PDF《材料的中国之星——陶瓷》

材料的中国之星――陶瓷 陶瓷是我国古代劳动人民的重大发明之一,欧洲人也一向视中国陶瓷为 无价之宝,所以,欧洲人把瓷器叫做 China ,久而久之, China 成了 中国的英文名称.

陶瓷是陶器和瓷器的总称.陶瓷的产生和发展是中国灿烂的古代文化的 重要组成部分.早在公元前

5000 年的新石器时代,我们的祖先就开始用普通 粘土在很高的温度下烧制陶器,这是一种粗糙简陋的器皿,以后经过不断改 进,到新石器时代的晚期,已经能造出比较光滑,质地较坚固而且具有不同 颜色的陶器了,但它的缺点是容易渗水.到了奴隶社会的商代,人们已经发 明了陶器上釉的技术,使陶器既美观,而且不渗漏,不易被污染.同时,人 们已经开始选择比较好的粘土来烧制瓷器了.至此,陶瓷日用品和工艺品的 水平不断完善.陶瓷产品最负盛名的当属宜兴和景德镇了. 江苏宜兴,以生产陶器闻名于世.帮助越王勾践灭吴的大夫范蠡,在灭 吴以后,带着西施隐居宜兴烧起陶器来,开创了宜兴的陶业,因此,历代制 陶艺人都奉范蠡为祖师爷.宜兴的茶壶,曾为许多文人墨客所推崇,当年苏 东坡择居宜兴蜀山,特别喜欢用提梁壶饮茶.重感情的陶工为了纪念他,就 将这种提梁壶称为 东坡壶 .宜兴被称为 陶都 是当之无愧的. 江西的昌南镇,自汉朝开始烧制白瓷,到宋朝景德年间已盛名中外,从 此昌南镇改名为景德镇,作为 瓷都 盛名绵延至今. 普通陶瓷以粘土、石英、长石为重要原料.故又叫三组分陶瓷. 粘土是一种细颗粒的含水铝硅酸盐,当与水混合时产生塑性.尽管各地 的粘土,其化学、物理性质各不相同,但共同的特点是具有结晶状的电中心 层状结构,从而使其有柔软性、润滑性、易于劈裂等一系列物理性能.陶瓷 坯体中,粘土一般要占到 45%~ 60%,其主要作用是为成型提供细颗粒物 质和良好的可塑性,并在烧成的过程中使坯体具有一定的强度与耐火性能. 低品位的粘土到处可见.常用于制造陶瓷的是一种以高岭石 ( ) ( ) 为主要成分的高级粘土,即高岭土. AL Si O OH

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5 4 制造陶瓷的第二种重要材料是石英.它的分子式是 SiO2,大多以结晶态 存在于石英矿中.石英非常硬,不溶于水,高温溶化时为无色透明液体.石 英是酸性氧化物,是地球上数量最大的一类矿物.以它为基础的硅酸盐材料 是无机非金属材料中最重要的部分.石英在陶瓷中的作用主要是提供坯体耐 熔的骨架,使之不在烧成时变形,并且提高陶瓷的机械强度及半透明度. 制造陶瓷的另一重要原料是长石.主要有钾长石 ( ) , K AL Si O

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8 钠长石 ( ) 及钙长石 ( ) .这些铝硅酸盐在陶 Na AL Si O Ca AL Si O

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3 8 瓷 中是作为助熔剂的.在未烧成前,可降低可塑性,缩短干燥时间,减少坯体 收缩,在烧成时,促进形成玻璃相,降低制品的烧成温度. 普通陶瓷的生产工艺大致相同,主要工序是:泥料制备、成型、干燥、 上釉和烧成.

一、泥料制备 由于原料来源不一,制品品种繁多,成型方法各异,所以泥料制备十分 复杂.一般制备过程如下:

二、成型 成型又叫制坯.它是将泥料拌适量的水,灌注在石膏或金属模具中使之 成为制品的生坯.

三、干燥 为了防止在烧成时裂开,生坯要进行干燥,通常在室式或隧道式干燥室 内用热空气进行,也可用电热、远红外等进行快速干燥.含水量较大的坯体, 在水份蒸发时,会发生较大的收缩,为了避免坯体翘曲或开裂,应小心控制 干燥速度.

四、上釉 釉涂在陶器或瓷器表面,起着美观、光滑、不渗水等作用.釉是由长石、 石英、硼砂、氧化锌调配而成的,其中还掺有少量的金属氧化物如氧化铁、 氧化铅、氧化铜等作显色剂.

五、烧成 陶瓷制作的最后一道工序是烧成,坯体在高温过程中发生一系列物理、 化学反应,形成一定的物相组成与显微结构,从而使陶瓷具有所需要的机械、 电、热等性能. 烧制时发生的物理和化学变化主要为脱水、分角和氧化.用化学方程式 表示: 脱水: AL O SiO H O AL O SiO H O

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2 2 分解: CaCO CaO CO

3 2 高温 + ↑ CaSO CaO SO

4 3 高温 + ↑ CaSO CaO SO

3 2 高温 + ↑ 烧成: 2AL O + 6SiO 3AL O 2SiO + 4SiO

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2 → ・ 另外,还发生了重量、体积、颜色、强度、硬度和形状等物理变化.经 过高温烧制的坯体还要放在窑里让它渐渐冷却,到80℃时开始出窑,取出来 的就是美观、坚固的陶瓷品了. 陶瓷是最古老的硅酸盐材料.精致的中国陶瓷制品,至今仍然吸引着世 界各地的客商.随着科学技术的发展,具有特殊优异性能的现代陶瓷材料也 飞速发展起来,并且已被非常广泛的应用,被人们誉为永不凋谢的材料之花. 陶瓷经过特殊的 极化 处理后,它在机械力、光能的作用下,能把它 们转变成电能,在电场作用下,又能把电能转变为机械能.这种特殊的功能 叫做 压电效应 ,具有这种压电效应的陶瓷叫压电陶瓷.核试验员带上用 透明压电陶瓷做成的特殊目镜,带来了很大的方便.原子弹爆炸,当核闪光 强度达到危险程度时,由于光的作用护目镜的控制装置马上就把它转变成瞬 时高电压,防护镜自动地迅速变暗,在千分之一秒钟里,能把光强度减弱到 只有万分之一,险情过后,它还能自动复原,不影响驾驶员的视力.这种压 电陶瓷护目镜结构简单,重不过几十克,只有火柴盒那么大,安装在防核护 目头盔上携带十分方便. 新型陶瓷的种类有很多,如具有气敏、热、电、磁、声、光等功能互相 转换特性的各种 功能陶瓷 ,用于人或动物肌体,具有特殊生理功能的 生 物陶瓷 等等.下面再介绍一种十分有趣的陶瓷―― 啤酒陶瓷 . 说起 啤酒陶瓷 的出世, 还有一个非常有趣的故事. 美国化学家哈纳・ 克 劳斯在研究一种用于导航容器的材料配方时,无意中错把身旁的一杯啤酒当 作蒸馏水倒入一个盛有石膏粉、粘土以及几种其他化学药品的烧杯中,然而, 正是由于这个 无意之中 的举动导致了啤酒陶瓷的问世.这一杯啤酒一倒 入烧杯中,就出现了意想不到的奇特现象,烧杯中的那些混合物立即产生了 很多泡沫,体积突然膨胀了约两倍,不到

30 秒就成了硬坯.这次偶然制成的 啤酒陶瓷居然是一种具有很多优良特性的泡沫陶瓷,这是谁也没有料到的. 这种后来被人称作 啤酒石 的陶瓷具有釉光、重量轻、无毒、防火性能好 等特点.由于啤酒石形成时固化速度快,并有那么多优良特性,它将在增强 运载工具的绝热性能、安全储存核废物以及在包装业、汽车制造业、农业等 方面具有很高的应用价值和商业价值.一些专家认为,啤酒石最重要的用途 之一是储存核废料.大家知道,核废物如储存不当,会对环境造成非常有害 的核污染.当前处理核废物较大的问题是容器,传统的方法是用防锈、不漏 气的钢鼓储存,容器的内壁常用一种塑料作为防护套.但是,一旦粘结剂失 效,就会发生泄漏,由于啤酒陶瓷具有自行上釉的特性,所以可将其喷在新 钢鼓的内表面,或旧钢鼓的外表面,形成啤酒陶瓷釉,成为一个不破裂、不 泄漏的防护套,这样就可安全地储存核废物了. 透明的世界――玻璃 我们的生活,好比一幅宏大美丽的画卷,五彩缤纷、瑰丽多姿.我们就 生活在这幅美丽的画卷中,心情舒畅,同时又不无自豪,因为,这个世界是 我们人类自己的杰作. 在生活中,我们常常看见各种布置精巧的橱窗,这不,前面便又是一个. 不过,这可不是一般的橱窗.你瞧,一个透明的台柜,上面铺着蓝色的天鹅 绒,几件形象奇特的、透明的艺术品,巧妙地陈列在一盏台灯的周围.台灯 是一体七色的,七种柔和的光,从灯罩里挥洒而出,映着这些透明的珍奇, 更是显得晶莹摧灿,光彩夺目.台柜旁边是一架精巧的透明的茶几,上面陈 列着几套各式各样的透明的杯盏.一只形状奇特的高脚杯,盛放着一杯鸡尾 酒似的彩色液体放在一旁,那界限分明的色彩,盈盈欲滴,好像要飞泻而出 似的. 毫无疑问,这是一个玻璃制品的橱窗了.不过,它将各种奇异形状的玻 璃器具与各种色彩如此巧妙地布置在一起,不由得令我们对这个透明的世界 刮目相看.在我们日常生活中,玻璃可以说是司空见惯的.我们一睁眼,首 先映入眼帘的便是从窗户上倾泻进来的明亮的光线;

我们一想喝点什么,无 意中拿的便是一只透明的杯子;

书桌上有几件小巧的玻璃工艺品,还有透出 柔和的光线的台灯;

当我们到实验室里后,各式各样的玻璃仪器便开始垂首 候命.还有,我们鼻子上的玻璃眼镜,科学家们用的显微镜,天文学家们将 遥远的星球拉到我们的视野里的望远镜,它们关键的部分――镜片便也是由 玻璃制成.玻璃,以它良好的透明的性能,一定的机械强度,方便的加工工 艺,美观的各式造型,以及低廉的工业成本,越来越深入到我们的生活画卷 之中,为我们美好的生活增添了神奇的透明的美景. 其实,在古代的埃及就已经有了玻璃制品,玻璃珠一直是埃及当时的高 贵装饰品.考古学家在埃及的古墓中发掘出的一颗最早的玻璃珠它的年龄有 五千五百岁,它就是埃及玻璃的见证. 在我国的考古文献中,也曾介绍西周(距今三千多年)的白色穿孔玻璃 珠,以及战国时期的彩色料珠等.它们是在河南、湖南、山西等地古墓发掘 中得到的珍品. 考古学家找到了古代的玻璃制品,但玻璃是怎样发明的,谁也没有找到 答案.可是我们谁都会从心里敬佩那些无名的匠师,因为玻璃的发明,为人 类文明的发展做出了极其伟大的贡献. 公元一世纪初,古罗马把原料放在窑里熔炼,温度大大提高了,熔制的 玻璃液已从不透明变成透明的.他们用吹管把玻璃液吹制成各种形状的玻璃 制品,如美丽精巧的药瓶,风格别致的酒杯和宝石般的装饰品.玻璃技术的 发展,记录了罗马的文明. 到了中世纪时期,意大利的威尼斯成了玻璃业的中心.威尼斯玻璃制品 样式新颖、别具一格,因而畅销全欧乃至世界各地.威尼斯玻璃业有八百多 年的历史.十五世纪到十七世纪为鼎盛时期.当时,威尼斯玻璃艺术品跃为 世界之冠.但威尼斯玻璃工匠的秘密,很快传到法国、德国、英国,到十七 世纪,玻璃厂已经遍及世界许多地区. 由于威尼斯追求玻璃制品的华丽外表,造成其制品过于笨重,渐渐失去 了原来的简易、轻便、朴素、雅致的风格,到十八世纪末,威尼斯玻璃业走 向了反面,........