产品设计与制造(无机非)思考题

1、依据材料科学与工程四要素之间的关系,请以生产骨质瓷陶瓷产品为例论述其从原料择到最终产品的整个制造过程四要素：组织结构、成分工艺、材料性能与使用性能材料性能是材料功能特性和效用(如电、磁、光、热、力学等性质)的定量度量和描述。

任何一种材料都有其特征的性能和应用。

使用性能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。

材料的性能是由材料的组织结构决定。

而材料的组织结构在很大程度上取决于材料的成分及生产工艺。

因此在骨质瓷的生产过程中最重要的是其原料的选择及生产工艺。

原料（骨粉、长石、石英、黏土、解胶剂）——配料、球磨——测定细度——注浆成型——干燥修坯——高温素烧——浸釉、喷釉——低温釉烧例如为了得到瓷质洁白、光泽柔和的骨质瓷，要增大骨粉的用量，为了得到规整度较高质量较好的骨质瓷，采用高温素烧、低温釉烧的工艺。

2、骨质瓷有哪些性能特点? 分析形成这些特点的机理。

1)机械强度骨质瓷虽然属于软质瓷的范畴，但是其机械强度并不低，在传统陶瓷中属于强度较高的瓷器，其抗弯强度为120~160MPa，比一般传统商瓷80~120MPa要高30% ~50%。

2)热稳定性骨质瓷由于其主晶相是长柱状，有较高的膨胀系数和较大的各向异性，所以传统骨质瓷的热稳定性较差，一般在160C左右(即从160~20C水中热交换一次不炸裂)。

3)釉面硬度骨质瓷使用熔块釉，在较低的温度(1050~1150C) 下釉烧，所以釉面硬度较普通陶瓷要低，硬度一般为550~ 600MPa.一般可以通过添加瓷粉、锆英粉等提高釉面硬度。

4)白净柔和由于使用磷酸钙为原料，坯体中铁、钛含量极少，烧成后磷酸钙呈现柔和的白色5)透光度好骨质瓷中磷酸盐玻璃的折射率与石英接近，光透过性较好6)器型规整采用高温素烧、低温釉烧的二次烧成工艺，烧成时用仿形匣钵进行强制烧成7)釉面光润使用熔块釉，使用时比生料釉减少了反应，减少了出现更多气泡的可能骨质瓷中微观物相组成主要是β磷酸三钙、钙长石、石英晶体及少量的玻璃相，其独特的物相组成决定了其独有的性能特点1、根据矿物组成划分原料分哪几类？磷酸盐类原料（骨粉）、黏土类原料、石英类原料、长石类原料、钙镁质原料、其他原料2、什么是粘土？黏土是一种由地壳中含长石类岩石经过长期风化和地质作用而形成的疏松或呈胶状的含水铝硅酸盐物质。

3、粘土的主要矿物类型有哪几类？黏土矿物主要有以下五种类型，即高岭石类、伊利石类、蒙脱石类、水铝英石类和叶腊石类。

高岭石类、伊利石类、蒙脱石类是黏土中常见的三大类黏土矿物。

4、粘土在瓷生产中主要起什么作用？黏土在引进制瓷胎体过程中起了重要的作用，主要为:①赋与坯泥可塑性，是陶瓷坯泥赖以成形的基础;②使注浆泥料或釉料具有悬浮性与稳定性;③黏土一般呈细分散颗粒，具有结合性，可充分填充瘠性原料形成的空隙，可使堆积密度最大化，提高坯体强度;④是形成瓷器中莫来石晶体的主要来源。

5、石英在陶瓷生产中主要起什么作用石英是作为瘠性原料加入到陶瓷坯料中的，它是陶瓷坯体中主要组分之-①在烧成前石英是瘠性原料，对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。

②在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响。

当玻璃质大量出现时，在高温下石英能部分溶解于液相中，增加熔体的黏度，而未溶解的石英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。

③在瓷器中，石英对坯体的机械强度有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，否则效果相反。

同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善。

④在釉料中二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度和黏度，并减少釉的热膨胀系数。

同时它是赋予釉以高的机械强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的重要因素。

6、长石在陶瓷生产中主要起什么作用？长石在陶瓷原料中是作为熔剂使用的，因而长石在陶瓷生产中的作用主要表现为它的熔融和熔化其他物质的性质。

①长石在高温下熔融，形成黏稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物(K2O、Na2O)的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。

②熔融后的长石熔体能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒。

在液相中Al2O3和SiO2互相作用，促进莫来石晶体的形成和长大，赋予坯体机械强度和化学稳定性。

③长石熔体能填充于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密和减少空隙。

冷却后的长石熔体，构成了瓷的玻璃基质，增加了透明度，并有助于瓷坯的机械强度和电气性能的提高。

④在釉料中长石是主要熔剂。

⑤长石作为瘠性原料，在生坯中还可以缩短坯体干燥时间，减少坯体的干燥收缩和变形等。

7、动物骨粉在陶瓷生产中主要起什么作用？骨粉是骨质瓷的主要原料，用量可达整个坯料的40％～50％，是骨质瓷中成主晶相β-Ca3（PO4）2的主要来源。

骨粉的质量和用量对骨质瓷制品的色调、透明度及烧成温度、强度等有较大影响。

1、无机非金属材料分哪几大类？各有哪些性能特点？无机非金属材料的名目繁多，用途各异，目前尚没有一个统一而完善的分类方法。

通常根据无机非金属材料功能与作用的不同，分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。

传统无机非金属材料主要是指以SiO2，及其硅酸盐为主要成分的材料，并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料，如碳化硅、氧化铝陶瓷、硼酸盐、硫化物玻璃、镁质或铬质耐火材料和炭素材料等，这一类材料通常生产历史较长、产量较高、用途也较广，是工业和基本建设所必需的基础材料。

新型无机非金属材料主要指20世纪40年代以后发展起来的，如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊先进工艺制成的材料。

这里的新型无机非金属材料包含两个层面的含义：一是对传统材料的再开发，使其在性能上获得重大突破的材料；二是采用新工艺和新技术合成，开发出具有各种新的和特殊功能的材料。

新型无机非金属材料具有轻质、高强、耐磨、抗腐、耐高温、抗氧化以及特殊的电、光、声、磁等一系列优异性能，2、目前，我国骨质瓷的坯体存在哪些不足？分别从理论上提出解决方案。

a)强度低影响强度的因素：气孔率和晶粒尺寸（细晶有利于提高强度）1．细晶、高致密度、高纯度、高均匀性2．提高抗裂能力与预加应力3．相变增韧4．弥散强化5．纤增强韧6．层状化结构7．纳米陶瓷b)透光度低影响透射率的因素：1、吸收系数、散射系数和反射率都影响透射率。

非金属材料吸收系数较低，对透射率影响不大。

其透射率的主要因素是散射系数2、宏观和微观缺陷，如第二相粒子、夹杂物、气孔、孔洞等在相界面产生散射3、气孔和孔洞与基体的相对折射率大，引起的散射损失大一般陶瓷材料的气孔直径大约为1pm，用特殊的工艺消除大尺寸气孔，使气孔直径减小到0．01um的数量级，散射系数可降低三个数量级以上，得到透明陶瓷。

方法：添加氧化铝不仅能提高骨质瓷的强度，而且能够增加其透过率少量氧化铝的添加能增加热处理时坯体内部的玻璃相含量，玻璃相能填充影啊坯体透过率的孔隙，进而增加坯体的透过率。

而过多的添加氧化铝会降低瓷体的透过率，这是因为过多添加氧化铝会在坯体中形成α-氧化铝晶相，而α-氧化铝晶相是六边形面不是立方形，这会使得相的边界增多，相的边界是极易发生光散射损失的地方，进面导致透过率降低另外，用合成骨粉制备的骨质瓷比用天然骨粉制备的骨质瓷有更高的透过率。

天然骨粉以羟基磷灰石为唯一晶相，而合成骨粉含有羟基磷灰石和β—磷酸三钙双晶相，并含有少量玻璃相。

使用合成骨粉一方面增加了玻璃相的含量，使得坯体内部的孔隙更好的被填充。

另一方面，较少的羟基磷灰石含量使得瓷体在热处理过程中仅会产生少量的气体，进而使得因气体而产生的气孔较少，提高了瓷体的透过率。

c)抗热震性差热震破坏分为两类：1．热震断裂：热震引起的突然断裂2．热震损伤：热冲击循环作用下，材料先出现列裂随后裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏。

抗热震损伤性要提高陶瓷材料的抗热震损伤能力，要求材料具有尽可能高的弹性模量、断裂表面能和低的强度。

所以要提高陶瓷这两类热震破坏的能力，对材料性能的要求相反，这是由于二者破坏过程不同、判据不同引起的。

a)在热震损伤的情况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对抗热震性不利b)在热震断裂的情况下，强度低的材料裂纹易于成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗热震性也不利。

所以前者应降低强度，后者应提高强度，才能得到优良的抗热震性。

3、如何从材料科学与工程四要素定产品设计与制造的技术方案？首先我们应该根据实际需要得到产品的使用性能应有哪些，比如骨质瓷的一个使用性能就是要求透光性好，根据使用性能判断该产品应具有那些自身性能，比如要获得良好的透光性，材料本身要有良好的透光度，其次要求成形时有较好的强度，以降低产品厚度；由于组织结构决定材料性能，因此接下来要设计满足要求的组织结构；最后确定合理的成分和工艺，使材料获得理想的组织结构4、基于资源、能源和、环境与健康生活方面考虑，日用陶瓷应如何发展？1、生产骨质瓷所使用的主要原料有哪些？在陶瓷生产中各起什么作用？磷酸盐类原料（骨粉）是骨质瓷的主要原料，用量可达整个坯料的40％～50％，是骨质瓷中主晶相BCa3（PO1）2的主要来源。

骨粉的质量和用量对骨质瓷制品的色调、透明度以及烧成温度、强度等有较大的影响。

黏土类原料（高岭石类、蒙脱石类、伊利石类、叶腊石类、水铝英石类）結土在引进制瓷胎体过程中起了重要的作用，主要为：①赋与坯泥可塑性，是陶瓷坯泥赖以成形的基础②使注浆泥料或釉料具有悬浮性与稳定性③黏土一般呈细分散颗粒，具有结合性，可充分填充瘠性原料形成的空隙可使堆积密度最大化，提高坯体强度；④是形成瓷器中莫来石晶体的主要来源。

石英类原料（脉石英、石英岩、砂岩、石英砂、燧石、硅藻土）①在烧成前石英是瘠性原料，对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形。

②在烧成时，石英的加热膨胀可部分地抵消坯体收缩的影响。

当玻璃质大量出现时，在高温下石英能部分溶解于液相中，增加熔体的黏度，而未溶解的英颗粒，则构成坯体的骨架，可防止坯体发生软化变形等缺陷。

③在瓷器中，石英对坯体的机械强度有着很大的影响，合理的石英颗粒能大大提高瓷器坯体的强度，否则效果相反。

同时，石英也能使瓷坯的透光度和白度得到改善④在釉料中二氧化硅是生成玻璃质的主要组分，增加釉料中石英含量能提高釉的熔融温度和黏度，并减少釉的热膨胀系数。

同时它是赋予釉以高的机械强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性的重要因素。

长石类原料（透长石、正长石、微斜长石）①长石在高温下熔融，形成黏稠的玻璃熔体，是坯料中碱金属氧化物（K2O、Na2O）的主要来源，能降低陶瓷坯体组分的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成温度。