陶瓷生产工艺技术概况

陶瓷生产工艺技术概况
第一节 陶瓷生产及原料概况
陶瓷是指用粘土、石英等天然硅酸盐原料经过粉碎、成型、煅烧等过程而得到的具有一定形状和强度的制品。主要指日常生活中常见的日用陶瓷和建筑陶瓷、电瓷等。
陶瓷的生产发展经历了漫长的过程,从传统的日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷发展到今天的氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等特种陶瓷,虽然所采用的原料不同,但其基本生产过程都遵循着原料处理一成型煅烧这种传统方式,因此,陶瓷可以认为是用传统的陶瓷生产方法制成的无机多晶产品。
陶瓷制品的品种繁多,它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质、以及制造方法,常常互相接近交错,无明显的界限,而在应用上却有很大的区别。因此很难硬性地归纳为几个系统,详细的分类法各家说法不一,到现在国际上还没有一个统一的分类方法。整理汇编如下:
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一、根据陶瓷原料杂质的含量、和结构紧密程度把陶瓷制品分为陶质、瓷质和炻质三类
1、陶质制品为多孔结构,吸水率大(低的为9—12%,高的可达18—22)、表面粗糙。根据其原料杂质含量的不同及施釉状况,可将陶质制品分为粗陶和细陶,又可分为有釉和无釉。粗陶一般不施釉,建筑上常用的烧结粘土砖、瓦均为粗陶制品。细陶一般要经素烧、施釉和釉烧工艺,根据施釉状况呈白、乳白、浅绿等颜。建筑上所用的釉面砖(内墙砖)即为此类。
2、炻质制品介于瓷质制品和陶质制品之间,结构较陶质制品紧密,吸水率较小。炻器按其坯体的结构紧密程度,又可分为粗炻器和细炻器两种,粗炻器吸水率一般为4~0—8%,细炻器吸水率小于2%,建筑饰面用的外墙面砖、地砖和陶瓷锦砖(马赛克)等均属粗炻器。
3、瓷质制品煅烧温度较高、结构紧密,基本上不吸水,其表面均施有釉层。瓷质制品多为日用制品、美术用品等。瓷器是陶瓷器发展的更高阶段。它的特征是坯体已完全烧结,完全玻化,因此很致密,对液体和气体都无渗透性,胎薄处星半透明,断面呈贝壳状,以舌头去舔,感到光滑而不被粘住。
二、陶瓷可简单分为硬质瓷,软质瓷、特种瓷三大类
1、硬质瓷 (hard porcetain) 具有陶瓷器中最好的性能。用以制造高级日用器皿,电瓷、化学瓷等。我国所产的瓷器以硬质瓷为主。硬质瓷器,坯体组成熔剂量少,烧成温度高,在1360℃以上白质坚,呈半透明状,有好的强度,高的化学稳定性和热稳定性,又是电气的不良传导体,如电瓷、高级餐具瓷,化学用瓷,普通日用瓷等均属此类,也可叫长石釉瓷。
2、软质瓷(soft porcelain)与硬质瓷不同点是坯体内含的熔剂较多,烧成温度稍低,在录入笔1300℃以下,因此它的化学稳定性、机械强度、介电强度均低,一般工业瓷中不用软质瓷,其特点是半透明度高,多制美术瓷、卫生用瓷、瓷砖及各种装饰瓷等。 这两类瓷器由于生产中的难度较大(坯体的可塑性和干燥强度都很差,烧成时变形严重),成本较高,生产并不普遍。至于熔块瓷 (Fritted porcelain) 与骨灰磁 (bone china),它们的烧成温度与软质瓷相近,其优缺点也与软质瓷相似,应同属软质瓷的范围。英国是骨灰瓷的着名产地,我国唐山也有骨灰瓷生产。
3面波仪、特种陶瓷是随着现代电器,无线电、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及电子计算机、空间技术、新能源开发等尖端科学技术的飞跃发展而发展起来的。这些陶瓷所用
的主要原料不再是粘土,长石,石英,有的坯体也使用一些粘土或长石,然而更多的是采用纯粹的氧化物和具有特殊性能的原料,多以各种氧化物为主体,如高铝质瓷,它是以氧化铝为主,镁质瓷,以氧化镁为主;滑石质瓷,以滑石为主;铍质瓷,以氧化铍或绿柱石为主;锆质瓷,以氧化锆为主;钛质瓷,以氧化钛为主。 制造工艺与性能要求也各不相同。上述特种瓷的特点多是,由不含粘土或含极少量的粘土的制品,成型多用干压、高压方法,在国防工业,重工业中多用此类瓷,如火箭,导弹上的挡板,飞机、汽车上用的火花塞,收音机,内用的半导体,快速切削用的瓷刀等等。
三、按陶瓷是否施釉来分
可分为有釉陶瓷和无釉陶瓷两类。
四、按陶瓷的性能分类
人们为了生产、研究和学习上的方便,有时不按化学组成,而根据陶瓷的性能,把它们分为:
高强度陶瓷,铁电陶瓷、耐酸陶瓷,高温陶瓷,压电陶瓷,高韧性陶瓷,电解质陶瓷、光
学陶瓷(即透明陶瓷),磁性陶瓷,电介质陶瓷,磁性陶瓷和生物陶瓷等等。
五、按陶瓷的用途分类
1.日用陶瓷:如餐具、茶具、缸,坛、盆。罐等。
2.艺术陶瓷:如花瓶、雕塑品.陈设品等。
3.工业陶瓷:指应用于各种工业的陶瓷制品。又分以下6各方面:
(1)、建筑/卫生陶瓷: 如砖瓦,排水管、面砖,外墙砖,卫生洁其等;
(2)、化工陶瓷: 用于各种化学工业的耐酸容器、管道,塔、泵、阀以及搪砌反应锅的耐酸砖、灰等;
(3)、化学瓷: 用于化学实验室的瓷坩埚、蒸发皿,燃烧舟,研体等;
(4)、电瓷: 用于电力工业高低压输电线路上的绝缘子。电机用套管,支柱绝缘于、低压电器和照明用绝缘子,以及电讯用绝缘子,无线电用绝缘子等;
(5)、耐火材科: 用于各种高温工业窑炉的耐火材料;
(6)、特种陶瓷: 甩于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品,有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、以及磁性瓷、金属陶瓷等。
第二节 陶瓷生产的主要原料
一、陶瓷原料及特点
包括高岭土、粘土、瓷石、瓷土、着剂、青花料、石灰釉、石灰碱釉等。
高岭土陶瓷原料,是一种主要由高岭石组成的粘土。因首先发现于江西省景德镇东北的高岭村而得名。它的化学实验式为:Al2O3母线夹·2SiO2·2H2O,重量的百分比依次为:39.50%46.54%13.96%。纯净高岭土为致密或松疏的块状,外观呈白、浅灰。被其他杂质污染时,可呈黑褐、粉红、米黄等,具有滑腻感,易用手捏成粉末,煅烧后颜洁白,耐火度高,是一种优良的制瓷原料。
粘土陶瓷原料是一种含水铝硅酸盐矿物,由长石类岩石经过长期风化与地质作用而生成。
它是多种微细矿物的混合体,主要化学组成为二氧化硅、三氧化二铝和结晶水,同时含有少量碱金属、碱土金属氧化物和着氧化物等。粘土具有独特的可塑性和结合性,其加水膨润后可捏练成泥团,塑造所需要的形状,经焙烧后变得坚硬致密。这种性能,构成了陶瓷制作的工艺基础。粘土是陶瓷生产的基础原料,在自然界中分布广泛,蕴藏量大,种类繁多,是一种宝贵的天然资源。
瓷石也是制作瓷器的原料,是一种由石英、绢云母组成,并有若干长石,高岭土等的岩石状矿物。呈致密块状,外观为白、灰白、黄白、和灰绿,有的呈玻璃光泽,有的呈土状光泽,断面常呈贝壳状,无明显纹理。瓷石本身含有构成瓷的多种成分,并具有制瓷工艺与烧成所需要的性能。我国很早就利用瓷石来制作瓷器,尢其是江西、湖南、福建等地的传统细瓷生产中,均以瓷石作为主要原料。
瓷土由高岭土、长石、石英等组成,主要成分为二氧化硅和三氧化二铝,并含有少量氧化铁、氧化钛、氧化钙、氧化镁、氧化钾和氧化钠等。它的可塑性能和结合性能均较高,耐火度高,是被普遍使用的制瓷原料。
着剂存在于陶瓷器的胎、釉之中,起呈作用。陶瓷中常见的着剂有计三氧化二铁、
氧化铜、氧化钴、氧化锰、二氧化钛等,分别呈现红、绿、蓝、紫、黄等。
青花料是绘制青花瓷纹饰的原料,即钴土矿物。我国青花料蕴藏较为丰富,江西的乐平、上高、上饶、丰城、赣州,浙江的江山,云南的宜良,会泽、榕峰、宣威、嵩明以及广西、广东、福建等地均有钴土矿蕴藏。我国古代青花瓷使用的青花料一部分来自国外,大部分属国产。进口料中有苏麻离青、回青;常用的国产料有石子青、平等青,浙料、珠明料等。
石灰釉主要物质是氧化钙(CaO),起助熔作用,特点是高温粘度小,易于流釉,釉的玻璃质感强,透明度高,一般釉层较薄,釉面光泽较强,能清晰地刻划纹饰,南宋以前瓷器大多使用石灰釉。
石灰碱釉主要成分为助熔物质氧化钙以及氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)等碱性金属氧化物。特点是高温粘度大,不易流釉,可以施厚釉。在高温焙烧过程中,釉中的空气不能浮出釉面而在釉中形成许多小气泡,使釉中残存一定数量的未溶石英颗粒,并形成大量的钙长石析晶。这些小气泡、石英颗粒和钙长石析晶使进入釉层的光线发生散射,因而使釉层变得乳浊而不透明,产生一种温润如玉的视觉效果。石灰碱釉的发明与运用,是传统
青瓷工艺的巨大进步。石灰碱釉出现于北宋汝窑青瓷中。南宋龙泉窑瓷器大量采用石灰碱釉,使釉呈现出如青玉般的质感,如粉青、梅子青。可以说南宋龙泉青瓷已达到中国陶瓷史上单釉器的顶峰。
二、陶瓷的原料与作用
陶瓷工业中使用的原料品种很多,从它们的来源来分,一种是天然矿物原料,一种是通过化学方法加工处理的化工原料。天然矿物原料通常可分为可塑性物料、瘠性物料、助熔物料和有机物料等四类。下面介绍天然原料主要品种的组成、结构、性能及其在陶瓷工业中的主要用途。
1.可塑性物料——粘土
连续退火炉粘土主要是由铝硅酸盐岩石(火成的、高质的、沉积的)如长石岩、伟晶花岗岩、斑岩、片麻岩等长期风化而成,是多种微细矿物的混和体。 粘土通常分为:
(1) 高岭土——也称瓷土,为高纯度粘土,烧成后呈白,主要用于制造瓷器。
quartz插件(2) 陶土——也称微晶高岭土,较纯净,烧成后略呈浅灰,主要用于制造陶器。
(3) 砂质粘土——含有多量细砂、尘土、有机物、铁化物等,是制造普通砖瓦的原料。
(4) 耐火粘土——也称耐火泥,此种粘土含杂质较少,熔剂大多少于10%,在自然条件下其颜甚多,但经熔烧后多为白、灰或淡黄。耐火粘土的耐火度在1580℃以上,为制造耐火制品、陶瓷制品及耐酸制品的主要原料。
2.瘠性物料
揉成可塑泥料的粘土,在干燥的过程中,由于水分排出,粒子互相靠拢而发生收缩。烧制过程中的一系列变化,也会引起收缩。为了防止坯体收缩所产生的缺陷,常掺有无可塑性而在焙烧范围内不与可塑性物料起化学作用、并在坯体和制品中起骨架作用的物料,称为瘠性物料或非可塑性物料,如石英等。
3.助熔物料
助熔物料亦称熔剂,在焙烧过程中能降低可塑性物料的烧结温度,同时增加制品的密实性和强度,但会降低制品的耐火度、体积稳定性和高温下抵抗变形的能力。
常用的助熔剂有长石一类的自熔性助熔剂和铁化物、碳酸盐一类的化合性助熔剂。
4.有机物料
有机物料主要包括天然腐植物或由人工加入的锯末、糠皮、煤粉等,它们能提高物料的可塑性。在焙烧过程中,还能碳化成强还原剂,使氧化铁还原成氧化亚铁,并与二氧化硅生成硅酸亚铁,起辅助助熔剂的作用。若其含量过多,会使制品产生黑熔洞。

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