陶瓷工程是通過(guò)無(wú)機(jī)化合物非金屬材料制造物體的科學(xué)技術(shù)。陶瓷工程的研究范圍包括包括對(duì)原材料的純化、對(duì)需要的化學(xué)成分的研究和生產(chǎn)、對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、成分和性質(zhì)的研究。
簡(jiǎn)介
陶瓷材料可能擁有晶體或者部分的晶體結(jié)構(gòu)，在原子層面上是大范圍有序的。玻璃陶瓷可能有不定型或類似玻璃的結(jié)構(gòu)，幾乎沒(méi)有有序度或者只能小范圍有序。他們的制造方法可能通過(guò)是熔化物質(zhì)冷卻凝固，通過(guò)加熱、或者在低溫下通過(guò)化學(xué)手段如水熱或溶膠凝膠法得到。
陶瓷材料特性使其能夠在材料工程、電子工程、化學(xué)工程以及機(jī)械工程中得到很多應(yīng)用。由于通常陶瓷非常耐熱，他們可以用于很多金屬和聚合物無(wú)法勝任的地方。陶瓷材料在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，包括采礦、航天、醫(yī)藥、精煉、食品和化學(xué)工廠、電子行業(yè)、工業(yè)輸電、以及光波導(dǎo)傳輸?shù)鹊取?/p>
歷史
陶瓷這個(gè)詞（ceramic）來(lái)自希臘語(yǔ)單詞κεραμικ?? (keramikos)，意思是陶器。這個(gè)單詞和古印歐語(yǔ)詞 根燃燒有關(guān)。在英語(yǔ)中，陶瓷可以用作單數(shù)名詞，只陶瓷材料或者陶瓷制品，或者作為形容詞使用。復(fù)數(shù)形式的陶瓷可以用來(lái)指使用陶瓷材料制作東西。和許多科學(xué)技術(shù)一樣，陶瓷工程經(jīng)過(guò)了很大的發(fā)展，它在以前的含義和今天的標(biāo)準(zhǔn)有很大的不同。材料科學(xué)工程和陶瓷工程現(xiàn)在聚合在了一起。
1709年，亞伯拉罕·達(dá)比在英國(guó)的什羅普首次使用了焦炭，以增加熔煉過(guò)程的產(chǎn)量。現(xiàn)在焦炭在生產(chǎn)碳化物陶瓷中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。1759年，陶工約書(shū)亞·威治伍德在英國(guó)的特倫特河畔斯托克開(kāi)辦了第一家現(xiàn)代陶瓷工廠。1888年，奧地利化學(xué)家卡爾·拜耳為俄羅斯的紡織業(yè)開(kāi)發(fā)了一種從礬土礦石中分離鋁的生產(chǎn)技術(shù)，這種技術(shù)被稱為拜爾法。現(xiàn)在，拜爾法仍然被用來(lái)為陶瓷工業(yè)和鋁工業(yè)提純鋁。皮埃爾·居里和雅克·居里兩兄弟在約1880年發(fā)現(xiàn)了酒石酸鉀鈉具有壓電特性，壓電性是電子陶瓷的關(guān)鍵特性之一。
1893年，愛(ài)德華·古德里奇·艾奇遜通過(guò)敬愛(ài)熱焦炭與粘土的混合物發(fā)明了碳化硅，或稱合成碳化硅。法國(guó)化學(xué)家亨利·莫瓦桑也幾乎同時(shí)在他的電弧爐中合成了碳化硅和碳化鎢。1923年，卡爾·施羅特在德國(guó)使用液相燒結(jié)是莫瓦桑的碳化物粒子與鈷結(jié)合（或稱黏合）。使用這種與金屬結(jié)合的碳化物制成刀刃可以大大延長(zhǎng)加硬鋼制成的刀具的壽命。二十世紀(jì)二十年代，瓦爾特·能斯特開(kāi)發(fā)了立方氧化鋯生產(chǎn)技術(shù)。這種材料在排氣系統(tǒng)中用作氧氣感應(yīng)器。在工程中使用陶瓷的唯一限制是它的易碎性。
軍用需求
第二次世界大戰(zhàn)（1939-1945）中對(duì)陶瓷的軍用需求極大的促進(jìn)了陶瓷工程的發(fā)展。戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生了對(duì)高性能材料的需求，從而加速了陶瓷科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。在二十世紀(jì)的六十年代和七十年代中，由于核技術(shù)、電子行業(yè)、通信行業(yè)以及太空技術(shù)的要求，許多新型陶瓷被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。1986年，發(fā)現(xiàn)了陶瓷超導(dǎo)體，這引起了對(duì)陶瓷超導(dǎo)體的在電子器件、電動(dòng)機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備中的應(yīng)用的研究興趣。
軍隊(duì)部門(mén)對(duì)高強(qiáng)度的堅(jiān)固的材料的有越來(lái)越高的需求，這種材料可以在可見(jiàn)光和中紅外波段傳輸光。這些材料可以用于需要透明裝甲的場(chǎng)合。透明裝甲一種材料或者一系列的材料，它們是透明的并且可以提供對(duì)彈片的防護(hù)。對(duì)透明裝甲的主要需求不僅僅是用來(lái)打敗有威脅的敵人，同時(shí)也可以提供一種最少干擾周?chē)鷧^(qū)域的多打擊能力。透明裝甲的視窗必須與夜視裝備兼容。人們正在尋找新的更薄、更輕，可以提供更強(qiáng)的防護(hù)能力的材料。這種固體的部件在許多不同場(chǎng)合都有著廣泛應(yīng)用，如在光電方面可以用于傳輸光波的光纖、光開(kāi)關(guān)、光放大器和透鏡，制造固體激光器主機(jī)和氣體激光器的透明窗的材料，以及用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和紅外夜視系統(tǒng)的紅外線熱搜索設(shè)備。
教育歷史
第二陶瓷技術(shù)學(xué)校于1872年在哲諾伊摩成立。1922年，這所學(xué)校搬遷到卡羅維發(fā)利州。
貝希涅陶瓷技術(shù)學(xué)校于1884年成立。
日本 - 日本陶瓷學(xué)會(huì)于1891年在東京成立。
德國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)于1919年在柏林成立。
公立陶瓷技術(shù)學(xué)院于1908年在塞爾普成立。1973年，這個(gè)學(xué)校轉(zhuǎn)移至紐倫堡理工學(xué)院，和一所陶瓷職業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合并，同時(shí)也合并了一所提供陶瓷交易、測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室課程的學(xué)校。
波蘭 - 本茨勞陶瓷技術(shù)學(xué)院存在于1887年到1945年。
公立陶瓷學(xué)校于1911年在馬德里成立。
馬尼塞斯陶瓷學(xué)校于1914年成立。
美國(guó) - 美國(guó)的第一個(gè)陶瓷工程系由小愛(ài)德華·奧頓在1894年建立。他是俄亥俄州立大學(xué)地質(zhì)和礦業(yè)工程的教授。奧頓和其他八個(gè)專業(yè)人士在1898年匹茲堡召開(kāi)的全國(guó)磚制造商協(xié)會(huì)上成立了美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)，奧頓是第一任陶瓷學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，他在俄亥俄州立大學(xué)的辦公室被用作學(xué)會(huì)早期的總部。查爾斯·賓斯在1900年建立了紐約州立粘土與陶瓷學(xué)校，現(xiàn)在名為阿爾弗雷德大學(xué)。賓斯是陶瓷學(xué)會(huì)的第三任主席，霍頓是第32任主席。
主要應(yīng)用
現(xiàn)在陶瓷工程已經(jīng)是每年已經(jīng)有數(shù)十億美圓的產(chǎn)值的行業(yè)了。陶瓷工程和研究已經(jīng)是科學(xué)中的一 個(gè)重要領(lǐng)域。研究者不斷的開(kāi)發(fā)新的材料，以滿足不同的需求，因此陶瓷材料的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣。包括宇航、生物醫(yī)學(xué)、電子行業(yè)、光學(xué)行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)等
二氧化鋯陶瓷可以用來(lái)制造刀具。陶瓷刀具的刀刃比鋼制刀具的刀刃壽命更長(zhǎng)，盡管它有些脆，在落到堅(jiān)硬表面時(shí)容易折斷。
鋁礬土、碳化硼和碳化硅等陶瓷可以用于防彈背心，以抵當(dāng)大口徑步槍的射擊。這種陶瓷板通常被稱為輕武器護(hù)層。由于它們一般比較輕，類似的材料可以用來(lái)保護(hù)一些軍用飛機(jī)的駕駛員座艙。
氮化硅零件被用于陶瓷球軸承。他們的高硬度意味著他們更加不易磨損，可以提供超過(guò)普通材料三倍的壽命。他們?cè)谪?fù)載下的形變也比較小，這意味著他么能接觸軸承支架邊緣的面積也比較小，這樣，它們滾動(dòng)的速度就可以更快。在高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合里，滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量可能會(huì)對(duì)金屬軸承產(chǎn)生問(wèn)題，但是這些問(wèn)題可能通過(guò)使用陶瓷軸承得到緩解。陶瓷軸承通常擁有更加穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，因此可以用于潮濕的場(chǎng)合。在這種場(chǎng)合使用鋼鐵軸承會(huì)使他們生銹。在很多場(chǎng)合里，他們的電氣絕緣的特點(diǎn)經(jīng)常也對(duì)軸承很重要。陶瓷的主要缺點(diǎn)是它們高昂的成本。
二十世紀(jì)八十年代早期，豐田汽車(chē)對(duì)一種絕熱的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以在超過(guò)3300 °C的溫度下工作。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)不需要冷卻系統(tǒng)，因此可以減輕很大一部分重量，從而提高了燃料使用效率。而且根據(jù)卡諾熱機(jī)定理，燃料效率也會(huì)隨著溫度的升高而升高。在傳統(tǒng)的金屬發(fā)動(dòng)機(jī)中，大多數(shù)燃料燃燒釋放的能量都作為廢棄排放到空氣中了，以防止金屬零件被熔化。盡管擁有這些可取的特點(diǎn)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)仍然沒(méi)有投入生產(chǎn)，這是因?yàn)橹圃旆暇纫蠛统志眯砸蟮奶沾闪慵浅＠щy。陶瓷中不完美的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致破裂，并且可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)的設(shè)備失效。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里是可能的，但是大規(guī)模的生產(chǎn)在目前的技術(shù)條件下還不可行。
掃描電子顯微鏡下放大10000倍以后的骨骼礦物質(zhì)結(jié)晶。使用陶瓷制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的零件的開(kāi)發(fā)工作即將結(jié)束，目前，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)熱區(qū)使用超級(jí)合金制成的葉片也需要冷卻系統(tǒng)，同時(shí)限制工作的溫度。使用陶瓷制造的渦輪機(jī)的工作效率將會(huì)更高，使得飛機(jī)用同樣多的燃料能夠飛得更遠(yuǎn)，載更多的重量。
最近，生物陶瓷的研究取得很大的進(jìn)展，如牙齒植入物和合成骨骼。羥基磷灰石是一種天然的骨骼礦物成分，這種物質(zhì)可以通過(guò)一些生物和化學(xué)原料合成，而且可以制成陶瓷材料。使用這些材料制成的骨科植入物可以更好地與骨骼和身體立德其他組織結(jié)合，而不會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)和炎癥。由于這個(gè)原因，在基因傳遞和組織工程領(lǐng)域?qū)@種材料很感興趣。大多數(shù)的羥基磷灰石陶瓷都是多孔的，缺少足夠的機(jī)械強(qiáng)度，因此經(jīng)常被用于作為金屬涂層，以使其與骨骼結(jié)合的更緊密，或者作為骨骼的填充物。他們也可以用作骨科的塑料螺絲的填充物，以減輕炎癥，同時(shí)使塑料骨科材料更容易吸收。目前的工作是通過(guò)生產(chǎn)致密的納米級(jí)結(jié)晶羥基磷灰石陶瓷材料使它們更加強(qiáng)壯，能夠應(yīng)用于骨科的需要承受重量的設(shè)備，這樣就可以使用合成的但是天然存在于骨骼中德礦物質(zhì)來(lái)替代外來(lái)的金屬和塑料骨科制品了。對(duì)這些陶瓷進(jìn)行研究的終極目標(biāo)是讓他們可以替代骨骼，或者結(jié)合膠原蛋白來(lái)合成骨骼。
手表制造業(yè)也使用高科技陶瓷來(lái)制造手表的外殼，這是由于這些材料重量更輕，耐劃，壽命更長(zhǎng)，摸起來(lái)也更光滑。萬(wàn)國(guó)表是制表業(yè)中最開(kāi)始使用陶瓷的品牌，他們?cè)?007年的雙計(jì)時(shí)飛行員手表Top Gun款中使用了高科技黑色陶瓷手工制造。
日用陶瓷分類
按瓷種分類
目前市場(chǎng)上流通的主要有日用細(xì)瓷器、日用普瓷器、日用瓷器、骨質(zhì)瓷器、玲瓏日用瓷器、釉下(中)彩日用瓷器、日用精陶器等。
按花面裝飾
按花面特色可分為釉上彩、釉中彩、釉下彩、色釉、未加彩的白瓷等。
釉上彩是指在陶瓷產(chǎn)品的釉面上用陶瓷顏料進(jìn)行裝飾，再經(jīng)700~850℃烤燒而成的產(chǎn)品。因烤燒溫度沒(méi)有達(dá)到釉層的熔融溫度，所以裝飾圖案未沉入釉中，只緊貼于釉層表面，裝飾圖案的光澤與釉面的光澤有較明顯的差別。
釉中彩的裝飾方法與釉上彩一致，但烤燒溫度比釉上彩高，達(dá)到了陶瓷產(chǎn)品釉料的熔融溫度，陶瓷顏料在釉料熔融時(shí)沉入釉中，冷卻后被釉層覆蓋，裝飾圖案的光澤與釉面的光澤一致。
釉下彩的裝飾是在泥坯上進(jìn)行，經(jīng)施釉后高溫一次燒成，這種產(chǎn)品和釉中彩一樣，裝飾圖案被釉層覆蓋，裝飾圖案的光澤與釉面的光澤一致。
色釉瓷是在陶瓷釉料中加入一種高溫色劑，使燒成后的產(chǎn)品釉面呈現(xiàn)出某種特定的顏色，如黃色、藍(lán)色、豆青色等。
白瓷通常指未經(jīng)任何彩飾的陶瓷。
不同的裝飾方式帶來(lái)不同的裝飾效果，釉上彩產(chǎn)品的裝飾效果色彩鮮艷、豐富多彩，釉中彩產(chǎn)品和釉下彩產(chǎn)品一般比較素雅，色彩的艷麗程度不如釉上彩產(chǎn)品，消費(fèi)者可按自己的喜好選擇不同裝飾方法的產(chǎn)品。
相關(guān)案例
玻璃陶瓷
玻璃陶瓷材料有許多玻璃與陶瓷的共同特征。玻璃陶瓷具有一種無(wú)定形相和一種或多種晶體相。這種材料通過(guò)一種被稱為受控結(jié)晶的技術(shù)生產(chǎn)，而這種技術(shù)通常是在玻璃制作中需要避免的。玻璃陶瓷通常包含有一種均勻分布的晶體相，占其體積的30%到90%，這樣產(chǎn)生了一種具有引人注意的熱力學(xué)特性。
在生產(chǎn)玻璃陶瓷的過(guò)程中，熔融的玻璃在重新加熱和退火前緩慢的冷卻。在加熱過(guò)程中，玻璃會(huì)發(fā)生部分的結(jié)晶。在大多數(shù)情況下，需要向其中添加一種被稱為“成核劑”的物質(zhì)以控制潔凈的過(guò)程。由于通常沒(méi)有施加壓力和燒結(jié)，玻璃陶瓷一般不會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)陶瓷中常有的多孔現(xiàn)象。
玻璃陶瓷通常指一種鋰和硅鋁酸鹽的混合物，包括一系列擁有引人注意的熱力學(xué)特性的材料。最具有商業(yè)意義的一種特性是他們能夠阻隔熱沖擊。這樣，玻璃陶瓷在制造烹調(diào)臺(tái)面上非常有用。某些擁有負(fù)的熱膨脹系數(shù)的晶相可以于擁有正的熱膨脹系數(shù)的玻璃相混合，這樣他們的膨脹系數(shù)就會(huì)互相抵消。大約晶相占70%的時(shí)候，玻璃陶瓷擁有接近于0的熱膨脹系數(shù)。這種玻璃陶瓷有很好的力學(xué)特性，可以反復(fù)快速加熱至1000°C.
統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)步驟按照如下順序：粉碎→配料→混合→成型→干燥→火燒→裝配。
生產(chǎn)步驟
球磨
粉碎是指將材料從較大的體積轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小體積的過(guò)程。粉碎過(guò)程需要將黏合材料打碎，每一個(gè)單獨(dú)的材料塊仍然有自己的外形，或者需要將材料弄成粉末。粉碎通常通過(guò)機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)，包括摩擦（材料塊與塊之間碰撞，使得大塊被打碎，顆粒被削減，壓縮（施加壓力增大摩擦），還有沖擊（需要引入研磨介質(zhì)，或者材料顆粒自身會(huì)造成粉碎）。摩擦粉碎設(shè)備包括洗滌器，在水中有葉片，可以產(chǎn)生漩渦，是材料在其中發(fā)生碰撞而被打碎。壓縮粉碎設(shè)備包括顎式碾碎機(jī)，滾動(dòng)碾碎機(jī)和錐形碾碎機(jī)。沖擊粉碎設(shè)備包括球磨，其中有一種介質(zhì)不停地翻動(dòng)，砸碎材料。軸撞擊導(dǎo)致材料顆粒與顆粒間的摩擦和壓縮。
配料是根據(jù)配方對(duì)各種原材料稱重的過(guò)程，將原材料準(zhǔn)備好用于混合和干燥。
混合在配料過(guò)程之后進(jìn)行，通常使用不同的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在混合攪拌的過(guò)程中通常需要加入水。
成型是指將混合好的材料制成各種形狀。成型過(guò)程可能包括：1）擠出，如制造磚的過(guò)程；2）壓制成型；3）注漿成型，如在制造馬桶、洗臉盆和陶瓷雕像燈裝飾品的時(shí)候。成型過(guò)程將會(huì)生產(chǎn)出一個(gè)用于干燥的零件坯。零件坯比較軟，長(zhǎng)時(shí)間放置會(huì)破壞它的形狀。處理待加工零件可能會(huì)改變它們的外形，如，沒(méi)有被燒制的磚可以被擠壓，而擠壓以后就保持了那個(gè)形狀。
干燥是將已成型材料中的水分或其他結(jié)合劑去除的過(guò)程。噴霧干燥現(xiàn)在被廣泛的用于準(zhǔn)備沖壓的粉末。其他的干燥機(jī)如管道干燥機(jī)、周期干燥機(jī)。在需要加熱的兩個(gè)階段中，都需要對(duì)其施加受控的熱量。首先，熱量將水分移除。這一步許要小心的控制，如果快速加熱，會(huì)產(chǎn)生裂紋和表面瑕。干燥后的零件將比零件坯更小，更容易碎，一點(diǎn)點(diǎn)很小的力量都可能造成零件破碎，因此必須需要更小心的處理。
火燒是將干燥的零件進(jìn)行受控加熱的過(guò)程，這時(shí)原材料中的氧化物會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，并引起燒結(jié)。通過(guò)火燒的零件將會(huì)比干燥的零件更小。
形成方法
陶瓷成型技術(shù)包括拋擲、注漿、流延、注射成型、干壓、等靜壓、熱等靜壓以及其他方法。在許多領(lǐng)域的技術(shù)中都需要某種方法以將陶瓷粉末制造成復(fù)雜的形狀。例如，生產(chǎn)先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)的零件如熱機(jī)零件、渦輪機(jī)零件就需要這些方法。用于成型過(guò)程的材料除了陶瓷以外可能還包括：木頭、金屬、水、石膏以及環(huán)氧物，但是這些物質(zhì)的大多數(shù)都將在火燒過(guò)程中被燒掉。
由于這些成型的技術(shù)可以提供具有維度穩(wěn)定性、高表面質(zhì)量、高密度和微結(jié)構(gòu)一致性的工具和零件，這些技術(shù)很有名。而需要采用特殊方法成型的各種專門(mén)形狀陶瓷的廣泛應(yīng)用又使得處理技術(shù)越來(lái)越多。
增強(qiáng)纖維主要使用聚合物、溶膠凝膠、或者CVD 方法制造，但是也可能使用熔融的方法。最廣泛使用的的形態(tài)是層狀結(jié)構(gòu)，例如流延法制造電子襯底和封裝就是很好的方法。光刻法在精確制造半導(dǎo)體和其他如封裝的部件成型方面也有越來(lái)越廣的應(yīng)用。流延法等成型技術(shù)在其它應(yīng)用中也日漸引人注目，如像燃料單元這種開(kāi)放的結(jié)構(gòu)等等。層狀結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要應(yīng)用是加膜，這里很重要的技術(shù)是熔融噴霧，但是也物理蒸汽沉淀和化學(xué)方法的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。除了開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，如蜂巢催化、包括各種泡沫材料的多孔結(jié)構(gòu)（如網(wǎng)狀泡沫）都有日漸廣泛的應(yīng)用。
目前這種使用粉末材料制成的物體的致密性都是通過(guò)無(wú)壓力燒結(jié)實(shí)現(xiàn)的。但是，使用通過(guò)熱壓進(jìn)行壓力燒結(jié)的方法的情況越來(lái)越多，特別是在使用非氧化物和制造形狀簡(jiǎn)單但是質(zhì)量要求高的零件時(shí)，還有制造大型零件或者每次制造多個(gè)零件時(shí)，使用壓力燒結(jié)更為先進(jìn)。
燒結(jié)過(guò)程
基于燒結(jié)的方式的基本原理很簡(jiǎn)單。火燒的溫度低于陶瓷的熔點(diǎn)。一旦制成了一個(gè)干燥的坯，它將在窯中烘烤。在這里原子和分子的擴(kuò)散過(guò)程將使主要的微結(jié)構(gòu)特征發(fā)生重大改變。這些改變包括多孔性的逐漸消除，這通常是由于材料發(fā)生了收縮，整體變得更加致密。這樣，物體中的細(xì)孔可能發(fā)生封閉，導(dǎo)致材料的密度變大，從而極大的提高了材料的強(qiáng)度和抗磨損性。
參考資料 >