第五章 陶瓷材料

所以可归为硅酸盐类材料和制品。 从原始瓷器的出现到近代的传统陶 瓷，这一阶段持续了四千余年。
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先进陶瓷阶段
20世纪以来，随着人类对宇宙的探索、原子
能工业的兴起和电子工业的迅速发展，从性质、 品种到质量等方面，对陶瓷材料均提出越来越高 的要求。从而，促使陶瓷材料发展成为一系列具 有特殊功能的无机非金属材料。
陶瓷基板材料；
量大面广、低烧、高比容、高稳定性的多 层陶瓷电容器材料等。
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5、制备陶瓷材料的原料
陶瓷材料制品由多相的无机非金属材料所构成，
所用原料大部分是天然的矿物原料或岩石原料，其 中多为硅酸盐矿物。
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这些天然的矿物原料或岩石原料种类繁多， 资源蕴藏丰富，且分布极广。
某些陶瓷材料制品对原料的要求很高，需
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4)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的
Al2O3含量和杂质含量是决定陶瓷坯体的烧结程
度、烧结温度和软化温度的主要因素；
5)黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石
晶体的主要来源。
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(3)石英类原料
①石英的种类。 自然界中的二氧化硅结晶矿物可以统称为石英。 其中最纯的石英晶体统称为水晶。 在陶瓷工业中，常用的石英类原料和材料有下
他矿物组成的并具有一定持性的(其中主要是
具有可塑性)土状岩石。
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我国黏土原料资源丰富，产地遍及全国。
黏土的主要矿物：高岭石类、蒙脱石类、
伊利石类和水铝英石。
黏土的组成：黏土的组成可从几个方面
来分析，一般可从矿物组成、化学组成和颗
粒组成三个方面来进行分析。
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黏土的性质
黏土的性质对陶瓷的生产有很大的影
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综合陶瓷制品对于原料的两方面要求，
根据原料的工艺特性可以把所需要的陶瓷原
料主要归纳为三大类： 具有可塑性的黏土类原料、具有非可塑
性的石英类原料和熔剂原料。
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一般来说，黏土类原料往往是既有加工所需
的可塑性，也能在烧成后形成结构晶相的原料；
石英类原料既是非可塑性原料，同时也是能 生成晶相的原料； 熔剂原料也具有非可塑性质。
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石英是具有强耐酸侵蚀力的酸性氧化物，除
氢氟酸外，一般酸类对它都不产生作用。
列几种：脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、隧石和
硅藻土。
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②石英原料的性质 石英的外观视其种类不同而异，有的呈乳白 色，有的呈灰白半透明状态，表面具有玻璃光泽
或脂肪光泽，莫氏硬度值为7，相对密度因晶型而
异，波动于2.22—2.65g/cm3之间。
石英的主要化学成分为SiO2，常含有少量杂
质成分，如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等。
以获得有某种功能的陶瓷材料。
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例如，就陶瓷的电学功能而言，要改善压 电陶瓷在大功率使用下的功能，就必须首先改 进陶瓷材料的机电损耗特性； 为改善滤波器陶瓷性能，则要从提高材料
的频率变化时间和温度的稳定性入手；
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对于集成电路基片陶瓷，需改善其绝 缘电阻和导热性能； 为改善作避雷器使用的压敏陶瓷的功 能，则需提高其通流容量和非线性系数。
方向发展。
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在设备技术方面向着多层、多相 乃至超微细结构的调控与复合、低温
活化烧结、立体布线、超细超纯、薄
膜技术等方向发展。
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在材料及应用方面的主要研究方向应包括： 智能化敏感陶瓷及其传感器；
高转换率、高可靠性、低损耗、大功率的压
电陶瓷及其换能器；
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超高速大容量超导计算机用光纤陶瓷材料； 多层封装立体布线用的高导热低介电常数
第五章
陶瓷材料
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一、陶瓷材料与功能陶瓷
1、陶瓷材料的发展概况 2、功能陶瓷的定义、范围和分类
3、功能陶瓷的性能与工艺特征
4、功能陶瓷的应用和展望 5、制备陶瓷材料的原料
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1、陶瓷材料的发展概况
陶瓷在人类生活和社会建设中是不 可缺少的材料，它和金属材料、高分子 材料并列为当代三大固体材料。
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我国的陶瓷研究历史悠久、成就辉煌， 它是中华文明的伟大象征之一，在我国
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瓷器烧成温度高，质地致密坚硬，表 面有光亮的釉彩。
随着科学进步与发展，由瓷器又衍生
出许多种类的陶瓷。
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陶瓷都是以黏土为主要原料与其他天
然矿物原料经粉碎混炼—成形一煅烧等
过程制成的。 如常见的日用陶瓷、建筑陶瓷、电 瓷等传统陶瓷。
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由于陶瓷的主要原料取之于自然界
的硅酸盐矿物(如黏土、长石、石英等)，
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范围。
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此时可认为，广义的陶瓷概念已
是用陶瓷生产方法制造的无机非金属
固体材料和制品的统称。
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但是，这一阶段的先进陶瓷，无论从 原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、
气孔、缺陷等在尺度上还只是处在微米级
的水平，故又可称之为微米级先进陶瓷。
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如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶 瓷等各种高温和功能陶瓷。
这时，陶瓷研究进入第二个阶段—
—先进陶瓷阶段。
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先进陶瓷（Advanced ceramics）又称现代陶瓷，
是为了有别于传统陶瓷而言的。
先进陶瓷有时也称为精细陶瓷(Fine Ceramics)、 新型陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷(Special Ceramics)和高技术陶瓷(High-Tech. Ceramics)等。
热变化是陶瓷制品烧成的基本理论基础。
黏土在加热过程中的变化包括两个阶段：脱水 阶段与脱水后产物的继续转化阶段。
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黏土在陶瓷生产中的作用：黏土之所以作为陶 瓷制品的主要原料，是由于其赋予泥料具有可塑性 和烧结性，这也是在发现和发明陶瓷制品的过程中， 充分利用了黏土的这一特性，才创造出多姿多彩的
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各类陶瓷制品。
响。它主要包括可塑性、结合性、离子交 换性、触变性、干燥收缩和烧成收缩、烧 结温度与烧结范围和耐火度等。
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黏土的工艺性质
主要取决于黏土的矿物组成、化学 组成与颗粒组成。其中，矿物组成是基
本因素。
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黏土的加热变化：黏土是陶瓷的主要原料，陶
瓷在烧成过程中所发生的一系列物理和化学变化，
是在黏土加热变化的基础上进行的，因此黏土的加
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功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、 光、热、力等直接效应及其耦合效应所提
供的一种或多种性质来实现某种使用功能
的先进陶瓷(现代陶瓷)。
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功能陶瓷的特点
品种多、产量大、价格低、应用广、 功能全、技术高、更新快。
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通过对复杂多元氧化物系统的化学、物理及
组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，
料、硅质原料、长石质原料、钙质原料、镁
质原料。 ④根据原料获得的方式分为：矿物原料、
化工原料。
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陶瓷制品的结构是决定其性能和品质的内因，
而制品的结构是由原料的种类和工艺过程来保证的。
陶瓷制品所选用的原料，首先是保证供给其经 过加工后能生成所需要的晶相和玻璃相，其次是保
证能适应在加工处理过程中制品的各种工艺性能。
结构的关系。
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陶瓷功能与组成、工艺、性能、结构的关系
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4、功能陶瓷的应用和展望
功能陶瓷的不断开发，对科学技术的
发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用 领域也随之更为广泛。
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目前，功能陶瓷主要用于电、磁、光、
声、热和化学等信息的检测、转换、传输、
处理和存储等，并已在电子信息、集成电路、
计算机、能源工程、超声换能、人工智能、
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在先进陶瓷阶段，陶瓷制备技术飞速发展。
在成形方面，有等静压成形、热压注成形、注
射成形、离心注浆成形、压力注浆成形等成形方法； 在烧结方面，则有热压烧结、热等静压烧结、
反应烧结、快速烧结、微波烧结、自蔓延烧结等。
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在先进陶瓷阶段，采用的原料已不再使用或
很少使用黏土等传统原料，而已扩大到化工原料
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二十世纪90年代，开始的纳米功能陶
瓷的研究，表明人们已开始深入到介于宏
观与原子尺度的纳米层次来研究功能陶瓷 的性能与结构，以期进一步开拓功能陶瓷
新的应用领域。
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无论从应用的广度，还是市场占有率来看，在 当前及以后相当一段时间内，功能陶瓷在现代陶瓷 中仍将占据主导地位。 因此，功能陶瓷今后在性能方面应向着高效能、 高可靠性、低损耗、多功能、超高功能以及智能化
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因此，有了黏土才有了与人类文明发展有
重大关系的陶瓷制品。
黏土作为主要原料对陶瓷生产的影响是巨 大的，黏土不仅能保证陶瓷制品的成形，而且
能决定烧后制品的性质。
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黏土作用概括为五个方面：
1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。
2)黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。
3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。
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纳米陶瓷阶段
到20世纪90年代，陶瓷研究已进入第三个阶 段--纳米陶瓷阶段。 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相就有 纳米级尺度的陶瓷材料。它包括晶粒尺寸、晶界
宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在
纳米量级的尺度上。
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纳米陶瓷是当今陶瓷材料研究中一个 十分重要的发展趋向，它将促使陶瓷材料
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一般工艺条件是指原料的物理化学性质
和状态、加工成型方法和条件、烧成制度和
烧结状态，以及成品的加工方法和条件等。
无论是改变组成还是改变工艺，最终都
是通过材料微观结构的变化，才能体现出宏 观的功能变化。
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因此，要想达到自控设计材料，或者进行局 部的性能改善，必须综合考虑组成、工艺、微观 结构等诸多因素，这是个系统工程。 下图表示了陶瓷功能与组成、工艺、性能和
生物工程等众多近代科技领域显示出广阔的 应用前景。
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根据功能陶瓷组成结构的易调性和可
控性，可以制备超高绝缘性、绝缘性、半
导性、导电性和超导电性陶瓷；
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根据功能陶瓷能量转换和耦合特性，可
以制备压电、光电、热电、磁电和铁电等
陶瓷；
根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应，
则可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏 和光敏等敏感陶瓷。
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釉
以石英、长石、硼砂、黏土等为原料制成
的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻
璃光泽，可增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。
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以后大约在2000年前的东汉晚期，人们 利用含铝较高的天然瓷土为原料，加上釉的 发明，以及高温合成技术的不断改进，使陶 瓷步入瓷器阶段，这是陶瓷技术发展史上意
义重大的里程碑。
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除上述的陶瓷坯体中所需的三大原料外， 陶瓷釉料还常常需用各种特殊的熔剂原料， 包括采用各种化工原料。
陶瓷工业中需用的辅助材料主要是石膏
和耐火材料，以及各种外加剂如助磨剂、助 滤剂、解凝剂、增塑剂和增强剂等。
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(2)黏土类原料
黏土类原料是日用陶瓷和工业用陶瓷的主 要原料之一。 黏土是多种微细的矿物的混合体，其矿物 的粒径多数小于2um，主要是由黏土矿物和其
的文化和发展史上占有极其重要的地位。
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陶瓷的研究进程分为三个阶段
新石器时代 先进陶瓷阶段 纳米陶瓷阶段
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新石器时代
远在几干年前的新石器时代，我们的祖先就 已经用天然黏土作原料，塑造成各种器皿，再在
火堆中烧成坚硬的可重复使用的陶器，由于烧成
温度较低，陶瓷仅是一种含有较多气孔、质地疏 松的未完全烧成制品。
要采用均一且高纯度的人工合成原料。
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(1)原料分类
通常，陶瓷原料的分类是根据不同的
工艺特性、传统习惯及原料性质等不同角 度进行的。综合起来，可分为以下四类：
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①根据原料工艺特性分为：可塑性 原料(也称瘠性原料)、熔剂性原料。
②根据原料的用途分为：瓷坯原料、
瓷釉原料、色彩及彩料原料。
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③根据原料的矿物组成分为：黏土质原
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一般来说，要从性能的改进来改善陶瓷材 料的功能，需从以下两个方面入手： ①通过改变外界条件，即改变工艺条件以 改善和提高陶瓷材料的性能，达到获得优质材
料的目的。
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②从材料的组成上直接调节、优化其内
在的品质，包括采用非化学式计量、离子臵 换、添加不同类型杂质，使不同相在微观级 复合，进而形成不同性质的晶界层等。
的研究从工艺到理论、从性能到应用都提
高到一个崭新的阶段。
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2、功能陶瓷的定义、范围和分类
从性能上可把先进陶瓷分为结构陶瓷 (Structral ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。
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结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部 分热学和化学功能的先进陶瓷(现代陶瓷)， 特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷。
已陆续发现了一大批具有优异性能或特殊功能的 功能陶瓷，并可借助于离子臵换、掺杂等方法调 节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从经 验式的探索逐步走向按所需性能来进行材料设计。
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3、功能陶瓷的性能与工艺特征
陶瓷功能的实现，主要取决于它所具有的 各种性能，而在某一类性能范围中，又必须针 对具体应用，去改善、提高某种有效的性能，