陶瓷原料篇1

关键词：陶瓷废弃物；回收利用；循环经济；生态环保；可持续发展

1背景

随着社会经济及建筑卫生陶瓷工业的快速发展，建陶工业废料日益增多。它不仅对城市环境造成巨大的压力，而且还限制了城市经济及建陶工业的可持续发展，所以进行陶瓷工业废料的处理与利用，开展企业清洁生产显得非常地重要。特别是近20年，随着陶瓷业产量的增加，废料的量也越来越多。根据不完全统计，仅佛山陶瓷产区各种陶瓷废料的年产量已经超过400万t，而全国陶瓷废料的年产量估计在1000万t左右，如此大量的陶瓷废料已经不是简单的填埋就可以解决的。而且随着经济的日益发展和社会的进步，环境问题已成为人们所关注的焦点问题。2002年6月29日，第九届全国人民代表大会常务委员会第二十八次会议通过并正式颁布了《中华人民共和国清洁生产促进法》，法则中提到关于清洁生产的方法有节约能源和原材料、提高资源利用水平，做到物尽其用。

国内建筑卫生陶瓷行业的粗放型生产，造成了严重的污染和大量的固体废物排放。其产品主要有抛光砖、仿古砖（有釉瓷质砖和有釉炻质砖）、内墙砖、外墙砖等，其中，抛光砖产品产量最大，约占50%。研究发现，质量较好的产品，其产生的固体废料量达到其生产使用原料量的15%；而普通的产品，其产生的固体废料量达到其生产使用原料量的24%。也就是说，抛光砖生产的原料利用率约76%～85%。2010年全国建筑陶瓷墙地砖产量为79亿m2，按抛光砖40亿m2计，年产抛光砖产品可达10000万t；按原料利用率80.5%计，年消耗矿物资源约12422万t，年产生固体废料约2400万t。因此，如何变废为宝，化废料为资源，已经成为科技和环保部门的当务之急。

2抛光废渣循环利用的途径

目前，国外对废粉料根据实际情况进行适当的回收后的原料，称之为eco配方，但对冷加工的陶瓷废渣因国外抛光砖产品生产少，目前还没有重新利用的研究报道，主要研究还是在国内。通过总结发现，对抛光废渣的利用途径主要有以下几个方面。

（1）抛光废渣用来生产陶粒

由于陶粒容重小、内部多孔，形态、成分较均一，具有一定的强度和坚固性。同时，还具有质轻、耐腐蚀、抗冻、抗震和良好的绝热性能。但其机械强度很低，不能用于建筑承重。在建筑工业方面，可以作为轻骨料制备混凝土和墙体保温板，也可以作为填料填在空心墙或窑炉的衬层中隔热保温。

（2）抛光废渣用于生产多孔陶瓷透水砖

抛光废渣用于生产多孔陶瓷透水砖，该方法是将陶瓷生产厂的陶瓷废料粉碎至粒径20mm以下，再加入适量的膨润土作粘结剂，在球磨机中混合均匀，压制成坯，送入窑中烧结成一种多孔陶瓷砖。陶瓷碎粒骨料相互被膨润土粘结，在碎粒之间形成空隙，具有比较好的透水性。但其绝热性能有待提高，且使用大量的膨润土，生产能耗高，其工艺过程有待改进。

（3）抛光废渣用于生产免烧砖

佛山陶瓷研究所自1999年开始，以陶瓷废料再生利用为突破口，从国外引进相关技术，开发出了一些产品。其中的原料有70%左右是陶瓷废料。但由于该工艺未进行烧结处理（使用高强度粘结剂），其机械强度和绝热性能有待进一步的提高。

（4）抛光废渣用于开发固体混凝土材料

固体废弃物混凝土材料（简称SWC）是以固体废弃物为主要原料，具有普通混凝土性能的一种环保材料。试验表明，以陶瓷废料为主要原料，辅以水泥和高强粘结剂制备的SWC材料适用于免烧型广场道路砖。但由于该工艺也未进行烧结处理，其机械强度和绝热性能有待进一步的提高。

（5）抛光废渣用于生产轻质高强建筑陶瓷板材

抛光废渣用于生产轻质高强建筑陶瓷板材，虽然产品理化性能优良、装饰效果独特、规格可大可小、经济效益好，是废料精用的好途径。但由于这些产品的应用面较窄，市场销量不大，还未能大量消化抛光废渣。

（6）抛光废渣用于生产内墙釉面砖

内墙釉面砖是与陶瓷抛光砖并行的一类产品，因其市场销售量大，故是抛光废渣循环使用的首选途径。由于抛光废渣以瘠性料为主，烧结活性差。同时，要抑制坯体在高温下产生气泡即砖坯烧结发泡，只有彻底搞清楚抛光废渣在烧成时的发泡机理，才有望在内墙釉面砖生产中对陶瓷废渣进行50%、60%、80%乃至100%的利用。

3抛光废渣循环利用存在的技术难点及解决措施

3.1技术难点

（1）原料配方和生产工艺问题

废渣资源化回收利用需要根据企业的实际情况，设计资源回收利用工序，实现资源废料的100%回收。为了能够利用尽量多的陶瓷废料，就要研究高比例陶瓷废料含量产品的配方和生产工艺。陶瓷废料以经过烧成的瘠性料为主，不仅来源复杂不稳定，而且其可塑性和烧结活性差，需要通过调整配方和生产工艺才能够在配方中大量使用陶瓷废料。因此，研究适应性好、烧结范围宽、能够使用大量陶瓷固体废料的配方和工艺是项目的关键技术难点。

（2）烧成温度和产品变形问题

抛光废渣、废瓷粉、废料泥饼作为坯体底料原料的一种，可塑性低、烧成温度偏高。同时，固体回收后的材料性质在颜色、烧成温度等方面与抛光砖直接生产用原料性质不同，需要重点研究这其间存在的差异。根据各种废料对坯体烧成温度等性能的影响，需重新调整出与面料相匹配的底料新配方，以解决对烧成温度和产品变形影响的问题。

3.2解决措施

（1）固废物烧结活性差的问题

陶瓷固废以瘠性料为主，烧结活性差。随着固废加入量的增加，矿物原料用量相对减少，导致粉体颗粒间的结合程度降低；坯体的成形密度下降、坯体强度下降；产品的烧结程度下降、收缩严重、强度降低。因此，从提高料浆的粘度和表面张力来制备堆积密度大、表面比较光滑的粉体颗粒，确定利用粘结性能强的粘土来提高粉体密度。并通过提高瘠性料细度、增大坯体成形压力、适当添加矿化剂等措施来提高陶瓷固废含量高的产品的烧结活性，以及坯体和产品的强度。

（2）坯料可塑性差、坯体强度不够的问题

为了解决以瘠性料为主的坯料可塑性差、坯体强度不够等问题，除了采用粘性好的粘土外，还可以添加聚丙烯酸钠作为坯体增强剂。当聚丙烯酸钠加入少量时，坯体强度随着增强剂量的增加而迅速增加。聚丙烯酸钠与坯体在干燥后，长链状分子链可以在陶瓷颗粒之间架桥，产生交联作用而形成不规则网状结构，将陶瓷颗粒紧紧包裹，起到增加坯体强度的作用。

（3）调整原料配方

将抛光砖生产过程中的固体废料根据其性质进行分类回收、存放，把能用于抛光砖生产的固体废料重新作为坯体原料。通过调整配方，可解决其产品的烧成温度及颜色问题，使抛光砖矿物原料利用率提升到85%以上。

对树脂结合磨块抛光产生的废料通过水力漩流分级，将密度低的树脂分开。对不同来源的陶瓷废料进行分类，采用X射线衍射分析，对废料所含的矿物成分进行分析，为原料的处理和配方提供基础数据。利用力学测定设备、电子显微镜等对陶瓷废料加入量和制造工艺参数与产品的性能和显微结构的关系进行研究，确定合适的配方和制造工艺。

4结语

节能减排、低碳环保、资源化循环利用已经是建筑陶瓷行业转型升级的重要方向。据统计，广东省各种陶瓷废料总量约为1500万t/年，其中，抛光砖废料量已约达1000万t/年。长期以来，业界大多采用填埋处理的方法，清理过程往往会造成二次污染，如：运输过程中易滴漏、扬尘，污染空气；而填埋导致地下水污染等。近年来，不少陶企为实现抛光废料的循环利用而进行积极的探索，技术难度大成了攻关突破的障碍。因此，开展抛光砖生产废弃物循环应用研究，回收生产过程中产生的固体废料，进行产业化示范，提高建筑陶瓷生产的原料利用率，降低陶瓷生产的消耗，进一步提高建筑陶瓷行业的竞争力，对建筑陶瓷行业的可持续发展是非常迫切和必要的。如果陶瓷废料能充分利用起来，不但可以解决巨大的环境危机，而且可实现社会和经济可持续化的生态发展。从这个意义上讲，我国陶瓷废料资源的循环再利用具有重大的社会效益和经济效益。在陶瓷废料回收利用的相关产业中，政府也应起到积极推动和引导，在政策上给予支持，加快产业的发展，促进社会的生态化、和谐发展。

参考文献

[1]余国明，李少平，王贵生.陶瓷抛光废渣循环利用新技术[J].佛山陶瓷，2009，12.

[2]郑树龙，唐奇，卢斌.陶瓷砖抛光废渣回收利用及产品的性能研究[J].佛山陶瓷，2007，12.

陶瓷原料篇2

关键词：扁平式气流磨粉碎效能加料速度工艺参数

中图分类号：TQ1文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0086-02

随着现代化工业及高新科技的发展，超细粉碎技术已成为最主要的工业矿物及其它原料深加工技术之一。超细粉体由于粒度细、分布窄、质量均匀、缺陷少，因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解度大、烧结温度低且烧结体强度高、填充补强性能好等特性及独特的电性、磁性、光学性能等，广泛应用于高技术陶瓷、陶瓷釉料、微电子及信息材料等高技术和新材料产业[1]。客户对陶瓷颜料产品的要求越来越高，要求它们具有极细的颗粒、极高的纯度、严格的粒度分布、一定晶形等。要达到这一要求，传统的机械粉碎如球磨机、雷蒙磨等设备已无能为力。气流粉碎、气流分级技术，在超细粉碎工程中所占的地位也越来越明显。我公司采用扁平式气流磨超细陶瓷颜料，棕色陶瓷颜料是公司主要产品之一，所以，研究其加工工艺参数对粉碎效果的影响，并最终确定最优工艺参数是非常必要的。

1气流磨

制备粉体离不开粉碎设备，气流粉碎设备能量利用率较一般机械设备高，适用于干法生产超微粉体。气流磨是一种技术较成熟的干式超细粉碎设备，可省去物料的脱水、烘干等工艺，其产品纯度高、活性大、分散性好、粒度细分布较窄、颗粒表面光滑，所以气流磨在粉碎行业很受欢迎，广泛地应用于非金属矿、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细粉碎中。

气流磨又叫喷射磨或能流磨，是一种较成熟的超细粉碎设备，它利用高速气流（300～500m/s）或过热蒸汽（300～400℃）的能量使颗粒相互产生冲击、碰撞和摩擦，从而导致固体物料粉碎。工业型气流磨自20世纪40年代初问世以来，发展很快，机型正由最初的水平圆盘式或扁平式发展到循环管式、对喷式、塔靶式和流化床对喷式等五大类，规格达十几种[1]。

扁平式气流磨，是工业上应用最早和最广泛的气流粉碎磨机，我公司超细粉碎多采用扁平式气流磨。

2扁平式气流磨粉碎原理

物料的粉碎过程，实际是在粉碎力的作用下，块状和粉状物料破裂的过程。气流粉碎则是高速气流，使物料加速获得足够的动能，在混合加速的过程中，分散于湍流中的物料相互碰撞、摩擦、从而达到粉碎目的。

压缩空气通过加料喷射器的高速射流所产生的负压使物料吸入混合室，通过与粉碎室半径方向成一角度并分布在同一水平上的喷嘴，被高速射流喷入粉碎室，喷气流夹带物料以极高的速度旋转，在粉碎室半径上形成流体功能特性梯度，物料颗粒之间以巨大的动量相互碰撞，又与粉碎室的内壁碰撞而粉碎，被粉碎粒子随旋转流高速旋转获得很大的离心力，又受到气流的向粉碎室中心排出的自心力，两个力的方向相反，颗粒在这两个力的作用下分级，扁平式气流磨机内，粉碎和分级是同时进行的。

3影响扁平式气流磨粉碎的因素

影响气流磨粉碎的因素主要是物料的物性、粉碎的物性、粉碎时的工艺参数及操作条件等。物料的硬度、脆性、温度进料粒度及其分布都直接影响粉碎的细度和产量。硬度大的不易磨细，软而粘的物料易堵塞加料喷管和粉碎室，也不易粉碎，进料粒度直接关系到出料的粒度和产量。粉碎时气体压力及流量的大小，加料速度等工艺参数的确是很重要的，任何一个参数变化都会影响到出料的细度及产量。正常情况下进气压力恒定时，提高加料速度会使出料量提高，颗粒粒度增大，反之，则会使出料量降低，颗粒粒度减小。另外气流磨喷嘴的结构形式、喷嘴的布置也是影响气流磨粉碎效率的重要因素之一。下面就影响的各因素进行分析。

3.1喷嘴的结构及布置对粉碎效能的分析

喷嘴的结构（孔径大小、开孔形式）对气流速度产生影响，从而影响旋流中的粒子碰撞，对粉碎效果产生影响，另外，喷嘴必须在同一平面上且在粉碎室半径方向成一定角度均匀分布。

T角增大，粉碎区变小，有利于颗粒细化，但过大，各喷嘴气流将严重冲刷粉碎室内壁。

适当提高喷嘴处的气流速度，对粉碎效果是有利的。喷嘴的结构形式也对粉碎效能产生影响。现实生产中，喷嘴一经加工安装完毕投入生产后，便被认为特性保持不变。虽然气流粉碎是颗粒之间的相互碰撞，与喷嘴等不发生径向关系，但在实际生产中由于喷嘴材料、加工精度和正常的磨损，喷嘴的孔径会发生变化。另外，频繁的开停机，会使物料颗粒吸入喷嘴内部，细微的物料颗粒或成饼状贴附于喷嘴内腔，长时间会逐渐缩小或阻塞喷嘴口径，或因二次团聚后的较大颗粒高速冲击、碰撞喷嘴，造成喷嘴内部磨损或剥蚀，使喷嘴内部形状发生变化，这将严重影响气流通过喷嘴的气流速度，影响粉碎效能。同时，个别喷嘴的变异或堵塞，造成几条并联喷嘴气路的流速不平衡，将影响整个粉碎室内的原有流场分布，最终导致粉碎的细度、粒度分布，使粉碎效率下降。

3.2进料速度对粉碎效能的分析

进料速度要适当、均匀，最重要的是保证物料粉碎室内能源源不断的得到物料的供给，满足粉碎室内物料的一定浓度。实践证明，无论物料浓度偏低，还是物料浓度过高，对气流粉碎的产量都会造成不良的影响。物料浓度低，物料间接接触碰撞的机率小，物料浓度高，将影响气流速度，两者都不利效率提高，应视气压、物料特性、机体自身的特性及检测结果而定。不同规格的气流粉碎机对于某一确定物料，都有一最佳的加料速度。为使粉碎产品质量稳定，特别要注意加料量的均匀性，一般认为加料量变化幅度不大于2％。

3.3气流速度对粉碎效能的影响

所谓气流速度，即为空气压缩机所输送的气体通过喷嘴进入粉碎室的速度，由极限粒度理论分析可知，物料所受的压力超过自身脆性极限或疲劳极限时，物料即发生脆性粉碎或疲劳粉碎，二者中以脆性为主，疲劳这辅。脆性粉碎较易，时间较短，疲劳粉碎较难，时间较长。因此提高喷嘴处的气流速度，对提高粉碎效果是有利的。

但是，欲提高气流速度势必要求提高能源消耗，同时当气流速度高到某一物值时（物性不同，该速度值不同）。粉碎效率不但不再上升反而呈下降趋势。因此单纯提高气流速度对能源消耗，粉碎效率等也是不利的。

3.4物料特性对粉碎效能的分析

物料的性能直接影响物料的粉碎效果。物料的基本性能有以下几个方面。

（1）几何特性：颗粒大小、颗粒形状、物料的比表面积、孔隙度及空隙度。

（2）物料的物理性能：粉碎加工性、粉体流动性、摩擦性、团聚性、结块及粘结性等。

（3）物料的化学和电解性：固体物料的化学性能，导电性及静电等物料的强度、硬度、宽度、结构的均匀性、含水量、粘性、裂痕、表面情况以及形状因素有关。一般物料的硬度强度大时不易粉碎，易团聚的不易粉碎。

3.5物料温度对粉碎效能的分析

物料的热性质，化学性持与粉碎性之间有密切关系。物料的热膨胀系数不同，有的物料加热后，可降低物料的细度，从而提高粉碎效能。而对于融点、软化点低的热可塑性材料和因温度上升而失去结合水由氧化作用而变质的材料，以及常温时强韧，低温时脆性化的材料，适宜采用低温粉碎[2]。

4生产应用

根据扁平式气流磨的粉碎原理及对影响粉碎效能原因分析，应用于棕色陶瓷颜料的生产实践中。

（1）经常检查喷嘴的磨损情况，发现喷嘴孔径变化、变形的要及时更换。更换时喷嘴要求结构尺寸精确，材料和粗细度达技术要求，喷嘴的布置及角度，一经安装投入生产即认为特性保持不变。

（2）对一确定物料，都有一最佳的加料速度，掌握好加料量的变化幅度，严格控制进料速度，以保证粉碎室的物料的浓度，有利于粉碎效率的提高。

（3）加强空压机及管道的维护保养，保证在动力不增加的情况下，尽量供给的空气压力要大，这样才能提高气流速度，增大粒子间的碰撞速度，达到提高粉碎效率的目的。

（4）对进入气流磨的原始物料要尽可能的细，一般在100μm以下，要求前期对物料进入初粉碎，以便提高粉碎效率。

（5）经实际生产的验证，气流温度高对棕色陶瓷颜料的粉碎有利。对此物料进行气流粉碎时，由往复式空压机提供空气源（不使用单螺杆空压机）。

综上所述，现下关键的是掌控气流速度和进料速度。当空压机工作正常，提供的空气压力恒定时，关键是进料速度的掌控。下面对此物料在其它条件不变的情况下，不同进料速度和不同压力下进行粉碎效能比较。

5实验装置与方法

5.1原料及实验条件

实验用实际生产中的350扁平式气流磨，物料以公司主要生产品种之一的棕色陶瓷颜料，进入气流磨前此物料的粒度在100μm以下，空气压缩机的压力在6.5～8×105Pa之间，粒度测定仪用LS-POP激光粒度分析仪，功耗采用三相电度表测量。

5.2实验方案

在实验过程中，采用三水平正常设计安排实验，加料速度，空气压强分别排在一、二列上，三水平为：加料速度80kg/h、100kg/h、120kg/h，空气压强分别为6.5×105Pa，7×105Pa，7.5×105Pa。粉碎效果的评价用两种方法：（1）粉碎检验：用粉碎产品颗粒的中位径表示，最大颗粒粒径不超过10μm。（2）比功耗：由所测产品的粒度分布，功率消耗和加料量来计算比功耗。

6实验结果与讨论

为了确定最优工况，希望d50越小越好，比功耗率越小越好。因这两个测量因素不可能达成一致，所以根据比功耗（质量合格）确定最优工况，确定工艺参数。

具体测试结果如表1所示。

对测试结果进行分析：加料速度增加时，d50增加，最大颗粒粒径增大；空气压强增大时，功耗加大。由于对物料的要求是d50尽可能小，粒度分布越窄越好，但颗粒最大粒径不能超过10μm。这样综合考虑在空气压强为7.5×105Pa，加料速度为100kg/h时为最优工况。

附粒度检测表：

实验1：120kg/h7.5×105Pa

实验2：100kg/h7.5×105Pa

实验3：80kg/h7.5×105Pa

7结论

通过实验、研究可以得出下面几点结论：

（1）350扁平式气流磨粉碎后物料的粒度分布，随进料速度的增加而变宽。

（2）350扁平式气流磨可对棕色陶瓷物料进行微粉碎，可以满足对此物料细度的要求。

（3）为满足质量要求，最佳工艺参数为进料度100kg/h空气压强为7.5×105Pa。

（4）因为在实际生产中测得数据，所以可以在以后实际生产中按此参数进行实际生产。

参考文献

陶瓷原料篇3

关键词先进陶瓷，结构陶瓷，研究进展

1前言

20世纪60年代以来，新技术革命的浪潮席卷全球，计算机、微电子、通信、激光、新能源、航天、海洋和生物工程等新兴技术的出现和发展，对材料提出了很高的要求，能够满足这些要求的先进陶瓷材料应运而生，并在这些技术革命中发挥着重要的作用[1～4]，同时也极大地促进了陶瓷科学的发展和应用，使陶瓷材料又一次焕发出了青春,在尖端科学领域得到广泛的应用,如航天、航空、汽车、体育、建筑、医疗等领域[4，5]。

先进陶瓷是有别于传统陶瓷而言的，不同国家和不同专业领域对先进陶瓷有不同叫法。先进陶瓷也称高技术陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特种陶瓷、工程陶瓷等[1]。先进陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，但远远超出了传统陶瓷的范畴，是陶瓷发展史上一次革命性的变化。通常认为，先进陶瓷是指采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。

先进陶瓷按用途可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷。先进结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环保、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现方面都发挥了积极的作用。本文着重介绍近年来结构陶瓷的研究进展及发展趋势。

2先进结构陶瓷及其应用

先进结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它。若按化学成分分类可分为：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)[1]。

由于先进结构陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀和抗氧化等一系列优异性能[4]，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，已成为许多新兴科学技术得以实现的关键，在能源、航空航天、机械、交通、冶金、化工、电子和生物医学等方面有着广泛的应用前景。

2.1耐高温、高强度、耐磨损陶瓷

2.1.1氮化物陶瓷[6～8]

氮化物陶瓷是近20多年来迅速发展起来的新型工程结构陶瓷。氮化硅陶瓷和一般硅酸盐陶瓷不同之处在于其中氮和硅的结合属于共价键性质的键合，因而有结合力强、绝缘性好的特点。

氮化硅的烧结与一般陶瓷的烧结工艺不同，采用的是反应烧结法，此法制造的氮化硅陶瓷，不能达到很高的致密度，一般只能达到理论密度的79％左右，不能制造厚壁部件。提高氮化硅陶瓷致密度的有效方法之一就是在高温下进行加压烧结，由此可得到热压氮化硅陶瓷，其室温抗弯强度一般都在800～1000MPa。如果在其中添加少量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅，室温抗弯强度可达到1500MPa，在陶瓷材料中名列前茅，硬度很高，是世界上最坚硬的物质之一；极耐高温，强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900℃才会分解；有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸(氢氟酸除外)和30％以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀，同时又是一种高性能电绝缘材料。由于其热膨胀系数小，抗温度急变能力很强，因此氮化硅陶瓷具有优良的力学性能，在工程技术的应用上已占有重要地位。

氮化硅陶瓷制品的种类很多，应用也日益广泛，例如可做燃气轮机的燃烧室、晶体管的模具、液体或气体输送泵中的机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道和阀门、铸铝用永久性模具、钢水分离环等。利用氮化硅摩擦系数小的特点用作轴承材料，特别适合作为高温轴承使用，其工作温度可达1200℃，比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍；使用陶瓷轴承还可以免除系统，大大减少对铬、镍、锰等原料的依赖。氮化硅作为高温结构陶瓷最引人注目的就是在发动机制造上获得了突破性进展。美国用热压氮化硅制成的发动机转子成功地在5000转／min的转速下运转很长时间。

2.1.2碳化硅陶瓷[9，10]

工业化生产碳化硅的方法是将石英、碳素（煤焦）、木屑和食盐混合，在电炉中加热到2200～2500℃下制成。碳化硅陶瓷和许多陶瓷的不同之处，在于它在室温下既能导电，又耐高温，是一种很好的发热元件。用碳化硅制成的电热棒叫硅碳棒，在空气中能经受1450℃的高温；质量好的重结晶法制成的硅碳棒甚至可耐1600℃的高温，远高于金属电热元件(除了铂、铑等贵金属外)，这是因为它在高温空气中会氧化生成一层致密的氧化硅薄膜，起到隔离空气的作用，大大减慢了内层碳化硅的进一步氧化，从而使它能在高温下工作。用热压工艺可以制得接近理论密度值的高致密碳化硅陶瓷，它的抗弯强度即使在1400℃左右的高温下仍可达到500～600MPa，而其它陶瓷材料在1200℃以后，强度都会急剧下降。因此，碳化硅是在高温空气中强度最高的材料。

高温燃气涡轮发动机要提高效率，就必须提高工作温度，而解决问题的关键是找到能承受高温的结构材料，特别是发动机内部的叶片材料。碳化硅陶瓷在高温下有足够的强度，且有良好的抗氧化能力和抗热震性，这些优良品质都使它极其适合作为高温结构材料使用。用于在1200～1400℃下工作的高温燃气涡轮发动机叶片的材料，许多科学家认为它和氮化硅陶瓷是最有希望的候选材料。

碳化硅陶瓷的热传导能力仅次于氧化铍陶瓷。利用这一特性，可作为优良的热交换器材料。太阳能发电设备中被阳光聚焦加热的热交换器，其工作温度高达1000～1100℃，具有高热传导性的碳化硅陶瓷很适合做这种热交换器的材料，从试验情况来看，碳化硅陶瓷热交换器的工作状态良好。此外，在原子能反应堆中碳化硅陶瓷可用作核燃料的包封材料，还可作为火箭尾喷管的喷嘴及飞机驾驶员的防弹用品。

此外，为了提高切削刀具的切削性能，20世纪以来，刀具材料经过了高速钢和硬质合金两次发展过程，目前正在进入陶瓷刀具大发展的阶段。新型陶瓷以其耐高温、耐磨削的特点，已在20世纪初引起了高速切削工具行业的注意。陶瓷刀具不仅红硬性高，而且具有高硬度、高耐磨性，因此便成为制造切削刀具的理想材料。目前，制造陶瓷切削刀具的材料主要有氧化铝、氧化铝-碳化钛、氧化铝-氮化钛-碳化钛-碳化钨、氧化铝-碳化钨-铬、氮化硼和氮化硅等[11]。以这类材料制作的刀具没有冷却液也可以工作，比起硬质合金来具有切削速度高、寿命长等优点。目前，欧美各国都已广泛使用陶瓷材料做钻头、丝锥和滚刀；原苏联确定了7000多个品种的合金刀具，用喷涂表面陶瓷涂层的办法来提高车刀的工作速度和使用寿命。

陶瓷除作切削刀具外，利用其耐磨、耐腐蚀的特性还可用作各种机械上的耐磨部件。如用特种陶瓷制作农用水泵、砂浆泵、带腐蚀性液体的化工泵及有粉尘的风机中的耐磨、耐腐蚀件或密封圈等都已取得良好的实用效果。此外，高纯氧化铝(刚玉)可制作金属拉丝模，尤其在高温下的热拉丝更显示出陶瓷的优越性；工业陶瓷中纳球磨筒和磨球，金属表面除锈用的喷砂嘴，喷洒农药用的喷头等。总之，凡是需要耐磨、耐腐蚀的场合，几乎都会看到特种陶瓷的存在。

2.2耐高温、高强度、高韧性陶瓷

新型陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等性能，因此在冶金、宇航、能源、机械等领域有重要的应用。由于陶瓷的韧性差，因此也限制了它的使用范围。1975年澳大利亚的伽里耶(Garie)首次成功地利用添加氧化锆来大大提高陶瓷材料的强度和韧性，自那时起世界各国利用氧化锆增韧这一办法，开发出多种具有高强度和高韧性的陶瓷材料，掀起了寻求打不碎陶瓷的热潮。

氧化锆能够增加陶瓷材料韧性和提高强度的原因，至今虽没有完全搞清楚，但研究结果已经表明，它和均匀弥散在陶瓷基体中的氧化锆晶粒的相变有关。一种增韧理论认为相变膨胀导致的微裂纹可以阻止造成脆断的裂纹扩展；另一种理论认为应力诱导相变，而相变可吸收应力的能量，从而起到增韧的作用[12～14]。总之，在某些陶瓷材料中引入一定量亚稳氧化锆微粒，并使其均匀分布都可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。

氧化锆增韧陶瓷已在工程结构陶瓷研究中取得重大进展，经过增韧的陶瓷品种日益增多。现在已经发现可稳定氧化锆的添加物有氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化铈、氧化钇等单一氧化物或它的复合氧化物。被增韧的基质材料，除了稳定的氧化锆外，常见的有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷，还有氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。日本在氧化铝基质（强度为400MPa、断裂韧性为5.2J/m2）材料中，添加16%体积百分数的氧化锆进行增韧处理，制得材料的强度高达1200MPa，提高了3倍，断裂韧性达到15.0J/m2，几乎也提高了3倍，基本达到了低韧性金属材料的程度[12]。最近的研究表明，强度和韧性是相互制约的。尽管如此，许多陶瓷材料通过氧化锆增韧，大大拓宽了应用领域，增强了取代某些金属材料的能力，出现了喜人的应用前景。利用氧化锆增韧陶瓷可替代金属制造模具、拉丝模、泵机的叶轮、特种陶瓷工业用的磨球、轴承，替代手表中的单晶红宝石。日本用增韧氧化锆做成剪刀，既不会生锈，又不导电，可以放心地剪断带电的电线。氧化锆增韧陶瓷还可用于制造汽车零件，如凸轮、推杆、连动杆、销子等。

2.3耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷[4，15]

现代电光源对构成材料的耐高温、耐腐蚀性及透光性有很高的要求，而同时满足这些性能的材料直到20世纪50年代后期才开始得到发展。1957年，美国通用电器公司的科布尔等人在平均尺寸只有0.3μm的高纯超细氧化铝原料中，添加氧化镁，混匀后压成小圆片，放在通氢气的高温电炉中烧制，意外地发现它像玻璃一样透明。科布尔还发现，把透明的陶瓷片放在显微镜下观察，几乎看不到微气孔。经过多次实验观察和研究分析发现，陶瓷的透光能力和内部气孔大小有很大关系，当微气孔的大小在1μm左右时，厚度为0.5mm的陶瓷试样只要含有千分之三的气孔就能使光线的透过率减少90％。一般氧化铝陶瓷中所含的气孔都超过这个数字。因此，构成氧化铝陶瓷的刚玉小晶体本身能够透过光线，而陶瓷还是不透明。使陶瓷透明的关键，是坯体中只能有一种晶型的晶体，而且对称性愈高愈好，否则会发生双折射，此外气孔要愈少愈好，有人做过试验，当气孔小到埃的数量级时，光会沿着微气孔发生绕射现象，这有助于透明度的提高。

氧化铝陶瓷是高压钠灯极为理想的灯管材料，它在高温下与钠蒸气不发生作用，又能把95%以上的可见光传送出来。这种灯是目前世界上发光效率最高的灯。在相同功率下，一只高压钠灯要比2只水银灯或10只普通白炽灯发出的光还要亮，寿命比普通白炽灯高20倍，可使用2万小时以上，是目前寿命最长的灯。人眼对高压钠灯的黄色谱线十分敏感，而且黄光能穿过浓雾，特别适合街道、广场、港口、机场、车站等大面积的照明，效果极好。目前，许多国家正在推广使用，其发展速度之快，超过了以往任何一种电光源。由此不难看出，新型透明氧化铝陶瓷的出现，引起了电光源发展过程中的一次重大飞跃，带来了巨大的社会经济效益。

除半透明氧化铝陶瓷外，研究得较多的还有氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锆、氧化钇、氧化钍、氧化镧等。透明氟化镁、氰化钙、硫化锌、硒化锌、硒化镉等也有报道。用氧化铝和氧化镁混合在1800℃高温下制成的全透明镁铝尖晶石陶瓷，外观极似玻璃，但其硬度、强度和化学稳定性都大大超过玻璃，可以用它作为飞机挡风材料，也可作为高级轿车的防弹窗、坦克的观察窗、炸弹瞄准具，以及飞机、导弹的雷达天线罩等。

2.4纤维、晶须补强陶瓷复合材料[12，16～18]

近年来，以陶瓷为基体、纤维或晶须补强的复合材料由于其韧性得到提高而受到重视。碳化硅晶须增韧的氧化铝陶瓷刀具在20世纪80年代初开始研究，1986年已作为商品推向市场。碳化硅晶须的加入大大提高了氧化铝陶瓷的断裂韧性，改善了切削性能。用碳纤维和锂铝硅酸盐陶瓷复合，材料的强度已接近或超过1000MPa，其断裂功高达3000J/m2，即达到了铸铁的水平。用钽丝补强氮化硅的室温抗机械冲击强度增加到30倍；用直径为25μm的钨丝沉积碳化硅补强氮化硅，这种纤维补强陶瓷的断裂功比氮化硅提高了几百倍，强度增加60％；用莫来石晶须来补强氮化硼，其抗机械冲击强度提高10倍以上。可以认为，继20世纪70年代出现的相变增韧热后，晶须、纤维增强、均韧复合陶瓷已成为结构陶瓷发展的主流。高性能(强度、韧性)、高稳定性、高重复性的晶须、纤维复合陶瓷材料的获得，除要求晶须、纤维与基体间化学、物理相容性较好以外，从复合工艺上，还必须保证晶须纤维在基体中能均匀地分散，才能获得预期的效果。最近，利用“织构技术”，在某些陶瓷坯体中生长出纤维状态针状第二相物质如莫来石晶体进行“自身内部”复合，这种复合增韧是一项简便易行的陶瓷补强新技术。目前高性能陶瓷复合材料，还处在深化研究阶段，关键在于改进工艺和降低成本，提高其实际应用的竞争力。

2.5生物陶瓷[4，5，19]

生物陶瓷材料是先进陶瓷的一个重要分支，它是指用于生物医学及生物化学工程的各种陶瓷材料。它的总产值约占整个特种陶瓷产值的5％。生物陶瓷目前主要用于人体硬组织的修复，使其功能得以恢复。全世界1975年才开始生物陶瓷的临床应用研究。但是，最近10多年间，各国在这方面的基础应用研究很活跃。

目前生物植入材料在人体硬组织修复中应用的有：金属及合金、有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料。材料被埋在体内，在体内的严酷条件下，由于氧化、水解会造成材料变质；长期持续应力作用会造成疲劳或者破裂、表面磨损、腐蚀、溶解等，这些都可引起组织反应，腐蚀产物不仅在种植体附近聚集，还会溶入血液和尿中，引起全身反应。因此，对生物植入材料的要求是严格的、慎重的。陶瓷材料作为生物植入材料和其他材料相比，它和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，在体内的化学稳定性、生物力学相容性和组织亲和性等也较好，因此，生物陶瓷越来越受到重视。目前国内一些高等院校已对羟基磷灰石及氧化铝陶瓷等进行了研究，并已开始临床应用。

随着人类社会物质文明的发展，人们对提高医疗保健水平和健康长寿的要求必然成为广泛的社会需要。可以相信，生物陶瓷材料今后必将会有重大发展。

3结构陶瓷的发展趋势

当今世界，材料，特别是高性能新材料由于以下原因而得到迅速发展：（1）国际军事工业激烈竞争，航空航天技术的发展需要；（2）新技术的需要促进了新材料的发展；（3）地球上金属资源与化石能源越用越少，石油、天燃气等在本世纪末将用尽，开发与节约能源成为当务之急；（4）科学技术的进步为新材料的发展提供了条件[14]。目前使用的金属合金，在无冷却条件下，最高工作温度不超过1050℃，而高温结构陶瓷，如Si3N4和SiC则分别在1400℃和1600℃以上仍保持着较高的强度和刚性[16]。先进结构陶瓷所表现出的优异性能，是现代高新技术、新兴产业和传统工业改造的物质基础，具有广阔的应用前景和巨大的潜在社会经济效益，受到各发达国家的高度重视，对其进行广泛的研究和开发，并已取得了一系列成果。但结构陶瓷的致命弱点是脆性、低可靠性和重复性。近20年来，围绕这些关键问题已开展了深入的基础研究，并取得了突破性的进展。例如，发展和创新出许多制备陶瓷粉末、成形和烧结的新工艺、新技术；建立了相变增韧、弥散强化、纤维增韧、复相增韧、表面强化、原位生长强化增韧等多种有效的强化、增韧方法和技术；取得了陶瓷相图、烧结机理等基础研究的新成就，使结构陶瓷及复合陶瓷的合成与制备摆脱了落后的传统工艺而实现了根本性的改革，强度和韧性有了大幅度的提高，脆性得到改善，某些结构陶瓷的韧性已接近铸铁的水平。

先进结构陶瓷今后的重点发展方向是加强工艺-结构-性能的设计与研究，有效地控制工艺过程，使其达到预定的结构（包括薄膜化、纤维化、气孔的含量、非晶态化、晶粒的微细化等），重视粉体标准化、系列化的研究与开发及精密加工技术，降低制造成本，提高制品的重复性、可靠性及使用寿命。目前，高性能结构陶瓷的发展趋势主要有如下三个方面：

3.1单相陶瓷向多相复合陶瓷发展

当前结构陶瓷的研究与开发已从原先倾向于单相和高纯的特点向多相复合的方向发展[20]。复合的主要目的是充分发挥陶瓷的高硬度、耐高温、耐腐蚀性并改善其脆性，其中包括纤维(或晶须)补强的陶瓷基复合材料；异相颗粒弥散强化的复相陶瓷；自补强复相陶瓷（也称为原位生长复相陶瓷）；梯度功能复合陶瓷[21]。以往研究的微米-微米复合材料中,微米尺度的第二相颗粒(或晶须、纤维)全部分布在基体晶界处，增韧效果有限,要设计和制备兼具高强度、高韧性且能经受恶劣环境考验的材料十分困难，纳米技术和纳米材料的发展为之提供了新的思路。

20世纪90年代末,Niihara教授领导的研究小组报道了一些有关纳米复相陶瓷的令人振奋的试验结果,如Al2O3-SiC(体积分数为5%)晶内型纳米复合陶瓷的室温强度达到了单组分Al2O3陶瓷的3～4倍,在1100℃下强度达1500MPa[8～12，22～26]，这些都引起了材料研究者的极大兴趣。从那时直到现在,纳米复相陶瓷的研究不断深入[13～17，27～31]，我国也相继开展了一系列的工作,目前对纳米复相陶瓷的研究已处于国际一流水平[18～22，32～36]。

3.2微米陶瓷向纳米陶瓷发展

1987年，德国Karch等[37]首次报道了纳米陶瓷的高韧性、低温超塑。此后,世界各国对发展纳米陶瓷以解决陶瓷材料脆性和难加工性寄予了厚望。从20世纪90年代开始，结构陶瓷的研究和开发已开始步入陶瓷发展的第三个阶段，即纳米陶瓷阶段。结构陶瓷正在从目前微米级尺度(从粉体到显微结构)向纳米级尺度发展。其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸以及缺陷尺寸都属于纳米量级，为了得到纳米陶瓷，一般的制粉、成形和烧结工艺已不适应，这必将引起陶瓷工艺的发展与变革，也将引起陶瓷学理论的发展乃至建立新的理论体系，以适应纳米尺度的需求。由于晶粒细化有助于晶粒间的滑移，使陶瓷具有超塑性，因此晶粒细化可使陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在性能上发生突变甚至出现新的性能或功能。纳米陶瓷的发展是当前陶瓷研究和开发的一个重要趋势，它将促使陶瓷材料的研究从工艺到理论、从性能到应用都提升到一个崭新的阶段。

纳米陶瓷的关键技术在于烧结过程中晶粒尺寸的控制。为解决这一问题,目前主要采用热压烧结、快速烧结、热锻式烧结、脉冲电流烧结、预热粉体爆炸式烧结等致密化手段[39～43]，但总的来说,以上各种手段，虽对降低烧结温度、提高致密度有一定作用,但对烧结过程中晶粒长大的抑制效果并不理想，大块纳米陶瓷的制备一直是目前国际上纳米陶瓷材料研究的前沿和难点。目前纳米陶瓷在商业应用方面尚未取得突破性进展，若能制备出真正意义上的纳米陶瓷，则将开创陶瓷发展史上的新纪元，陶瓷的脆性问题也将迎刃而解[44]。大量的研究结果表明[45～49]，将等离子喷涂技术与纳米技术相结合，以纳米陶瓷粉末为原料经等离子喷涂技术制备的纳米陶瓷结构涂层表现出极其优异的性能，已经使纳米材料的应用逐步进入大规模实用化的阶段。

3.3由经验式研究向材料设计方向发展

由于现代陶瓷学理论的发展，高性能结构陶瓷的研究已摆脱以经验式研究为主导的方式，陶瓷制备科学的日趋完善以及相应学科与技术的进步，使陶瓷材料研究工作者们有能力根据使用上提出的要求来判断陶瓷材料的适应可能性，从而对陶瓷材料进行剪裁与设计，并最终制备出符合使用要求的适宜材料。

陶瓷材料常常是多组分、多相结构，既有各类结晶相，又有非晶态相，既有主晶相，又有晶界相。先进结构陶瓷材料的组织结构或显微结构日益向微米、亚微米，甚至纳米级方向发展。主晶相固然是控制材料性能的基本要素，但晶界相常常产生着关键影响。因此，材料设计需考虑这两方面的因素。另外，缺陷的存在、产生与变化、氧化、气氛与环境的影响，对结构材料的性能及在使用中的行为将产生至关重要的作用。所以这也是材料设计中要考虑的重要问题，材料的制备对结构与缺陷有着直接影响，因此人们力求使先进陶瓷材料的性能具有更好的可靠性和重复性，制备科学与工程学将在这方面发挥重要作用。

陶瓷相图的研究为材料的组成与显微结构的设计提供了具有指导性意义的科学信息。最近提出的陶瓷晶界应力设计，企图利用两相或晶界相在物理性质(热膨胀系数或弹性模量)上的差异，在晶界区域及其周围造成适当的应力状态，从而对外加能量起到吸收、消耗或转移的作用，以达到对陶瓷材料强化和增韧的目的[1]。为克服陶瓷材料的脆性而提出的仿生结构设计，通过模仿天然生物材料的结构，设计并制备出高韧性陶瓷材料的新方法也成为研究热点[12，50]。

4结语

先进结构陶瓷材料在粉体制备、成形、烧结、新材料应用以及探索性研究方面取得了丰硕的成果，这些新材料、新工艺、新技术，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环境保护、提高生产效率，延长机器设备寿命以及实现尖端技术等方面，已经并继续发挥着积极的作用，促进了国民经济可持续发展、传统产业的升级改造和国防现代化建设。

先进结构陶瓷材料的研究，需要跟踪国际科技前沿，对新设想、新技术进行广泛探索。自蔓延高温燃烧合成技术(SHS)、凝胶注模成形技术、微观结构设计已成为研究热点。

陶瓷材料的许多独特性能有待我们去开发，所以先进陶瓷的发展潜力很大。随着科技的发展和人们对陶瓷研究的深入，先进陶瓷将在新材料领域占有重要的地位。

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（HandlingEquipmentMechanicalDepartment,AcademyofMilitaryTransportationTianjin300161)

陶瓷原料篇4

一、结构陶瓷同金属材料相比，陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损比重小（约为金属的1/3），因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。

1、氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化锆、莫来石和钛酸铝。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题，原料价格低廉生产工艺简单。氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能，高硬度和耐化学腐蚀性，主要缺点是在1000摄氏度以上高温蠕变速率高，机械性能显著降低。氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷糜烂球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。莫来石室温强度属中等水平，但它在1400摄氏度仍能保持这一强度水平，并且高温蠕变速率极低，因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹，历而具有极低的热膨胀系数和热传导率。它的主要缺点是强度低，无法单独作为受力元件，所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件，并已在陶瓷发动机上得到应用。

2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起，因而具有较高的硬度、模量、蠕变搞力，并且能把这些性能的大部分保持到高温，这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难，必须在极高温度并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品，有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度，所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。这些含硅的非氧化物陶瓷还具有极佳的高温耐蚀性和抗氧化性，因此一直是陶瓷发动机的最重要材料。目前已经取代了许多超阶级高金钢部件。现有最佳超高合营企业金钢的使用温度低于1100摄氏度，而发动机燃料燃烧的温度在1300摄氏度以上，并且不需要水冷系统，这在能源利用和环保方面具有重要的战略意义。非氧化物陶瓷也广泛应用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本较高，但高温韧性、强度、硬度、蠕变鬼话连篇优异得多，并且刀具寿命长、允许切削速度高，因而在刀具市场占有日益重要地位。它的应用领域还包括轻质无陶瓷轴承、密封件、窑具和磨球等。

3、玻璃陶瓷和陶瓷的主要区别在于结晶度，玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化，而陶瓷的软化温度同熔点很接近，因而陶瓷的机械性通知使用温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型，工艺简单而且成本低。下班陶瓷兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能，它利用玻璃盛开技术制造产品，然后高温结晶化处理获得陶瓷。工业玻璃陶瓷体系有镁-铝-硅酸盐、锂-镁-铝-硅酸盐和钙-镁--硅酸盐系列，它们常被用来制造耐高温和热冲产品，如炊具。此外它们作为建筑装饰材料正得到越来越广泛的应用，如地板、装饰玻璃。

二、陶瓷基复合材料复合材料是为了达到某些性能指标将两种或两种以上不同材料混合在一起制成的多相材料，它具有任何一项所不具备的综合性能。陶瓷材料的最大缺点是韧性低，使用会产生不可预测的突然性断裂，陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。基于提高韧性的陶瓷革复合材料主要有两类：氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。氧化锆相变增韧生命材料是把部分稳定的氧化锆粉末同其他陶瓷粉末（如氧化铝、氮化硅或莫来石）混合后制成的高韧性材料，其断裂韧性可以达到10Mpam1/2以上，而一般陶瓷的韧性仅有3Mpam1/2左右。这类材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常广泛的应用。纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法。纤维强度一般比基体高得多，所以它对基体具有强化作用；同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力。从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化的复合材料，例如碳化硅长纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达30Mpam1/2以上，比烧结碳化硅的韧性提高十倍。但因为这类材料价格昂贵，目前公在军械和航空航天保证领域得到应用。另一引人注目的增强材料是陶瓷晶须。晶须是尺寸非常小但近科完美的纤维状单晶体，其强度和模量接近材料的理论值，极适用于陶瓷的强化。目前这类材料在陶瓷切削刀具方面已经得到广泛应用。主要体系有碳化硅晶须-氧化铝-氧化锆、碳化硅晶-氧化铝和碳化硅晶须-氮肥化硅。

三、功能陶瓷功能陶瓷是具有光、电、热或磁特性的陶瓷，已经具有极高的产业化程度。下面根据性能对几类主要的功能陶瓷作一简介。

陶瓷原料篇5

【关键词】二硼化钛；复合材料；微波烧结；致密性

0引言

陶瓷在高温条件下仍具有很高的硬度，但是陶瓷的脆性限制了它的应用。为了改善其性能，可采用液态金属铜（Cu）作粘结剂，促使陶瓷的硬质相致密化，从而提高陶瓷的性能。研究发现，随着Cu含量的变化，TiB2颗粒之间的孔隙逐渐被金属相填充，使其致密性、韧性、强度都得到很大的提高。

1原位合成制备TiB2/Cu陶瓷

通过TiB2基体内部利用元素间或元素与复合相间的化学反应合成强化相。于是将Ti粉、B粉和Cu粉按Ti+2B+xCu―>TiB2+xCu反应方程式进行配料。利用球磨机在无氧条件下球磨样品粉末5h，充分混合后真空干燥。干燥后将粉末放置于压力机中，梯度增压到20MPa，保压5min后取出压片，以同样的方法分别压制3组含铜量为15%、25%和35%的样品压片，经适当的烧结制取TiB2/Cu复合材料。

2XRD射线测试分析与总结

已知在烧结过程中，Ti、B及Cu可能会发生以下化学反应：

2Ti+O2=2TiO

Ti+O2=TiO2

4Ti+3O2=2Ti2O3

Ti+2B=TiB2

Ti+B=TiB

为了确定合成产物的反应方向和最终相，对上式反应的反应自由能进行了理论计算。计算后发现在TiB2，TiB及TiCu三种可能产物中，TiB2的反应自由能最低。这说明在Ti-B-Cu体系中，TiB2是在理论上最稳定的相。根据自由能计算参考数据可知，TiCu是可以可按下式和B反应而转变为TiB2。反应式如下：

TiCu+2B=TiB2+Cu

通过用XRD射线测试后所得到的衍射峰的强度和衍射峰的数目可以看出，如图1所得到的XRD射线测试的峰值图，图中含有TiB2和Cu，于是可以确定，通过用原位合成的方法能够得到TiB2/Cu复合材料，根据成分配比，TiB2颗粒的体积分数应达到80%左右。这一结果基本满足要求。但同时在样品中也发现有少量TiO、TiO2、CuO、TiB等杂质，可能与烧结过程发生氧化有关。

图1样品复合材料X射线谱

3金相显微镜的测试与分析

通过金相显微镜的测试，我们根据3组对照实验可以发现：随着Cu含量的增加，TiB2复合材料的颗粒逐渐变小，空洞也在减少。如图2所示的3组电子扫描的图片。三组对比试验可以发现，金属确实能够改变TiB2陶瓷的致密性。

图23组Cu含量为15%（a）、25%（b）、35%（c）的电子扫描的图片

由图2给出的3组分别含Cu15%、25%和35%的TiB2/Cu复合陶瓷的扫描照片。其中，灰色是TiB2相，白色是Cu相，黑色是孔洞。孔洞的存在主要来源于可能是在烧结过程中杂质或单质硼（B）的挥发造成。从图中可以看出，该组织较为致密，仅有少量孔洞。同时从图中可以看出，随着Cu含量的增加，TiB2颗粒的尺寸逐渐减小。可能是随着Cu含量的增加，体系中的液相逐渐增多，抑制了TiB2颗粒的长大，另外随着Cu含量的增加，金属铜填充了陶瓷的空洞。

4密度的测定与分析

用阿基米德排水法来测量复合材料的密度。利用浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力的原理，实现对陶瓷材料密度的测量。利用式F浮=ρ水gV排，分别计算出15%、25%和35%的陶瓷复合材料的密度是6.32g/cm3，6.54g/cm3和7.03g/cm3。根据密度测定可以发现：随着铜质量分数的增加，TiB2复合材料的密度也随之增加。同时，由密度可以得出材料的相对密度，于是根据铜质量分数不同时，材料相对密度的变化。可以看出：随着Cu含量的不断增加，致密度呈逐渐增加趋势，但是增加幅度逐渐变缓。

5结束语

（1）将Ti粉、B粉和Cu粉按照一定的比例混合，通过原位合成的方法是能够得到一定量的TiB2/Cu陶瓷材料；

（2）在TiB2陶瓷中添加金属（Cu）粘结剂是能够改变陶瓷材料的一些性能包括致密性。

【参考文献】

[1]郭峰，李历坚，等.TiB2基陶瓷材料的研发进展与展望[J].粉末冶金材料科学与工程，2009.

[2]董仕节，雷永平，等.原位生成TiB2/Cu复合材料的研究[J].西安交通大学学报，2000.

[3]Fuzhengyi（傅正义）.TiB2系金属陶瓷的SHS-QP制备[N].journalofTheChineseCeramioSociety（硅酸盐学报），1996.

[4]徐强，张林，等.压力对反应合成TiB2-Cu基复合材料力学性能的影响[J].新技术新工艺，2005.

陶瓷原料篇6

我国地域广阔，陶瓷原料的储量均非常丰富，我国陶瓷原料矿点分布遍及全国各省、市、自治区。许多原料可供使用上千年或上万年。仅以陶瓷粘土为例，依据最新统计资料，全国已经探明的陶瓷粘土矿床达到180余处。其中高岭土矿床，湖南占全国的29%，其次有江苏、广东、江西、辽宁、福建等省，探明的储量均达到1000万吨以上。这一资源优势既能够为继续推动我国陶瓷发展打下基础，又为我国发展陶瓷原料大批量出口，创造了丰厚的条件。

二、陶瓷材料的物理性能优势

近年来我国城市雕塑、园林雕塑如雨后春笋般发展起来，但苦于材料不理想。铜、钢、大理石等材料造价高，如果采用玻璃钢和水泥又不耐用，而陶瓷材料却能弥补以上材料的不足，将它用做园林雕塑和建筑装饰雕塑经济价值潜力巨大。陶瓷材料具备一下物理性能优势：

（一）原料易得，健康环保

经过科学工艺研究和艺术创造的陶瓷材料与传统的天然石材相比，具有其独特的环保优越性。如有些石材，具有较强的放射性，且开采时必然破坏自然生态环境；而陶艺材料它可以按照绿色生态和城市规划的要求，在允许采掘陶土原料的地方，有计划地采集原料。并可充分利用各种工业废料，如工业粉煤灰、高岭矿尾沙、铜矿工业尾沙等。

（二）易于加工成型，可塑性强

没有其它任何材料能比陶泥更忠实地纪录下其表面留下的任何痕迹，陶泥可以随意的刺戮、切割、揉捏，发挥造型的可能性。陶泥能使陶艺在造型上更加活泼自由，较之目前常用于空间环境的各种材料，如玻璃、石材、木材、水泥等有着很大的表现空间。艺术家们在对瓷泥进行探索时，充分挖掘泥性的表现力，将瓷泥原始基质和潜能解放出来。

（三）易于保养与维护，性能稳定

粘土经1200多度高温煅烧后形成的莫来石结构使它非常坚硬。形状永久固定，性质颇为稳定。尤其经过施釉后，表层的釉质因高温烧结，不易渗水，抗压、抗腐蚀、耐热、耐光照、防风化的性能很强，并能永远保持鲜艳色彩，即使是裸露在户外空间也经久耐用。在海空气中腐蚀成分较大的场所，石头、水泥的雕像的表面就容易受到侵蚀，而陶瓷材料则能抵抗时间、气侯的侵蚀。它不像铁那样的易锈，也不像水泥和石头那样可能崩解，它甚至比许多种的石头还要耐久。

三、陶瓷材料性能的可开发性

人类从认识到粘土的价值之日起就不断的对粘土材料进行探索，从陶到瓷是第一个巨大的飞跃，在之后的一千多年瓷的性能得到了极大的开发。陶瓷材料的开发是与科技的进步休戚相关的，随着高科技手段的引入，现代陶瓷材料的性能已经发生了翻天覆地的变化。如今的陶瓷材料甚至已经伸展到航天航空领域。国内己经研制成功了一些新的反光陶瓷，是具有高折射率玻璃质与陶瓷体复合的新型材料。这种材料甚至可以代替传统的金属、塑料、反光漆或其它材料，运用于高速公路的路标。

四、陶瓷材料独特的艺术表现

陶瓷材料在建筑环境中显示出其他材料艺术所无法比拟的优势――造型变化的广阔性和肌理美的观赏性及釉色的神秘性。它作用于人的视觉，触觉，能够影响人的视觉和心理体念。强调泥性的特征在塑造成型和视觉感觉体验时表现出来的柔软性、可塑性和感官上的触动，按自身的主体感觉来发掘、解放和探讨环境陶艺的造型变化和丰富的观赏性表现。环境陶艺如同材料本身得到尊重，给予了人性回归。充分地展现人的观念和充分地展现材料的美感，也就是充分挖掘材料本身所具备的语言表达功能是现代艺术的一个显著特征。环境陶艺的泥性之美、釉色之美、烧成之美及工艺成型过程中艺术家通过手对粘土的引导和交流所留下的丰富“手语”痕迹，增加了环境陶艺与人性本源的诸多亲切感与广泛性。这种真人心灵的内在和外在的因素共同形成了环境陶艺所具有的独特的视觉语言和审美内函。

五、陶瓷材料的人文关怀性