华北理工矿物材料基础课件第4章 陶瓷材料

Chap.4陶瓷材料§1概述（涵义、分类、发展史、用途）§2传统陶瓷的生产过程§3传统陶瓷的应用§4精细陶瓷的生产过程§5精细陶瓷的应用※教学目的与要求：

了解陶瓷的发展历史、分类、用途；掌握传统陶瓷的原料及制备过程；了解精细陶瓷的概念、制备及应用。※重点、难点：传统陶瓷的制备。一、陶瓷的涵义§1概述

一般，“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－地砖电瓷一、陶瓷的涵义

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。一、陶瓷的涵义一、陶瓷的涵义广义陶瓷概念：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：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)。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。类别原料温度（摄氏度）釉陶一般采用陶土1000以下无釉或低温釉（上釉的陶称“釉陶”，如唐三彩）瓷必须是瓷土1200以上1200摄氏度以上的高温釉陶与瓷的区别二、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化学瓷电瓷及其它工业用陶瓷

结构陶瓷

功能陶瓷

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；不同形状的特种结构陶瓷件

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二、陶瓷的分类(2)按坯体的物理性能分类

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方法。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日用陶瓷分类二、陶瓷的分类(2)按坯体的物理性能分类

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15％，断面颗粒细，气孔较小，结构均匀，施釉或不施釉，制作精细日用陶器分类二、陶瓷的分类(2)按坯体的物理性能分类

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，制作精细日用瓷器分类三、陶瓷的发展史

“China”意为“中国”；“china”意为“瓷器”

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。

仰韶文化时期陶器彩陶双连壶仰韶文化

彩陶人面鱼纹盆仰韶文化半坡类型

彩陶船形壶仰韶文化半坡类型鸟纹彩陶盆仰韶文化庙底沟类型彩陶鱼纹盆

鹤鸟石斧彩陶翁仰韶文化庙底沟类型

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）龙山文化白陶鬶白陶大碗宋代

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）

商代几何纹白陶瓿

陶器向瓷器过渡殷商时代西汉（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)。汉代以后

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唐代及以后南宋哥窑五足洗

钧窑玫瑰紫海棠式花盆

汝窑三足樽

官窑

灌耳瓶定窑白釉印花云龙纹盘

宋：五大官窑——官窑，钧窑，汝窑，定窑,哥窑青花海水云龙扁瓶青花三羊开泰碗景德镇窑青花折枝山茶纹扁壶

明清

元、明、清、民国现代瓷器欣赏现代瓷器欣赏四、陶瓷的用途

首先，陶瓷是人民日常生活中听不可缺少的日用品，几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器。

其次，陶瓷又是制造美术陈设器皿的最耐久最富于装饰性的材料，在我国外贸中占有一定的地位。

再次，陶瓷又是一个原料来源丰富，传统技艺悠久，具有坚硬、耐用及一系列优良性质的材料，在建筑、电力、电子、化学、冶金工业等，甚至农业和农产品加工中都大量应用。

最后，随着现代科学技术的飞速发展，使得具有优良性能的特种陶瓷得到了广泛应用。§2传统陶瓷的生产过程原料→

制备→

成型→

干燥→

烧成→冷却→制品一、原料1、粘土类原料：生产传统陶瓷的最主要的原料。可塑性原料，塑化和结合作用。高岭石蒙脱石伊利石70%给坯料塑性和注浆成型性能，保证干坯强度及烧后的各种使用性能，是成型的基础。一、原料2、长石类原料：熔剂物质，降低陶瓷产品的烧成温度。(石英：1730℃；高岭石：1770℃；长石：1220℃；三元系统：985℃）在高温下熔融后溶解掉一部分石英和高岭土分解物，熔融后的高粘度玻璃可以起到高温胶结作用。钾长石钡长石钙长石钠长石一、原料3、长石代用品：花岗伟晶岩霞石正长岩酸性玻璃熔岩含锂矿物珍珠岩松脂岩锂辉石锂云母一、原料作用：瘠性原料，烧成中溶解在长石玻璃中，提高液相粘度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架作用。4、石英类原料：石英岩粉石英石英砂岩一、原料5、滑石：（3MgO·4SiO2·H2O)制造滑石质瓷、镁橄榄石瓷的主要原料。可提高制品使用次数。釉面砖配料之一。6、硅灰石：（3CaO·3SiO2）不含有机物、吸附水、结晶水。不会受分解放出气体。适于生产快速烧成的产品。一、原料7、碳酸盐类原料：方解石分解前：瘠化分解后：熔剂白云石菱镁矿降低烧结温度减少液相数量二、坯料的制备过程去杂（拣选、洗涤）。根据硬度和块度选择破碎。压滤和喷雾干燥。练泥:反复揉搓以排除气体，使颗粒及水分分布均匀。陈腐：存放一定时间，使颗粒充分润湿和水化，以提高坯料稳定性。原料的破碎原料的精选泥浆的脱水练泥和陈腐三、陶瓷制品的成型可塑成型注浆成型压制成型挤压成型车坯成型旋坯成型滚压成型湿压成型轧膜成型机械压制成型等静压成型基本注浆加速注浆注塑法流延法空心实心压力注浆离心注浆真空注浆看看笔筒是怎么做的---

泥条成型法

1.用双手手掌团出大小不等的泥球

陶艺DIY：2.将泥球放在塑料布上。用一只手的指尖滚压泥球，搓成泥条。3.双手来回运动，继续使泥条变细、变长。注意双手拇指如何交叉在一起，使双手稳固。看看笔筒是怎么做的---

泥条成型法

陶艺DIY：4.双手保持同样的姿势和运动，沿着泥条运动得到理想长度。5.所有泥条搓成后，取其中一条做成螺旋，做直筒的底。看看笔筒是怎么做的---

泥条成型法

陶艺DIY：6.用木制塑刀将螺旋表面由外向中心抹平，使之粘接。7.用刮刀压光筒底的表面。用陶针刻画将粘接第一圈泥条的区域。8.用泥浆涂抹刻划过的区域。刻画第一条泥条。看看笔筒是怎么做的---

泥条成型法

陶艺DIY：9.将泥条放在筒底上，泥条长度应与圆周长度相当或稍长些。10.沿一定角度用刮刀切去多余的泥条。这比垂直切割泥条要好,可使泥条两端的接合面更大。看看笔筒是怎么做的---

泥条成型法

陶艺DIY：11.用圆形塑刀粘接直筒内壁的泥条。12.内壁平整后,用同样的方法抹平外壁。看看笔筒是怎么做的---

泥条成型法

陶艺DIY：13.用带有锯齿边的刮刀修外壁,刮刀应直立。14.继续添加泥条。为了避免干燥中开裂,应使泥条间的接缝不要在同一条竖线上。15.用锯齿刮刀的斜边在筒底外缘修出斜面。泥条都粘接完毕后,用锯齿刮刀再刮一遍,放在一旁干燥。16.釉烧后的直筒。

四、生坯的干燥1、干燥器的分类间歇式干燥器连续式干燥箱特点：生坯不移动，设备简单，调节灵活，但效率较低。特点：生坯在干燥过程中，边干燥、边移动。四、生坯的干燥2、获取热能的方式微波干燥热气干燥红外干燥高频干燥电热干燥联合干燥对流传热，最普遍的干燥方式生坯上加高频交变电压高频电磁波辐射→张弛式极化微波辐射→水分子运动加剧水分子的偶极距反复改变以上几种联合使用3.坯体干燥的目的1)提高成型后坯体的强度成型后的各种坯体，一般都含有较高水分，还呈可塑状态，在运输和再加工过程中，很易变形或因强度不高而破损，干燥后，除去一部分水分，使坯体失去可塑性，具有一定的强度。2)提高坯体吸附釉层能力如果坯体中含水分较高，其吸附釉浆的能力就很差。3)经过干燥的坯体，可在烧成初期快速升温，缩短烧成周期，提高窑炉周转率，降低燃耗。四、生坯的干燥4.坯体所含水分A、干燥过程排除的是自由水；吸附水排除没有实际意义，因为他很快又从空气中吸收水分B、化学结合水的排除不是干燥能解决的问题，属于烧成的范围。四、生坯的干燥四、生坯的干燥5.干燥过程

外界热源首先将热量传给坯体表面，坯体表面获得热量后，水分立即蒸发，并向外界扩散，由于坯体表面水分的蒸发，引起坯体内外水分浓度的不一致，水分将从内部不断地扩散到表面，再由表面向外界大气中蒸发，从而达到整个坯体的干燥。五、陶瓷的烧成1、陶瓷烧成过程中的物理化学变化氧化物继续分解形成液相，固相溶解形成新晶相及晶体长大釉的熔融分解及氧化阶段高温阶段冷却阶段排除结构水有机物、碳及无机物的氧化碳酸盐及硫酸盐的分解晶型转变300-950℃950℃—烧成温度液相析出液相固化成玻璃体晶型转变止火温度—常温五、陶瓷的烧成2、烧成制度（1）低温阶段的升温速度与气氛室温—300℃

若坯体入窑前干燥程度较低，则在120-140℃以后，坯内发生强烈汽化，易使坯件开裂，应缓慢升温。入窑水分高的大件厚壁坯件，升温速度应控制在30℃

/h；薄壁小件制品，升温速度可为100-150℃/h。升温速度气氛

此阶段对气氛无特殊要求。五、陶瓷的烧成2、烧成制度

含较多高岭石类粘土的坯体在400—600℃不能升温太快，其余均可快速升温。窑炉上下温差小时，普通陶器80-120℃

；瓷器100-150℃（2）氧化分解阶段300—950℃升温速度气氛

一般要求烟气中O2含量在5%左右。五、陶瓷的烧成2、烧成制度（3）高温阶段950℃—烧成温度坯体开始烧结，釉层开始熔化。严格控制温度气氛氧化高温期釉坯性质Fe、Ti含量还原烧制强还原弱还原还原过早：坯釉料反应不充分，易造成釉泡或烟熏缺陷。釉始熔前150℃

，烟气中CO为3%-6%，α=0.9还原过迟：还原介质难渗入，易造成阴黄、花脸、釉泡、烟熏缺陷。强还原至1250℃

，烟气中CO为1.5%-2.5%，α=0.95两点一度五、陶瓷的烧成3、高火保温坯内物化反应更加完全，组织结构趋于均一，制品内外和窑炉各处温差尽可能缩小。4、冷却阶段850℃以上，可快冷。850℃以下，应缓冷。防止液相结晶、晶体长大、低铁氧化。降温速度150-300℃/h，注意冷却均匀。因为液相开始凝固、石英晶型转化，引起体积变化。对含碱和游离石英较多的坯体，应更缓慢。缓冷速度40-70℃/h16.釉烧后的直筒。

§3传统陶瓷的应用建筑陶瓷卫生陶瓷釉面砖铺地砖锦砖陶管陶瓷墙地砖琉璃日用细瓷应用一、日用细瓷1、分类日用瓷细瓷炻瓷陶瓷硬质瓷软质瓷水云母质瓷长石质瓷磷酸盐质瓷:CaO-Al2O3-P2O5-SiO2滑石质瓷:MgO-Al2O3-SiO2K2O-Al2O3-SiO2一、日用细瓷2、衡量日用细瓷质量的指标外观质量方面：白度、透明度、釉面光泽度、尺寸规格及装饰等。内在质量方面：热稳定性、致密度、机械强度、硬度、坯釉结合性、产品画面铅溶出量等。一、日用细瓷3、日用细瓷的配方和瓷质特征A、K2O-Al2O3-SiO2系统瓷：古今中外采用最多的一类日用瓷。B、CaO-Al2O3-P2O5-SiO2系统瓷“骨质瓷”C、MgO-Al2O3-SiO2系统瓷“滑石瓷”原料：长石—石英—粘土特点：瓷质洁白，薄层呈半透明状，吸水率低，质坚硬，化学稳定性好，机械强度高。用途：常用来作餐茶具、陈设瓷、装饰美术瓷。原料：磷酸盐—高岭土—石英—长石特点：透明度好，光亮柔和，装饰效果佳，声响悦耳。原料：滑石—粘土—长石特点：瓷质细腻乳白，薄胎半透明。用途：一般用于生产高级日用器皿。二、建筑陶瓷1、卫生陶瓷组成依制品性能要求而定。多采用注浆成型法。室式干燥或隧道干燥。浸釉和喷釉。隧道窑焙烧。最新进展：脉冲喷嘴。二、建筑陶瓷2、釉面砖建筑物上的饰面材料之一。特点：坚固耐用、色彩鲜艳、易于清洁、防火、抗水、耐磨、耐腐蚀等。常用的釉面砖是精陶质。在较低温度下烧成。常用釉料：熔融温度较低的熔块釉。常用的成型方法：半干法和浇注法。新技术：低温快烧。二、建筑陶瓷3、铺地砖、锦砖铺地砖：主要用于铺筑地面。锦砖（马赛克）：主要用于铺筑地面。要求：形状规整、尺寸公差小、硬度大、磨损强度高、耐酸碱侵蚀，且大多数制品不上釉。原料：长石、石英、粘土等。成型：半干法。坯料在球磨中研磨后泥浆的细度是要求万孔筛余<0.5%，而成型的粉料则需要经过制造假颗粒。在隧道窑中烧成，烧成温度1150—1250℃。二、建筑陶瓷4、陶瓷墙地砖陶瓷墙地砖的原料必备的四个基本条件：A、原料组成稳定，不含大量高温挥发物质。B、所制泥料必须具有较好的可塑性。C、所制生坯应具很高的强度，干燥和烧成过程中不开裂。D、生坯具有较宽的烧成范围和不高于1200℃的烧成温度。二、建筑陶瓷5、陶管大型排水陶管石油陶管具不渗水、耐酸碱腐蚀等。广泛用作工厂污水管道、生活下水管和农业排灌管道。坯料所用原料：粘土、长石、石英。同时加入20-40%的熟料。§4精细陶瓷的生产过程一、概述精细陶瓷：采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术制造、加工的，进行结构设计，具有优异特性的陶瓷。新型陶瓷：相对传统陶瓷而言，指用新的原料或新的加工方法而制成的具有某些新的特性、功能和用途的一类陶瓷材料。特种陶瓷：相对普通陶瓷，指那些具有某些特殊性能和用于某种特殊目的的陶瓷材料。工业陶瓷：除传统的日用陶瓷、建筑陶瓷外，所有用于工业目的作为设备零部件和原材料的陶瓷材料，包括正处于探索与研制阶段将来可能用于工业目的的陶瓷材料。§4精细陶瓷的生产过程二、精细陶瓷的功能和用途1、热学性能耐热性、隔热性、导热性、抗热震性等。如：BeO、BN等具优良的电绝缘性，可作大规模集成电路的散热片。2、力学性能高强度、具润滑性、低热膨胀性、尺寸稳定性等。3、其他性能光学、生物、化学功能等。陶瓷零件绝缘子§4精细陶瓷的生产过程三、精细陶瓷粉料的制备制取粉末原料最传统的方法机械磨细法气相化学沉积法液相法沉淀法:溶胶-凝胶法冷冻干燥法:液滴瞬间冷冻，然后升华、脱水喷雾干燥法：液滴喷入热气中气相制备粉末最常用的方法由Si3N4四面体组成的共价键固体。A、氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低§5精细陶瓷的应用一、常见的氮化物陶瓷及氧氮化物陶瓷1、氮化硅陶瓷B、性能特点及应用热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。Si3N4轴承1、氮化硅陶瓷反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。汽轮机转子叶片气阀等零件氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1—0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。一、常见的氮化物陶瓷及氧氮化物陶瓷2、塞隆陶瓷sialon是Si、Al、O、N四种元素的合成词，作为一种陶瓷，它实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固溶体的总称。

具有与Si3N4相近的高温强度、硬度及韧性，并具有很好的常温及高温化学稳定性，但成本比Si3N4低得多，因此得到广泛应用。

最广泛的应用：金属切削工具和金属成型模具。还有：研磨材料未来的：引擎组件一、常见的氮化物陶瓷及氧氮化物陶瓷3、氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷基片氮化铝陶瓷是近年来研究最活跃和最有希望并已经工业化的新型耐高温陶瓷。性能：不容易被熔融金属所润湿，在2000℃的非氧化气氛中非常稳定，且耐热冲击性极佳。制造方法：A、将Al2O3与C的粉末混合在含N2或NH3的气氛中加热B、由Al和N2或NH3

直接反应C、由卤化铝与NH3反应一、常见的氮化物陶瓷及氧氮化物陶瓷4、氮化硼陶瓷BN与碳很相似，具有非晶质、六方及立方晶系，也称白碳。立方氮化硼陶瓷砂轮六方氮化硼的结构与石墨完全一致，不同之处在于：BN是电绝缘体且呈白色。可作成耐热、耐蚀制品及电绝缘体，也可作为半导体的扩散材料。立方氮化硼的结构与金刚石一致，可作为切削工具材料。性能：六方BN：耐热、耐蚀、容易切削，是极优良的润滑剂与电绝缘体。立方BN：硬度高、导热度高。二、氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。ZrO2氧化锆单相陶瓷二、氧化锆陶瓷氧化锆单相陶瓷在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等阳离子半径与Zr4+相差小于12%)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。减少加入的氧化物数量，使部分氧化