材料成型与工艺

第八章工业陶瓷及其加工技术第一节常用陶瓷材料及其性能一、陶瓷材料的概述二、陶瓷材料的分类和应用第二节工业陶瓷材料成型技术一、可塑法成型二、注浆法成型三、干压法成型第三节陶瓷制品表面装饰技术一、陶瓷制品的表面加工二、表面层改性处理三、表面金屑化处理8.1常用陶瓷材料及其性能一、陶瓷的概述1、陶瓷的概念传统上，“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。日用陶瓷－餐具建筑陶瓷－地砖电瓷

传统陶瓷的主要原料：取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。粘土矿物－高岭石钾长石石英A超声波雾化器用压电陶瓷晶片氧化锆陶瓷金属陶瓷阀门

这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中，并且出现了许多新的工艺。广义的陶瓷概念：用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。德国陶瓷协会：“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品(元件)。陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30％结晶体。一般是在室温中将原料成型，通过800℃以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。”美国和日本等国：Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。2、我国陶瓷技术发展概述8000年前：陶器出现

新石器时代：出现彩陶仰韶文化

新石器时代晚期：龙山文化殷商时代汉代以后唐代及以后陶器出现

裴李岗文化时期的陶器（距今约8000年）。出土于河南省郑州市新郑市裴李岗村。出土的陶器主要以泥质红陶和夹砂红陶为主，红陶在中国出现最早，烧成温度900℃左右。

仰韶文化时期陶器（出现彩陶）

1972年河南省郑州市大河村出土彩陶双连壶

山东历城县龙山镇出现了“黑陶”。所以这个时期称为“龙山文化”时期，又称“黑陶文化”。龙山黑陶在烧制技术上有了显著进步，它广泛采用了轮制技术，因此，器形浑圆端正，器壁薄而均匀，将黑陶制品表面打磨光滑，乌黑发亮，薄如蛋壳，厚度仅1mm，人称“蛋壳陶”。龙山文化时期出土的黑陶（距今约4600－4000年）

殷商时代的陶器从无釉到有釉，是制陶技术上的重大成就。为从陶过渡到瓷创造了必要的条件，这一时期釉陶的出现是我国陶瓷发展过程中的“第一次飞跃”。商代早期陶器（河南荥阳出土）

商代几何纹白陶瓶

陶器向瓷器过渡西汉（公元前206─公元24年）1975年河南省三门峡市出土北齐武平六年（公元575年）1971年河南省安阳县范粹墓出土彩绘陶甗黄釉舞乐扁壶

汉代以后：釉陶逐渐发展成瓷器，无论从釉面和胎质来看，瓷器的出现无疑是釉陶的“第二次飞跃”。在浙江出土的东汉越窑青瓷是迄今为止我国发掘的最早瓷器，距今已有1700年。当时的釉具有半透明性，而胎还是欠致密的。这种“重釉轻胎倾向”一直贯穿到宋代的五大名窑(汝、定、官、越、钧)。

唐代：“第三次飞跃”是瓷器由半透明釉发展到半透明胎。唐代越窑的青瓷、邢窑的白瓷、宋代景德镇湖田、湘湖窑的影青瓷都享有盛名。到元、明、清朝代，彩瓷发展很快，釉色从三彩发展到五彩、斗彩，一直发展到粉彩、珐琅彩和低温、高温颜色釉。唐三彩钧瓷景德镇陶瓷二、陶瓷的分类和应用（一）陶瓷的分类1、按陶瓷概念和用途来分类陶瓷普通陶瓷特种陶瓷日用陶瓷(包括艺术陈列陶瓷)建筑卫生陶瓷化工陶瓷电工瓷其它工业用陶瓷结构陶瓷功能陶瓷1）陶瓷的力学性能刚度强度韧性或脆性塑性硬度力学性能2）陶瓷的热性能热导电性热稳定性热膨胀性热性能2、按陶瓷坯体的性能分类陶瓷的性能3）陶瓷的其它性能吸水性化学性能光学性能电学性能其它性能1．电学性能导电率、介电常数、绝缘强度2、光学性能白度、透光性、光泽度3、化学性能4、吸水性：吸水率(2)按坯体的性能分类

按陶瓷制品的坯体结构及其相应的基本物理性能的不同来分类，是较为科学的一种分类。性能及特征陶器瓷器吸水性/％一般大于3一般不大于3透光性不透光透光胎体特征未玻化或玻化程度差、断面粗糙玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状敲击声沉浊清脆表1日用陶瓷分类

陶器是一种坯体结构较疏松、致密度较差的陶瓷制品，通常有一定吸水率，断面粗糙无光，没有半透明性，敲之声音粗哑。名称粗陶器普通陶器细陶器特征吸水率一般大于15%，不施釉，制作粗糙吸水率一般不大于12％，断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细吸水率一般不大于9％，断面颗粒细，气孔较小，结构均匀，施釉或不施釉，制作精细表2日用陶器分类

瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，断面成石状或贝壳状。名称炻瓷类普通瓷器细瓷器特征吸水率一般不大于3％透光性差，通常胎体较厚，呈色，断面呈石状，制作较精细吸水率一般不大于1％有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较精细吸水率一般不大于0.5％，透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细表3日用瓷器分类（二）陶瓷在产品设计中的应用1、日用陶瓷日用陶瓷是指人们日常生活中使用的陶瓷器皿、根据陶瓷器皿的结构特征、可分为精陶、细瓷和炻器。如中、西餐具、茶具、杯、碟、碗类等日用陶瓷及花瓶、花插、挂盘、花篮、玩具、花鸟、动物、人物瓷雕等工艺陶瓷。主要组成成份有：主要成份是SiO2、AL203、含有少量的Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O等。日用陶瓷原材料：粘土类原料、石英类原料、长石类原料、其他矿物类原料。高岭石叶腊石伊利石粘土类原料石英水晶－结晶良好的石英石英类原料钠长石钾长石钙长石钡长石长石类原料瓷石粉高铝矾土其他矿物类原料硅线石2、建筑陶瓷建筑陶瓷主要包括各种卫生陶瓷制品（洗面器、便器、水箱、坐洗器、存水弯管等）、内墙面砖、外墙面砖、铺地砖、马赛克、陶土管、琉璃制品等陶瓷制品。釉面砖马赛克马桶3、电工瓷电工瓷是一类绝缘性和力学性能优良的陶瓷材料，广泛用于电力工业和电子工业作为隔电的机械支承件和联接用的各种绝缘器件，如各种瓷绝缘子，各种电器绝缘支柱、套管、瓷套等。4、化工陶瓷化工陶瓷具有良好的耐酸、碱腐蚀性能，不污染介质，广泛用于石油化工、冶炼、造纸、制药、化纤等工业部门。按应用可分为；耐酸砖、耐酸耐温砖、阀和管道制品、塔和容器制品、泵和风机等制品。5、结构陶瓷结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料；特种陶瓷的原材料：Al2O3、MgO、BeO、ZrO2、SiC、B4C、Si3N4、AlN等不同形状的特种结构陶瓷件

6、功能陶瓷功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。电子绝缘件氧化锆陶瓷光学导管

陶瓷制品的生产流程比较复杂，如下图所示，各品种的生产工艺不尽相同，但一般都包括原料配制、坯料成型和窑炉烧结等三个主要工序硬质原料软质原料

拣选粉碎风化除杂配料混炼成型干燥装饰、上釉煅烧烧后加工检验包装釉料制备装饰、上釉风化拣选

陶瓷生产工艺流程第二节陶瓷加工工艺一、原料配置

原料在一定程度上决定着产品的质量和工艺流程，工艺条件的选择。陶瓷生产的最基本的原料是石英、长石，黏土三大类和一些其他化工原料，这些原料一般都要经过加工制备才能进入“配合”阶段，如果是不够纯净的原料，需拣选、淘洗，硬质原料还需经过破碎、轮辗、球磨，以改善原料的质量与性能，使之符合成型操作和满足制品质量的要求。工艺角度的陶瓷原料可塑性原料

不可塑性原料

主要是指黏土类天然矿物，包括高岭土、多水高岭土及作为增塑剂的膨润土等．它们在坯料中起塑化和黏结作用，赋予坯料以塑性与注浆成型性能，保证干坯强度及烧后的各种使用性能。高温下熔融后可以溶解一部分石英及高岭土分解，产物，对熔融后的高黏度玻璃可起到高温胶结作用，能增加制品的密实性和强度。

成型是将制备好的坯料，用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯体（生坯）的过程。成型需满足的要求：

1．坯体应符合产品所要求的生坯形状和尺寸（应考虑收缩）。

2．坯体应具有相当的机械强度，以便于后续工序的操作。

3．坯体结构均匀，具有一定的致密度。

4．成型过程适合于多、快、好、省的组织生产。从工艺上讲，根据坯料的性能和含水量的不同，陶瓷的成型方法可分为三类：注浆成型、可塑成型和压制成型。二、成型方法成型方法分类冷法坯料含水量30～40%石膏模常压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆有模无模等静压成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.5～3%干压成型法：使用钢模，坯料含水量6～8%

可塑成型法

成型方法坯料含水量18～26%注浆成型法热法（热压注法）：钢模一、注浆成型法传统定义：在石膏模的毛细管力作用下，含有一定水分的粘土泥浆脱水硬化、成型的过程。目前定义：将所有基于坯料具有一定液态流动性的成型方法统归为注浆成型。

工艺特点：

1、适于成型各种产品，形状复杂、不规则、薄、体积较大而且尺寸要求不严的器物，如花瓶、汤碗、椭圆形盘、茶壶等。

2、坯体结构均匀，但含水量大且不均匀，干燥与烧成收缩大。（一）基本注浆成型方法

1、空心注浆法（单面注浆）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侧被模子吸水而形成一均匀的泥层，并随时间的延长而加厚，当达到所需厚度时，将多余的泥浆倾出，最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离，从模型取出后即为毛坯。2、实心注浆(双面注浆)

这种方法所用石膏模具是由外模和模芯，泥浆注入外模与模芯之间，坯体的上表面由外模腔决定，内部形状则由模芯决定。这样泥浆注满后，模型从两个方向吸取泥浆的水分．往往造成靠近模壁处坯体致密，而坯体中心较疏松，这与泥浆性能和浇注操作有关，所以应精心制作泥浆和严格操作。（二）强化注浆成型方法（注浆方法的改进）在注浆过程中人为地施加外力，加速注浆过程的进行，使吸浆速度和坯体强度得到明显改善的方法。主要真空注浆

、离心注浆、压力注浆、热浆注浆、电泳成型等方法（三）热压铸成型将含有石蜡的浆料在一定的温度和压力下注入金属模中，待坯体冷却凝固后再进行脱模的成型方法。二、可塑成型法

可塑法成型是利用外力对具有一定可塑变形能力的坯料进行加工成型的方法。基本原理是基于坯料的可塑性。

（一）滚压成型

1.滚压成型工艺原理和特点成型时盛放着泥料的石膏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。滚压头在旋转的同时逐渐靠近石膏模型，对泥料进行滚压成型。二者之间既有滚动又有滑动，泥料主要承受压延力的作用。阳模滚压（外滚压）：滚压头决定坯体形状和大小，模型决定内表面的花纹阴模滚压（内滚压）：滚压头形成坯体的内表面。（二）塑压成型

将可塑泥料放在模型中在常温下压制成型的方法。成型时施以一定的压力，坯体的致密度较旋坯法、滚压法都高。因此，需要提高模型强度：采用多孔性树脂模、多孔金属模。三、压制成型

将含有一定水分（或其它粘结剂）的粒状粉料填充于模具之中，对其施加压力，使之成为具有一定形状和强度的陶瓷坯体的成型方法叫做压制成型。又称模压成型、干压成型。模具可用工具钢制成；施压设备：机械压机、油压机或水压机等。分类：

1、粉料含水量8%-15％时为半干压成型；

2、粉料含水量为3％-7％时为干压成型；

3、特殊的压制工艺（如等静压法），坯料水分可在3％以下。四、等静压成型等静压成型是装在封闭模具中的粉体在各个方向同时均匀受压成型的方法。等静压成型是干压成型技术的一种新发展，但模型的各个面上都受力，故优于干压成型。该工艺主要是利用了液体或气体能够均匀地向各个方向传递压力的特性来实现坯体均匀受压成型的。修坯与粘结

可塑法和注浆法成型的生坯件，表面不太光滑，边口都呈毛边现象，多合模型的注浆坯件会有接缝痕迹，某些产品的进一步加工如挖底、打孔等，都需要进一步加工修平。称此为修坯，这是成型工艺中的一项必要的工序，决定产品的表面质量、外观质量等。

湿修：坯体的水分16～19％。

干修：坯体的水分<2％。

粘结，是制造壶、坯及一些小口花瓶、坛子等不能一体成型的坯体所必须的工序。三、坯体干燥成型后的各种坯体，一般都含有较高的水分，没有足够的强度来承受搬运或再加工过程中的压力与振动．容易发生变形和损坏，尤其是可塑法成型和注浆发成型后的坯体更是如此。因此，成型后的坏坯必须进行干燥处理。同时，干燥处理也能提高坯体吸附釉彩的能力。经过干燥的坯体，还可以在烧结初期以较快的速度升温，从而缩短烧结周期，降低燃料消耗。坯体干燥的方法有自然空气干燥、热空气干燥、辐射线干燥．以及微波干燥等。用上好的瓷土加工调和成泥浆，施于质地较粗糙或颜色较深的瓷器坯体表面，起瓷器美化作用的—种装饰方法。将以手捏或模制的立体人物、动物、亭阙等密集而又有规律地粘贴在器物坯体上．然后直接或施釉人窑烧制。⑨雕塑⑧镂空⑦彩绘⑥剔花

⑤印花

④贴花

③刻花

②划花

①化妆土装饰

在半干的器物坯体表面以竹、木、铁杆等工具浅划出线状花纹．然后施釉或直接人窑焙烧。也叫“镂雕”、“透雕”。在器物坯体未干时．将装饰花纹雕通，然后直接或施釉入窑烧制。用毛笔蘸各种颜料，在陶瓷器上绘制纹饰。在尚未干透的器物坏体表面以铁刀等工具刻制山花纹，然后施釉或直接入窑熔烧，刻花的刀法分为“单入侧刀法”和“双入正刀法”。将模印或捏塑的各种人物、动物、花卉，铺首等纹样的泥片用泥浆粘贴在已成型的器物坯体表面，然后施釉入窑焙烧。将有花纹的陶瓷质料的印具，在尚未干的器物坯体上印出花纹．或用有纹样的模子制坯，直接在坯体上留下花纹，然后入窑或施釉人窑烧制。先在器物表面施釉或施化妆土，并刻划出花纹，然后将花纹部分或纹样以外的釉层或化妆土层剔去，露出胎体，施化妆土的部分罩以透明釉。四、坯胎装饰坯胎成型后．匠师们据不同时代不同地域不同人物的审美需要进行装饰绘纹，方法多种多样，其技法有化妆土、划花、刻花、贴花、印花、剔花、镂空、彩绘、雕塑等。五、施釉陶瓷的施釉是指通过高温的方式，在陶瓷体表面上附着一层玻璃态层物质。施釉的目的在于改善坯体的表面物理性能和化学性能，同时增加产品的美感，提高产品的使用性能。（一）釉的作用与分类

1、釉的作用

（1）釉能够提高瓷体的表面光洁度。（2）釉可提高瓷件的力学性能和热学性能。（3）提高瓷件的电性能，如压电、介电和绝缘性能。（4）改善瓷体的化学性能。（5）能使瓷件与金属之间形成牢固的结合。（6）釉可以增加瓷器的美感，艺术釉还能够增加陶瓷制品的艺术附加值，提高其艺术欣赏价值。（二）釉的分类

1、按釉中主要助熔物划分：如铅釉、石灰釉、长石釉等。

2、按釉的制备方法划分：生料釉：即指釉料配方组成中未使用熟料－熔块釉。熔块釉：即指由熔块与一些生料按配比制作而成的釉料。

3、按照釉的烧成温度划分：低温釉：指熔融温度一般不超过1150℃的釉中温釉：指熔融温度一般在1150~1300℃的釉高温釉：指熔融温度一般达1130℃的釉

4、按釉烧成后外观特征和具有的特殊功能划分：透明釉、乳浊釉、画釉、结晶釉、纹理釉、无光釉、腊光釉、荧光釉、香味釉、金属光泽釉、彩虹釉、抗菌釉、自洁釉等。

5、按釉的用途划分：装饰釉、电瓷釉、化学瓷釉、面釉、底釉、钧釉等。（三）施釉工艺

1、基本施釉方法

（1）浸釉法：即将产品用手工全部浸入釉料中，使之附着一层釉浆

（2）喷釉法：喷釉法是利用压缩空气将釉浆喷成雾状，使粘附于坯体上

（3）浇釉法：将釉浆浇到坯体上以形成釉层

（4）刷釉法：用于在同一坯体上施几种不同釉料

2、新型施釉方法

（1）流化床法：利用压缩空气设法使加有少量有机树脂的干釉粉在流化床内悬浮而呈现流化状态，然后将预热到100-200℃坯体浸入到流化床中，与釉粉保持一段时间的接触

（2）热喷施釉法：先进行坯料的素烧，后在炽热状态的素烧坯体上进行喷釉

（3）干压施釉法：压施釉法是将成型、上釉一次完成的一种方法。釉料和坯体均通过喷雾干燥来制备。成型时，先将坯料装入模具加压一次，然后撒上少许有机结合剂，再撒上釉粉，然后加压。

（4）机器人施釉六、窑炉烧结

烧结也称烧成，是坯体瓷化的工艺过程，也是陶瓷制品工艺中最重要的一道工序。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，使原来由旷物原料组成的生坯，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。第三节陶瓷制品的表面装饰技术

一、陶瓷制品的表面加工陶瓷加工的特点：

1、陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于烧结收缩率大，无法保证烧结后瓷体尺寸的精确度，因此烧结后需要再加工。

2、陶瓷材料有高硬度、高强度、脆性大的特性，属于难加工材料。分类方式加工方法机械磨料加工固结磨料加工磨削珩磨超精加工纱布砂纸加工悬浮磨料加工研磨超声波加工抛光滚筒抛光刀具加工切削加工切割陶瓷材料的加工方法（表1）分类方式加工方法化学蚀刻化学研磨化学抛光光化学光刻电化学电解研磨电解抛光电学电火花加工电子束加工离子束加工等离子体加工光学激光加工陶瓷材料的加工方法（表2）二、陶瓷表面金属化（一）陶瓷表面金属化的用途

1、制造电子元器件

2、用于电磁屏蔽

3、应用于装饰方面生产美术陶瓷

（二）陶瓷表面金属化的方法

陶瓷的金属化方法很多，在电容器，滤波器及印刷电路等技术中，常采用被银法。此外还有采用化学镀镍法、烧结金属粉末法、活性金属法、真空气相沉积和溅射法等。1、被银法被银法又名烧渗银法。这种方法是在陶瓷的表面烧渗一层金属银，作为电容器，滤波器的电极或集成电路基片的导电网络。（1）瓷件的预处理：瓷件金属化之前必须预先进行净化处理。清洗的方法很多，通常可用70-80℃的热肥皂水浸洗，再用清水冲洗。（2）银浆的配置：银浆的配方主要是由含银的原料，熔剂及粘合剂组成。（3）银电极浆料的制备：将制备好的含银原料，熔剂和粘合剂按一定配比进行配料后，在刚玉或玛瑙磨罐中球磨40-90h，使粉体粒度＜5μm并混合均匀。（4）涂敷工艺：有手工，机械，浸涂，喷涂或丝网印刷等（5）烧银：烧银的目的是在高温作用下使瓷件表面上形成连续、致密、附着牢固、导电性良好的银层2、化学镀镍法优点：（1）镀层厚度均匀，能使瓷件表面形成厚度基本一致的镀层。（2）沉积层具有独特的化学、物理和机械性能，如抗腐蚀、表