[1]《陶瓷工藝學(xué)》電子教案緒 論陶瓷工藝學(xué)是無(wú)機(jī)非金屬材料重要的專業(yè)課程，它以陶瓷材料的性質(zhì)─構(gòu)造─工藝之間的關(guān)系為綱，說(shuō)明材料的組成，鍵性，構(gòu)造與性能的內(nèi)在聯(lián)系，爭(zhēng)論工藝方法對(duì)產(chǎn)品性能的影響。將技術(shù)根底的有關(guān)原理與生產(chǎn)工藝，性能掌握融合在一起。因此，廣義的陶瓷概念已延長(zhǎng)到無(wú)機(jī)非金屬材料的概念范疇內(nèi)。此外，陶瓷作為中國(guó)古老文明與藝術(shù)的象征，使得日用瓷具有最廣泛的有用性和賞識(shí)性，也是陶瓷科學(xué)技術(shù)與工藝美術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，陶瓷從作為日用品開頭，已逐步進(jìn)展為國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的重要材料。陶瓷已從古老的藝術(shù)宮殿走出來(lái)，跨進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的行列之中。燦爛的歷史文明給我們留下了大量的陶瓷藝術(shù)珍品，這些歷代名瓷或從造型，或從色彩，或從雕琢，從技術(shù)難度上制造了一個(gè)又一個(gè)的奇特，歷久彌，有猛烈的視覺效果，能有效的調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣,在課程內(nèi)容上,我們將另辟一章,結(jié)合專業(yè)學(xué)問(wèn)著重介紹我國(guó)歷代名瓷,不但可顯著提高學(xué)生聽課效果,而且符合當(dāng)前在自然學(xué)科中加強(qiáng)人文修養(yǎng)的要求。一、陶瓷的概念1、傳統(tǒng)陶瓷：陶器，炻器，瓷器等以粘土為主要原料的制品的通稱。按吸水率分類2二、陶瓷的進(jìn)展史概述12、由陶到瓷的進(jìn)展3１、技術(shù)與工藝的承受： 〔１〕原料制備：最初承受自然原料，不加任何處理。現(xiàn)在為適應(yīng)特別材料的特 殊要求，對(duì)原料進(jìn)展精選，分等級(jí)處理，在純度、粒度、性質(zhì)等各方面加以掌握?！玻病撤哿现苽洌簜鹘y(tǒng)的半機(jī)械，機(jī)械球磨，兌打粉磨等粉碎方法?，F(xiàn)在為制備超細(xì)粉末，承受化學(xué)氣〔液〕相沉淀，溶膠－凝膠法，氣流粉碎，超聲波粉碎等方法來(lái)制備〔膠體顆粒１０-７～１０-９m〕。一些半干壓成型的建筑陶瓷，鐵氧體及電子陶瓷普遍地承受噴霧枯燥法進(jìn)展坯料加工和造粒。在特種陶瓷粉末制備中將具體介紹如何用固、液、氣相法合成超細(xì)粉末。成型方法：等靜壓成型法已不僅用于特種陶瓷，也間續(xù)在電瓷，日用瓷的生產(chǎn)中使用，注射成型法開頭由塑料工業(yè)移植到陶瓷工業(yè)中去。施釉及燒結(jié)：國(guó)外，施釉方法由傳統(tǒng)的釉漿浸釉、噴釉、澆釉進(jìn)展到用釉粉壓制施釉的方法。煅燒方法除傳統(tǒng)的常壓燒結(jié)外，氣氛燒結(jié)、壓力燒結(jié)〔如熱壓、熱等靜壓〕已應(yīng)用于陶瓷生產(chǎn)中去。2、對(duì)陶瓷材料的性能與本質(zhì)的深入了解一些爭(zhēng)論材料成分和構(gòu)造的技術(shù)與儀器的消滅，促進(jìn)了人們對(duì)陶瓷的生疏進(jìn)入更高的層次。例如可用X-射線熒光分析、電子與離子探針、光電子能譜儀、俄歇能譜儀測(cè)得陶瓷中微量成分的種類、濃度、價(jià)態(tài)及其分布特征。承受X-射線衍射、中子衍射儀測(cè)定晶體構(gòu)造和點(diǎn)陣常數(shù)、固體中的缺陷，用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡來(lái)爭(zhēng)論陶瓷燒結(jié)體的顯微構(gòu)造。3、品種的開發(fā)由于科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)和需要，也使得能充分利用陶瓷的物理與化學(xué)特性開發(fā)出很多在高科技領(lǐng)域中應(yīng)用的功能材料與構(gòu)造材料。例如工業(yè)檢測(cè)與系統(tǒng)掌握用的陶瓷傳感器，燃?xì)廨啓C(jī)用的耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性的陶瓷部件，用作人造骨骼或器官的生物陶瓷等。由于這些進(jìn)步，人們把握了更多陶瓷材料性能、構(gòu)造與工藝之間內(nèi)在聯(lián)系的信息。為今后進(jìn)展到依據(jù)肯定性能要求，進(jìn)展構(gòu)造與工藝設(shè)計(jì)奠定初步的根底。第一章原料重點(diǎn)問(wèn)題的講解使學(xué)生能夠了解原料的突出特點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域有粗淺的生疏，為后面講各種硅酸鹽材料打下根底。原料是制備無(wú)機(jī)非金屬材料制品的根底，原料的質(zhì)量直接影響著最終產(chǎn)品的性能。本章主要介紹自然礦物原料、化工原料和合成原料。第一節(jié)粘土類原料粘土是無(wú)機(jī)非金屬材料制品生產(chǎn)的重要原料之一。在一般陶瓷、特種陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磚瓦等行業(yè)都離不開粘土原料。粘土是自然界中硅酸鹽巖石〔主要是長(zhǎng)石〕經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化作用而形成的一種疏松的或呈膠狀致密的土狀或致密塊狀礦物，是多種微細(xì)礦物和雜質(zhì)的混合體。自然界的粘土呈白、黃、紅、黑、灰等多種顏色，顆粒微細(xì)，多數(shù)均小于2μm，晶體有片狀、管狀、球狀及六角鱗片狀等。將其與水拌和能塑成各類外形，干后外形不變，且有肯定機(jī)械強(qiáng)度，煅燒后堅(jiān)硬如石。1．粘土的成因和分類粘土的成因各種富含硅酸鹽礦物的巖石經(jīng)風(fēng)化、水解、熱液蝕變等作用都可以變成粘土。風(fēng)化作用可分為物理風(fēng)化〔也叫機(jī)械風(fēng)化，主要是溫度的變化、冰凍、水力等的作用〕、化學(xué)風(fēng)化〔主要是二氧化碳及水的作用〕以及有機(jī)物風(fēng)化〔動(dòng)植物遺骸腐蝕〕三種類型。實(shí)際上硅酸鹽礦物的風(fēng)化過(guò)程是上述三種作用錯(cuò)綜穿插進(jìn)展的。當(dāng)含有O2、N2、CO2、酸堿、可溶性鹽類物質(zhì)的自然水與巖石長(zhǎng)期作用時(shí)，使巖石產(chǎn)生溶解、水化和侵蝕，從而形成的礦物。例如：4KAlSi3O8+6H2O----→2(Al2O3.2SiO2.2H2O)+8SiO2+4KOH 鉀長(zhǎng)石高嶺石4KAlSi3O8+2H2O+CO2----→Al2O3.2SiO2.2H2O+4SiO2+K2CO3 鉀長(zhǎng)石 高嶺石鉀長(zhǎng)石在風(fēng)化水解過(guò)程中生成的可溶性物質(zhì)，如K2CO3、KOH等，膠狀SiO2流失，只殘留下高嶺石、白云母、局部SiO2，再經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，便生成了具有肯定工業(yè)價(jià)值的粘土礦。熱液蝕變型粘土礦是指當(dāng)高溫巖漿遇冷漸漸降溫時(shí)，其中溶有的大量其他化合物的熱液〔水〕作用于母巖而形成的粘土礦物。由于母巖不同，風(fēng)化、水解、蝕變的條件不同，常形成不同類型的粘土礦物。粘土的分類粘土種類繁多，為便于爭(zhēng)論，一般可按成因、產(chǎn)狀、工藝性能及礦物組成等來(lái)分類。①按成因分類一次粘土：又稱殘留粘土或原生粘土，即母巖經(jīng)風(fēng)化崩碎后就地殘留下來(lái)的粘土。此類粘土質(zhì)地較純，耐火度較高，但顆粒較粗，可塑性較差。二次粘土：又稱沉積粘土或次生粘土，是由風(fēng)化而成的一次粘土經(jīng)雨水、河川的漂流及風(fēng)力作用，而遷移在低洼的地方沉積形成的粘土層。二次粘土顆粒細(xì)小，可塑性強(qiáng)，耐火度較低，常因混入呈色雜質(zhì)而帶各種顏色。②按耐火度分類耐火度在1580℃以上的為耐火粘土；耐火度在135O～1580℃之間的犯難熔粘土；耐火度在1350℃以下的為易熔粘土。 ③按可塑性分類高塑性粘土：又稱軟質(zhì)粘土、結(jié)合粘土。顆粒較細(xì)，水中易分散，可塑性好，含雜質(zhì)較多，一般呈疏松狀、板狀、頁(yè)狀。如膨潤(rùn)土、球土、木節(jié)土等。低塑性粘土：又稱硬質(zhì)粘土、瘠性粘土。在水中不易分散，較堅(jiān)硬，可塑性較小，多呈致密塊狀、石狀，如焦寶石、瓷石、葉蠟石等。 2．粘土的組成粘土的組成通常指化學(xué)組成、礦物組成和顆粒組成?！?〕粘土的化學(xué)組成由于粘土是含水鋁硅酸鹽的混合物，其化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3H2O，由于成礦條件不同，粘土中同時(shí)含有堿金屬氧化物K2O、Na2O，堿土金屬氧化物CaO、MgOFe2O3TiO2粘土的化學(xué)組成在生產(chǎn)中有重要的指導(dǎo)意義，依據(jù)粘土的化學(xué)成分，可初步估量出粘土的礦物組成、粘土耐火度的凹凸、粘土的顏色及工藝性能等。表1-1粘土的化學(xué)組成。1-1幾種典型粘土的化學(xué)組成化學(xué)成分〔%〕名稱SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O47.2837.410.78-0.360.102.510.2312.0346.9237.500.15-0.560.160.080.0514.5268.5220.240.60-0.150.751.427.49山西大同土43.2539.440.270.090.240.38--16.07淄博焦寶石45.2638.340.700.780.050.050.050.1014.46唐山紫木節(jié)41.9635.910.910.962.10.420.37-16.96〔2〕物為高嶺石類〔包括高嶺石、多水高嶺石等〕、蒙脫石類〔包括蒙脫石、葉臘石等〕和伊利石〔也稱水云母〕類三種。①高嶺石類高嶺石是一種常見的粘土礦物，因首先覺察于江西景德鎮(zhèn)浮梁縣的高嶺村而得名，國(guó)際上也將一切利于制瓷的粘土均稱為高嶺土〔Kaolin〕。它的主要礦物是高嶺石〔包括地開石、珍寶陶土及多水高嶺石〕。高嶺石的化學(xué)式為Al2O3.2SiO2.2H2O〔其中Al2O339.50%、SiO246.54%、H2O13.96%〕，其構(gòu)造式為：Al4[Si4O10](OH)8。高嶺石屬三斜晶系，晶體多呈六角鱗片狀，也有粒狀、桿狀的，輪廓較清楚，晶片往0.3～3μm0.05μm。二次高嶺土中粒子外形不規(guī)章，邊緣折斷，尺寸較小。高嶺石晶體屬雙層構(gòu)造的硅酸鹽礦物，每個(gè)晶層均由一層硅氧四周體［SiO4］與一層鋁氧八面體[AlO2(OH)41-11-1OH聯(lián)系。故層間結(jié)合力較弱，易于裂開及滑移，層間不易吸附水分子。但由于水的楔裂作用，或外部機(jī)械力的作用，易使層間分別，粒子破壞，從而提高比外表積及分散度，增加了可塑性。地開石、珍寶陶土、多水高嶺石的構(gòu)造與高嶺石相近。由于它們構(gòu)造上各具特點(diǎn)，在性能等方面均有肯定的差異。 ②蒙脫石類蒙脫石，又稱微晶高嶺石或膠嶺石，以蒙脫石為主要礦物的粘土叫膨潤(rùn)土。呈白色或灰白色，有時(shí)因含雜質(zhì)而呈黃色、淺紅色、藍(lán)綠色等。比密度為2.2～2.9，莫氏硬度l～2。屬單斜晶系晶體，其化學(xué)式為：Al2O3.4SiO2.nH2O〔n>2〕，晶體構(gòu)造式為：Al4(Si8O20)(OH)4.nH2O。蒙脫石結(jié)晶程度差，輪廓不清楚，很難覺察其單晶體。晶粒極細(xì)小，一般小于0.5μm，呈不規(guī)章的粒狀或鱗片形膠狀。蒙脫石屬層狀粘土礦物，晶體構(gòu)造是：每個(gè)單元晶層是由兩邊的Si-0夾著一個(gè)鋁氧八面體層而成的三層構(gòu)造。兩邊的Si-O將三層聯(lián)系起來(lái)，此構(gòu)造沿C、bac氧層與氧層間聯(lián)系力很小，水分子與其他極性分子易侵入層間而形成層間水，層間水的數(shù)量常隨外界環(huán)境的溫、濕度而變化，引起c2O～30蒙脫石易粉碎，顆粒細(xì)小，可塑性好，枯燥收縮較大，枯燥強(qiáng)度高，因含雜質(zhì)多，Al2O3含量低，故燒成溫度較低，燒后色澤不抱負(fù)。在陶瓷生產(chǎn)中用量一般不得超過(guò)5％，釉中可摻少許作懸浮劑。 葉蠟石〔也稱葉臘石〕也是常用的一種粘土礦物。葉蠟石化學(xué)通式為：Al2O3.4SiO2.H2O，其理論化學(xué)組成為：Al2O328.30%、SiO266.70%、H2O5.00%。它的晶體構(gòu)造式為：Al2[Si4O10](OH)2。葉蠟石為單斜晶系，呈片狀或放射狀集合體，有時(shí)呈隱晶質(zhì)致密塊體。白色微帶淺黃或綠色，玻璃光澤，致密塊體呈蠟狀光澤。1～22.81700℃。葉蠟石通常是由微小鱗片狀晶體構(gòu)成的致密塊狀，質(zhì)軟而富有脂肪感。葉蠟石中的結(jié)晶水較少，在5OO～8O0℃之間脫水緩慢，總收縮不大、膨脹系數(shù)較小，有良好的熱穩(wěn)定性，不燒成熟料即可作耐火材料的原料，也是快速燒成陶瓷產(chǎn)品的抱負(fù)原料。③伊利石類伊利石又稱水云母〔因白云母水化而得名〕，礦物顆粒很小，常混有其它粘土礦物。它是包括水黑云母、水白云母、蛭石等似云母的一類成分較簡(jiǎn)單、分布很廣、產(chǎn)量也大得粘土礦物?；瘜W(xué)組成K<1[(Si,Al)4O10](OH)2.nH2O，組分含量不定，K2O3～8%，個(gè)別到達(dá)10%。K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O，Al2O328.30%、SiO266.70%、H2O5.00%。與白云母比較伊利石含K2OK2O與白云母及伊利石構(gòu)造類似的一種礦物成為絹云母，它是在熱液或變質(zhì)作用下形成的細(xì)小鱗片狀的白云母，但具有絲絹光澤，故而得名絹云母。與白云母相比其SiO2含量稍高，含K2O則比白云母低而比伊利石高，其含水量也介于白云母和伊利石之間。絹云母是白云母和伊利石之間的過(guò)渡產(chǎn)物。 〔3〕粘土的顆粒組成粘土的顆粒組成是指粘土中含有不同大小顆粒的百分含量。粘土中的粘土礦物顆粒較細(xì)，一般直徑在2um以下。由于粘土粒徑大小的不同，其工藝性質(zhì)亦不同；細(xì)顆粒粘土礦物的比外表大，外表能高，可塑性較強(qiáng)，枯燥收縮大，枯燥強(qiáng)度高，易于燒結(jié)成致密坯體，利于提高陶瓷坯體的機(jī)械強(qiáng)度。此外，粘土顆粒的外形及結(jié)晶程度對(duì)工藝性質(zhì)亦有肯定影響。一般來(lái)說(shuō)，片狀顆粒較其他外形的顆粒堆集密度大、塑性大、強(qiáng)度高。結(jié)晶程度差的粘土顆粒比結(jié)晶程度好的可塑性較大。 3、粘土的工藝性能粘土是無(wú)機(jī)非金屬材料制品生產(chǎn)的主要原料之一，了解粘土的工藝性能對(duì)合理地選擇粘土、科學(xué)配方、穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量均起著舉足輕重的作用。粘土的工藝性質(zhì)取決于粘土的化學(xué)成分、礦物組成、顆粒組成。現(xiàn)將粘土原料的幾種主要性質(zhì)介紹如下：可塑性當(dāng)粘土與適量的水混練后形成泥團(tuán)，此泥團(tuán)在外力作用下產(chǎn)生變形但不開裂，當(dāng)外力去掉以后，仍能保持其外形不變，粘土的這種性質(zhì)稱為可塑性。常用“可塑性限度〔塑限〕”、“液性限度〔液限〕”、“可塑性指數(shù)”、“可塑性指標(biāo)”和相應(yīng)含水率等參數(shù)來(lái)表示粘土可塑性的大小?！八芟蕖笔侵刚惩粱蚺髁嫌煞勰顟B(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)的含水量。“液限”是指粘土或坯料由塑性狀態(tài)進(jìn)入流淌狀態(tài)時(shí)的含水量?！翱伤苄灾笖?shù)”是液限與塑限之差?！翱伤苄灾笜?biāo)”系指在工作水分下，粘土或坯料受外力作用最初消滅裂紋時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之乘積，也可用此時(shí)的含水率來(lái)表示。粘土與可塑性的關(guān)系如圖1-2處于可塑狀態(tài)的粘土或坯料是一固、液并存的多相體系。粘土可塑性的大小主要取決于固相及液相的性質(zhì)和數(shù)量。固相的性質(zhì)主要是指固相物的種類、顆粒外形及大小、顆粒級(jí)比以及顆粒的離子交換力量等。液相的性質(zhì)主要是指液相的粘度及其對(duì)固相的浸潤(rùn)力量等。一般而言，固體分散相越細(xì)、分散度越高、比外表積越大，可塑性就越好。層狀粘土礦物的薄片狀粒較桿狀、棱角狀顆粒的塑性為好。粘土礦物離子交換力量大，則其可塑性較好。可塑性粘土系統(tǒng)中，液相假設(shè)粘度較大、且能很好地潮濕粘土顆粒，其與粘土混練后可塑性較高。依據(jù)粘上可塑指數(shù)或可塑指標(biāo)大小可將其分為以下幾類：強(qiáng)塑性粘土：指數(shù)＞153.67～152.5～3.6；弱l～7<2.5；非塑性粘土：指數(shù)<1。結(jié)合性粘土的結(jié)合性是指粘土能夠結(jié)合非塑性原料而形成良好的可塑泥團(tuán)，并且有肯定枯燥強(qiáng)度的力量。粘土的結(jié)合性由其結(jié)合瘠性料的結(jié)合力的大小來(lái)衡量，而結(jié)合力的大小又與粘土礦物的種類、構(gòu)造等因素有關(guān)。一般而言，可塑性強(qiáng)的粘土其結(jié)合力也大。 試驗(yàn)室中粘土的結(jié)合力通常以能夠形成可塑泥團(tuán)時(shí)所參加標(biāo)準(zhǔn)石英砂〔顆粒組成為:0.25～O.15mm70%，0.15～0.09mm30%〕的數(shù)量及干后抗折強(qiáng)度來(lái)反映。一般加砂量＞50%25%～50%為中等結(jié)合力粘土，加砂量＜20％為結(jié)合力弱的粘土。離子交換性4+3+粘土顆粒帶有電荷，其來(lái)源是[SiO4]四周體中的SiAl持粘土顆粒外表的電價(jià)平衡，粘土顆粒在水系統(tǒng)中則吸附其他異電荷離子。然而，被吸附的離子又會(huì)被其他同性電荷的離子置換，發(fā)生離子交換。100gmol×10/g。粘土的陽(yáng)離子交換容量按以下挨次自左到右漸漸減?。篐+＞Al3+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+在粘土顆粒的棱角上，陰離子亦會(huì)被粘土顆粒吸附，但吸附力量較小，陰離子取代力量自左到有漸漸減?。?2-4-------2- OH＞CO3＞P2O7＞CNS＞I＞Br＞Cl＞NO3＞F＞SO4粘土離子交換力量的大小除與離子性質(zhì)有關(guān)外，還與粘土礦物的種類、有序度、分散度、粘土中有機(jī)物的含