第九章 陶瓷技术（1 / 3）

1．蜂窝陶瓷的理化指标分析

除了免烧结的蜂窝陶瓷外，基本上都属于耐火材料制品，其材料采用粘土质、硅质、半硅质、镁质、白云石、镁橄榄石、铬铁矿等材料制作。由于用途不同其理化性质也不同，其质量也不相同。蜂窝陶瓷的质量取决它们的性质。用来间接地表征制品的质量有机械强度、气孔率等，另一些则直接地表征制品的质量有耐火度、高温荷重软化点、热稳定性、导电性、透气性、抗渣性等。

蜂窝陶瓷的质量在很大程度上取决于制造这些制品时所采用的配料组成，泥料的制备方法，成型方法和烧成制度等等，即使化学组成相同，蜂窝陶瓷制品也会有并且常常有不同的性质。化学组成符合要求及质量的坯体要想转化为质量好的制品，最主要的关键是烧成到一定的温度（1414—1450°），使比重达到2.36—2.39.

机械强度主要测定耐压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度和抗扭强度。所有这些强度指标，和化学组成一样，并不能单独地说明制品的质量。但是知道了这些指标，同时又知道化学组成和其它性质，就不仅可以判断制品的质量，而且也可以在一定程度上推想工艺过程。如果耐压强度或抗弯强度大，这就可以说明制品的配料正确，混练和制造制品的方法良好，烧成温度高。机械性质还取决于制品的气孔率。不过，这一关系对每一类的蜂窝陶瓷制品来说都是独特的，而且一般不是直线关系。气孔率、体积密度和比重，虽然是在常温下测定的性质，但它们对评价各种蜂窝制品的质量，却有着特别重大的意义，这是因为，所有蜂窝陶瓷的抗渣性都与气孔率的大小有着直接关系，对于某些材料而言，气孔率与荷重软化点之间存在着一定的关系。知道比重和体积密度就可以测定完全气孔率。比重是一个常数，它的数值取决于原料的性质和制品烧成时原料内部所发生的相成分的质和量的变化。生产工艺对气孔率的影响，较对其它性质为大，蜂窝陶瓷制品的开口气孔率，可以小到1.5%或大到75—80%（绝热制品），一般的开口气孔率波动于10—28%之间，封闭气孔率波动于0.7—4.0%之间，用低温烧结的制品则具有较大的封闭气孔率。

耐火度或熔点是蜂窝陶瓷制品在无荷重时抵抗高温作用的稳定性，高温荷重软化点是说明蜂窝陶瓷的结构强度，抗渣性是蜂窝陶瓷接触其它材料时抵抗化学作用和物理作用。导热性也是决定于组成和气孔率。对于每一种制品而言，它也与热容和热膨胀一样，决定于温度。透气性是制品在低温下所引起的炭的沉积的缘故，但很少测定。蜂窝陶瓷制品都属介电体，他们绝大多数是由彼此以静电结合的离子所构成。热稳定性不仅与制品的机械强度有关，而且与决定应力大小的热膨胀有关，同时也与制品的导热性和热容有关，因为导热性和热容与密度在一起能说明制品的温度传播速度。

根据试验的经验，蜂窝陶瓷的理化指标，根据材质和工艺不同，大致可在这些指标：容重0.5—1.15g/cm3，热膨胀系数（20—1000℃）×10—6℃≤2—7，导热系数（1000℃（w。cm。k）—1）≥1.0—1.40，耐压强度kMp≤9.0—40.耐火度1580—2000℃。

所有的蜂窝陶瓷，尽管可以根据耐火度、耐压强度、软化点、比重、气孔率、氧化硅和氧化铝的含量来决定它们的用途级别，还要分等。分等标志是与规定尺寸相差的大小、扭曲（弯曲度）、缺角、缺边和钝边，有无个别熔洞、火痣、裂纹和裂缝等。

2．纳米陶瓷隔热膜

20世纪50年代，人们在玻璃上使用一种特殊的有色喷雾剂来避免眩光，70年代，金属薄膜诞生，但是质量低劣，金属薄膜不仅反光而且隔热效果不佳，同时金属涂层不均匀。80年代开始使用溅射工艺生产金属薄膜，使之具有更好的质量和均匀性，但是隔热性能却是以牺牲可见光透过性和反射率为代价的。90年代末，琥珀光学国际寻找完全不同的技术和材料来引领这一场薄膜工业的革命。而后由著名的隔热膜制造商韶华科技在德国生产出世界上第一款也是惟一一款纳米陶瓷隔热膜。

琥珀纳米陶瓷隔热膜是将氮化钛陶瓷材料用真空溅射技术在优质的杜邦聚脂薄膜上形成纳米级的陶瓷层，从而形成全世界独一无二的陶瓷隔热膜。琥珀纳米陶瓷隔热膜是针对金属隔热膜的种种缺陷开发设计的，具有以下六项优点：

(1)具有光谱选择性：对无线电信号无任何干扰，特别是卫星的短波信号（GPS），绝无金属膜的屏蔽效应。

(2)绝不氧化：因为陶瓷超乎寻常的稳定性，陶瓷隔热膜不会像金属膜那样经过一段时间后会逐渐被氧化，从而保证隔热性能始终如一。

(3)永不褪色：陶瓷隔热膜采用陶瓷固有的颜色，不添加任何颜料，而金属膜要消除金属粒子的色彩，一般都会添加染料，因此陶瓷隔热膜绝不会像染色金属那样发生褪色现象。

(4)超长耐用：陶瓷隔热膜保质期为10年，金属膜一般为5年。

(5)经典美感：陶瓷隔热膜具有像琥珀一样的晶莹剔透的美感，色泽柔和，可以取得最舒适的视觉效果。

(6)降低车内温度5—10摄氏度，降低空调使用负荷，从而节约能源。

3．陶瓷成型新技术

随着现代科学技术的迅猛发展，陶瓷成型技术不断取得突破性进展。近年来，发展起来的胶态原位成型技术就是这类陶瓷新技术之一。该技术工艺设备简单，成本低廉，能净尺寸成型复杂的陶瓷制品，而且制品组分均匀，缺陷少，强度大，易于机械加工，已在国内外得到广泛应用。如国外利用注凝成型制造汽车零件；制造电磁材料，如PZT陶瓷和高能变速器中的圆形磁铁。我国的科技工作者也成功地使用该技术生产出高质量的氧化铝、碳化硅、氮化硅陶瓷零件，氧化铝、PTC陶瓷薄片以及耐火材料等。

胶态原位成型技术主要包括：注射成型、直接凝固注模成型和注凝成型。现在分别予以介绍。

１。陶瓷注射成型技术

注射成型技术是陶瓷粉料与热塑性树脂等有机物混练后得到混合料，装入注射机于一定温度注入模具，迅速冷凝后脱模而制成坯体。该技术适合制备湿坯强度大，尺寸精度高，机械加工量少，坯体均一的产品，适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但由于成型中加入的有机添加剂量大，脱模时间长，不适合大尺寸部件的成型。

陶瓷注射成型使用的有机载体包括粘接剂、增塑剂、润滑剂等。有机载体的选择应重点考虑：体系内的相容性；注射悬浮体的流变特性；脱模特性与生坯强度。通常有机载体与陶瓷粉体混练后的结合强度主要取决于热塑性树脂高聚物；脱脂特性亦可由耐热性好的高聚物调节；可塑剂和润滑剂可改善体系流动性及脱模性能；表面活性剂具有综合调节作用。

在熔体注射充模冷凝形成坯体的过程中，坯体内产生的应力有两种，即温度应力和成型应力。对异型、大尺寸坯体的注射参数和充模过程的研究表明，过高的注射压力和注射温度使坯体内产生较大的成型应力和温度应力，增大了坯体变形和开裂的危险性。

由于注射成型加入大量有机载体，烧结前必须将其排除，即进行脱脂。脱脂耗时较长，容易使坯体产生缺陷。因此，脱脂是注射成型工艺的关键。影响脱脂过程的因素主要有：气氛、压力和温度制度。惰性气氛可避免有机物的氧化分解。一定的气氛压力，可缩小有机物挥发及分解产生的有效体积，从而减少由于体积膨胀引起的坯体开裂。另外，脱脂速率也直接受温度影响。在坯体软化，内部尚未形成气孔通道的温度段150—300℃，升温速率必须严格控制。否则，坯体易发生变形、产生鼓泡及开裂等缺陷。

２。陶瓷的直接凝固注模成型技术

陶瓷直接凝固注模成型技术是在陶瓷粉料中加入反絮凝剂和分散剂，利用胶体颗粒的静电或位阻效应制备出高固相体积分数、分散均匀、流动性好的浆料，同时引入生物酶作为陶瓷浆料的催化剂。利用生物酶催化反应来控制陶瓷浆料的PH值和电解质浓度，使其在放电层排斥能最小时依靠范德华力而原位凝固。

该技术的优点是，浆料中只加入少量生物酶外，不用或只需微量有机添加剂。凝固的陶瓷坯体密度高而且均匀，有较高的强度，无须脱脂。陶瓷坯体在整个成型和烧结过程中，尺寸、形状变化微小，烧结密度高。而且，模具选择范围广，加工成本低。

在直接凝固注模成型过程中，陶瓷浆料的固相含量一般要达到50％以上，同时，浆料浓度不能太高。成型中，一般不加入有机表面活性剂，它会导致酶催化剂失效，也会改变陶瓷微粒表面的电荷状态和等电点位置。在选择好最佳微粒尺寸后，可采用造粒和过筛方法制备所需微粒尺寸的陶瓷粉体。

酶催化剂反应不仅改变浆料的PH值，而且随着反应的进行，浆料的离子强度也不断加强，使浆料的放电层电位减小，促使浆料凝固。但过高的离子强度会增加浆料中的电解质含量，对制品的烧结及力学性能有不利影响。所以，对酶催化反应应进行严格控制，主要是控制加入量。一般酶催化剂含量越高，凝固时间越短。不同的酶催化反应都有不同的最佳温度，低于或高于此温度，都会延长凝固时间。

３。陶瓷的注凝成型技术

陶瓷的注凝成型因溶剂的不同分为：水基凝胶注模成型和有机基凝胶注模成型，但它们的原理基本相同。现仅就水基凝胶注模成型予以介绍。

水基凝胶注模成型技术的核心是使用低浓度的有机单体水溶液，加入较高体积分数的陶瓷粉末且具有良好的流动性，在催化剂和引发剂的作用下，浇注后浆料中的有机单体交联聚合成三维网状结构，从而使浓悬浮体原位固化成型。然后脱模、干燥、烧除有机结合剂进行烧结，即获得所需的陶瓷部件。

该工艺技术的优点是，对粉体没有特殊要求，适合各类复杂形状陶瓷制品的生产，注模操作与凝胶定型过程完全分离，浆料凝胶胶化时间完全可控，湿凝胶坯体坚韧且有弹性，容易脱模，给生产带来便利。坯体定型靠有机单体原位聚合反应形成凝胶体，坯体各组分结构均匀、缺陷少、坯体密度大。因粉料中有机物含量低，坯体干燥脱水及有机物烧除简单，成型坯体内在质量的，成品率高。另外，干燥后坯体非常坚固，可以采用各类机械进行加工，从而真正实现陶瓷部件的净尺寸精密成型。

在水基凝胶注模成型中，通常选用丙烯酰胺作为有机单体，亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵水溶液作为引发剂，四甲基乙二胺作为催化剂，同时使用JA—281作为分散剂。

基凝胶注模成型技术的关键是配制出高陶瓷粉体含量还具有良好流动性的浆料，分散剂对颗粒的稳定分散作用下仅与分散剂性质有关，还与其用量，使用条件有关。对复相陶瓷来说，影响悬浮体流变性的还有各相的胶体特性。为制备分散均匀的低粘度、高固相混合悬浮体，需对各相进行表面修饰改性，即调整各相的胶体特性，使悬浮体中的各固相均具有相似的胶体稳定性和近似的等电点。

引发剂、催化剂和温度条件对不同陶瓷浆料凝胶化有着不同的影响。有效、准确地控制浆料的凝胶化时间，是水基凝胶注模成型的重要一环。凝胶的形成是通过氢键机理，高分子骨架上的亲水基团与凝胶网中水分子强烈反应，从而把水分子固定。近年来，采用天然水溶性凝胶物质，如琼脂糖、明胶等的热熔胶特性，即加热时溶解，冷却时形成凝胶而产生固化，将其用于胶态成型，收到了良好的效果。

排胶是水基凝胶注模成型极为重要的环节，排胶速度过快会导致坯体开裂，形成在烧成后期难以消除的孔洞。排胶速度慢，则会影响生产效率。对于不同的有机结合剂，需对它的热分解温度、不同温度下的分解速度及完全烧除的最高温度进行认真观测、研究，才能制定出合理的烧除工艺制度。

4．中温色釉陶瓷

中温色釉陶瓷按其烧结温度和产品吸水率等几个指标来划分，应该属于炻器的范畴。它采用比普通日用细瓷较劣质的原料制坯，在经过一系列工艺之后并采用比普通日用细瓷较低的温度煅烧而成。其色釉着色剂大多采用事先经过合成的色基；花色有黄色、绿色、黑色、红色、蓝色、咖啡色及很多的复合色；产品器型有圆口的、六角形或八角形的盘、碟类、各种形状的奶杯、咖啡杯、啤酒杯、茶杯及各种形状的壶类，可配成20头西餐具、15头咖啡具、15头茶具等成套产品或单杯单碟进行销售，产品主要销往欧美、中东、日本等地。

１。采用的工艺技术

严格色釉配方和制釉工艺

色釉的釉料配方和制釉工艺是制作色釉产品的关键，也就是说色釉釉料配方的好坏和制釉过程中的各种工艺参数关系到色釉产品的质量好坏。对此，我们是非常重视的，特意安排一名工程技术人员专门从事色釉的釉料配方和工艺控制的工作，准确称料，科学配方；对各种着色剂的使用我们做到认定商标，决不乱用；釉浆出磨后要经过三次过筛（180目、200目和250目各一次）、三次除铁；釉浆浓度：内釉控制在54—55波美度，外釉控制在53—54波美度之间。

采用先进工艺成形

我们开发的中温色釉产品大多具有日用和艺术欣赏两方面的价值（如：六角形或八角形的盘、碟和半月形的啤酒杯等），如果采用通常的辘轳刮出坯和低位注浆成形的方法，产品收缩较大，变形也较大，难以满足外商的质量要求。对此，我们采用目前国内较先进的成形工艺，即：盘、碟类产品采用阳模滚压成形，坯泥含水量控制在20%—21%之间，杯类产品采用阴模滚压成形，坯泥含水量控制在22%—23%之间；壶类等异型产品采用高位压力注浆成形，泥浆水分控制在32%—33%之间。滚压头全部采用塑料王制作，滚压出来的产品表面光滑，半成品密度大，收缩较小，变形也较小。

采用半干法接耳工艺

杯类及壶类产品大多都有耳，刚开始我们采用干法接耳，结果烧制出来的产品毛病百出，不是裂耳就是掉耳，合格率很低。针对这个问题，我们进行了分析，找出了产生缺陷的主要原因，即杯身与杯耳是用不同的方法成形的，它们在烧成时产生不一致的收缩。在经过若干次试验后，我们改用半干法接耳工艺，即在杯身与杯耳脱模后就进行对接，并在接耳泥上作些改进，成功地解决了上述问题，使杯、壶类产品合格率由原来的50%左右提高到90%以上。