初原載于?工大材料匯????2019-10-18

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陶瓷簡論

作為中華民族文化之一的陶瓷文化，在民族母體中孕育、成長與發(fā)展，它以活生生的凝聚著創(chuàng)作者情感、帶著泥土的芬芳、留存著創(chuàng)作者心手相應(yīng)的意氣的藝術(shù)形象，表現(xiàn)著民族文化，敘述著一個(gè)個(gè)動(dòng)聽的故事，展現(xiàn)著廣闊的社會(huì)生活畫卷，記錄著蕓蕓眾生的悲歡離合，描述著民族的心理、精神和性格的發(fā)展與變化，伴隨著民族的喜與悲而前行。

通過觀察上面的陶瓷，我們能夠想到什么呢？畫面中有兩朵花，一朵“驕陽似火”，一朵“閉月羞花”，它們分別象征著。。。。。（剩下的就交給你們咯）

好吧我承認(rèn)這么想確實(shí)沒錯(cuò)，但今天我們要以科學(xué)的視角，來揭開陶瓷的神秘面紗?。?/p>

1?

構(gòu)成陶瓷的主要原料

陶瓷是以粘土為主要原料以及各種天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品。

粘土本人在此

????????????

粘土是含沙粒很少、有黏性的土壤，水分不容易從中通過才具有較好的可塑性。坯體的成型是借助于粘土的可塑性，注坯泥漿則賴于粘土的細(xì)分散性而獲得良好的懸浮性與穩(wěn)定性，故配料中必須用一定量的粘土。同時(shí)粘土是瓷坯組成中氧化鋁的主要來源，是坯體耐火性質(zhì)的主要依靠。?

粘土富有可塑性，在瓷坯中用以對一些非可塑性原料(長石、石英等)產(chǎn)生結(jié)合能力，使瓷坯在干燥過程中避免變形與開裂的缺陷，并產(chǎn)生了強(qiáng)度。同時(shí)因粘土的粒子很細(xì),而非可塑性原料的粒子較粗，二者相混，可得堆積密度很高的坯體結(jié)構(gòu)。

2?

Q&A

Q:

原來粘土功能這么多啊，那如果這些功能豐富的原料組合在一起能給陶瓷帶來什么樣的特性呢？？

A：

我們經(jīng)常說的陶瓷，是指陶器和瓷，所以說到陶瓷的特性我們需要分開單獨(dú)來討論。

說到陶瓷材料，難免將陶與瓷分開來談，我們經(jīng)常說的陶瓷，是指陶器和瓷。

陶質(zhì)材料：與瓷相比，陶的質(zhì)地相對松散，顆粒也較粗，燒制溫度一般在900℃—1500℃之間，溫度較低。陶的種類很多，常見的有黑陶、白陶、紅陶、灰陶和黃陶等，紅陶、灰陶和黑陶等采用含鐵量較高的陶土為原料，鐵質(zhì)陶土在氧化氣氛下呈紅色，還原氣氛下呈灰色或黑色。

瓷質(zhì)材料：與陶相比，瓷的質(zhì)地堅(jiān)硬、細(xì)密、嚴(yán)禁、耐高溫、釉色豐富等特點(diǎn)，燒制溫度一般在1300℃左右。

所以雖然我們總說陶瓷陶瓷，但其實(shí)從這里就能看出，陶和瓷的特性如果細(xì)分的話還是有不少區(qū)別的。

Q：

在我們的印象中陶瓷脆性大硬度高，似乎總是給人以剛性的特點(diǎn)，那么它有沒有“柔情”的一面？它是否可以“剛中帶柔”，柔的能夠彎曲？

A：

3?

還? 真? 有? 可? ?能。。。。。

在20世紀(jì)末，日本新日鐵公司研制出一種能同橡膠一樣彎曲的陶瓷。由于添加了有機(jī)物質(zhì)，新陶瓷既柔軟，又耐高溫，因此適合用作生產(chǎn)防震材料。據(jù)日本報(bào)紙報(bào)道，這種新陶瓷的制作方法很簡單：只是在鋁和酒精的化合物中加入類似硅酮樹脂的鏈狀有機(jī)分子, 然后加熱固定。如果不用鋁，用鈦或鉭與酒精的化合物也可制出同樣性質(zhì)的陶瓷。

我有鋁和酒精的化合物

我有類似硅酮樹脂的鏈狀有機(jī)分子

ah~~

彎曲的陶瓷?。?！

A：

而現(xiàn)如今美國和新加坡科學(xué)家們制造出了一種非常微小的陶瓷，其不僅彎曲后不會(huì)破碎，且具有形狀記憶，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和燃料電池領(lǐng)域。這篇研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者，麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程學(xué)教授克里斯托弗·舒解釋道，擁有形狀記憶意味著，當(dāng)這種材料被彎曲接著被加熱時(shí)，它們會(huì)回復(fù)到原初的形狀。上世紀(jì)50年代，科學(xué)家們首次知道這種擁有形狀記憶的材料。舒說：“人們一直認(rèn)為金屬和某些聚合物才具有這種屬性，從來沒有想過陶瓷也會(huì)有。”

從原理上來講，陶瓷的分子結(jié)構(gòu)可以使其具有形狀記憶，但陶瓷脆弱易碎是個(gè)障礙。最新研究表明，讓陶瓷能彎曲并擁有形狀記憶的關(guān)鍵在于讓其變得很小。

研究人員通過兩個(gè)關(guān)鍵的方式做到了這一點(diǎn)。首先，他們制造出了肉眼看不見的小陶瓷，接著，再使單個(gè)晶?？缭秸麄€(gè)結(jié)構(gòu)，并剔除了晶粒的邊界，因?yàn)樗榱迅锌赡馨l(fā)生在這些邊界上。最終，他們制造出了微小的陶瓷樣本，整個(gè)樣本的7%可以彎曲變形。研究生阿蘭·萊說：“包括普通的陶瓷在內(nèi)的大多數(shù)物品只有1%能彎曲，而我們在最新研究中得到的這些直徑僅為1微米的長纖維，其7%到8%能被彎曲而不破碎?！?/p>

最新材料兼具金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。金屬的強(qiáng)度更低，但非常容易變形；而陶瓷的強(qiáng)度更大，但幾乎無法彎曲，新研發(fā)的陶瓷則兼具類似于陶瓷的強(qiáng)度以及金屬的柔軟性。

真的是越來越厲害了啊。。。。。。

其實(shí)我們的生活里有很多奇妙實(shí)用的科技陶瓷，如陶瓷毛巾，它不僅抗菌力強(qiáng)，而且吸水性佳，清潔性也好。有陶瓷抹布，這種抹布是用滅菌性陶瓷，合成沸石以及尼綸紗制成的，可反復(fù)使用，且不會(huì)發(fā)臭、發(fā)霉，粘在抹布上的大腸桿菌和霉菌等24小時(shí)后會(huì)全部自行死亡。還有陶瓷菜刀，這種菜刀是以氧化鋯為材料的陶瓷菜刀，不僅永不生銹，而且始終保持鋒利狀態(tài)，非常適合家庭使用。類似的實(shí)用科技陶瓷還有很多，在這里就不一一列舉了。

看到這里，想必大家都了解了陶瓷一步步發(fā)展的成果，其實(shí)這只是陶瓷發(fā)展的冰山一角，還有更多的陶瓷材料我們在這里沒有討論，比如高性能新型陶瓷材料，特種陶瓷材料，納米陶瓷材料等等等等。

但我們可以以小見大，認(rèn)識(shí)到陶瓷材料發(fā)展的無限前景，相信在不遠(yuǎn)的將來，我們對陶瓷能有更多更豐富的認(rèn)識(shí)，從而更好的造福于我們?。?br>

本期問題

Q1：

日本新日鐵公司是如何研制出能同橡膠一樣彎曲的陶瓷？

答案：在鋁和酒精的化合物中加入類似硅酮樹脂的鏈狀有機(jī)分子 , 然后加熱固定。如果不用鋁，用鈦或鉭與酒精的化合物也可制出同樣性質(zhì)的陶瓷。

Q2：

在這里我們提到了陶瓷的可彎曲性，那么陶瓷的耐磨性如何呢？

精選留言1：

一、材料本身的組織結(jié)構(gòu)

（一）力學(xué)性能

?陶瓷材料的脆性直接影響磨損率。隨著材料斷裂韌性的和硬度的提高，陶瓷的磨損率逐漸的降低，耐磨性越好。

（二）顯微結(jié)構(gòu)

1. 結(jié)構(gòu)

?一般說來，離子鍵耐磨陶瓷片高溫強(qiáng)度比共價(jià)鍵陶瓷低一些

2.晶粒的尺寸

?一般來說，顆粒越粗耐磨性越不好

a.粗顆粒缺陷較多。較小晶粒以是塑性變形和部分的穿晶斷裂為主，磨損較少;較大晶粒則以材料內(nèi)部沿晶斷裂，甚至大晶粒從材料內(nèi)部拔出的方式發(fā)生較大的的磨損。

b.粗顆粒不易燒結(jié)。

3.氣孔率

?氣孔率越高，耐磨性越差。氣孔相當(dāng)于一種缺陷的存在，它會(huì)造成應(yīng)力的集中， 加速裂紋的擴(kuò)展，降低晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，嚴(yán)重影響陶瓷制品的力學(xué)性能。在摩擦力的作用下氣孔之間可能會(huì)彼此連接起來形成裂紋源，加速材料的磨損。

4.晶界相以及晶間雜質(zhì)

?晶界處易產(chǎn)生裂紋，形成嚴(yán)重磨損。

?陶瓷當(dāng)中的一些添加劑和一些雜質(zhì)成分主要是以“第二相”或者“玻璃相”的形式存在于晶界上他們的存在會(huì)對晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度造成一定的影響。

a.多晶陶瓷的添加劑一般會(huì)以玻璃相的形式存在于陶瓷晶界上，往往降低耐磨性。在摩擦的過程，產(chǎn)生的高溫會(huì)降低玻璃的粘度，從而引發(fā)塑性變形，若鄰近的晶界的應(yīng)力不能相適應(yīng)則會(huì)引發(fā)晶界處的裂紋，引發(fā)嚴(yán)重磨損。

b.如果適量的添加劑可以在晶界處形成第二相，則往往是有利于材料的耐磨性能的。

二、外部因素如載荷、溫度以及氣氛等。

（一）載荷

?低載荷時(shí)氣孔不會(huì)造成裂紋的擴(kuò)展;而在高載荷的情況下，氣孔變得不穩(wěn)定，會(huì)在氣孔處形成裂紋及擴(kuò)展裂紋，導(dǎo)致制品磨損率極高，抗磨損突變能力變?nèi)酢?/span>

（二）溫度

?材料不同，強(qiáng)度隨溫度的變化也不一致。其斷裂機(jī)制由低溫下的脆性斷裂而轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵碌捻g性斷裂，因此具有一定的脆-韌轉(zhuǎn)變溫度。

（三）氣氛

?使非氧化物氧化，氧化物表面粗糙或開裂的氣氛均降低強(qiáng)度。

（四）其他

使用溫度范圍及變化；　

腐蝕介質(zhì)；　　

受力情況；　

硬顆粒碰撞入射角；　

粒子沖蝕強(qiáng)度。

---------凳子

參考資料：

中國知網(wǎng)《日本研制出能彎曲的陶瓷》

快科技《陶瓷可彎曲摔不破你信嗎？》

奇妙實(shí)用的科技陶瓷

百度詞條

圖片源于網(wǎng)絡(luò)

本文作者：張昭明

時(shí)任審閱：于世龍? 劉孟茜

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