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《陶瓷工艺学》绪论陶瓷工艺学是无机非金属材料重要的专业课程，它以陶瓷材料的性质─结构─工艺之间的关系为纲，阐明材料的组成，键性，结构与性能的内在联系，讨论工艺方法对产品性能的影响。将技术基础的有关原理与生产工艺，性能控制融合在一起。因此，广义的陶瓷概念已延伸到无机非金属材料的概念范畴内。此外，陶瓷作为中国古老文明与艺术的象征，使得日用瓷具有最广泛的实用性和欣赏性，也是陶瓷科学技术与工艺美术有机结合的产物，陶瓷从作为日用品开始，已逐步发展为国民经济领域中的重要材料。陶瓷已从古老的艺术宫殿走出来，跨进了现代科学技术的行列之中。璀璨的历史文明给我们留下了大量的陶瓷艺术珍品，这些历代名瓷或从造型，或从色彩，或从雕琢，从技术难度上创造了一个又一个的神奇，历久弥新，有强烈的视觉效果，能有效的调动学生的兴趣,在课程内容上,我们将另辟一章,结合专业知识着重介绍我国历代名瓷,不但可显著提高学生听课效果,而且符合当前在自然学科中加强人文修养的要求。一、陶瓷的概念1、传统陶瓷：陶器，炻器，瓷器等以粘土为主要原料的制品的通称。按吸水率分类2、现在陶瓷：无机非金属固体材料的通称。从概念上可以看出陶瓷内涵的扩大二、陶瓷的发展史概述1、陶器的起源和演变2、由陶到瓷的发展3、我国历代瓷器的成就三、陶瓷在现代化建设中的作用四、现代陶瓷技术１、新技术与新工艺的采用：（１）原料制备：最初采用天然原料，不加任何处理。现在为适应特殊材料的特殊要求，对原料进行精选，分等级处理，在纯度、粒度、性质等各方面加以控制。（２）粉料制备：传统的半机械，机械球磨，兑打粉磨等粉碎方法。现在为制备超细粉末，采用化学气（液）相沉淀，溶胶－凝胶法，气流粉碎，超声波粉碎等方法来制备（胶体颗粒１０-７～１０-９m）。一些半干压成型的建筑陶瓷，铁氧体及电子陶瓷普遍地采用喷雾干燥法进行坯料加工和造粒。在特种陶瓷粉末制备中将详细介绍如何用固、液、气相法合成超细粉末。（3）成型方法：等静压成型法已不仅用于特种陶瓷，也陆续在电瓷，日用瓷的生产中使用，注射成型法开始由塑料工业移植到陶瓷工业中去。（4）施釉及烧结：国外，施釉方法由传统的釉浆浸釉、喷釉、浇釉发展到用釉粉压制施釉的方法。煅烧方法除传统的常压烧结外，气氛烧结、压力烧结（如热压、热等静压）已应用于陶瓷生产中去。2、对陶瓷材料的性能与本质的深入了解一些研究材料成分和结构的技术与仪器的出现，促进了人们对陶瓷的认识进入更高的层次。例如可用X-射线荧光分析、电子与离子探针、光电子能谱仪、俄歇能谱仪测得陶瓷中微量成分的种类、浓度、价态及其分布特征。采用X-射线衍射、中子衍射仪测定晶体结构和点阵常数、固体中的缺陷，用光学显微镜、电子显微镜来研究陶瓷烧结体的显微结构。3、新品种的开发由于科学技术的推动和需要，也使得能充分利用陶瓷的物理与化学特性开发出许多在高科技领域中应用的功能材料与结构材料。例如工业检测与系统控制用的陶瓷传感器，燃气轮机用的耐高温、高强度、高韧性的陶瓷部件，用作人造骨骼或器官的生物陶瓷等。由于这些进步，人们掌握了更多陶瓷材料性能、结构与工艺之间内在联系的信息。为今后发展到根据一定性能要求，进行结构与工艺设计奠定初步的基础。第一章原料本讲主要介绍第一章原料中的第一节矿物原料。需要强调和补充的内容包括：通过重点问题的讲解使学生能够了解原料的突出特点，并对应用领域有粗浅的认识，为后面讲各种硅酸盐材料打下基础。原料是制备无机非金属材料制品的基础，原料的质量直接影响着最终产品的性能。本章主要介绍天然矿物原料、化工原料和合成原料。第一节粘土类原料粘土是无机非金属材料制品生产的重要原料之一。在普通陶瓷、特种陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、砖瓦等行业都离不开粘土原料。粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密的土状或致密块状矿物，是多种微细矿物和杂质的混合体。自然界的粘土呈白、黄、红、黑、灰等多种颜色，颗粒微细，多数均小于2μm，晶体有片状、管状、球状及六角鳞片状等。将其与水拌和能塑成各类形状，干后形状不变，且有一定机械强度，煅烧后坚硬如石。1．粘土的成因和分类（1）粘土的成因各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化、水解、热液蚀变等作用都可以变成粘土。风化作用可分为物理风化（也叫机械风化，主要是温度的变化、冰冻、水力等的作用）、化学风化（主要是二氧化碳及水的作用）以及有机物风化（动植物遗骸腐蚀）三种类型。实际上硅酸盐矿物的风化过程是上述三种作用错综交叉进行的。当含有O2、N2、CO2、酸碱、可溶性盐类物质的天然水与岩石长期作用时，使岩石产生溶解、水化和侵蚀，从而形成新的矿物。例如：4KAlSi3O8+6H2O----→2(Al2O3.2SiO2.2H2O)+8SiO2+4KOH钾长石高岭石4KAlSi3O8+2H2O+CO2----→Al2O3.2SiO2.2H2O+4SiO2+K2CO3钾长石高岭石钾长石在风化水解过程中生成的可溶性物质，如K2CO3、KOH等，胶状SiO2等均随水流失，只残留下高岭石、白云母、部分SiO2，再经过漫长的地质时期，便生成了具有一定工业价值的粘土矿。热液蚀变型粘土矿是指当高温岩浆遇冷逐渐降温时，其中溶有的大量其他化合物的热液（水）作用于母岩而形成的粘土矿物。由于母岩不同，风化、水解、蚀变的条件不同，常形成不同类型的粘土矿物。（2）粘土的分类粘土种类繁多，为便于研究，一般可按成因、产状、工艺性能及矿物组成等来分类。①按成因分类一次粘土：又称残留粘土或原生粘土，即母岩经风化崩碎后就地残留下来的粘土。此类粘土质地较纯，耐火度较高，但颗粒较粗，可塑性较差。二次粘土：又称沉积粘土或次生粘土，是由风化而成的一次粘土经雨水、河川的漂流及风力作用，而迁移在低洼的地方沉积形成的粘土层。二次粘土颗粒细小，可塑性强，耐火度较低，常因混入呈色杂质而带各种颜色。②按耐火度分类耐火度在1580℃以上的为耐火粘土；耐火度在135O～1580℃之间的为难熔粘土；耐火度在1350℃以下的为易熔粘土。③按可塑性分类高塑性粘土：又称软质粘土、结合粘土。颗粒较细，水中易分散，可塑性好，含杂质较多，一般呈疏松状、板状、页状。如膨润土、球土、木节土等。低塑性粘土：又称硬质粘土、瘠性粘土。在水中不易分散，较坚硬，可塑性较小，多呈致密块状、石状，如焦宝石、瓷石、叶蜡石等。2．粘土的组成粘土的组成通常指化学组成、矿物组成和颗粒组成。（1）粘土的化学组成因为粘土是含水铝硅酸盐的混合物，其化学成分主要是SiO2、Al2O3和H2O，由于成矿条件不同，粘土中同时含有碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化物CaO、MgO及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。粘土的化学组成在生产中有重要的指导意义，根据粘土的化学成分，可初步估计出粘土的矿物组成、粘土耐火度的高低、粘土的颜色及工艺性能等。表1-1列出我国几种典型粘土的化学组成。表1-1几种典型粘土的化学组成名称化学成分（%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O烧失景德镇高岭土47.2837.410.78-0.360.102.510.2312.03苏州土46.9237.500.15-0.560.160.080.0514.52界牌桃红土68.5220.240.60-0.150.751.427.49山西大同土43.2539.440.270.090.240.38--16.07淄博焦宝石45.2638.340.700.780.050.050.050.1014.46唐山紫木节41.9635.910.910.962.10.420.37-16.96（2）粘土的矿物组成无机非金属材料制品所用的粘土的主要矿物为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶腊石等）和伊利石（也称水云母）类三种。①高岭石类高岭石是一种常见的粘土矿物，因首先发现于江西景德镇浮梁县的高岭村而得名，国际上也将一切利于制瓷的粘土均称为高岭土（Kaolin）。它的主要矿物是高岭石（包括地开石、珍珠陶土及多水高岭石）。高岭石的化学式为Al2O3.2SiO2.2H2O（其中Al2O339.50%、SiO246.54%、H2O13.96%），其结构式为：Al4[Si4O10](OH)8。高岭石属三斜晶系，晶体多呈六角鳞片状，也有粒状、杆状的，轮廓较清楚，晶片往往互相重叠，颗粒平均尺寸为0.3～3μm，晶片厚约0.05μm。二次高岭土中粒子形状不规则，边缘折断，尺寸较小。高岭石晶体属双层结构的硅酸盐矿物，每个晶层均由一层硅氧四面体［SiO4］与一层铝氧八面体[AlO2(OH)4]通过共用的氧原子联系在一起，晶体结构如图1-1所示。图1-1表明，高岭石的相邻两晶层通过八面体的OH键与另一层四面体的氧以氢键相联系。故层间结合力较弱，易于裂开及滑移，层间不易吸附水分子。但由于水的楔裂作用，或外部机械力的作用，易使层间分离，粒子破坏，从而提高比表面积及分散度，增加了可塑性。地开石、珍珠陶土、多水高岭石的结构与高岭石相近。由于它们结构上各具特点，在性能等方面均有一定的差别。②蒙脱石类蒙脱石，又称微晶高岭石或胶岭石，以蒙脱石为主要矿物的粘土叫膨润土。呈白色或灰白色，有时因含杂质而呈黄色、浅红色、蓝绿色等。比密度为2.2～2.9，莫氏硬度l～2。属单斜晶系晶体，其化学式为：Al2O3.4SiO2.nH2O（n2），晶体结构式为：Al4(Si8O20)(OH)4.nH2O。蒙脱石结晶程度差，轮廓不清楚，很难发现其单晶体。晶粒极细小，一般小于0.5μm，呈不规则的粒状或鳞片形胶状。蒙脱石属层状粘土矿物，晶体结构是：每个单元晶层是由两边的Si-0四面体层中间夹着一个铝氧八面体层而成的三层结构。两边的Si-O四面体以顶端的氧与八面体共用，将三层联系起来，此结构沿C、b轴可无限伸长，沿a轴以一定间距重叠。沿c轴方向的氧层与氧层间联系力很小，水分子与其他极性分子易侵入层间而形成层间水，层间水的数量常随外界环境的温、湿度而变化，引起c轴方向的膨胀与收缩，这就是蒙脱石的吸水特性。因吸水后体积膨胀，有时大到2O～30倍，故名膨润土。蒙脱石易粉碎，颗粒细小，可塑性好，干燥收缩较大，干燥强度高，因含杂质多，Al2O3含量低，故烧成温度较低，烧后色泽不理想。在陶瓷生产中用量一般不得超过5％，釉中可掺少许作悬浮剂。叶蜡石（也称叶腊石）也是常用的一种粘土矿物。叶蜡石化学通式为：Al2O3.4SiO2.H2O，其理论化学组成为：Al2O328.30%、SiO266.70%、H2O5.00%。它的晶体结构式为：Al2[Si4O10](OH)2。叶蜡石为单斜晶系，呈片状或放射状集合体，有时呈隐晶质致密块体。白色微带浅黄或绿色，玻璃光泽，致密块体呈蜡状光泽。硬度1～2，密度为2.8左右，熔点1700℃。叶蜡石通常是由细微鳞片状晶体构成的致密块状，质软而富有脂肪感。叶蜡石中的结晶水较少，在5OO～8O0℃之间脱水缓慢，总收缩不大、膨胀系数较小，有良好的热稳定性，不烧成熟料即可作耐火材料的原料，也是快速烧成陶瓷产品的理想原料。③伊利石类伊利石又称水云母（因白云母水化而得名），矿物颗粒很小，常混有其它粘土矿物。它是包括水黑云母、水白云母、蛭石等似云母的一类成分较复杂、分布很广、产量也大得粘土矿物。化学组成K1[(Si,Al)4O10](OH)2.nH2O，组分含量不定，K2O3～8%，个别达到10%。白云母的化学通式为：K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O，其理论化学组成为：Al2O328.30%、SiO266.70%、H2O5.00%。与白云母比较伊利石含K2O较少，含水较多；与高岭石比较伊利石含K2O较多，而含水较少。所以伊利石是高岭石和白云母的中间产物。与白云母及伊利石结构类似的一种矿物成为绢云母，它是在热液或变质作用下形成的细小鳞片状的白云母，但具有丝绢光泽，故而得名绢云母。与白云母相比其SiO2含量稍高，含K2O则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间。绢云母是白云母和伊利石之间的过渡产物。（3）粘土的颗粒组成粘土的