浅谈陶瓷材料

浅谈陶瓷材料

摘要：陶瓷的发明是人类文明的重要进程，它的出现，揭开了人类利用自然、改造自然的新的一页，是人类文明发展史上一个重要的里程碑，具有重大的历史意义。

关键词：陶瓷材料、结构、力学性能、发展历史

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。

陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。人们把一种陶土制作成的在专门的窑炉中高温烧制的物品叫陶瓷，陶瓷是陶器和瓷器的总称。

陶瓷的产生和发展，同人类的生活和生产实践是紧密相连的。大约在70万年前的原始时代，我们的先祖就发现，将泥巴晾干后加火一烧，泥巴就会变得坚硬起来，而且可以做成各种形状用来装水、盛放食物等等，这便是陶瓷产生的伊始。随着历史的发展和生活方式的变革，陶器由单纯的存储器具，发展到能够满足人类各种不同的需要，逐渐向多功能演进。于是相继出现了与人类生活密切相关的炊器、食器、储水器、存水器、储藏器等等。

陶瓷和金属相似，具有晶体构造，但与金属不同的是其结构中并没有大量的自由电子。这是因为陶瓷是以离子键或共价键为主的离子晶体或共价晶体。

陶瓷的基本相及其结构要比金属复杂得多。将陶瓷材料经切割、磨制、腐蚀后制成试样，放在显微镜下观察，可看到陶瓷材料通常是由三种不同的相组成，即由晶体相、玻璃相和气相（气孔）组成。

晶体相是组成陶瓷的基本相，也称住镜像，它往往决定着陶瓷的力学、物理、化学性能等。例如，氧化铝晶体组成结构紧密的刚玉瓷，具有机械强度高、耐高温、耐腐蚀特性。

玻璃相是非晶态结构的低熔点固体，不同的陶瓷，玻璃相的含量不同。高纯度的氧化物陶瓷含玻璃相较少，一般日用瓷及电瓷含量较高。玻璃相的作用是填充晶粒间隙、粘结晶粒、使陶瓷材料致密、降

低烧成温度、改善工艺性、抑制晶粒长大等。

气相在陶瓷材料中占有重要的地位。气孔分为开口气孔和闭口气孔。开口气孔影响陶瓷材料的透气性、真空气密性、化学腐蚀性。陶瓷的许多电性能和热性能随着气孔率、气孔尺寸及分布的不同在很大的范围内变化。

从微观概念出发，固体的理论强度是其原子间的结合力发挥到临界点的强度值。然而，由于陶瓷结构复杂的本性所决定，加上显微织构方面的特征以及点线面缺陷的影响，实际陶瓷晶体的强度与理论值之间存在着三个数量级的差别。影响陶瓷材料的三个主要参数分别是①弹性模量，取决于材料的组分和结构；②断裂能，取决于材料的组分和结构，且对显微织构相当敏感，是材料断裂的阻力；③裂纹半长度，可视之为材料中最危险的缺陷，作用在于造成局部的应力集中，促进材料断裂。可见，为了提高材料的强度，应尽可能的提高断裂能和降低裂纹半长度。另外陶瓷材料的强度也受到微观组织的影响，如晶粒尺寸、晶相、晶界特征和陶瓷的气孔率。

脆性是陶瓷材料的特征性能，亦是陶瓷的致命弱点，它间接反映在陶瓷较低的抗机械冲击和较差的抗温度骤变性，直观地表现在一旦受到临界的外加负荷，陶瓷的断裂具有爆发性的特征和灾难性的后果。另外，断裂强度和屈服强度也是材料脆性的量度。所以，欲克服陶瓷的脆性和防止断裂，可以提高陶瓷抵抗胚体内原有裂纹扩展的能力，或者减缓裂纹尖端的应力集中效应，亦即，提高材料的断裂性能，改善材料的韧性，如通过相变、弥散等方式增加陶瓷韧性，或减少配体内裂纹缺陷的尺度。采用化学抛光陶瓷表面、细化晶体、热处理钝化裂纹等措施，则是减缓应力集中的方法。另外，研究新型陶瓷复合材料如金属陶瓷、相变诱导裂纹陶瓷、纤维复合材料等等。

陶瓷的种类繁多，生产制作过程各不相同，但一般要经历以下三个阶段：坯料制备、成形与烧结。

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。

坯料是指将陶瓷原料经拣选、破碎等工序后进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成型性能的多组分混合物。坯料制备过程一般包括配料和坯料混合制备两部分。坯料混合制备一般要经过原料粉

碎、精选（除去杂质）、磨细、配料（保证制品性能）、脱水（控制坯料水分）、练坯、陈腐等过程。原料经过坯料制备以后，根据含水量的不同，分为注浆料、可塑料、压制粉料三类。

成形是将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，根据坯料的性能可将成形方法分为三类：可塑法（塑性料团成形法）、注浆法（浆料成形法）和压制法（粉料成形法）。

陶瓷产品在成坯后经过干燥，就要进行烧结。烧结的目的是使坯料在高温下发生一系列的物理和化学反应，形成预期的矿物组成的显微结构，通过物质传递变成致密的具有一定强度和固定外形的陶瓷。陶瓷烧结按研究对象的不同可分为固相烧结和液相烧结。

以上主要介绍了陶瓷材料的结构、相关性能以及制备方法，接下来，我们将要谈谈陶瓷材料的发展历史及其发展前景。

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，在我国的文化和发展史上占有极其重要的地位。

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。

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，但由于烧成温度较低，那时的陶瓷仅是一种含有较多气孔、质地疏松的未完全烧成制品。

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。

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，高温烧成后，具有高的机械强度和好的绝缘性能。

随着科学进步与发展，由瓷器又衍生出许多种类的陶瓷。

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。

先进陶瓷阶段

20世纪以来，随着人类对宇宙的更进一步探索、电子工业的发展和原子能工业的兴起，对陶瓷材料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。如氧化