第八章陶瓷.docx

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第八章陶瓷

第八章 工业陶瓷及其加工技术

第一节 常用陶瓷材料及其性能

一、陶瓷材料的概述

二、陶瓷材料的分类和应用

第二节 工业陶瓷材料成型技术

一、可塑法成型

二、注浆法成型

三、干压法成型

第三节 陶瓷制品表面装饰技术

一、陶瓷制品的表面加工

二、表面层改性处理

三、表面金屑化处理

8.1常用陶瓷材料及其性能

一、陶瓷的概述

1、陶瓷的概念

传统上，“陶瓷”是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品。

传统陶瓷包括常见的日用陶瓷制品和建筑陶瓷、电瓷等。

传统陶瓷的主要原料：

取之于自然界的硅酸盐矿物（如粘土、长石、石英等），所以传统陶瓷可归属于硅酸盐类材料和制品。

因此，陶瓷工业可与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属“硅酸盐工业”的范畴。

这些氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等的生产过程基本上还是原料处理、成形、烧结这种传统的陶瓷生产方法，但原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，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的范围中，并且出现了许多新的工艺。

广义的陶瓷概念：

用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。

德国陶瓷协会：

“陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支，包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品（元件）。

陶瓷材料属于无机非金属材料，最少含30％结晶体。

一般是在室温中将原料成型，通过800℃以上的高温处理，以获得这种材料的典型性质。

有时也在高温下成型，甚至可经过熔化及析晶等过程。

”

美国和日本等国：

Ceramics是包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称，不仅指陶瓷，还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。

2、我国陶瓷技术发展概述

裴李岗文化时期的陶器（距今约8000年）。

出土于河南省郑州市新郑市裴李岗村。

出土的陶器主要以泥质红陶和夹砂红陶为主，红陶在中国出现最早，烧成温度900℃左右。

山东历城县龙山镇出现了“黑陶”。

所以这个时期称为“龙山文化”时期，又称“黑陶文化”。

龙山黑陶在烧制技术上有了显著进步，它广泛采用了轮制技术，因此，器形浑圆端正，器壁薄而均匀，将黑陶制品表面打磨光滑，乌黑发亮，薄如蛋壳，厚度仅1mm，人称“蛋壳陶”。

殷商时代的陶器从无釉到有釉，是制陶技术上的重大成就。

为从陶过渡到瓷创造了必要的条件，这一时期釉陶的出现是我国陶瓷发展过程中的“第一次飞跃”。

汉代以后：

釉陶逐渐发展成瓷器，无论从釉面和胎质来看，瓷器的出现无疑是釉陶的“第二次飞跃”。

在浙江出土的东汉越窑青瓷是迄今为止我国发掘的最早瓷器，距今已有1700年。

当时的釉具有半透明性，而胎还是欠致密的。

这种“重釉轻胎倾向”一直贯穿到宋代的五大名窑（汝、定、官、越、钧）。

唐代：

“第三次飞跃”是瓷器由半透明釉发展到半透明胎。

唐代越窑的青瓷、邢窑的白瓷、宋代景德镇湖田、湘湖窑的影青瓷都享有盛名。

到元、明、清朝代，彩瓷发展很快，釉色从三彩发展到五彩、斗彩，一直发展到粉彩、珐琅彩和低温、高温颜色釉。

2、陶瓷的分类和应用

（一）陶瓷的分类

2、按陶瓷坯体的性能分类

陶瓷的性能

3）陶瓷的其它性能

（2）按坯体的性能分类

按陶瓷制品的坯体结构及其相应的基本物理性能的不同来分类，是较为科学的一种分类。

表1日用陶瓷分类

陶器是一种坯体结构较疏松、致密度较差的陶瓷制品，通常有一定吸水率，断面粗糙无光，没有半透明性，敲之声音粗哑。

瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，断面成石状或贝壳状。

（二）陶瓷在产品设计中的应用

1、日用陶瓷

日用陶瓷是指人们日常生活中使用的陶瓷器皿、根据陶瓷器皿的结构特征、可分为精陶、细瓷和炻器。

如中、西餐具、茶具、杯、碟、碗类等日用陶瓷及花瓶、花插、挂盘、花篮、玩具、花鸟、动物、人物瓷雕等工艺陶瓷。

主要组成成份有：

主要成份是SiO2、AL203、含有少量的Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O等。

日用陶瓷原材料：

粘土类原料、石英类原料、长石类原料、其他矿物类原料。

2、建筑陶瓷

建筑陶瓷主要包括各种卫生陶瓷制品（洗面器、便器、水箱、坐洗器、存水弯管等）、内墙面砖、外墙面砖、铺地砖、马赛克、陶土管、琉璃制品等陶瓷制品。

3、电工瓷

电工瓷是一类绝缘性和力学性能优良的陶瓷材料，广泛用于电力工业和电子工业作为隔电的机械支承件和联接用的各种绝缘器件，如各种瓷绝缘子，各种电器绝缘支柱、套管、瓷套等。

4、化工陶瓷

化工陶瓷具有良好的耐酸、碱腐蚀性能，不污染介质，广泛用于石油化工、冶炼、造纸、制药、化纤等工业部门。

按应用可分为；耐酸砖、耐酸耐温砖、阀和管道制品、塔和容器制品、泵和风机等制品

5、结构陶瓷

结构陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料；

特种陶瓷的原材料：

Al2O3、MgO、BeO、ZrO2、SiC、B4C、Si3N4、AlN等

6、功能陶瓷

功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物-化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。

第2节陶瓷加工工艺

陶瓷制品的生产流程比较复杂，如下图所示，各品种的生产工艺不尽相同，但一般都包括原料配制、坯料成型和窑炉烧结等三个主要工序。

一、原料配置

原料在一定程度上决定着产品的质量和工艺流程，工艺条件的选择。

陶瓷生产的最基本的原料是石英、长石，黏土三大类和一些其他化工原料，这些原料一般都要经过加工制备才能进入“配合”阶段，如果是不够纯净的原料，需拣选、淘洗，硬质原料还需经过破碎、轮辗、球磨，以改善原料的质量与性能，使之符合成型操作和满足制品质量的要求。

2、成型方法

成型是将制备好的坯料，用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯体（生坯）的过程。

成型需满足的要求：

1．坯体应符合产品所要求的生坯形状和尺寸（应考虑收缩）。

2．坯体应具有相当的机械强度，以便于后续工序的操作。

3．坯体结构均匀，具有一定的致密度。

4．成型过程适合于多、快、好、省的组织生产。

从工艺上讲，根据坯料的性能和含水量的不同，陶瓷的成型方法可分为三类：

注浆成型、可塑成型和压制成型。

成型方法分类

一、注浆成型法

传统定义：

在石膏模的毛细管力作用下，含有一定水分的粘土泥浆脱水硬化、成型的过程。

目前定义：

将所有基于坯料具有一定液态流动性的成型方法统归为注浆成型。

工艺特点：

1、适于成型各种产品，形状复杂、不规则、薄、体积较大而且尺寸要求不严的器物，如花瓶、汤碗、椭圆形盘、茶壶等。

2、坯体结构均匀，但含水量大且不均匀，干燥与烧成收缩大。

（一）基本注浆成型方法

1、空心注浆法（单面注浆）

将制备好的坯料泥浆注入多孔性模型内，由于多孔性模型的吸水性，泥浆在贴近模壁的一侧被模子吸水而形成一均匀的泥层，并随时间的延长而加厚，当达到所需厚度时，将多余的泥浆倾出，最后该泥层继续脱水收缩而与模型脱离，从模型取出后即为毛坯

2、实心注浆 （双面注浆）

这种方法所用石膏模具是由外模和模芯，泥浆注入外模与模芯之间，坯体的上表面由外模腔决定，内部形状则由模芯决定。

这样泥浆注满后，模型从两个方向吸取泥浆的水分．往往造成靠近模壁处坯体致密，而坯体中心较疏松，这与泥浆性能和浇注操作有关，所以应精心制作泥浆和严格操作。

（二）强化注浆成型方法（注浆方法的改进）

在注浆过程中人为地施加外力，加速注浆过程的进行，使吸浆速度和坯体强度得到明显改善的方法。

主要真空注浆、离心注浆、压力注浆、热浆注浆、电泳成型等方法

（三）热压铸成型

将含有石蜡的浆料在一定的温度和压力下注入金属模中，待坯体冷却凝固后再进行脱模的成型方法。

二、可塑成型法

可塑法成型是利用外力对具有一定可塑变形能力的坯料进行加工成型的方法。

基本原理是基于坯料的可塑性。

（一）滚压成型

1.滚压成型工艺原理和特点

成型时盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转。

滚压头在旋转的同时逐渐靠近石膏模型，对泥料进行滚压成型。

二者之间既有滚动又有滑动，泥料主要承受压延力的作用。

阳模滚压（外滚压）：

滚压头决定坯体形状和大小，模型决定内表面的花纹

阴模滚压（内滚压）：

滚压头形成坯体的内表面。

（二）塑压成型

将可塑泥料放在模型中在常温下压制成型的方法。

成型时施以一定的压力，坯体的致密度较旋坯法、滚压法都高。

因此，需要提高模型强度：

采用多孔性树脂模、多孔金属模。

三、压制成型

将含有一定水分（或其它粘结剂）的粒状粉料填充于模具之中，对其施加压力，使之成为具有一定形状和强度的陶瓷坯体的成型方法叫做压制成型。

又称模压成型、干压成型。

模具可用工具钢制成；

施压设备：

机械压机、油压机或水压机等。

分类：

1、粉料含水量8%-15％时为半干压成型；

2、粉料含水量为3％-7％时为干压成型；

3、特殊的压制工艺（如等静压法），坯料水分可在3％以下。

四、等静压成型

等静压成型是装在封闭模具中的粉体在各个方向同时均匀受压成型的方法。

等静压成型是干压成型技术的一种新发展，但模型的各个面上都受力，故优于干压成型。

该工艺主要是利用了液体或气体能够均匀地向各个方向传递压力的特性来实现坯体均匀受压成型的

修坯与粘结

可塑法和注浆法成型的生坯件，表面不太光滑，边口都呈毛边现象，多合模型的注浆坯件会有接缝痕迹，某些产品的进一步加工如挖底、打孔等，都需要进一步加工修平。

工厂称此为修坯，这是成型工艺中的一项必要的工序，决定产品的表面质量、外观质量等。

湿修：

坯体的水分16～19％。

干修：

坯体的水分<2％。

粘结，是制造壶、坯及一些小口花瓶、坛子等不能一体成型的坯体所必须的工序。

三、坯体干燥

成型后的各种坯体，一般都含有较高的水分，没有足够的强度来承受搬运或再加工过程中的压力与振动．容易发生变形和损坏，尤其是可塑法成型和注浆发成型后的坯体更是如此。

因此，成型后的坏坯必须进行干燥处理。

同时，干燥处理也能提高坯体吸附釉彩的能力。

经过干燥的坯体，还可以在烧结初期以较快的速度升温，从而缩短烧结周期，降低燃料消耗。

坯体干燥的方法有自然空气干燥、热空气干燥、辐射线干燥．以及微波干燥等。

四、坯胎装饰

坯胎成型后．匠师们据不同时代不同地域不同人物的审美需要进行装饰绘纹，方法多种多样，其技法有化妆土、划花、刻花、贴、印花、剔花、镂空、彩绘、雕塑等。

五、施釉

陶瓷的施釉是指通过高温的方式，在陶瓷体表面上附着一层玻璃态层物质。

施釉的目的在于改善坯体的表面物理性能和化学性能，同时增加产品的美感，提高产品的使用性能。

（一）釉的作用与分类

1、釉的作用

（1）釉能够提高瓷体的表面光洁度。

（2）釉可提高瓷件的力学性能和热学性能。

（3）提高瓷件的电性能，如压电、介电和绝缘性能。

（4）改善瓷体的化学性能。

（5）使瓷件与金属之间形成牢固的结合。

（6）釉可以增加瓷器的美感，艺术釉还能够增加陶瓷制品的艺术附加值，提高其艺术欣赏价值。

（二）釉的分类

1、按釉中主要助熔物划分：

如铅釉、石灰釉、长石釉等。

2、按釉的制备方法划分：

生料釉：

即指釉料配方组成中未使用熟料－熔块的釉。

熔块釉：

即指由熔块与一些生料按配比制作而成的釉料。

3、按照釉的烧成温度划分：

易熔釉或低温釉：

指熔融温度一般不超过1150℃的釉  

中熔釉或中温釉：

指熔融温度一般在1150~1300℃的釉

难熔釉或高温釉：

指熔融温度一般达1130℃的釉

4、按釉烧成后外观特征和具有的特殊功能划分：

透明釉、乳浊釉、画釉、结晶釉、纹理釉、无光釉、腊光釉、

荧光釉、香味釉、金属光泽釉、彩虹釉、抗菌釉、自洁釉等。

5、按釉的用途划分：

装饰釉、电瓷釉、化学瓷釉、面釉、底釉、钧釉等。

（3）施釉工艺

1、基本施釉方法

（1）浸釉法：

即将产品用手工全部浸入釉料中，使之附着一层釉浆

（2）喷釉法：

喷釉法是利用压缩空气将釉浆喷成雾状，使粘附于坯体上

（3）浇釉法：

将釉浆浇到坯体上以形成釉层

（4）刷釉法：

用于在同一坯体上施几种不同釉料

2、新型施釉方法

（1）流化床法：

利用压缩空气设法使加有少量有机树脂的干釉粉在流化床内悬浮而呈现流化状态，然后将预热到100-200℃坯体浸入到流化床中，与釉粉保持一段时间的接触

（2）热喷施釉法：

先进行坯料的素烧，后在炽热状态的素烧坯体上进行喷釉

（3）干压施釉法：

压施釉法是将成型、上釉一次完成的一种方法。

釉料和坯体均通过喷雾干燥来制备。

成型时，先将坯料装入模具加压一次，然后撒上少许有机结合剂，再撒上釉粉，然后加压。

（4）机器人施釉

六、窑炉烧结

烧结也称烧成，是坯体瓷化的工艺过程，也是陶瓷制品工艺中最重要的一道工序。

经成型、干燥和施釉后的半成品．必须再经高温焙烧，坯体在高温下发生一系列物理化学变化，使原来由旷物原料组成的生坯，达到完全致密程度的瓷化状态，成为具有一定性能的陶瓷制品

第三节陶瓷制品的表面装饰技术

一、陶瓷制品的表面加工

陶瓷加工的特点：

1、陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于烧结收缩率大，无法保证烧结后瓷体尺寸的精确度，因此烧结后需要再加工。

2、陶瓷材料有高硬度、高强度、脆性大的特性，属于难加工材料。

陶瓷材料的加工方法（表1）

陶瓷材料的加工方法（表2）

二、陶瓷表面金属化

（一）陶瓷表面金属化的用途

1、制造电子元器件

2、用于电磁屏蔽

3、应用于装饰方面生产美术陶瓷

（二）陶瓷表面金属化的方法

陶瓷的金属化方法很多，在电容器，滤波器及印刷电路等技术中，常采用被银法。

此外还有采用化学镀镍法、烧结金属粉末法、活性金属法、真空气相沉积和溅射法等。

1、被银法

被银法又名烧渗银法。

这种方法是在陶瓷的表面烧渗一层金属银，作为电容器，滤波器的电极或集成电路基片的导电网络。

（1）瓷件的预处理：

瓷件金属化之前必须预先进行净化处理。

清洗的方法很多，通常可用70-80℃的热肥皂水浸洗，再用清水冲洗。

（2）银浆的配置：

银浆的配方主要是由含银的原料，熔剂及粘合剂组成。

（3）银电极浆料的制备：

将制备好的含银原料，熔剂和粘合剂按一定配比进行配料后，在刚玉或玛瑙磨罐中球磨40-90h，使粉体粒度＜5μm并混合均匀。

（4）涂敷工艺：

有手工，机械，浸涂，喷涂或丝网印刷等

（5）烧银：

烧银的目的是在高温作用下使瓷件表面上形成连续、致密、附着牢固、导电性良好的银层

2、化学镀镍法

优点：

（1）镀层厚度均匀，能使瓷件表面形成厚度基本一致的镀层。

（2）沉积层具有独特的化学、物理和机械性能，如抗腐蚀、表面光洁、硬度高、耐磨良好等。

（3）投资少，简便易行，化学镀不需要电源，施镀时只需直接把镀件浸入镀液即可。

化学镀的工艺流程为：

陶瓷片→水洗→除油→水洗→粗化→水洗→敏化→水洗→活化→水洗→化学镀→水洗→热处理。

三、真空溅射镀膜

它是在功能陶瓷表面形成导电层的方法，如镀铝，金等，具有镀膜质量较高，简便实用等优点。

该方法配合光刻技术可以形成复杂的电极图案，也可形成合金和难熔金属的导电层以及各种氧化物，钛酸钡等化合物薄膜。

真空蒸发镀膜原理如下图所示。

常用的有电阻加热法和电子束加热法。

三、陶瓷表面改性新技术

1、热喷涂法：

利用氧乙炔（丙烷）火焰、电弧或等离子等高温热源将欲涂覆的各种涂层材料熔化或软化，并用高速射流使之雾化成微细颗粒液滴或高温颗粒，喷射到经过预处理的基体表面工件表面，从而与基体形成一层牢固的涂层的技术，达到高度耐磨、减摩、耐蚀、耐高温以及修补恢复尺寸等目的。

2、冷喷涂法：

利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入喷枪产生超音速流，粉末颗粒经喷枪加速后在完全固态下撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。

3、溶胶－凝胶法：

用易水解的金属醇盐或无机盐，在某种溶剂中发生水解反应，经水解缩聚形成均匀的溶胶，将溶胶涂覆在金属的表面，再经干燥、焙烧后形成涂层。

4、物理－化学气相沉积法：

气相沉积是指以材料的气态（或蒸汽）或气态物质化学反应的产物在工件表面形成涂层的技术，前者称为物理气相沉积（PVD），后者称为化学气相沉积（CVD）。

物理气相沉积有溅射法、离子镀法、真空蒸镀法等。

对于陶瓷基体来说，用的较多的是溅射法。

溅射法是通过待镀材料源和基板一起放入真空室内，然后利用正离子轰击作为阴极的靶，以动量传递的方法使靶材中的原子、分子溢出并在基板表面上凝聚成膜。

化学气相沉积是指在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。

5、熔盐反应法：

其原理是利用过渡金属在熔盐里歧化反应，在陶瓷表面沉积金属薄膜和涂层，从而改善陶瓷表面的润湿性能

6、陶瓷表面改性新技术：

如离子注入技术、等离子体喷涂、激光技术、爆炸喷涂、陶瓷粉体的表面包覆改性等

思考：

1、简要概述陶瓷加工工艺流程及成型方法。

2、釉的作用