特性

彩绘陶瓷瓶

彩绘陶瓷瓶 

说到陶瓷材料，难免将陶与瓷分开来谈，我们经常说的陶瓷，是指陶器和瓷器两个种类的合称。在创作领域中，陶与瓷都是陶瓷艺术中*重要组成部分，但是陶与瓷却有着质的不同。

陶，是以粘性较高、可塑性较强的粘土为主要原料制成的，不透明、有细微气孔和微弱的吸水性，击之声浊。瓷是以粘土、长石和石英制成，半透明，不吸水、抗腐蚀，胎质坚硬紧密，叩之声脆。

分类

陶瓷材料目前尚无统一的分类方法，通常把陶瓷材料分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷3类。其中工程陶瓷又分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。其中普通陶瓷又称传统陶瓷，特种陶瓷又称现代陶瓷。

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料和模具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。

普通陶瓷

普通陶瓷又称传统陶瓷，其主要原料是黏土 （Al2O3·2SiO2·H2O）、石英 （SiO2） 和长石 （K2O·Al2O3·6SiO2）。通过调整3者比例，可得到不同的抗电性能、耐热性能和机械性能。一般普通陶瓷坚硬，但脆性大，绝缘性和耐蚀性好。 

普通陶瓷通常分为日用陶瓷和工业陶瓷两类。

特种陶瓷

特种陶瓷又称现代陶瓷，按应用包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。

①氧化物陶瓷  

a.氧化物陶瓷的性质

Ⅰ.熔点大多在2000℃以上，烧成温度在1800℃左右。在烧成温度时，氧化物颗粒发生快速烧结，颗粒间出现固体表面反应，从而形成大块陶瓷晶体 （单相），或有少量气体产生。 

Ⅱ.氧化物陶瓷的强度随温度升高而降低，但在1000℃以下一直保持较高强度，随温度变化不大。

Ⅲ.纯氧化陶瓷都是很好的高温耐火度结构材料，在任何情况下陶瓷都不会产生氧化。

b.氧化物陶瓷的种类

Ⅰ. 氧化铝陶瓷 

氧化铝的结构是O排成密排六方结构，Al占据间隙位置。自然界很少有纯氧化铝，根据含杂质的多少，氧化铝可呈红色或蓝色。实际生产中，氧化铝陶瓷Al2O3含量可分为75、95、99等几种瓷。

氧化铝的熔点高达2050℃，而且抗氧化性好，硬度高，微晶刚玉红硬性可达1200℃。常用于制造金属拔丝模及切削淬火钢刀具。 

Ⅱ.氧化铍陶瓷

以氧化铍为主要成分的陶瓷。纯氧化铍 （BeO） 属立方晶系。密度3.03 g/㏄，熔点2570℃。具有很高的导热性，几乎与纯铝相等，还有很好的抗热震性。

粉末有毒性，且使接触伤口难于愈合。以氧化铍粉末为原料加入氧化铝等配料经高温烧结而成。制造这种陶瓷需要良好的防护措施。氧化铍在含有水汽的高温介质中，挥发性会提高，1000℃开始挥发，并随温度升高挥发量增大，这就给生产带来困难，有些国家已不生产。

制品性能优异，虽价格较高，仍有相当大的需求量。主要用作大规模集成电路基板，大功率气体激光管，晶体管的散热片外壳，微波输出窗和中子减速剂等材料。在模具应用方面亦有用制造精密玻璃模具。

Ⅲ. 氧化锆陶瓷

Ⅰ.氧化锆陶瓷的熔点在2700℃以上，能耐2300℃的高温，其推荐使用温度为2000℃～2200℃。因此，可以作反应堆绝热材料。氧化锆作为添加剂可大大提高陶瓷的强度和韧性，生产出氧化锆增韧陶瓷 （PSZ）。

Ⅱ.氧化锆增韧陶瓷具有多相结构，在不同温度和压力下可有3种不同的晶形结构，从而在合适的条件下应力可诱发相变和相变韧化，大幅度地提高断裂韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料，其强度达1200 MPa，断裂韧性为15MPa·m。 [10] 

Ⅲ.氧化锆增韧陶瓷具有满足热挤压模具要求的性能，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损的特点，特别是承受高温高压，变形小，比碳化钨、镍基或钴基硬质合金更为适合热挤压模。

Ⅳ.氧化锆增韧陶瓷硬度超过金属，韧性比一般陶瓷高，有很高的化学稳定性，至少耐高温800℃。金属粉末挤压模温度可达到600℃，铜棒挤压模工作在950℃，氧化锆增韧陶瓷制造的模具可比硬质合金模使用寿命高几十倍。含氧化镁的PSZ其抗弯强度可达400 MPa。

Ⅴ.氧化锆增韧陶瓷的缺点是无延展性，热导率低，热膨胀与金属材料并不匹配，在设计和使用时应该加以考虑。氧化锆和由于其优良的使用性能生产拉丝模、拉深模等，常用于拉深不锈钢工艺。

②碳化物陶瓷

碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼、碳化铈、碳化钼、碳化铌、碳化锆、碳化钛、碳化钒、碳化钨、碳化钽等。这类碳化物具有很高的熔点、硬度和耐磨性，但耐高温氧化能力差 （约900℃～1000℃），脆性较大。

a.碳化物陶瓷的性质

Ⅰ.碳化物陶瓷具有高熔点。例如碳化钛的熔点是3460℃，碳化钨的熔点2720℃，碳化锆的熔点3540℃。

Ⅱ.碳化物陶瓷硬度较高。例如碳化硼是仅次于金刚石和立方氮化硼最硬材料。

Ⅲ. 良好的导热性和化学稳定性。碳化物陶瓷不与酸发生反应，个别金属碳化物陶瓷即使加热也不与酸发生反应，稳定的碳化物陶瓷甚至不受硝酸+氢氟酸混合液的腐蚀。

b.碳化物陶瓷的分类 

Ⅰ.碳化硅陶瓷 

碳化硅陶瓷密度为 3.2×10 kg/m³，弯曲强度为200～250 MPa，抗压强度1000～1500 MPa，硬度莫氏9.2，热导率很高，热膨胀系数很小，在900℃～1300℃时慢慢氧化。

Ⅱ.碳化硼陶瓷 

碳化硼陶瓷硬度高，抗磨粒磨损能力很强; 熔点达2450℃，高温下会快速氧化，与热或熔融黑色金属发生反应，使用温度限定在980℃以下。主要用于作磨料，有时用于制造超硬质工具材料。 [10] 

Ⅲ.其他碳化物陶瓷 

碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钨和碳化锆陶瓷的熔点和硬度都很高，在2000℃以上的中性或还原气氛作高温材料; 碳化铌、碳化钛用于2500℃以上的氮气气氛中的高温材料。

碳化物陶瓷主要用于化工、汽车工业、核工业、微电子工业、激光等领域作高温材料或高功率材料。在模具制造中，常用于耐磨、耐蚀性拉丝模、成型模、热压铸模具、蜂窝陶瓷模具等。

③硼化物陶瓷

a.硼化物陶瓷的性质

Ⅰ.优良的高温特性。熔点范围为1800℃～2500℃，具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400℃。在800℃的高温下其弯曲强度也几乎不下降，而且其硬度随温度上升而下降的比例也较其他材料小。

Ⅱ.具有高韧性。在室温下，其断裂韧性值KIC达30 MN/m功，此一数值相当于有代表性的工程陶瓷碳化硅的6～8倍。当B4C的晶粒细化到5μm时，强度为500～600 MPa，晶粒尺寸小于1μm时，强度达1000 MPa以上。

Ⅲ.硬度高，耐磨性好。硬度为1000 HV左右，具有高的剪切模量。耐化学浸蚀能力，难挥发，但高温抗蚀性、抗氧化性较差。

b.硼化物陶瓷的类型

常用的硼化物陶瓷分别以二硼化锆 （ZrB2）、二硼化钛（TiB2）、六硼化镧 （LaB6） 等硼化物制成的硼化锆陶瓷、硼化钛陶瓷、硼化铬陶瓷、硼化钼陶瓷和硼化钨陶瓷等。

硼化物陶瓷具有高熔点、高硬度、高化学稳定性以及高耐磨、耐腐蚀性等特点，是重要的耐火材料之一。在核工业、宇航等领域有着广泛应用。主要用于高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件、电触点材料、耐磨材料及工具材料等。在模具制造中常用于制造模具结构元件、耐热构件等。

④氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮与金属或非金属元素以共价键相结合的难熔化合物为主要成分的陶瓷。

Ⅰ.氮化物陶瓷的性质

a. 以四氮化三硅陶瓷的抗氧化能力最佳，1400℃时开始活性氧化，抗化学腐蚀性很好。有的还具有特殊的机械、介电或导热性能。

b.烧结较困难。先制出优质粉末原料，然后采用氮化反应烧结法和热压法烧结法、热等静压烧结法等制成陶瓷制品。 

Ⅱ.氮化物陶瓷的类型

应用较广的陶瓷有四氮化三硅 （Si3N4）、氮化硼 （BN）、氮化铝（AlN） 等陶瓷。 

制备工艺

原料

陶瓷及其他硅酸盐制品所用原料大部分是天然的矿物或岩石，其中多为硅酸盐矿物。这些原料种类繁多，资源蕴藏丰富，在地壳中分布广泛，这为陶瓷工业的发展提供了有利的条件，早期的陶瓷制品，均是用单一的黏土矿物原料制作的，后来，随着陶瓷工艺技术的发展及对制品性能要求的提高，人们逐渐地在坯料中加入了其他矿物原料，即除用黏土作为可塑性原料以外，还适当添入石英作为瘠性原料，添入长石以及其他含碱金属及碱土金属的矿物作为熔剂原料。目前，陶瓷原料的分类尚无统一的方法，一般按原料的工艺特性划分为可塑性原料、瘠性原料、熔剂性原料和功能性原料四大类。

①可塑性原料

可塑性原料的矿物成分主要是黏土矿物，它们均属层状构造的硅酸盐，其颗粒一般属于显微粒度以下（小于10μm），并具有一定可塑性的矿物。如高岭土、多水髙岭土、膨润土、瓷土等。可塑性原料在生产中主要起塑化和结合作用，它赋予坯料可塑性和注浆成形性能，保证干坯强度及烧后的各种使用性能如机械强度、热稳定性、化学稳定性等，它们是成形能够进行的基础，也是黏土质陶瓷的成瓷基础。

②瘠性原料 

瘠性原料的矿物成分主要是非可塑性的硅、铝的氧化物及含氧盐。如石英、蛋白石叶蜡石、黏土煅烧后的熟料、废瓷粉等。瘠性原料在生产中起减黏作用，可降低坯料的黏性，烧成后部分石英溶解在长石玻璃中，提高液相黏度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架作用。

③熔剂性原料 

熔剂性原料的矿物成分主要是碱金属、碱土金属的氧化物及含氧盐。如长石、石灰石、白云石、滑石、锂云母、花岗岩等。它们在生产中起助熔作用，高温熔融后可以溶解一部分石英及髙岭土分解产物，熔融后的高黏度玻璃可以起到高温胶结作用。常温时也起减黏作用。

④功能性原料

除上述三大类原料以外的其他原料及辅助原料统称为功能性原料。如氧化锌、锆英石、色料、电解质等。它们在生产上不起主要作用，也不是成瓷的必要成分，一般是少量加入即能显著提高制品某些方面的性能，有时是为了改善坯釉料工艺性能而不影响到制品的性能，从而有利于生产工艺的实现。

坯料配方

原料选定以后，确定各种原料在坯料和釉料中的使用量是一项关键的工作，因为它直接关系到产品的质量以及工艺制度的制订。

坯料配方的设计是一项繁重而复杂的工作。目前，陶瓷产品的日新月异，陶瓷产品的性能要求千变万化，而且，陶瓷生产上所用的原料种类繁多，在化学组成矿物组成以及它们的工艺性能上有着很大的区别，还不能做到原料的标准化。各地企业的技术、设备、管理水平的不同，以及陶瓷产品的性能指标受多种因素的影响，所以，在进行坯料配方的设计时，不能仅靠理论上的计算，否则，难以得到满意的结果。

总之，在配方设计时应遵循以下基本原则:

（1）在化学组成上要满足陶瓷制品的性能要求。应对原料从化学组成上作充分的分析和性能比较，找出各原料的性能特色，视其是否具备或接近制品所需的性能。

（2）所用原料的性能和配比要能满足生产工艺及制品的最终的物理性能要求。应考虑原料的纯度、成形性能、烧成性能、烧后的色泽以及烧后的强度和透明性、热稳定性，有时在坯料的化学组成上做一定的改动，以满足产品的物理性能要求。

（3）要充分地考虑现有工厂的规模和具体的生产条件。不能由于配方的使用而大量地改变现有的生产工艺参数和投入大量的资金来购买设备与技术改造。坯料配方设计时，应从原料的制备成形和烧成等方面考察它们的工艺参数，并以此作为根本的条件，只有这样的配方，才具有实用性和科学价值。

（4）要考虑经济上的合理性。对原料要就地取材、量材使用、宁近勿远、物尽其用。 

坯料制备

日用陶瓷坯料通常是指将陶瓷原料经过配料和加工后，形成具有成形性能符合质量要求的供成形用的多组分混合物。根据制品的成形方法不同坯料具有不同的特征，分别制成含水率19%～26%的可塑成形用泥料、含水率为30%～35%的注浆成形用浆料含水率为4%～7%的干压成形用粉料以及热压注成形用的浆料或干粉与蜡均匀混合后的蜡饼等坯料有不同的制备工艺，应当根据所用原料的特性、设备使用条件、生产规模、产品的质量要求以及制备工艺本身的技术经济指标等因素来选择。坏料的加工方法或工艺控制不当，不仅会降低生产效率，增加生产成本，而且还会影响坯料的工艺性能和产品的使用性能。 

成形

陶瓷制品的成形，就是采用不同方法将坯料制成具有一定形状和尺寸的坯件。根据坯料含水率和性能的差异，陶瓷的成形方法分为可塑法、注浆法和压制法。

（1）可塑法成形

可塑法成形是在外力作用下，使具有可塑性的坯料发生塑性变形而制成坯体的方法。由于外力和操作方法不同，目用陶瓷的可塑法成形可分为手工成形和机械成形两大类雕塑、印坯、拉坯、手捏等属于手工成形，这些成形方法较为古老，多用于艺术陶瓷的制造。而旋压和滚压成形，则是目前工厂广为采用的机械成形方法，可用于盘、碗、杯碟等制品的生产。另外，在其他陶瓷工业中还釆用了挤制、车坯、压制、轧膜等可塑成形方法。

（2）注浆法成形

注浆成形是利用多孔模型的吸水性，将泥浆注入其中而成形的方法，这种成形方法适应性强，凡是形状复杂，不规则的薄壁、厚胎、体积较大且尺寸要求不严的制品都可用注浆法成形。如日用陶瓷中的花瓶、汤碗、椭圆形盘、茶壶手柄等都可采用注浆法成形。

注浆成形后的坯体结构均匀，但其含水率大，且不均匀，干燥收缩和烧成收缩较大。

另外，从生产过程来说，其生产周期长，手工操作多，劳动强度大，占地面积大，模型消耗多。随着生产工艺的不断进步和注浆成形机械的不断发展，这些问题将会得到改善和解决，从而使注浆成形更适合于现代化的陶瓷生产。  

（3）压制法成形

压制成形就是利用压力将置于模具内的粉料压紧至结构紧密，成为具有一定形状和尺寸的坯体的成形方法。根据粉料的含水率，可将其分为干压成形（含水率小于6%）和半干压成形（含水率6%～14%）压制成形坯体水分含量低，坯体致密，干燥收缩小，产品的形状尺寸准确，质量高。另外，成形过程简单，生产量大，便于机械化的大规模生产，对于具有规则几何形状的扁平制。

釉料

釉是熔融在陶瓷制品表面上的一层很薄的均匀玻璃质层。

无釉陶瓷制品通常存在表面粗糙无光、易吸湿、易沾污、易侵蚀等弱点，即使烧结程度很高，也会因此影响其美观、卫生及机电等性能。当在坯体表面上施敷一层玻璃态釉层时，可使制品获得有光泽、坚硬、不吸水的表面，不仅可以改善陶瓷制品的光学、力学、电学、化学等性能，而且对提高实用性和艺术性也起着重要作用。因此，在坯体表面施釉是非常必要的。

干燥

借助热能使物料脱水的过程称为干燥。成形后的各种坯体，通常都含有较高的水分尤其是可塑成形和注浆成形的坯体，尚处于塑性状态，强度很低，不利于后续工序的加工和运输。因此，在坯体进人烧成前必须根据各工序的操作要求，分段进行干燥，直至达到符合要求的最终水分。

坯体干燥的目的在于:降低坯体的含水率，使坯体具有足够的吸附釉浆的能力;提高坯体的机械强度，减少在搬运和加工过程中的破损;使坯体具有低的入窑水分，缩短烧成周期，降低燃料消耗。

烧成

原料是基础，烧成是关键。在陶瓷生产工艺过程中，烧成是至关重要的工序之一。陶瓷制品的烧成过程就是在一定的温度和气氛条件下，对经过成形、施釉、干燥后的陶瓷坯体进行高温处理，使其发生一系列的物理化学变化，形成一定的矿物组成和显微结构，最终获得陶瓷制品的各种特性坯体在烧成过程中要发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的温度、气氛条件下，所发生变化的内容与程度也不相同，从而形成不同的矿物组成和显微结构，决定了陶瓷制品不同的质量和性能。

坯体表面的釉层在烧成过程中也发生各种物理化学变化，最终形成玻璃态物质，从而具有各种理化性能和装饰效果。常见的烧成工艺可分为一次烧成和两次烧成。一次烧成，是将生坯施釉，干燥后入窑经高温一次烧成制品。两次烧成，是将未施釉的坯体，经干燥后*行素烧，然后施釉，再进行第二次烧成（釉烧）。一次烧成工艺简化了工序，降低了烧成时的热损失，两次烧成提高了坯体强度，有利于后续工序的机械化、自动化，减少了破损，提高了釉面质量。实际生产时应根据产品具体情况进行选择。

烧成过程是在被称为窑炉的专用热工设备中进行的。窑炉的种类很多，应根据不同的产品进行选择。同时，烧成时还常使用到各种窑具，合理地选择和使用窑具，对提高产品质量，节约能源，降低生产成本也有重要的意义。影响烧成的因素很多，在烧成过程中如果控制不当，不但浪费燃料，而且将直接影响产品质量，甚至造成大批废品，给企业带来不应有的损失。因此，我们只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。

装饰

装饰是对陶瓷制品进行艺术加工的重要手段，它是技术和艺术的统一。通过对陶瓷制品进行适当地装饰加工，不仅可以提高制品的艺术价值，给人带来美的享受，而且还能显著改善制品的外观质量，提高其经济价值陶瓷的装饰方法很多，它们各有其艺术特色。

根据陶瓷制品品种、工艺特点和装饰技法的不同可分为以下几种装饰类型

彩绘装饰:包括釉上彩装饰，如新彩、古彩、粉彩、广彩等釉上手工彩绘和釉上贴花、印花、刷花、喷彩、照相装潢、电光彩以及亮金、磨光金、腐蚀金等;釉下彩装饰，如釉下青花、釉里红、釉下五彩、釉下喷彩和釉下贴花等;釉中彩装饰，如低温釉中彩、中髙温釉中彩等 

艺术釉装饰:包括颜色釉、花釉、结晶釉、无光釉、裂纹釉、变色釉、荧光釉等。

雕塑装饰:包括捏花、堆花、剔花、刻花、镂空、浮雕、暗雕、圆雕以及塑造等。 

综合装饰:包括青花玲珑、晶雕堆花、色釉刻瓷、青花斗彩、有色艺术釉等。

其他装饰方法:包括色坯、化妆土、色粒坯、渗花、磨光和抛光、丝网印花、拼花装饰等。