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[科普中國(guó)]-陶瓷

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陶瓷是陶器與瓷器的統(tǒng)稱,同時(shí)也是我國(guó)的一種工藝美術(shù)品,遠(yuǎn)在新石器時(shí)代,我國(guó)已有風(fēng)格粗獷、樸實(shí)的彩陶和黑陶。陶與瓷的質(zhì)地不同,性質(zhì)各異。陶,是以粘性較高、可塑性較強(qiáng)的粘土為主要原料制成的,不透明、有細(xì)微氣孔和微弱的吸水性,擊之聲濁。瓷是以粘土、長(zhǎng)石和石英制成,半透明,不吸水、抗腐蝕,胎質(zhì)堅(jiān)硬緊密,叩之聲脆。我國(guó)傳統(tǒng)的陶瓷工藝美術(shù)品,質(zhì)高形美,具有高度的藝術(shù)價(jià)值,聞名于世界。1

定義陶瓷英文Ceramics;陶瓷拼音Táocí;陶瓷是陶器與瓷器的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷,是以粘土等天然硅酸鹽為主要原料燒成的制品,現(xiàn)代陶瓷又稱新型陶瓷、精細(xì)陶瓷或特種陶瓷。常用非硅酸鹽類化工原料或人工合成原料,如氧化物(氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等)和非氧化物(氮化硅、碳化硼等)制造。陶瓷具有優(yōu)異的絕緣、耐腐蝕、耐高溫、硬度高、密度低、耐輻射等諸多優(yōu)點(diǎn),已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)陶瓷制品包括日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷、工業(yè)美術(shù)陶瓷、化工陶瓷、電氣陶瓷等,種類繁多,性能各異。隨著高新技術(shù)工業(yè)的興起,各種新型特種陶瓷也獲得較大發(fā)展,陶瓷已日趨成為卓越的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。它們具有比傳統(tǒng)陶瓷更高的耐溫性能,力學(xué)性能,特殊的電性能和優(yōu)異的耐化學(xué)性能。5

歷史新石器時(shí)代,我國(guó)已有風(fēng)格粗獷、樸實(shí)的彩陶和黑陶。到了商代(公元前十六世紀(jì)——十一世紀(jì))釉陶和初具瓷器性質(zhì)的硬釉陶便已出現(xiàn)。至魏晉時(shí)期(公元220—420年)我國(guó)就已完成了用高火度燒成胎質(zhì)堅(jiān)實(shí)的瓷器這一重大發(fā)明。唐代(公元618—907年)陶瓷的制作技術(shù)和藝術(shù)創(chuàng)造達(dá)到了很高的水平。東銷日本、西銷印度、波斯和埃及,在國(guó)際文化交流中起了重要作用,博得了“瓷國(guó)”之稱。明清時(shí)代(公元1368—1911年)的陶瓷從制坯、裝飾、施釉到燒成,技術(shù)上又都超過(guò)了前代。1

中國(guó)陶瓷發(fā)展的歷史是漫長(zhǎng)的。從新石器時(shí)代早期燒造最原始的陶器開始,到發(fā)明瓷器并普遍應(yīng)用,技術(shù)和藝術(shù)都在不斷進(jìn)步;在適應(yīng)人們生存和生活的需要過(guò)程中,所燒制的陶瓷器物的種類在增加,樣式在變化,內(nèi)在質(zhì)量在不斷提高。陶瓷器物的手工藝制造技術(shù),蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)和藝術(shù)內(nèi)涵, 其表現(xiàn)形式主要是通過(guò)造型和裝飾、質(zhì)地和色澤展示的。陶瓷生產(chǎn)從原材料到成品器物的轉(zhuǎn)化過(guò)程,必須運(yùn)用相應(yīng)的工藝技術(shù)來(lái)完成,這是人們生產(chǎn)物質(zhì)資料的過(guò)程,也是創(chuàng)造性地開發(fā)和逐步形成傳統(tǒng)工藝的過(guò)程。6

從中國(guó)古代陶瓷的發(fā)展歷史,可看到陶瓷文化的時(shí)代特征:秦漢人的豪放,隋唐人的雄闊,宋人的儒雅,金人的放浪,元人的粗獷,無(wú)不在其各自的歷史階段,閃爍著它自身時(shí)代的光焰。7

新石器時(shí)期新石器時(shí)期的彩陶,造型就很周正,胎體致密,裝飾細(xì)密奔放,紋飾美麗,形態(tài)多變,藝術(shù)風(fēng)格獨(dú)特,實(shí)用且文化氣息濃郁。7

漢朝至東漢時(shí)期,已燒制出成熟的瓷器。三國(guó)二晉南北朝時(shí)期的陶瓷以“古拙質(zhì)樸,簡(jiǎn)淡空疏,富有厚重的裝飾味”為其顯著特征。7

唐朝唐代,是一個(gè)在時(shí)間上,在民族文化大融合基礎(chǔ)上創(chuàng)造的文明,在空間上,華夏文明與西亞、東太平洋環(huán)島文明以及阿拉伯、地中海文明交融的時(shí)期。唐代陶瓷以其“博大清新,渾厚有力,華麗豐滿”的藝術(shù)風(fēng)格著稱。7

宋朝宋代,是中外文明交流成果上民族理性化時(shí)期。也是中國(guó)文化史上最有代表性的一個(gè)階段,各種外來(lái)的東西被吸收、消化,變成中國(guó)人生活可視、可居、可玩、可游的實(shí)物空間。文化風(fēng)變得清新、細(xì)膩、理性而富有幻想,又重于現(xiàn)實(shí)。宋代,是中國(guó)瓷業(yè)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。既有著名的“定、汝、官、哥、鈞”五大名窯,又有磁州窯、吉州窯、龍泉窯及景德鎮(zhèn)窯(湖田窯)。 宋代陶瓷以“素淡含蓄、端莊挺秀、恬靜幽雅”的文化特征而著稱。7

元朝元代陶瓷以其“造型粗獷、豪放、剛勁、厚重、粗大、裝飾豐滿華麗、層次分明”的特色著稱。7

明朝明代陶瓷得到全面發(fā)展,龍泉青瓷、德化白瓷、石灣廣鈞、宜興紫砂、山西琺華彩瓷均負(fù)盛名,陶瓷品種齊全,豐富多彩,風(fēng)格獨(dú)特。明代陶瓷以“敦厚、端莊、富于濃厚的裝飾美,逸趣、秀美”的風(fēng)格而獨(dú)立于藝術(shù)文化之林。7

清朝清代陶瓷,是中國(guó)陶瓷發(fā)展的又一個(gè)高峰,各種品種、材料、齊全,尤其是彩瓷方面成就非凡。清代陶瓷以“纖巧華美,質(zhì)精藝重,精巧華美”而著稱。7

發(fā)展新石器時(shí)代陶瓷的產(chǎn)生和發(fā)展,其實(shí)是同人們的生活和生產(chǎn)實(shí)踐緊密相連的,在大約70萬(wàn)年以前的原始時(shí)代,人們就泥巴晾干后用火燒烤堅(jiān)硬的盛器用于盛水,存放食物等等,這便是陶器產(chǎn)生的初始。最新的考古資料表明,我國(guó)境內(nèi)目前發(fā)現(xiàn)最早的陶器遺址是位于江西萬(wàn)年縣內(nèi)的仙人洞遺址、廣東英德青塘、靈山滑巖石洞、廣西桂林甄皮皮巖。其主要品種有灰陶、彩陶、黑陶和幾何印紋陶等,手法粗糙,構(gòu)圖新穎流暢,表現(xiàn)了當(dāng)時(shí)制陶的技術(shù)水平。9

夏至兩晉時(shí)期在商朝殷墟的遺址中,出土很多陶片、各種款式陶罐,這些陶器上的紋飾、符號(hào)、文字與殷商時(shí)代的甲骨文和青器有著密切的聯(lián)系,陶器在此時(shí)已經(jīng)不局限于盛物器皿,應(yīng)用范圍廣泛,大致可分為日用品、建筑、 殉葬、祭祀禮品類等。而后秦漢古代的建筑多用木料來(lái)架構(gòu),不易久存,所以一些偉大的建筑,如秦代的阿房宮和漢代的未央宮,都無(wú)法完整保存下來(lái),但仍可在殘存的廢墟中發(fā)現(xiàn)瓦當(dāng)及漢磚 等遺物,藉以略窺古代建筑的規(guī)模。兩漢時(shí)期,釉陶大量替代銅質(zhì)日用品,從而使陶器得到迅速發(fā)展,由于對(duì)于加工技巧的掌握,隨之出現(xiàn)圖案及造型生動(dòng)活潑的陶器裝飾品,具有極高的藝術(shù)價(jià)值,這是陶向瓷的過(guò)渡橋梁。兩晉時(shí)期到南北朝陶瓷主要成就主要體現(xiàn)是越窯,以青瓷為主極盡裝飾之能事,有較高的藝術(shù)水平。9

隋唐五代時(shí)期隋的朝代雖短,但在瓷器燒制上,卻有了新的突破,不但有青瓷燒造,白瓷也有很好的發(fā)展 ,另外此時(shí)在裝飾手法上也有了創(chuàng)新,如在器物上另外的泥片一貼花,就是一例。到了唐代,瓷器制作可為以蛻變到成熟的境 界,而跨入真正的瓷器時(shí)代,因?yàn)樘张c瓷的分開,在乎質(zhì)白堅(jiān)硬或半透明,而最大的關(guān)鍵在于火燒溫度,漢代產(chǎn)有瓷器,但溫度不高,質(zhì)地脆弱只能算是原瓷,而發(fā)展到唐代,不但釉藥發(fā)展成熟,火燒溫度能達(dá)到攝氏1000℃以上,所以我 們說(shuō)唐代是真正進(jìn)入瓷器的代。9

宋元時(shí)期瓷業(yè)在宋代隨各地新興窯場(chǎng)不斷出現(xiàn)而發(fā)展,涌現(xiàn)出不少馳名中外的瓷窯,所謂五大名窯——定、汝、官、哥、鈞就是其中的代表,宋代形成品種豐富多彩、造型簡(jiǎn)潔優(yōu)美、 裝飾方法多樣化的特點(diǎn)。官私名窯名瓷風(fēng)格各 異,百花爭(zhēng)艷,各現(xiàn)獨(dú)特風(fēng)格之美。元代時(shí)期也有新的發(fā)展,如青花和釉里紅的興起,彩瓷大量的流行,帶動(dòng)以后明清兩代的瓷器發(fā)展。9

明清時(shí)期我國(guó)的陶藝發(fā)展到了明代又進(jìn) 入一個(gè)新的旅程,明代以前的瓷器以青瓷為主,而明代之后以白瓷為主特別是青花,五彩成為明代白瓷的主要產(chǎn)品,此時(shí)瓷胎也趨向薄,細(xì)、白的需求,在坯身上記住款式也從此開始,年代、堂號(hào)、人名都有,使研究考據(jù)有更確實(shí)的辨認(rèn)。9

清朝中國(guó)瓷器可謂登峰造極,清初的瓷器制作技術(shù)高超,裝飾精細(xì)華美,清代彩瓷在明代的基礎(chǔ)上有了很大發(fā)展,工藝創(chuàng)新,分化出更多的彩色,墨彩、藍(lán)彩、金彩也出現(xiàn)在五彩瓷器畫面上,色彩淡雅是其特點(diǎn),從而豐富了清代瓷器裝飾。9

現(xiàn)代陶藝在現(xiàn)代陶藝的制作中,原料的取材是不拘一 格的。與多種材料的結(jié)合、并用、滲透,產(chǎn)生了相得益彰的藝術(shù)效果,使現(xiàn)代陶藝既有豐富的表現(xiàn)性又有充分的協(xié)調(diào)性,表面裝飾和空間處理也登上一個(gè)更高的層次?,F(xiàn)代陶藝注重質(zhì)地性能,不講究是粗糙還是精細(xì)的原料,取材也不再僅限于瓷泥和陶泥,而是有意突破傳統(tǒng)陶藝原料的使用范圍,利用泥料的不同特性,發(fā)揮各種材質(zhì)的潛在美感,只要能經(jīng)窯燒的泥、沙等材料都可用來(lái)為之服務(wù)。9

特性說(shuō)到陶瓷材料,難免將陶與瓷分開來(lái)談,我們經(jīng)常說(shuō)的陶瓷,是指陶器和瓷器兩個(gè)種類的合稱。在創(chuàng)作領(lǐng)域中,陶與瓷都是陶瓷藝術(shù)中不可或缺的重要組成部分,但是陶與瓷卻有著質(zhì)的不同。1

陶,是以粘性較高、可塑性較強(qiáng)的粘土為主要原料制成的,不透明、有細(xì)微氣孔和微弱的吸水性,擊之聲濁。瓷是以粘土、長(zhǎng)石和石英制成,半透明,不吸水、抗腐蝕,胎質(zhì)堅(jiān)硬緊密,叩之聲脆。1

分類陶瓷材料目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類方法,通常把陶瓷材料分為玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷3類。其中工程陶瓷又分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。其中普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷,特種陶瓷又稱現(xiàn)代陶瓷。10

陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料。具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)??捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、刀具材料和模具材料,由于陶瓷還具有某些特殊的性能,又可作為功能材料。10

普通陶瓷普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷,其主要原料是黏土 (Al2O3·2SiO2·H2O)、石英 (SiO2) 和長(zhǎng)石 (K2O·Al2O3·6SiO2)。通過(guò)調(diào)整3者比例,可得到不同的抗電性能、耐熱性能和機(jī)械性能。一般普通陶瓷堅(jiān)硬,但脆性大,絕緣性和耐蝕性極好。10

普通陶瓷通常分為日用陶瓷和工業(yè)陶瓷兩類。10

特種陶瓷特種陶瓷又稱現(xiàn)代陶瓷,按應(yīng)用包括特種結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類,如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。工程上最重要的高溫陶瓷,包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氮化物陶瓷。10

①氧化物陶瓷10

a.氧化物陶瓷的性質(zhì)10

Ⅰ.熔點(diǎn)大多在2000℃以上,燒成溫度在1800℃左右。在燒成溫度時(shí),氧化物顆粒發(fā)生快速燒結(jié),顆粒間出現(xiàn)固體表面反應(yīng),從而形成大塊陶瓷晶體 (單相),或有少量氣體產(chǎn)生。10

Ⅱ.氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨溫度升高而降低,但在1000℃以下一直保持較高強(qiáng)度,隨溫度變化不大。10

Ⅲ.純氧化陶瓷都是很好的高溫耐火度結(jié)構(gòu)材料,在任何情況下陶瓷都不會(huì)產(chǎn)生氧化。10

b.氧化物陶瓷的種類10

Ⅰ. 氧化鋁陶瓷10

氧化鋁的結(jié)構(gòu)是O排成密排六方結(jié)構(gòu),Al占據(jù)間隙位置。自然界很少有純氧化鋁,根據(jù)含雜質(zhì)的多少,氧化鋁可呈紅色或藍(lán)色。實(shí)際生產(chǎn)中,氧化鋁陶瓷Al2O3含量可分為75、95、99等幾種瓷。10

氧化鋁的熔點(diǎn)高達(dá)2050℃,而且抗氧化性好,硬度高,微晶剛玉紅硬性可達(dá)1200℃。常用于制造金屬拔絲模及切削淬火鋼刀具。10

Ⅱ.氧化鈹陶瓷10

以氧化鈹為主要成分的陶瓷。純氧化鈹 (BeO) 屬立方晶系。密度3.03 g/㏄,熔點(diǎn)2570℃。具有很高的導(dǎo)熱性,幾乎與純鋁相等,還有很好的抗熱震性。10

粉末有劇毒性,且使接觸傷口難于愈合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。制造這種陶瓷需要良好的防護(hù)措施。氧化鈹在含有水汽的高溫介質(zhì)中,揮發(fā)性會(huì)提高,1000℃開始揮發(fā),并隨溫度升高揮發(fā)量增大,這就給生產(chǎn)帶來(lái)困難,有些國(guó)家已不生產(chǎn)。10

制品性能優(yōu)異,雖價(jià)格較高,仍有相當(dāng)大的需求量。主要用作大規(guī)模集成電路基板,大功率氣體激光管,晶體管的散熱片外殼,微波輸出窗和中子減速劑等材料。在模具應(yīng)用方面亦有用制造精密玻璃模具。10

Ⅲ. 氧化鋯陶瓷10

Ⅰ.氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)在2700℃以上,能耐2300℃的高溫,其推薦使用溫度為2000℃~2200℃。因此,可以作反應(yīng)堆絕熱材料。氧化鋯作為添加劑可大大提高陶瓷的強(qiáng)度和韌性,生產(chǎn)出氧化鋯增韌陶瓷 (PSZ)。10

Ⅱ.氧化鋯增韌陶瓷具有多相結(jié)構(gòu),在不同溫度和壓力下可有3種不同的晶形結(jié)構(gòu),從而在合適的條件下應(yīng)力可誘發(fā)相變和相變韌化,大幅度地提高斷裂韌性。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷材料,其強(qiáng)度達(dá)1200 MPa,斷裂韌性為15MPa·m。10

Ⅲ.氧化鋯增韌陶瓷具有滿足熱擠壓模具要求的性能,具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的特點(diǎn),特別是承受高溫高壓,永久變形小,比碳化鎢、鎳基或鈷基硬質(zhì)合金更為適合熱擠壓模。10

Ⅳ.氧化鋯增韌陶瓷硬度超過(guò)金屬,韌性比一般陶瓷高,有很高的化學(xué)穩(wěn)定性,至少耐高溫800℃。金屬粉末擠壓模溫度可達(dá)到600℃,銅棒擠壓模工作在950℃,氧化鋯增韌陶瓷制造的模具可比硬質(zhì)合金模使用壽命高幾十倍。含氧化鎂的PSZ其抗彎強(qiáng)度可達(dá)400 MPa。10

Ⅴ.氧化鋯增韌陶瓷的缺點(diǎn)是無(wú)延展性,熱導(dǎo)率低,熱膨脹與金屬材料并不匹配,在設(shè)計(jì)和使用時(shí)應(yīng)該加以考慮。氧化鋯和由于其優(yōu)良的使用性能生產(chǎn)拉絲模、拉深模等,常用于拉深不銹鋼工藝。10

②碳化物陶瓷10

碳化物陶瓷包括碳化硅、碳化硼、碳化鈰、碳化鉬、碳化鈮、碳化鋯、碳化鈦、碳化釩、碳化鎢、碳化鉭等。這類碳化物具有很高的熔點(diǎn)、硬度和耐磨性,但耐高溫氧化能力差 (約900℃~1000℃),脆性較大。10

a.碳化物陶瓷的性質(zhì)10

Ⅰ.碳化物陶瓷具有高熔點(diǎn)。例如碳化鈦的熔點(diǎn)是3460℃,碳化鎢的熔點(diǎn)2720℃,碳化鋯的熔點(diǎn)3540℃。

Ⅱ.碳化物陶瓷硬度較高。例如碳化硼是僅次于金剛石和立方氮化硼最硬材料。10

Ⅲ. 良好的導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。碳化物陶瓷不與酸發(fā)生反應(yīng),個(gè)別金屬碳化物陶瓷即使加熱也不與酸發(fā)生反應(yīng),最穩(wěn)定的碳化物陶瓷甚至不受硝酸+氫氟酸混合液的腐蝕。10

b.碳化物陶瓷的分類10

Ⅰ.碳化硅陶瓷10

碳化硅陶瓷密度為 (3.2×10 kg/m3,彎曲強(qiáng)度為200~250 MPa,抗壓強(qiáng)度1000~1500 MPa,硬度莫氏9.2,熱導(dǎo)率很高,熱膨脹系數(shù)很小,在900℃~1300℃時(shí)慢慢氧化。10

Ⅱ.碳化硼陶瓷10

碳化硼陶瓷硬度極高,抗磨粒磨損能力很強(qiáng); 熔點(diǎn)達(dá)2450℃,高溫下會(huì)快速氧化,與熱或熔融黑色金屬發(fā)生反應(yīng),使用溫度限定在980℃以下。主要用于作磨料,有時(shí)用于制造超硬質(zhì)工具材料。10

Ⅲ.其他碳化物陶瓷10

碳化鉬、碳化鈮、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋯陶瓷的熔點(diǎn)和硬度都很高,在2000℃以上的中性或還原氣氛作高溫材料; 碳化鈮、碳化鈦用于2500℃以上的氮?dú)鈿夥罩械母邷夭牧稀?0

碳化物陶瓷主要用于化工、汽車工業(yè)、核工業(yè)、微電子工業(yè)、激光等領(lǐng)域作高溫材料或高功率材料。在模具制造中,常用于耐磨、耐蝕性拉絲模、成型模、熱壓鑄模具、蜂窩陶瓷模具等。10

③硼化物陶瓷10

a.硼化物陶瓷的性質(zhì)10

Ⅰ.優(yōu)良的高溫特性。熔點(diǎn)范圍為1800℃~2500℃,具有較高的抗高溫氧化性能,使用溫度達(dá)1400℃。在800℃的高溫下其彎曲強(qiáng)度也幾乎不下降,而且其硬度隨溫度上升而下降的比例也較其他材料小。10

Ⅱ.具有高韌性。在室溫下,其斷裂韌性值KIC達(dá)30 MN/m功,此一數(shù)值相當(dāng)于有代表性的工程陶瓷碳化硅的6~8倍。當(dāng)B4C的晶粒細(xì)化到5μm時(shí),強(qiáng)度為500~600 MPa,晶粒尺寸