陶瓷及加工工艺.ppt

第十章陶瓷及加工工艺 陶瓷材料是人类最早利用的材料之一 也是最早利用的非天然材料 从其名词词面来说 它是陶器与瓷器的总称 就其传统工艺含义来说 陶瓷是指将黏土一类的物料经过成型及高温处理变成有用的多晶体材料 陶瓷概述 传统的 陶瓷 是陶器 炻器和瓷器的总称 传统陶瓷是指以黏土为主和其他天然矿物原料 硅酸盐和氧化物材料 经过拣选 粉碎 混炼 成型 煅烧等工序而成的制品 现代陶瓷的概念则泛指所有无机非金属材料 包括传统陶瓷 高纯度原料 人工合成 罐与漏斗 酒具 灰陶 磁山文化红陶器具 仰韶文化 彩陶瓶 大汶口文化 流佳器 黑陶 夏代的白陶罐 西周的硬陶 东汉时期 瓷器 唐代 越窑青瓷莲花碗 邢窑白瓷 宋代 汝窑碗 官窑 哥窑贯耳扁瓶 定窑 孩儿枕 钧窑尊 元代梅子青瓷 元代哥釉碗 明代五彩玉壶春瓶 青花瓷 始于元代 发展于明代 釉里红 景德镇 珐琅彩瓷 清代 陶瓷的分类 按照陶瓷材料的性能功用可将陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两类 普通陶瓷 传统陶瓷 是以天然的硅酸盐矿物为原料 如粘土 长石 石英等 经过粉碎 成型 烧结而制得 又称硅酸盐陶瓷 例如日用陶瓷 建筑瓷 艺术陶瓷都属于普通陶瓷范畴 特种陶瓷又称为精细陶瓷 先进陶瓷 工业陶瓷 由于天然硅酸盐原料中含杂质较多 不能满足特种陶瓷性能上的要求 故常用其他非硅酸盐类化工原料或人工合成原料 如氧化铝 氧化锆 氧化钛氧化物等和氮化硅 碳化硼等非氧化物制造 特种陶瓷具有高强度 高硬度 高韧性 润滑性 磁性 透光 耐腐蚀 导热 隔热 集热 导电 绝缘 半导体以及压电 光电 电光 声光 磁光等性能 在现代工业技术 特别是在高新技术领域中的地位日趋重要 陶瓷制品可分为陶器 炻器 瓷器三大类 陶器是指以黏土为胎 经过手捏 轮制 模塑等方法加工成型后 在高温下焙烧而成的物品 品种有灰陶 白陶 红陶 彩陶和黑陶等 陶器分粗陶和精陶两种 炻器亦称缸器 是介于陶器和瓷器之间的一种陶瓷制品 如水缸等 质地致密坚硬 与瓷器相似 多为棕色 黄褐色或灰蓝色 瓷器可以说是陶瓷器发展的更高阶段 它是一种由瓷石 高岭土等组成 外表施有釉或彩绘的物器 瓷器的特征在于其坯体已完全烧结 完全玻化 因此很致密 对液体和气体都无渗透性 胎薄处可呈半透明 断面呈贝壳状 陶与瓷的区别 陶瓷的基本性能 力学性能结合键和晶体构造决定了陶瓷具有很高的抗压强度和硬度 而抗拉强度低和抗剪强度则很低 此外 脆性也是陶瓷材料的一大缺陷 几乎没有塑性 在静态负荷下 虽抗压强度很高 但稍微受外力冲击便发生脆裂 陶瓷材料基本不具有抗断裂性能 抗冲击强度远远低于抗压强度 致使其应用尤其作为结构材料使用时有所局限 为了改善陶瓷脆性问题 可以从几方面人手 首先是预防在陶瓷中 特别是表面上产生缺陷 其次是在陶瓷表面造成压应力 然后是消除陶瓷表面的微裂纹 光学性能陶瓷的光学性能是指其在红外线 可见光 紫外线及各种射线作用下的一些性质 陶瓷的光学性能包括白度 透光度和光泽度 白度指陶瓷材料对白光的反射能力 透光度是指瓷器允许可见透光的程度 常用透过瓷片的光强度与入射在瓷片上的光强度之比来表示 光泽度指陶瓷器表面对可见光的反射能力 光泽度决定于瓷器表面的平坦与光滑程度 电性能和热性能陶瓷的电性能在工作电路中起着重要的作用 一般情况下 大多数陶瓷是电绝缘体 少数特种陶瓷可以是半导体 温度对陶瓷的导电率有明显的影响 当温度升高时 陶瓷的导电率会升高 另外 当作用于陶瓷材料的电场强度超过某一临界值时 它会丧失绝缘性能 由介电状态转变为导电状态 这种现象称为介电强度的破坏或介质的击穿 陶瓷材料的热性能主要包括热容 热膨胀系数 热导率 热稳定性 抗热震性 抗热冲击性等 热稳定性是陶瓷制品使用时的一个重要质量指标 陶瓷熔点高 大多在2000 以上 有很高的抗氧化性 高温强度好 抗蠕变能力强 适宜作高温材料 陶瓷的热膨胀系数较小 一般热导率也较低 抗热震性是指陶瓷材料承受外界温度急剧变化而不破损的能力 又称为耐温度急变性 陶瓷的抗热震能力较差 也就是在温度急剧变化时抵抗破坏的能力较差 容易造成陶瓷制品产生裂纹或开裂 表面性能和化学性质陶瓷的表面性能 表面粗糙度和曲度不仅与原料的细度有关 而且与工艺方法有重要关系 一般说来陶瓷原料细度越小 其表面越光滑 陶瓷的化学稳定性主要取决于坯料的化学组成和结构特征 陶瓷的组织结构非常稳定 不但在室温下不会氧化 即使在1000 以上的高温下也不会氧化 一般情况下 陶瓷材料是良好的耐酸材料 能耐无机酸和有机酸及盐的侵蚀 但抵抗碱的侵蚀能力较弱 餐具瓷釉的使用要注意在弱酸碱的侵蚀下 铅的溶出量超过一定量时会影响人体健康 气孔率与吸水率气孔率是指陶瓷制品所含气孔的体积与制品总体积的百分比 它的高低和密度的大小是鉴别和区分各类陶瓷的重要标志 吸水率则反映陶瓷制品烧结后的致密程度 日用陶瓷质地致密 吸水率不超过0 5 炻器吸水率在2 以下 陶器吸水率则在3 以上 陶瓷的加工工艺 一般陶瓷的加工是指以黏土为主要原料 经成型 焙烧 制取陶器 炻器 瓷器等陶瓷制品的生产过程 普通陶瓷制品与特种陶瓷制品的制造工艺基本相同 生产流程比较复杂 但一般都包括原料配制 坯料成型和窑炉烧结三个主要工序 陶瓷生产工艺流程 原料配制原料的配制对于制备陶瓷材料至关重要 原料在一定程度上决定着陶瓷制品的质量和工艺流程及工艺条件的选择 陶瓷生产的最基本原料是石英 长石 黏土三大类和其他一些化工原料 从工艺的角度 陶瓷材料的分类1 可塑性材料 主要指黏土类天然矿物 高岭土 多水高岭土 膨润土等 它们在坯料中起到塑化和黏结的作用 2 无可塑性原料 a 石英属瘠性材料 作用是防止高温变形 冷却后在瓷坯中起骨架的作用 防止坯体收缩时开裂变形 b 长石属于熔剂原料 作用是对高粘度玻璃起到高温胶结作用 增加制品的密实性和强度 将陶瓷原料经过配料和加工得到的具有成型性能的多组分混合料称为坯料 而将制备好的坯料制成具有一定形状大小坯体的过程即为成型 常用陶瓷坯料的成型方法有可塑成型 注浆成型 干压成型等 陶瓷的成型 1 可塑成型可塑成型是基于陶瓷坯料的可塑性 利用模具或刀具等运动所造成的压力 剪力 挤压等外力对坯料进行加工 迫使其在外力作用下可塑变形而制成坯体的成型方法 这种坯料含水率一般为18 26 应有较高的屈服值 使成型时坯形足够稳定 同时也应有较大延伸变形量 以保证成型时坯料不坼裂 按操作方法可塑成型可分为旋压 滚压 拉坯 印坯 雕镶等 目前使用最广泛的是旋压和滚压两种 a 旋压成型是日用陶瓷主要成型方法之一 主要利用旋转的石膏模子与样板刀来成型 操作时 将经过真空练泥的泥团放在石膏模中 模子的含水率在4 14 将石膏模放在轱辘机上 使其装懂 然后慢慢地放下样板刀 由于样板刀的压力 泥料就均匀地分布在模子内部表面 多出的泥料就贴在样板刀上 并用手清除 模子壁和样板刀转动所构成的空隙就被泥料所填满而旋制成呸件 b 滚压成型它与旋压成型不同之处是把扁平的样板刀改成回转型的滚压头 成型时盛放泥料的模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转 滚压头一面旋转一面逐渐靠近盛放泥料的模型 滚压头就对泥胚进行 滚 和 压 的作用而进行成型 从滚压成型的方法来看 成型时 胚泥是均匀展开的 受力由小到大比较缓和 均匀 破坏力的可能性较小 胚体的组织结构均匀 其次 滚头与胚泥的接触面积较大 压力也较大 受压时间较长 胚体就致密 强度也大 c 拉坯成型也称手工拉坯 是在转动的转台上完成的 要求坯泥即有 挺劲 又能自由延展 d 雕塑和印坯基本上是靠手工完成的 其生产效率较低 2 注浆成型注浆是陶瓷生产成型中一个基本的成型工艺 即将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内 由于多孔性模型的吸水性 泥浆在贴近模壁的一层被模子吸水而形成一均匀的泥层 随时间的延长 当泥层厚度达到所需尺寸时 可将多余泥浆到出 留在模型内的泥层继续脱水 收缩 并与模型脱离 出模后既得到制品生坯 注浆成型后的坯体结构较均匀 但其含水量大 干燥与烧成收缩也较大 由于注浆成型的适应性大 所以广泛地应用于生产中 注浆的特点适用于各种陶瓷产品 凡是形状复杂 不规则的 薄的 体积较大的 如卫生洁具 且尺寸不严的器物都可以用注浆成型 一般的日用瓷中的花瓶 特别是各种镂空通花瓶 汤碗 茶壶 椭圆形盘 手柄等都可以用注浆法成型 注浆成型分为空心注浆和实心注浆 图为空心注浆 实心注浆就是将泥浆注入两石膏模面之间 模型与型芯 的空穴中 泥浆被两面吸水 水分不断被吸收后形成泥胚 3 干压成型干压成型是利用压力 将干粉胚料在模型中压成致密胚体的一种成型方法 干压成型过程简单 产量大 缺陷少 并便于机械化 对成型形状简单的小型坯体 有广泛的应用价值 由于干压成型的坯料水分少 压力大 坯体致密 因此能获得收缩小 形状准确 易于干燥的生坯 排出坯体中的水分的工艺过程称为干燥 干燥的目的在于使坯体获得一定的强度以适应运输 修坯 粘结 施釉等加工要求 避免在运输过程中产生变形和损坏或在烧成时因水分汽化而造成的坯体开裂 因此 成型后的坯件必须进行干燥处理 同时 干燥处理也能提高坯体吸附釉彩的能力 陶瓷的干燥是陶瓷生产工艺中非常重要的工序之一 陶瓷产品的质量缺陷有很大部分是因干燥不当而引起的 按干燥是否进行控制可分为 自然干燥和人工干燥 由于人工干燥是人为控制干燥过程 所以又称为强制干燥 陶瓷坯体常用的干燥方法有对流干燥 电热干燥 高频干燥 微波干燥 红外干燥 真空干燥 综合干燥等 陶瓷坯体干燥 陶瓷的装饰 1 陶瓷坯体装饰是在陶或瓷的胚体上 通过一定的工艺方式对陶瓷胚体本身进行加工所形成的由凹凸 虚实以及色彩变化的装饰 中国传统陶瓷上所运用的胚体装饰可分为四大类 堆贴加饰类 削刻剔减类 模具印纹类 其他工艺类型 堆贴加饰类是在胚体表面增加泥量 并通过堆 贴 塑等工艺方式达到装饰目的 其中包含雕塑粘结 堆贴 堆塑 立粉等装饰方法 削刻剔减类是通过对胚体表面的切削 刻画 镂空等减去胚体泥量的工艺手段 构成装饰纹样或装饰肌理 模具印纹类是利用胚体在柔软时的可塑性 用带花纹的拍子 印章 模子印出有凹凸质感的纹样 划花装饰 刻花梅瓶 贴花足碗 印花碗 剔花罐 镂空瓶 釉上彩鼻烟壶 雕塑装饰 2 陶瓷釉彩装饰 1 上釉釉 是硅酸质材料 是附着于陶瓷坯体表面的一种连续的玻璃质层 或者是一种玻璃体与晶体的混合层 一般釉层厚度为0 1 0 3mm 加入金属氧化物会改变釉色 釉与玻璃的差别在于釉在溶化时必须很粘稠而不流动 只有这样才能保证在烧成时保持它原有的表面而不会流走 且能在直立的表面上不致下坠 某些艺术釉例外 如流动釉等 它们在烧成时反倒应该具有较大流动性 釉的主要作用可增加坯体的强度 防止多孔性的坯体内装液体的渗漏 增加坯体表面的平滑 易于清理 具有装饰性 可增加陶瓷的美观 具有对酸碱的抗蚀性 釉的制备a 用土和岩石原样b 用a熔融后的玻璃质 熔块 上釉的方法 拓釉法 吹釉法 浸釉法 荡釉法 轮釉法 2 彩绘 釉下彩绘在生坯 或素烧釉坯 上进行彩绘 然后施一层透明釉 最后釉烧即为釉下彩绘 釉下彩绘所用彩料由颜料 胶结剂与描绘剂等组成 胶结剂是指能使陶瓷颜料在高温烧成后能粘附在坯体上的材料 常用釉料 釉下溶剂或长石等 描绘剂是指在彩绘时使陶瓷颜料能展开的材料 如茶汁 阿拉伯树胶 甘油与水 牛胶与水 糖汁与水 乳香油与松节油等 按使用温度不同 釉下彩料分成 使用于1250 以下的 精陶制品 与使用1250 以上两种 我国釉下彩料多数是使用于还原焰1300 左右烧制的瓷器 这时常用的釉下颜料为 红色的锰红与金红 黄色的锑锡黄与锌钛黄 绿色的青松绿与草绿等 蓝色的海碧 以上商品釉下颜料很少直接使用 多数情况是用来调制中间色 也可用 罩色 法 我国目前釉下彩绘 基本上是手工彩画 也有采用洗印戳画面轮廓线 然后再进行填色 以及釉下贴花 釉上彩绘釉上彩绘是在釉烧过的陶瓷釉上用低温颜料进行彩绘 然后在不高的温度下 660 900 彩烧的装饰方法 釉上彩料通常由陶瓷颜料与助熔剂配成 釉上彩料中所使用颜料几乎可以采用目前所有的陶瓷颜料 少数除外 助熔剂是一种低熔点玻璃料 我国釉上彩绘中的手工彩绘技术有 釉上古彩 历史上曾用过 五彩 名称 粉彩与新彩三种 古彩因彩烧温度较高又名硬彩 古彩烧后色图坚硬耐磨 色彩经久不变 但古彩釉料种类少 故色调和艺术表现上有一定的局限性 古彩的技艺特点是用不同粗细线条来构成图案 且线条刚坚有力 用色较浓且有强烈的对比特性 粉彩是由古彩发展来的 它与古彩的技艺上不同点在于 粉彩在填色前 须将类似图案 如花卉 植物 人物等要求凸起部分涂上一层玻璃白 然后在白粉上再喧染各种彩料使之显出深浅阴阳之感 具有立体浮雕感 粉彩用颜料的种类很多 除粉彩颜料外 还袭用古彩与新彩颜料 新彩因来自国外 故也有 洋彩 之称 它采用人工合成或生产的颜料 在技艺上与中国画相仿 它的烧成温度较宽 配色可变性大 故色彩种类极为丰富 同时成本低 是一般日用陶瓷普遍采用的釉上彩绘方法 目前广泛采用的釉上的贴花 刷花 喷花及堆金等可认为是新彩的发展 釉下彩是指先在半成品坯上彩绘图案之后 再施釉进入高温窑焙烧而成的 烧成后的图案被一层透明的釉膜覆盖在下边 显得晶莹透亮 釉上彩是先烧成白釉瓷器 在白釉上进行彩绘 再入彩炉低温二次烧成 釉上五彩 粉彩 珐琅彩都是釉上彩 釉上釉下混合彩是先烧成釉下彩 即在瓷胎上直接绘画图案 罩透明釉高温一次烧成 主要是青花 然后再在适当的部位涂绘釉上彩 入炉低温二次烧成 青花矾红彩 斗彩 青花五彩都属于釉上釉下混合彩 最终形成青花类 色釉瓷类 彩瓷类三大系列 窑炉烧结 烧结也称烧成 是对成型后经干燥的坯体进行高温处理的工艺过程 经成型 干燥和施釉后的半成品 必须再经高温焙烧 坯体在高温下发生一系列物理化学变化 使原来由矿物原料组成的生坯 达到完全致密程度的瓷化状态 成为具有一定性能的陶瓷制品 根据烧结时是否有外界加压可以将烧结方法分为常压烧结和压力烧结 按烧结时是否加有气氛可以分为普通烧结和气氛烧结 按烧结时坯体内部的状态可以分为气相烧结 固相烧结 液相烧结 活化烧结和反应烧结 另外 一些特殊方法如电火花法 溅射法 化学气相沉积法等也能实现