪 热分析仪 核磁共振仪及质谱仪等 成分 电子自选共振波谱仪 拉曼光谱仪 X射线荧光仪 原子吸收光谱 等离子体发射光谱仪 中子活化仪 红外光谱仪及穆斯堡尔谱仪等 1 热释光 固体在受辐射作用后积蓄的能量在加热过程中以光的形成释放出来的一种物理现象 陶瓷晶体长期受到来自于自然环境和陶瓷本身所含的微少的放射性杂质 如铀 钍和钾40等 的核辐射 放射性剂量相对恒定 因此热释光的强度便和受辐时间的长短成正比 在陶瓷的烧制过程中原始的热释光能量都会因高温而全部释放掉 所以最后所测量得到的信号 与陶瓷的烧制年代成正比 应用 鉴定 元 青花云龙纹象耳瓶 1998年1月 上海博物馆文物保护与考古实验室为一位澳大利亚华侨带回国内的据称是元代的两件青花云龙纹象耳瓶和一件明代的五彩小瓷碗作了热释光年代测定 经测定分析 五彩小瓷碗年龄为407年 也就是说小瓷碗的烧纸年代为距今400年左右 误差20 一个标准偏差 应用 鉴定 元 青花云龙纹象耳瓶 而青花云龙纹象耳瓶的年龄分别为17年和23年 考虑到这两个青花云龙纹象耳瓶的热释光灵敏度都很低 故得到的年龄误差会大些 但最大也不会超过距今100年 由此判断象耳瓶不是元代而是近现代的仿制品 2 偏光显微镜 凡具有双折射的物质 在偏光显微镜下就能分辨清楚 放大倍数一般为40 400不等 特点 将普通光改变为偏光进行镜检的方法 以鉴别某一物质是单折射 各向同行 或双折射性 各向异性 在考古领域中 偏光显微镜可用来对古代颜料 丝绸 陶瓷等各类文物的鉴定 3 扫描电子显微镜 SEM 基于聚焦电子束与试样相互作用 产生随试样表面形貌而变化的二次电子 从而得到反映试样表面形貌的二次电子像 扫描电镜可以对样品进行图像观察和晶体结构分析 可以研究陶瓷的表面形状 晶粒大小及相互结合的状况以及内气孔的形状分布 玻璃化程度并进而推断烧结温度 浙江龙泉南宋哥窑和弟窑瓷片偏光照片 胎内石英颗粒和莫来石晶体分布比较均匀 石英颗粒大部分都在20微米以下 证明当时对坯泥的捏练方面还是很细致的 并且这种分布对于提高坯体的机械强度有一定的好处 釉 内含有5 10 肉眼不易看到的小而均匀的气泡 气泡大小大部分都在0 01 0 05毫米之间 并发现含有5 左右均匀分布的石英晶体 这也可推知南宋青瓷釉料的粘度较大 粉青产品的烧成温度较低 并可说明釉的光泽为什么有柔和的表现 4 X射线衍射仪 XRD X射线通过晶体时会发生衍射效应 利用这一特性来确定物质的物相结构的方法 称为X射线物相分析法 简称X