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陶瓷概念知多少
2019年04月29日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:357
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陶瓷,这个耳熟能详的名词,千百年来,一直作为中华民族的骄傲而存在。但是,对于大多数不在粉体行业内的人来说,其实可谓是“最熟悉的陌生人”。陶瓷已经脱离了最早期的定义范围,而朝着具有优异独特性能的先进陶瓷方向发展。本文简单梳理了传统陶瓷的发展历程,并理清了先进陶瓷与传统陶瓷的差异,使读者能够全面辨析陶瓷的前世今生。

传统陶瓷:由陶向瓷的发展

传统陶瓷是非常古老的材料之一,是人类在自然界求生存过程中获得的第一种经化学变化而制成的材料。传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料(黏土、长石、石英等),经过粉碎、成型、烧结等过程得到的制品。

传统陶瓷的使用最早可以追溯到两万年前(中国仙人洞遗址发掘出),远远早于青铜(最早使用的金属材料)。早期的陶瓷大都是泥质、夹砂红陶、灰陶和夹炭黑陶,烧结温度在800-900℃。

1 “世界的彩陶在中国,中国的彩陶在甘肃,图为甘肃省博物馆展出制陶人物模型。甘肃大地湾遗址中发掘的陶器,形态精美,距今已有8000多年。

距今约4000年的“龙山文化”在烧制技术上,有了显著进步,其炉内保持还原气氛,烧结温度达到1000℃,并采用了陶轮轮制的方法。出炉后的陶器经过打磨光滑,乌黑发亮,薄如蛋壳,厚度最小达到1mm,因此也被称为“蛋壳陶”。

殷商时期,制陶技术由无釉向有釉发展,烧结温度达到1200℃,这个温度已经达到烧制瓷器的温度,为陶向瓷的飞跃创造了必要条件。

如果说制陶是人类社会的普遍现象,早年间世界各国仍在争议人类最早陶器的发源地,那么瓷器可以说绝对是中华民族独一无二的发明。

瓷器的创造最早可以追溯到3000年前,始于商成熟于东汉。浙江出土的东汉越窖青瓷迄今已有1700年,烧结温度已经达到1300℃

若要用一个量化指标区分陶与瓷,那么一定是胚体的吸水率,而决定陶瓷吸水率的两个关键因素,就是原料和烧结温度。1为陶与瓷吸水率及其烧结温度的总结,可以从这个角度明晰陶向瓷的飞跃。

 

先进陶瓷:传统陶瓷的飞跃

传统陶瓷的性能主要依赖于原料的选择与精制、窖炉的改进和烧结温度的提高,而先进陶瓷的制备相对传统陶瓷,是多方面的飞跃。

先进陶瓷是“采用高度精选的原料,具有能精确控制的化学成分,按照便于控制的制造技术加工的,便于进行结构设计的,具有优异特性的陶瓷”。下面通过与传统陶瓷对比,对概念详细辨析。


 

读到这里,相比读者已经初步了解传统陶瓷和先进陶瓷的概念差异,那么其具体应用方向还有哪些差别呢?我们仍从传统陶瓷说起。

应用方向

传统陶瓷虽然诸如强度、刚度、硬度等各方面性能劣于先进陶瓷,但是由于易于低成本大批量生产,并且一般的性能已经能满足日常需求,仍有广泛应用。

1.日用瓷

日用瓷是日常生活中使用的一种瓷器。瓷器是一种由瓷石、高岭土、石英石、莫来石等组成,外表施有玻璃质釉或彩绘的物器。

2 日用瓷

2.建筑陶瓷

建筑陶瓷是房屋、道路、给排水和庭园等各种土木建筑工程用的陶瓷制品有陶瓷面砖、彩色瓷粒、陶管等。

3 建筑陶瓷

相比传统陶瓷,先进陶瓷的应用范围明显广得多,并且还在不断扩展中,我们可以从结构陶瓷和功能陶瓷两方面进行梳理。

 

3.先进结构陶瓷

结构陶瓷是指具有物理和力学性能及部分热学和化学性能的新型陶瓷。结构陶瓷的主要种类、性能及应用可以总结如下表。

 

根据文献《结构陶瓷的现状与发展》中的数据,结构陶瓷中耐磨部件的应用占比43%,例如衬垫、导杆、喷嘴、闸门、密封圈、活塞、轴承;17%的结构陶瓷应用于陶瓷刀具上。

4 上图Si3N4陶瓷轴承及应用的液氢液氧发动,下图为铝液铸造工业用各种氮化硅高温陶瓷保护管和加热管,图片根据文献组合修改

(图片来源:《我国先进结构陶瓷产业分布与发展及面临的问题与挑战》)

根据文献《我国先进结构陶瓷产业分布与发展及面临的问题与挑战》,汇总了国内结构陶瓷的产业分布信息。

5 先进结构陶瓷产业分布,这是清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的谢志鹏教授总结的产业分布图,发布于2019年2月,可以发现先进结构陶瓷产业集中于广东、湖南、江西、江苏、河北、山东、辽宁等地。

4.先进功能陶瓷

功能陶瓷就是能够作为电力、磁力、光线、声音、热 能、化学能或者其他生物功能媒介的一种材料。与结构陶瓷相比,功能陶瓷的性能是以非力学性能为主的一类陶瓷材料。


 

小结

本文通过烧结温度的角度,管中窥豹,梳理了传统陶瓷发展中“由陶向瓷”的逻辑脉络,并对比传统陶瓷和先进陶瓷多方面的差异。试图使读者明晰这两大概念。在先进陶瓷方面,按照较为公认的分类方法,将其归为结构陶瓷和功能陶瓷两部分进行介绍,但是在文献整理与总结的过程中,也发现,随着技术的不断发展,新材料新方法不断出现,一些陶瓷材料不仅能够解决功能材料的需求,还同样拥有优异的力学性能,在实际的应用中已经身兼数职,例如一直非常火热的碳化硅,除了作为常见的研磨材料,但亦可以作为半导体高温发热元件;而氧化铝更是在文中表格中频繁出现。因此,可以预料到的是,在未来,结构陶瓷和功能陶瓷的边界将不断被弱化,陶瓷材料大家族将不断有新成员的加入,应用范围也会愈发广泛。

参考文献

《我国先进结构陶瓷产业分布与发展及面临的问题与挑战》;清华大学,谢志鹏,安迪,胡丰;景德镇陶瓷大学,谢志鹏,秦笑威,李辰冉。

《结构陶瓷的现状与发展》;江苏工业学院,陈志刚;江苏大学,陈采凤。

《先进陶瓷成型及加工技术》;机械工业出版社,朱海,杨慧敏,朱柏林。

By:火宣


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