陶瓷的概念及生产工艺

陶瓷的概念及生产工艺
陶瓷(Ceranics)的传统概念是指一切以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。

它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼，成形，煅烧而制成的各种制品。

由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。

关于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火资料等工业，同属于〝硅酸盐工业〞(Silicate Industry)的范围。

随着近代迷信技术的开展，近百年来又出现了许多新的陶瓷种类，它们不再运用或很少运用粘土、长石、石英等传统陶瓷原料，而是运用其他特殊原料，甚至扩展到非硅酸盐，非氧化物的范围，并且出现了许多新的工艺．美国和欧洲一些国度的文献已将〝Ceramic〞一词了解为各种无机非金属固体资料的通称。

因此陶瓷的含义实践上已远远逾越过去狭窄的传统观念了•
迄今为止，陶瓷器的界说似可概括地作如下描画：陶瓷是用铝硅酸盐矿物或某些氧化物等为主要原料，依照人的意图经过特定的化学工艺在高温下以一定的温度和气氛制成的具有一定型式的工艺岩石。

外表可施釉或不施釉，假定干瓷质还具有不同水平的半透明度，通体是由一种或多种晶体或与无定形胶结物及气孔或与熟料包裹体等微观结构组成。

陶瓷工业是硅酸盐工业的主要分支之一，属于无机化学工业范围．但现代迷信高度综合，相互浸透，从整个陶瓷工业制造工艺的内容来剖析，它的扑朔迷离与牵涉之广，显然不是仅用无机化学的实际所能概括的。

陶瓷制品的种类单一，它们之间的化学成分．矿物组成，物理性质，以及制造方法，经常相互接近交织，无清楚的界限，而在运用上却有很大的区别。

因此很难硬性地归结为几个系统，详细的分类法各家说法不一，到如今国际上还没有一个一致的分类方法。

常用的有如下两种从不同角度动身的分类法：
(一)按用途的不同分类
1．日用陶瓷：如餐具、茶具、缸，坛、盆。

罐等。

2．艺术陶瓷：如花瓶、雕塑品．摆设品等。

3．工业陶瓷：指运用于各种工业的陶瓷制品，又分：
(1)修建一卫生陶瓷：如砖瓦，排水管、面砖，外墙砖，卫生洁其等，
(2)化工陶瓷：用于各种化学工业的耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反
响锅的耐酸砖、灰等；
(3)化学瓷，用于化学实验室的瓷坩埚、蒸发皿，熄灭舟，研体等
(4)电瓷：用于电力工业上下压输电线路上的绝缘子。

电机用套管，支柱绝缘于、高压电器和照明用绝缘子，以及电讯用
绝缘子，无线电用绝缘子等：
(5)耐火材科：用于各种高温工业窑炉的耐火资料：
(6)特种陶瓷：甩于各种现代工业和尖端迷信技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷．锆英石质
瓷．锂质瓷，以及磁性瓷．金属陶瓷等．
(二)按所用原料及坯体的致密水平分类可分为：土器(brickware or terra-cotta)，陶器(potttery)．炻器(stone Ware)，半瓷器(semivitreous china)，以致瓷器(130re：elain)，原料是从粗到精，坯体是从粗松多孔，遥步抵达致密，烧结，烧成温度也是遂渐从低趋高。

土器是最原始最低级的陶瓷器，普通以一种易熔粘土制造。

在某些状况下也可以在粘土中参与熟料或砂与之混合，以减
少收缩。

这些制品的烧成温度变化很大，要依据粘土的化学组成所含杂质的性质与多少而定。

以之制造砖瓦，如气孔率过高，
那么坯体的抗冻功用不好，过低叉不易挂住砂浆，所以吸水率普通要坚持5～15％之间。

烧成后坯体的颜色，决议于粘土中着色氧化物的含量和烧成气氛，在氧化焰中烧成多呈黄色或白色，在恢复焰中烧成那么多呈青色或黑色。

我国修建资料中的青砖，即是用含有Fe2O3的黄色或白色粘土为原料，在临近止火时用恢复焰煅烧，使Fe203恢复为FeON成青色，
陶器可分为普通陶器( cmmon,pottery)和精陶器(Fine earthenware)两类。

普通陶器即指土陶盆．罐、缸、
瓮．以及耐火砖等具有多孔性着色坯体的制品。

精陶器坯体吸水率仍有4～1 2％，因此有浸透性，没有半透明性，普通白色，也有有色的。

釉多采用含铅和硼的易熔釉。

它与炻器比拟，因熔剂宙量较少，烧成温度不超越1300℃，所以坯体增未充沛烧结；与瓷器比拟，对原料的要求较低，坯料的可塑性较大，烧成温度较低。

不易变形，因此可以简化制品的成形，装钵和其他工序。

但精陶的机械强度
和冲击强度比瓷器．炻器要小，同时它的釉比上述制品的釉要软，当它的釉层损坏时，多孔的坯体即容易沾污，而影响卫生。

精陶按坯体组成的不同，又可分为：粘土质、石灰质，长石质、熟料质等四种。

粘土质精陶接近普通陶器。

石灰质精陶以石灰石为熔剂，其制造进程与长石质精陶相似，而质量不及长石质精陶，因之近年来已很少消费，而为长石质精陶所取代。

长石质精陶又称硬质精陶，以长石为熔剂．是陶器中最完美和运用最广的一种。

近世很多国度用以少量消费日用餐具(杯、碟盘予等)及卫生陶器以替代价昂的瓷器。

热料精陶是在精陶坯料中参与一定量熟料，目的是增加收缩，防止废品。

这种坯料多运用于大型和厚胎制品(如浴盆，太的盥洗盆等)。

炻器在我国古籍上称〝石胎瓷〞，坯体致密，已完全烧结〔sinte ring)，这一点已很接近瓷器。

但它还没有玻化(Vitrification)，仍有2％以下的吸水率，坯体不透明，有白色的，而少数允许在烧后出现颜色，所以对原料纯度的要求不及瓷器那样高，原料取给容易。

炻用具有很高的强度和良好的热动摇性，很顺应于现代机械化洗濯，并能顺利地经过从冰箱到烤炉的温度急变，在国际市场上由于旅游业的兴旺和饮食的社会化，炻器比之搪陶具有更大的销售量。

半瓷器的坯料接近于瓷器坯料，但烧后仍有3～5％的吸水率(真瓷器true porceiain吸水率在o．5％以下)，所以它的
运用功用不及瓷器，比精陶那么要好些。

瓷器是陶瓷器开展的更高阶段．它的特征是坯体已完全烧结，完全玻化，因此很致密，对液体和气体都无浸透性，
胎薄处星半透明，断面呈贝壳状，以舌头去舔，感到润滑而不被粘住．硬质瓷(hard porcetain)具有陶瓷器中最好的功用．
用以制造初级日用器皿，电瓷、化学瓷等。

软质瓷(soft porcelain)的熔剂较多，烧成温度较低，因此机械强度不及硬
质瓷，热动摇性也较低，但其透明度高，富于装饰性，所以多用于制造艺术摆设瓷。

至于熔块瓷(Fritted porcelain)与骨灰
磁(bone china)，它们的烧成温度与软质瓷相近，其优缺陷也与软质瓷相似，应同属软质瓷的范围。

这两类瓷器由于消费中的
难度较大(坯体的可塑性和枯燥强度都很差，烧成时变形严重)，本钱较高，消费
并不普遍。

英国是骨灰瓷的著名产地，我国唐山也有骨灰瓷消费。

特种陶瓷是随着现代电器，无线电、航空、原子能、冶金，机械．化学等工业以及电子计算机，空间技术，新动力开
发等尖端迷信技术的飞跃开展而开展起来的。

这些陶瓷所用的主要原料不再是粘土．长石．石英，有的坯休也运用一些粘土或长石，但是更多的是采用地道的氧化物和具有特殊功用的原料，制造工艺与功用要求也各不相反。

陶瓷的概念
深刻地讲:用陶土烧制的器皿叫陶器,用瓷土烧制的器皿叫瓷器.陶瓷那么是陶器,炻器和瓷器的总称.凡是用陶土和瓷土这两种不异性质的粘土为原料,经过配料,成型,枯燥,焙烧等工艺流程制成的器物都可以叫陶瓷.
陶瓷包括的范围较广,有些能耐水,有些并能耐酸.普遍运用于修建,化工,电力,机械等工业及日用装饰等方面.此外,用粘土以外的其它原料,依陶瓷制造的工艺方法制成的制品,也叫做陶瓷,如块滑石瓷,金属陶瓷,电容器陶瓷,磁性瓷等.普遍运用于无线电,原子能,火箭,半导体等工业.目前,将一切陶瓷制品通称为"无机非金属固体资料."从结构上看,普通陶瓷制品是由结晶物质,玻璃态物质和气泡所构成的复杂系统.这些物质在数量上的变化,对陶瓷的性质起着一定水平的影响.陶瓷的老祖宗是"硅酸盐",习气也称"硅酸盐陶瓷",由于现代陶瓷开展得十分快,人们停止了少量的实验来改良硅酸盐陶瓷,不时提高配方中氧化铝的含量,参与许多纯度较高的人工全成化合物去替代自然原料,来提高陶瓷的强度,耐高温性和其它功用.后来发现,完全不用自然原料,完全不含硅酸盐,也可以做成陶瓷,而且功用更为优越.于是历来完全由硅酸盐统治着的陶瓷家族,发作了变化,出现了完全,崭新的不属"硅酸盐"的现代陶瓷.
确切说"陶瓷"的定义为:陶瓷是自然或人工分解的粉状化合物,经过成形和高温烧结制成的,由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体资料.不论是传统的硅酸盐陶瓷,还是现代陶瓷,都包括在这个范围里
陶瓷的组成
陶瓷原料包括高岭土、粘土、瓷石、瓷土、着色剂、青花料、石灰釉、石灰碱釉
等。

高岭土陶瓷原料，是一种主要由高岭石组成的粘土。

因首先发现于江西省景德镇西南的高岭村而得名。

它的化学实验式为：Al203·2Si02·2H20，重量的百分比依次为：39.50%、46.54%、13.96%。

纯真高岭土为致密或松疏的块状，外观呈白色、浅灰色。

被其他杂质污染时，可呈黑褐、粉红、米黄色等，具有滑腻感，易用手捏成粉末，煅烧后颜色洁白，耐火度高，是一种优秀的制瓷原料。

粘土陶瓷原料是一种含水铝硅酸盐矿物，由长石类岩石经过临时风化与地质作用而生成。

它是多种微细矿物的混合体，主要化学组成为二氧化硅、三氧化二铝和结晶水，同时含有大批碱金属、碱土金属氧化物和着色氧化物等。

粘土具有共同的可塑性和结合性，其加水膨润后可捏练成泥团，塑造所需求的外形，经焙烧后变得稳固致密。

这种功用，构成了陶瓷制造的工艺基础。

粘土是陶瓷消费的基础原料，在自然界中散布普遍，蕴藏量大，种类单一，是一种珍贵的自然资源。

瓷石也是制造瓷器的原料，是一种由石英、绢云母组成，并有假定干长石，高岭土等的岩石状矿物。

呈致密块状，外观为白色、灰白色、黄白色、和灰绿色，有的呈玻璃光泽，有的呈土状光泽，断面常呈贝壳状，无清楚纹理。

瓷石自身含有构成瓷的多种成分，并具有制瓷工艺与烧成所需求的功用。

我国很早就应用瓷石来制造瓷器，尢其是江西、湖南、福建等地的传统细瓷消费中，均以瓷石作为主要原料。

瓷土由高岭土、长石、石英等组成，主要成分为二氧化硅和三氧化二铝，并含有大批氧化铁、氧化钛、氧化钙、氧化镁、氧化钾和氧化钠等。

它的可塑功用和结合功用均较高，耐火度高，是被普遍运用的制瓷原料。

着色剂存在于陶瓷器的胎、釉之中，起呈色作用。

陶瓷中罕见的着色剂有计三氧化二铁、氧化铜、氧化钴、氧化锰、二氧化钛等，区分出现红、绿、蓝、紫、黄等色。

青花料是绘制青花瓷纹饰的原料，即钴土矿物。

我国青花料蕴藏较为丰厚，江西的乐平、上高、上饶、丰城、赣州，浙江的江山，云南的宜良，会泽、榕峰、宣威、嵩明以及广西、广东、福建等地均有钴土矿蕴藏。

我国现代青花瓷运用的青花料一局部来自国外，大局部属国产。

出口料中有苏麻离青、回青；常用的国产料有石子青、对等青，浙料、珠明料等。

石灰釉主要物质是氧化钙〔Cao〕，起助熔作用，特点是高温粘度小，易于流釉，釉的玻璃质感强，透明度高，普通釉层较薄，釉面光泽较强，能明晰地刻划纹饰，南宋以前瓷器大多运用石灰釉。

石灰碱釉主要成分为助熔物质氧化钙以及氧化钾〔K2o〕、氧化钠〔Na20〕等碱性金属氧化物。

特点是高温粘度大，不易流釉，可以施厚釉。

在高温焙烧进程中，釉中的空气不能浮出釉面而在釉中构成许多小气泡，使釉中残存一定数量的未溶石英颗粒，并构成少量的钙长石析晶。

这些小气泡、石英颗粒和钙长石析晶使进入釉层的光线发作散射，因此使釉层变得乳浊而不透明，发生一种温润如玉的视觉效果。

石灰碱釉的发明与运用，是传统青瓷工艺的庞大提高。

石灰碱釉出现于北宋汝窑青瓷中。

南宋龙泉窑瓷器少量采用石灰碱釉，使釉色出现出如青玉般的质感，如粉青、梅子青。

可以说南宋龙泉青瓷已到达中国陶瓷史上单色釉器的高峰。

陶瓷添加剂
1 添加剂的分类在瓷料中引入各种添加剂是改良瓷器结构和功用的有效方法之一。

依据添加剂对瓷器的结构构成进程的作用机理，添加剂可分为四种类型。

第一种包括调理瓷悬浮液凝结触变结构并使其转向凝聚结构的添加剂〔电解质、外表活性物质等〕。

第二种是强化烧结进程，即减速由凝聚结构向结晶和结晶假凝结结构转化的添加剂。

第三种是强化重生成物结晶进程的添加剂。

第四种是基本不溶于玻璃相熔体的添加剂〔锆英石、刚玉等〕，可作为晶相补充构成源改善瓷器功用，其中包括其光散射效应。

后一种添加剂普通比莫来石、石英、玻璃相具有更高的折射目的，从而可提高煅烧资料的光散射才干。

一切添加剂依据组成又可分为独立添加剂和复合添加剂。

同时，复合添加剂又可视为独立添加剂的组合。

同一种添加剂依据其在结构构成各个阶段对初始成分作用机理的影响，又能够属于不同种类。

但是，研讨其对结构构成各阶段的影响，有助于确定它的某一最正确作用机理，以此选定最有效的复合资料。

在瓷料制备和热处置条件下，在多分散物系〔瓷料〕发作的化学反响、理化进程和结构变化，会完全地反映在坯料相组成和资料功用中，因此，最好在剖析组成-结构-功用系统关系的基础上预测出结构的大致存在区，指出发生进程和矿化剂的添加剂的作用机理。

2 添加剂于瓷结构构成各阶段的作用在第一阶段，瓷料的凝结触变结
构构成，并向凝聚结构转化。

塑性陶瓷坯料的凝结结构起基体作用，在此基础上构成以后的结构类型。

凝结触变结构的存在温度范围不大--由室温100-130℃〔第一次内热效应范围〕。

在去除黏土矿物的水合膜时，凝结触点转变为点接触。

某些添加剂，其中包括瓷渣、氧化铝、煅烧高岭土等，基本不与瓷悬浮液发作作用，因此也不影响凝结触变结构；相反，可溶添加剂却极为生动。

异样，它们可分为矿物添加剂〔电解质〕和无机外表活性物质--絮凝剂和反絮凝剂。

过去曾有人确定，在引入易溶盐的状况下，可以用最大批的添加剂最大限制地降低瓷器的烧结点。

在剖析不溶矿物添加剂时，必需查明其矿物方式〔磨碎度、与其它成分的机械活化才干等〕、初始粒度及于瓷料中散布的平均度。

矿物添加剂--电解质在溶于分散介质时能够会对瓷悬浮液发生胶溶作用〔如硼酸盐白垩〕和凝结作用〔水镁石、镁石〕。

电解质的凝结效果取决于离子价及其浓度：价越高，添加剂含量越少。

关于胶溶进程，状况相反，因此即使含钙镁添加剂较少溶于分散介质，也会促进瓷悬浮液的凝结，引入含钠盐杂质的硼酸盐白垩，会促进胶凝。

无机添加剂对凝结触变结构的作用，可用以下例子来说明。

向高岭土悬浮液组成中引入聚丙烯酰胺时，高岭石聚团体的平均尺寸增大，阳离子的交流容量降低。

在瓷料组成中引入液体细菌培育基时，由于细菌的活性，向分散介质中析出外聚糖--促进黏土粒子反絮作用的外表活性物质。

由于该进程，陶瓷悬浮单位体积粒子数添加，接触量也相应增多，但其强度比不含添加剂悬浮液中的低。

与阻隔分散成分外表吸附中心矿物电解质不同，无机外表活性物质的分子吸附在高岭石粒子的缺口和边棱上，中和其正电荷。

系统中存有这种电荷，会构成平面 - 边棱型空间凝结结构。

同时，聚团体外局部氢键会受陨，其尺寸减小。

中和正电荷的目的之一，就是添加粒子的负电荷总量，提高其动摇性，延缓触变恢复。

鉴于此，构成凝结触变结构的一个重要条件就是添加剂于瓷悬浮液散布的平均度。

引入可溶添加剂有助于改动分散相粒子凝结触点量和类型。

在枯燥瓷料时，黏土粒子的水合膜消弭：凝结触点转变为凝聚触点，直至出现凝聚结晶触点；物质经过蒸汽相迁移，并以非结晶和弱结晶氧化物和氢氧化物膜〔将某些粒子强固结分解聚团体〕的方式使其沉淀于分散相，主要是黏土成分的粒子上。

在第二阶段，瓷悬浮液硬质分散相的结晶结构于400~800℃范围构成。

由于添加剂在该温度范围的参与，致使在成分的相结构变化及初始烧结阶段动力学方面都存在着差异。

当温度长至超越凝聚结构存在范围的水平时，发作脱羟基化反响的有如下矿物：铝硅酸盐--高岭石、白云母等、氢氧化铁--针铁矿、含水针铁矿、氢氧化镁--水镁石；发作脱碳反响的是菱铁矿、方解石等。

在此状况下，含矿化剂添加剂瓷料的最高温度〔570~600℃〕和内热效应范围宽度〔465~730℃〕能够基本无变化。

在坯料组成中引入其它添加剂，如水镁石，会移动最高温度，扩展吸热效应范围。

这种移动是由355~480℃范围的吸热效应所致，而该效应又与水镁石的脱水作用有关。

消弭配位OH粒子，能够随同有矿物晶格重建和中间物构成。

不含添加剂瓷料的烧结点在930~950℃范围。

含水溶添加剂或水镁石瓷料的相反进程向较高温区移动了30~200℃。

由于在不同组成瓷系区固相烧结进程的动力仍相反〔外表能〕，所以含添加剂瓷料的性状差异能够仅与物质的不同迁移机理有关：蒸发 - 凝聚、外表和体积分散。

扩展粒子-粒子和粒子-薄膜触点界面的化学势差异，是活化物质迁移的动力。

这就决议了在固相烧结时热分散进程在结晶结构构成中的主导位置。

因矿物热损失而出现的游离氧化物此时深化到偏高岭石晶格中，补偿剩余负电荷，并构成不动摇的中间细散相--固溶体。

总之，在结晶结构构成进程中，瓷的固相中参与有两类添加剂：第一类为可溶添加剂，坯料枯燥时凝聚在黏土粒子上，直至出现凝聚结晶结构；
第二类为矿物添加剂，经过400~800℃范围的脱水和脱碳作用而损坏。

这两类添加剂热活化偏高岭石的分解进程，从而构成中间化合物--莫来石构成活化中心。

在第三阶段，假凝结结晶结构于800~900℃至1000℃范围构成。

在该温度范围出现的共熔物决议了经过液相作用的分散相的新相界面，并构成假凝结触点。

液相依托分散和粘滞强化物质的迁移进程。

在假凝结结晶结构构成区继续有固相反响，同时由偏高岭石分解物于仍坚持规整性的非晶化长石颗粒内构成莫来石。

这种固相反响具有局部化学性质，并依据结构遗传实际实施。

随着温度的提高，偏高岭石的分解固相反响使其非晶化并部辨分别为氧化物。

但是由于固态分散的困难性，偏高岭石不会完全分别。

因此，与氧化物同时参与的还有具有局部规那么结构的原子团。

在所构成资料的多相结构中，尖晶石类矿物的晶体能够成为晶化中心--发生莫来石晶体的晶核。

沿高岭石晶粒构成的莫来石晶体比原始高岭石粒子小得多，但却坚持与其相反的定位和均质性。

在偏高岭石转化成莫来石进程中必需留意，偏高岭石分别成氧化物和原子团时具有比外表极大的特点，因此能够会发生晶化中心的多相构成物。

此外，生长中的晶体尺寸受原始资料粒子尺寸的制约。

在这一煅烧进程阶段的分散停止缓慢。

这样，莫来石的构成速度就主要取决于晶化中心的构成速度，而且后者与所构成尖晶石类矿物的体积成比例。

因此，在瓷结构构成进程中原子团的出现起着重要作用。

假设所构成原子团的的尺寸超越某一极限值，那么真继续生长；假设它的尺寸小于极限值，那么原子团溶解。

矿化剂可以改动假凝结结晶结构的构成进程。

第一，添加矿化剂可经过构成共熔物将熔融物发生点移向较高温区，并相应改动熔融物的结构和功用。

例如，在瓷料中引入氧化镁添加剂或氧化镁和氧化锌构成的复合添加剂时，液相的出现温度降低了100~120℃，表观粘度也随之降低。

第二，添加第二族金属氧化物〔CaO、MgO、ZnO、BaO〕可将第一次放热效应最高值温度移动20~70℃，将表观粘度-温度关系曲线最高值温度移动20~50℃。

外效应的性质与尖晶石类矿物的晶化和莫来石晶核的构成有关。

大批金属氧化物添加剂的作用是：氧化镁促进尖晶石类矿物的构成；氧化钙使原子团转变为作为莫来石晶化晶种的钙铝黄长石。

由于莫来石的晶化进程与成核生长模型相符，而氧化钙和氧化镁添加剂又能经过对偏高岭石的选择作用强化了分别，所以自发成核作用向较高温区停止了移动。

此时，莫来石的晶化速度大大加快
第三，共熔物粘度较低，从而加快热分散进程，提高其溶解才干。

偏高岭石转化物显微结构的特点是：其中一个相--莫来石以小岛方式散布于被铝硅酸盐原子团包裹的另一由无定形氧化硅粒子代表的相内。

随着温度的提高，在参与有矿化剂构成的共熔物内无定形氧化硅溶解，平衡位移，然后原子团分别。

第四，引入添加剂可依托粘滞流强化瓷料的烧结进程，在瓷料混合物各成分之间出现液膜，活化非晶化长石颗粒和偏高岭石分解物之间的热分散进程，从而构成于非晶化长石颗粒内构成莫来石的基础。

第五，在偏高岭石于800~900℃范围内分别的状况下，与氧化铝和氧化硅析出的同时构成磁有序相，当进一步加热到950℃以上时该相损坏，并转入顺磁形状。

同时，由于适宜铁的莫来石类质同晶。