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陶瓷材料論文:探求陶瓷材料在產品設計中的適用性
一、陶瓷產品的加工工藝方法概述
陶瓷產品的設計與生產是一個復雜而又完善的體系，它的構思、設計、制作、生產都區別于傳統手工業生產的陶瓷制作。陶瓷產品是用泥類，經粉碎后和水混合成的可塑性很好的泥團，用這種泥團做成的器形，再放入窯中燒制后的產品稱為陶瓷。在開發新產品的過程中選擇陶瓷的成型方法是確定生產工藝路線中非常關鍵的一步。其中最根本的是對陶瓷產品的產量、品質要求、材料性能以及經濟效益等因素的綜合考慮。
一般情況下，結構簡單的陶瓷產品可以采用的工藝成型方法為滾壓法和旋壓法。大件的或薄壁的陶瓷產品可采用注漿法，如果產品尺寸規格要求高就用壓制法，產品尺寸規格要求不高時，用注漿法或手工刻塑成型就可以了，這種成型方法易于操作、條件好、便于前后程序的連動化。
一般在陶瓷產品的制作過程中最為常用的加工成型主要以注漿法為主。注漿法的基本過程大致分為三個階段，首先，從泥漿注入石膏模直至形成薄泥層，這是及時階段。接下來，在形成薄泥層后，泥層漸厚形成注件，這是第二階段。雛培形成后至脫模為收尾階段。這種方法對產品設計成型的使用度較高，是陶瓷產品制作過程中常用的一種方法。
二、陶瓷在未來的發展方向與應用價值
陶瓷材料具有原料豐富，色澤亮麗，成形方便，耐酸耐堿且容易洗滌的特點，他不但清潔衛生，還會經久不變。所以，基于以上特征陶瓷產品在功能上主要以日用陶瓷（茶具，餐具等）設計；衛生潔具設計；建筑陶瓷設計；藝術瓷設計（陳設器具等）為主。但是隨著時代的發展陶瓷功能也得到進一步的擴大，例如：瑞士雷達表已選用超前的材料——精細陶瓷，其抗斷力和拉伸力極高且具有完滿無瑕的外表和舒服親膚的特質。
碳玻璃陶瓷在制作高溫化學反應堆、用于異常條件下的氣體動力、軸承、有色金屬鑄罐的零件方面是不可替代的。還有如日本生產制造的陶瓷刀，用陶瓷菜刀切食物不會留下討厭的鐵腥味和鐵銹，特別適宜于切生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀由于不帶磁性，特別適宜于剪接錄音磁帶和錄像磁帶，它的品質大大優于鋼制剪刀，不生銹，十分鋒利，被人們稱贊為永不卷刃。除此之外，陶瓷還應用于太陽能電池、電容器、集成電路、催化劑載體、碳纖維和人體骨骼等方面對機械、能源、電子、信息、汽車、太空活動等領域做出巨大的貢獻。
經過研究，先進的高科技陶瓷，不易磨損，輕巧耐磨，抗酸抗堿，并能忍受高溫。陶瓷這種材料被時代賦予更多和含義，應用的范圍日益廣泛，同時也創造著更大的價值。另外，陶瓷產品的創新設計也應有更加深刻的理解，這種創新設計主要包括兩個方面的內容：一是藝術設計上的創新，另一個則是制作工藝上的創新，即運用現有的制作工藝創作出有新意的產品。雖然陶瓷制品的用途不同，生產工藝不同，設計特點和裝飾手法也有差異，但任何陶瓷產品都需要藝術設計的表現。然而陶瓷行業的模仿與跟風的現象卻是影響創新設計的重要原因，這一原因同時造成了大量的產品同質化。
為了解決這樣的問題，要求設計者在陶瓷設計在中體現“中國風”，將設計民族化、地域化，這一點十分重要了，如素來以溫柔婉約為特質的青花瓷，如今被設計師們用來創作具有力量感的設計作品，中的手槍讓作品不再帶有那么冷冰冰的恐懼，且更具有趣味性。民族的才是世界的，中國陶瓷文明源遠流長，陶瓷文化底蘊深厚，只要我們的企業愿意在挖掘民族特色上下功夫，我們的國際化，我們的國際競爭，將不僅僅只是融入國際大潮中，更會在國際上市場上占據一席之地，甚至引導國際潮流。這將是我國陶瓷產品設計、陶瓷產業的奮斗目標。
三、總結
由于它是物質產品，具有使用價值和經濟價值，能給人以物質和精神的享受，因此創作陶瓷產品必須與實踐相結合，方能為人類的物質生活和文化生活服務。我們在深入了解陶瓷加工工藝、藝術特點的基礎上要創造出屬于中國自己的現代陶瓷產品，讓陶瓷產業在我國再續輝煌。
作者：曹國鋒 趙愛麗 單位：黑龍江千江園林景觀雕塑有限公司 黑龍江八一農墾大學
陶瓷材料論文:陶瓷材料在家具設計中的應用
一、陶瓷材料應用于現代家具設計中的意義
(一)繼承和發揚中華民族傳統文化中國陶瓷文化博大精深，是世代傳承下來的特色文化體系。“china”本意是“瓷器”，同時又有“中國”的涵意。外國人最早就是通過瓷器來認識中國，來了解中國的文化習俗，人文風貌。陶瓷材料的制作工藝以及精美絕倫的圖案并不單純是一種藝術行為，它同時凝結了我國古代傳統文化。陶瓷材料在現代家具中的應用，不僅可以提升居室文化品味，更能彰顯我國陶瓷文化的魅力。
(二)有利于世界了解中國多年以來我們一直強調“只有民族的，才是世界的”，如何讓世界了解中國，讓中國的設計更有價值呢？只是將傳統圖案的陶瓷材料應用于現代家具當中，進行盲目的異質拼接，走的不過是低端復制的路子。建立烙有中華民族印記的現代陶瓷家具體系，通過不斷的創新使其國際化，才能讓中華民族文化走向世界，讓更多人深刻地了解中國。
二、陶瓷材料在現代家具設計中的應用
(一)陶瓷材料在現代家具設計中的物質化應用諾曼提出的行為情感設計具備四個要素，即功能、易理解性、易用性和感受[1]。陶瓷家具并不是一個單獨存在的個體，它與住宅空間里各個界面、其他家具、使用者及環境構成有機的整體。陶瓷家具首先必須具有實用功能，沒有實用功能的陶瓷家具也就沒有存在價值。正如奧地利著名建筑師盧斯在《裝飾與罪惡》中所倡導的思想——“一切沒有功能意義的裝飾都是罪惡。”我們不能把陶瓷家具僅僅作為住宅空間里的裝飾品，而應該較大化地實現其功能。不過，傳統中式陶瓷家具在構件和造型上過于莊嚴、堆成、重禮數，而現代人則追求家具的舒適度。這就要求我們一方面保留中式陶瓷家具的文化特色，另一方面設計出更符合人體工程學原理的現代陶瓷家具，同時滿足現代人的情感需求。單一的功能已經無法滿足市場的多元化需要，對傳統陶瓷家具的再設計，必須充分考慮現代人的情感需要，并實現其功能的多樣化，一具多用才能站穩市場。為了讓人們轉變對傳統陶瓷工藝是老舊古板的代名詞的印象，設計者必須不斷拓展和完善陶瓷家具，并研究其與人和空間之間的交互行為。當下的陶瓷家具新功能已經不僅僅局限于尺寸與造型的實用性，它已經涉及到社會、環境、性別等諸多領域。人們開始不斷創新造型設計，力求在及時時間帶給觀者強烈的視覺沖擊力，滿足人們的審美需要。如提盒(見圖1)這件作品，它的造型來源于中國傳統的食物提盒，古色古香，歷史悠久。圖中傳統提盒演變成一款多功能陶瓷家具。這款產品有5個大小收納盒，可以解決收納空間狹小的問題。收納柜的數量也可以按照使用者的要求實時更替。這種多盒為一的方式，讓使用者和產品進行自主交互。在使用的過程中自行組裝與產品發生感情，認定其是一款自己親手設計的作品。同時除了收納的功能，它還是一款可調節方向的燈具。通過提盒上桿的旋轉可以滿足不同角度的照明要求。為了使光源照射出來的光線更加柔和，燈罩選用陶瓷藝術大師的薄胎青花瓷作品，滿足功能的同時讓藝術陶瓷融入生活，拉近藝術陶瓷與大眾的距離，在生活中感受陶瓷藝術的熏陶。作品的實用功能、審美功能、情感功能在此得以統一。與此同時，傳統圖案、顏色和材質在陶瓷材料家具設計中的搭配必須協調一致。著名華人建筑室內設計師劉思維說過，一切帶有民族色彩的圖案在每一個你認為要流行起來的時間他都可能是流行的。當然僅僅依靠傳統圖案是不夠的，需要消費者對其體驗過后，從視覺和心理上都滿意才能成為一件好的作品。陶瓷瓷板畫一直是人們喜歡購買的藝術品，很多人都想通過瓷器藝術品來營造家宅的吉祥如意的氛圍。如年年有余的象征圖“錦鯉”，出淤泥而不染的“蓮花”，以及象征健康長壽的圖“松柏長青”這些吉祥圖案的瓷板畫都有著吉祥的寓意。但是瓷板畫過于濃重的傳統顏色、圖案和現代簡約的居室裝修風格往往會格格不入。三寒矮柜(見圖2)將瓷板畫鑲入矮柜里，讓它與現代簡約家具合為一體。瓷板畫選用梅蘭竹三君子為素材，展現陶瓷技藝。傳統的陶瓷家具在造型上因為非常講究均衡對稱，大多給人中規中距、四平八穩的感覺；在顏色的選擇上也偏向于樸素穩重的顏色，如果再選用木材，容易讓人感覺很“悶”。因此三寒矮柜在材料上選擇聚乙烯，顏色絢麗多彩起到“透氣”的作用，使整個陶瓷家具充滿生機，具有時尚感而又不失中式陶瓷家具的神韻。通過對功能、材料、結構及其工藝的結合，對傳統的陶瓷家具給予再設計、提煉和創新，讓觀者產生一種全新的體驗。
(二)陶瓷材料裝飾圖案在現代家具中的精神化應用陶瓷家具通過其形態、色彩、材質和功能符號等元素帶給人們視覺、觸覺和使用的感受，而人們通過對陶瓷家具的觀察、觸覺、使用和領悟來理解其功能、寓意和文化內涵。其中陶瓷家具中常常引入的大量的傳統元素，如寓意吉祥的傳統圖案(壽桃寓意長壽；蝙蝠取諧音“福”，葡萄代表“多子”，牡丹象征“富貴吉祥”)，又如對家具的邊、角、框等位置進行裝飾的二方連續或四方連續的幾何紋樣(萬字符、冰裂紋、回紋)，再如在古代就是中國陶瓷家具的裝飾的字畫類作品(無論是楷體還是草體的書法，還是中國畫細膩的工筆和豪放的寫意畫)，都是祖先留給我們的寶貴精神財富。它們不但能夠提高陶瓷家具的設計品位，而且非常符合中國人趨吉避兇的傳統心態，是國人獨有的情感訴求。圖3中的高山流水椅，造型來源于官帽椅，它在官帽椅原有的基礎上簡化多余的結構以滿足現代人的審美需求。材料上選擇了楠竹和青花瓷，無論是2年成材的楠竹，還是青花瓷傳統手工藝，都使作品更加環保且具有濃郁的中華民族風情，讓使用者在本能情感上接受它。椅子靠背的高山圖、座面的流水圖營造出依山傍水的秀美風景，將人們對悠閑自在的山野生活的向往之情表現得淋漓盡致。它體現的是我國傳統文化的藝術價值、人文意識、審美情趣，是傳統工藝在居住空間中的精神化運用。
作者：馮晶雅 單位：廣州大學服裝學院
陶瓷材料論文:陶瓷材料在現代產品設計中運用
摘要：現代產品設計所使用的材料種類繁多，陶瓷材料以其特有的質感和魅力賦予產品豐富的內涵。以陶瓷為材料設計制作的現代產品不再是僅滿足人們生活上的基本功能和實用價值，更是能創造出新的生活方式和新的美學體驗。
關鍵詞：陶瓷；產品設計；材料；形態；結構
人類制造任何物品都需要材料，在產品設計中，材料是產品功能和形態的最基本的保障。關于材料的定義，泛指人類用以作為物品的原料，是一切自然物和人造物存在的基礎。從新石器時代人類最早期有意識地利用石頭制造工具開始，設計就與材料建立了密不可分的聯系。設計是具有物質和精神、生理和心理雙重功能的造型活動，材料是實現設計的基本條件。產品設計的發展在經歷了一個多世紀后，已經被賦予了豐富的精神內涵和文化內涵，體現出了強烈的民族化和個性語言以及文化含量。現代產品設計中可應用的材料種類和數量極其龐大，而陶瓷則是人類應用最早的材料之一。傳統的陶瓷材料是以硅和鋁的氧化物為主的硅酸鹽材料，新技術的發展帶動材料的更新，比如新近發展起來的特種陶瓷或稱精細陶瓷，它的主要成分擴展至純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等。陶瓷是陶器和瓷器的總稱。陶瓷在我國發展歷史悠久，為我國工藝美術的發展做出了偉大貢獻。在現代工業化生產時代，陶瓷以其特有的色澤、質感和內在品質，在現代產品設計中依舊擔負著重要的角色使命。筆者就陶瓷材料在不同類別的現代產品設計中的運用做了一些研究。
1現代陶瓷器皿設計
陶瓷的熱穩定性和化學穩定性，使其先天地成為制作器皿的極佳的材料。人們在選購日用器皿的時候，無論是一套餐具，或是一把茶壺，又或是水培植物的花器，其選擇標準往往是能否適合自己的文化品位、是否符合家居陳設或是自己的飲食習慣。由于現代社會人們的審美觀念的變更，要適應時代要求，陶瓷器皿的設計就必須要擯棄傳統的固有的造型規律和設計原則，符合現代設計美學特征。隨著現代生活簡約化、直觀化和快節奏化的發展趨勢，陶瓷器皿設計也已形成簡練、大方、個性和多元化的藝術風格。傳統陶瓷器皿一直扮演者生活用品的角色，現代陶瓷器皿則擴展了自身的藝術價值，成為獨立的藝術創作活動，并且更具藝術活力和廣闊前景。CREEMY咖啡壺/茶壺，兩用壺設計，很好的融合了東西方不同的飲食習慣。形態非常協調統一，使用方便。觸感細膩、柔滑，厚度單薄，質地堅硬，是高品位的象征。
2現代家具設計
20世紀初，偉大的設計先驅們就開始將新的形態和理念運用于現代家具的設計中，簡潔實用、價格合理成了現代家具設計的新的主張。現代家具設計的發展正呈現多元化的發展態勢。新材料的不斷開發利用讓設計師們創造出更豐富多樣的現代家具作品。陶瓷，以其天然、淳樸的特性，和承載的身 后的文化內涵，在家具設計領域里綻放著獨特的色彩。現代陶瓷家具是陶瓷藝術在家具設計中的一種具體表現形式，在滿足現代人生活需要的同時，也契合了現代人的審美觀。陶瓷材料不僅能拓展家具的功能，突破常規的形態設計也給人強烈的視覺沖擊力。現代社會人們對精神的追求，演繹成一種文化或某種情感特征的象征，這使得陶瓷家具的審美層次由最初的單一形式美向多層次化發展，使陶瓷材料可以和玻璃、木材、石材、金屬等不同材料搭配使用，這更開拓了現代陶瓷家具的發展未來。
3現代陶瓷衛浴產品
現代生活中，舒適、的衛生間成為了現代家居必不可少的組成部分，沐浴環境已然成為重要的生活空間。陶瓷衛浴產品的功能形態風格悄然折射出現代人的生活態度。陶瓷材料與衛浴產品的結合是最為成功的。陶瓷的潔凈白亮的釉面效果，極大滿足了衛生間的功能性，這是陶瓷材料的先天優勢。在現代設計師不斷創新的實踐中，或復古的，或個性的，或民族特點的，多種風格的陶瓷衛浴產品層出不窮。新型陶瓷材料，如抗菌陶瓷，在衛浴產品中得到運用，其使用過程中能有效殺死致病細菌，能達到健康環保、凈化空氣的作用。“書簽”馬桶，一款可以“私人定制”的衛浴產品，家庭中的每個成員都可以有一扇屬于自己的專用坐便器，這種有趣的設計既滿足了使用者的衛生需求，又能符合使用者的心理健康需求。
4結語
當今材料領域里，陶瓷、金屬、有機材料已成為三大重要支柱。研究陶瓷材料如何更好地運用于現代產品中，不僅能拓展陶瓷藝術在現代社會中的功能使用，在現今能源緊缺的不利環境下，對追求可持續發展的綠色環保設計更是有著積極的意義。現代的產品設計師們以開拓進取的精神，發揮無限的想象，迸發創作靈感，對陶瓷原有的認識進行解構與轉化，必將創造出更多更的陶瓷材料產品。
作者:關玉鳳 單位:江西陶瓷工藝美術職業技術學院
陶瓷材料論文:論陶瓷材料表面的肌理效果
運用不同的肌理效果,可以構成種種肌理美。肌理效果與肌理美是陶瓷藝術的語言，是以陶瓷為材料的各種制品不可缺少的藝術處理手法。任何制品表面都有其特定的紋理變化，這種特有的材質紋理變化所呈現出的抽象肌理美正是陶瓷作品所追求的藝術效果。它可以豐富陶瓷作品的藝術價值，提高它的審美功能，使之更加成熟、。
陶瓷材料表面肌理效果的種類
陶瓷材料的肌理效果種類很多，就藝術陶瓷而言有其獨特的風格。藝術陶瓷與其它陶瓷表面肌理的區別是：其它陶瓷本身都具有一定的適應性和實用性，在設計理念上與藝術陶瓷的思維和意圖有明顯區別：藝術陶瓷的肌理效果，目的是要增加它的藝術感染力和精神實質，使各方面藝術特點都充分地體現出來，使觀賞者更清楚地領會作品所表現的意圖。反之藝術陶瓷若沒有表面的肌理變化，所有器物都是相同的表面處理，只能使人感到平淡、乏味，也就談不上有藝術感染力和視覺沖擊力。
陶瓷材料的肌理效果，從總體上來說有素胎和施釉兩種：素胎的處理有陰刻、陽刻、鏤空、堆貼、拍打、擠、壓、印紋等；施釉有通體施釉、局部施釉、噴釉、蘸釉、刷釉、多種色釉結合等方法。
陶瓷造型與肌理效果的關系
一件的陶瓷藝術作品所產生的藝術效果，離不開造型與裝飾的統一，如果僅是造型優美而缺乏表面的裝飾處理，就不可能達到的藝術效果，或是只注重表面的處理而忽視造型的，同樣也不能達到美好的藝術體現。從設計的過程來看，大多是先有造型后有表面肌理裝飾，一定的造型要有與它相適應的表面肌理效果相呼應，如本人創作的色釉綜合裝飾茶具《如歌歲月》，就使用紫金釉作為嘴、把、口、下邊紋的裝飾，利用刻花技法工藝產生肌理效果。主體以傳統青花圖案為裝飾，充分利用材質自身的特點，使得作品豐滿，有機地將色釉肌理效果與傳統青花相結合，形成強烈的粗獷與細膩的對比，具有獨特的藝術風格，整體效果和諧相融，相映生輝，充滿著濃郁的民族特色。色彩古樸、典雅、凝重，具有現代氣息，傳統與現代裝飾風格相得益彰，具有較高的實用、審美和收藏價值。
肌理效果不僅和造型有關，對其它方面也產生影響。比如一件圓柱型的花瓶，如果它的表面是平整的，會給人一種明快向上的感覺，插上花束，也很協調，如果采用平行排列的泥條盤筑紋理，那么泥條紋理的肌理效果會給人一種粗獷和質樸感。紋樣平行也會產生一種穩定感，粗獷的紋理和花束又產生強烈的對比效果。
不同的陶瓷材料對肌理效果的影響
物質材料的內在理化性能往往是構成外在質地美的決定因素，因此材料的外表肌理可以顯示出形象的風格特征。如景德鎮傳統紅釉的珍貴品種之一“美人醉”，它的色調與鈞紅、祭紅、郎窯紅及其它銅紅釉不同，在絕大多數情況下，它不是深紅色而是一種淺紅色，頗似桃花及海棠色調，由于燒成氣氛的影響，美人醉的色調千變萬化。有的在朦朦的粉紅色當中有深紅色的斑點密集；有的一部分為深紅色在其周圍逐漸暈散為淺紅色調；有的在深紅之外的較淺部分又微泛淺黃或淺綠色；有的在深淺綠色當中泛現著不同的紅暈，出現“滿身苔點泛于桃花春浪間”的奇趣。真是變化多端，微妙無窮。清代詩人洪北江吟道：“綠如春水初生日，紅似朝霞欲上時，”真是形象生動地描述了這種富有詩意的美麗色釉所產生的肌理效果。
現代陶藝創作首先應該敏感地理解不同材料的個性，為表達材料美就必須尋求具有表現力的手法。近年來，市場盛行無光釉的裝飾，人們追求那種“回到大自然中去，返樸歸真”的休閑生活，喜好優雅的色彩，而珍珠釉具有淡雅素靜，顆粒凸起的藝術效果。在珍珠釉器物上作畫尤如在宣紙上繪畫，運用中國畫的創作規律，將作品表現的盡善盡美。
陶瓷材料的不同，對肌理的變化影響很大，而且各有不同的處理方法。
陶瓷土質品種繁多，但可塑性大小各異。可塑性大的土質，可采用拍打、彎折、捏搓、拉壓、擠壓、攪泥等方法。拍打，就是打成泥片，用帶有不同的紋理陶拍打在泥片上，出現意料中的效果；彎折，就是打成泥片后，再任意彎折，使其產生不同的肌理效果；拉擠壓，是用泥條或泥塊隨意拉擠壓，使其產生多種的肌理效果；捏搓，指生產捏雕產品時，將花瓣、花枝，用手捏搓構成一幅圖畫，產生美的肌理效果。
可塑性小的土質，可采用粘接、鏤空、堆積等手法處理。粘接，采用大小不同，形狀不一的泥塊，因粘接塊的大小和疏密不同，產生迥異的效果；鏤空，是在形體的表面，挖出形狀不同的小孔，因小孔的排列方式不同，產生不一樣的肌理效果；堆積，也是在形體的表面堆粘或厚薄不等，面積大小不同的形狀，產生不同的肌理效果。
陶瓷材料的變化，不僅是可塑性大小的變化，而且在可塑性相等的情況下，由于顏色的差異，土質顆粒的大小與質感的粗細不同，也會產生不同的肌理效果。
陶瓷的肌理效果，不單純附屬于形體的表面為形體服務，其肌理本身也具有獨特的裝飾意趣。處理的方法很多，比如在平面坯體上刻畫出有規律的條紋，然后再粘上長短不同的泥條，產生一種質感上的對比，使得這個以肌理為主的平面形體更富有裝飾美感。再如陶瓷材料本身的顏色，即泥土的固有色，其本身就帶有裝飾感，給人以質樸、凝重的視覺效果。
新的時代要求我們要用新的表現手段來反映現實生活，新的現代化生活環境也為我們提供了豐富的創作素質，近年來，許多同行師長在新題材、新技法、新工藝的探索上都作出了許多有益的嘗試，創作了許多前人從未想象過的各種肌理效果，豐富了陶瓷文化的內涵，為景德鎮的陶瓷發展作出了巨大的貢獻。
陶瓷材料論文:陶瓷材料在環境藝術中的介入
摘 要:陶瓷材料在環境藝術中的運用日漸增多,它具有公共性、審美性、親和力強、恒久性等特點。本文通過對陶瓷材料的種類和特點進行分析,探討了陶瓷材料在環境藝術中的應用及其發展空間。
關鍵詞:陶瓷材料;環境;藝術;發展
1引 言
工業化、城市化進程的加速,以及人們物質水平的不斷提高,為陶藝介入環境藝術提供了新的機遇;環境陶藝具有豐富的材料特性和藝術語言,聚集了人類的情感與泥土的原始性,它存在于公共環境空間,可以在很大程度上追求一種來自新藝術的感覺組合。如今,越來越多的陶藝家開始關注和轉向公共環境藝術。
“環境陶藝”這個概念于20世紀90年代已經開始萌芽和興起,它是指陶藝家利用陶瓷為主要媒介材料,或以其它材料為輔, 為特定的環境進行設計的環境陶藝作品。它主要是指公共空間的公共建筑物、建筑構件、廣場、公園、道路、綠地、居住區、郊外空地及其它場地設立的以陶瓷材料為主的綜合媒介作品。我國古代就有許多在現代人眼中可以稱作環境陶藝的藝術作品,最早有文獻考證的建筑構件是龍山文化時期的陶水管道,之后出現了質樸且具有很強裝飾性的秦磚漢瓦,以及明代洪武時的《九龍壁》室外陶藝墻(圖1)。在當代景德鎮就活躍著一批非常有才華的陶藝家,他們正積極而熱情地探討、研究并創作出許多的環境陶藝作品。
2陶瓷材料的種類及特點
2.1 陶瓷材料的種類
一般來說,陶瓷所用材料可分為陶泥和瓷泥,陶泥一般是在自然界可以找到,并可直接用于成形;而瓷泥則須經過選料配料,并經過加工而成。
2.2 陶瓷材料的特點
從成形手法上來講,陶和瓷泥的可塑性都非常強,一般都可根據泥性的要求和作品成形的需要,采用泥板、泥條、模具(印坯和注漿)等不同的成形方法;從燒成溫度上來講,陶一般不會高于1000℃,瓷一般在1200～1300℃之間,根據釉料的性質要求,瓷可分為高溫瓷、中溫瓷和低溫瓷;從燒成后的效果來講,陶泥由于它的原始野性(未經人工精煉),燒成后表面粗糙、吸水性強,因此具有原始和純美質感,同時其作品具有粗獷大氣的藝術特點;瓷泥由于經過加工精練,泥坯表面比較光滑,適用于各種釉下彩繪和顏色釉裝飾,燒成后作品具有精細優雅的藝術特點。此外,有時為了達到特殊的藝術效果還可進行二次燒成。正是由于陶瓷材料在經過燒成后,質地堅硬、耐高溫、耐水侵蝕、不易風化的特點,顯示出它相比于金屬、樹脂、木材、玻璃等材料獨特而強勁的優勢,成為環境藝術中最理想的材料之一。
3陶瓷材料在環境藝術中介入的價值體現
環境陶藝作為一門公共藝術,不僅具備環境藝術公共性原則,而且也具備陶瓷藝術本身所獨有的特征,它還包含了更多社會人文和大眾的因素。
3.1 公共性
人們通過公共空間的活動,形成體現共同需要的環境秩序,藝術家在個人創意與公眾意愿之間尋找平衡點,進而創造出既有藝術家個性又有公共性的環境陶藝,由此可見,公共性就成了陶藝最基本的特性。正是由于環境藝術設計始終從人的現實需求出發,環境藝術便獲得了堅實的價值評判標準――人文尺度、人文精神、人文價值和人文思想的構建也必然成為這種評價的目的和追求。
3.2 審美性
審美性是環境藝術最重要的藝術特征之一。陶瓷藝術經過數千年的發展,形成了獨特的藝術語言和審美形態。現代陶藝注重對自身媒介特征的搜索與實驗,充分體現了陶藝的本質語言:泥、釉、火的內在美感價值。環境陶藝放置于公共環境之中,其作用首先是美化環境,提高城市環境的藝術質量和公眾的審美情趣。設計意識超前、品位高雅的環境陶藝作品多為人們所喜愛,并可能成為某地區和城市標志性的環境藝術作品。座落在景德鎮金嶺大道的《昂》(圖2)、《升騰》(圖3)兩套城雕,是景德鎮陶瓷的標志性建筑,高達12 米。象征“陶”的“昂”,采用“H”型框架結構設計,吸收印紋陶的制作方法,用雕刻、模壓技藝創作,用高溫顏色釉的暖色調裝飾,呈現出多種肌理層次,顏色醒目,與周邊的色彩環境形成鮮明對比,給觀眾留下深刻的印象;“升騰”則以青花瓷紋飾為裝飾圖案,體現出瓷都景德鎮的青花瓷器特色。
3.3 親和力
大家知道,人類自從開始燒陶作日常用品,進入新石器文明以后,由于土和火與人類文明進程息息相關,人們和陶就有一種不可割舍的親近感。尤其是人類文明進入信息時代,自然界的原生狀態漸漸遠離人類,陶卻能喚醒人們的自然審美知覺,產生強有力的親近意識。
用于制備陶瓷材料的水、火、土都與人類的生活息息相關,最早的陶器的發明就是因為汲水和烹飪的需要,陶瓷已被歷史證明是用于傳達形式、結構和人類情感的無與倫比的材料,人類的吃、住、行都是與陶資材料息息相關,與人類的天然親和關系正是它的魅力所在。
都市的繁忙生活讓人壓抑,然而鋼筋混凝土籠罩下的都市環境,更今人感到冷漠與孤獨;而陶藝能呼喚人們久違的自然審美知覺,產生強烈的親近意識。這是因為陶瓷材料源于自然,與人們有天然的親和力;尤其是經過水的調配、火的熔煉之后所呈現出來的質感更讓人產生想親近的欲望。所以,陶藝成了聯系人和環境的天然紐帶,環境陶藝是帶有某種特殊情感化的文化符號的藝術形式,親近自然,親近公眾,融合環境。
3.4 恒久性
環境陶藝具有耐磨損、抗腐蝕、強度高和耐久等特性,它不是瞬間藝術,一件作品可以存在幾十年甚至上百年,并且隨著時間的推移,的作品在公眾不斷變化的開放性評判中更彰顯其藝術價值。
4陶瓷材料在環境藝術中的發展空間
我們正面臨著一個新的城市建設高潮,這對城市的決策者、規劃者、投資者、建設者、管理者以及各行各業的從業人員和廣大人民群眾來說,都是一個難得的機遇。在這其中,城市環境規劃已經成為衡量該城市文化水平的標志之一,陶瓷這種自然而時尚的材料漸漸被人們所重視,無論是在大街小巷、廣場或者品質酒店,都少不了利用陶瓷的裝飾來襯托環境。
現在,它不僅是一種時尚,而且已經成為一種文化的代表:沒有它的存在,大街小巷將缺乏昔日的韻味;沒有它的存在,廣場上的鋼筋混凝土建筑哪怕再高也僅是呈現一種淡淡的灰色。我國城市公共環境藝術的發展正處于起步階段,每個城市都希望能產生具有自身特點的城市公共環境藝術。在這方面,以環境陶藝作為城市公共環境藝術的重要材料和手段,將有著特殊意義。環境陶藝作為一種文化載體,釋放文化能量,鐫刻城市歷史,記錄城市傳統,從一個側面反映出一個城市的物質、精神和文化特征。如果將其引入到城市公共空間和城市公共藝術中去,在形成自己特殊的城市面貌和獨特的城市文化個性方面,將具有廣闊的前景。
5結 語
陶瓷材料從用于制作日用品和藝術品到介入環境藝術創作,拓展了公共藝術的設計思路,是現代陶藝走出室內,步入公眾視野的一個奇幻的結合點,增添了現代陶瓷藝術的表現形式。我國現代陶瓷藝術應該憑借我們自身的文化底蘊,參與當代全球文化的建構,實現自身形態的認證。
陶瓷材料論文:先進結構陶瓷材料的研究進展
摘要先進陶瓷材料因其具有高熔點、高強度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕和抗氧化等優良特性, 在許多應用領域有著金屬等其它材料不可替代的地位。本文綜述了先進結構陶瓷材料的研究應用現狀和發展趨勢。
關鍵詞先進陶瓷，結構陶瓷，研究進展
1前言
20世紀60年代以來，新技術革命的浪潮席卷全球，計算機、微電子、通信、激光、新能源、航天、海洋和生物工程等新興技術的出現和發展，對材料提出了很高的要求，能夠滿足這些要求的先進陶瓷材料應運而生，并在這些技術革命中發揮著重要的作用[1～4]，同時也極大地促進了陶瓷科學的發展和應用，使陶瓷材料又一次煥發出了青春, 在尖端科學領域得到廣泛的應用, 如航天、航空、汽車、體育、建筑、醫療等領域[4，5]。
先進陶瓷是有別于傳統陶瓷而言的，不同國家和不同專業領域對先進陶瓷有不同叫法。先進陶瓷也稱高技術陶瓷、精細陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特種陶瓷、工程陶瓷等[1]。先進陶瓷是在傳統陶瓷的基礎上發展起來的，但遠遠超出了傳統陶瓷的范疇，是陶瓷發展史上一次革命性的變化。通常認為，先進陶瓷是指采用高度精選的原料，具有能控制的化學組成，按照便于進行的結構設計及便于控制的制備方法進行制造、加工的，具有優異特性的陶瓷。
先進陶瓷按用途可分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。結構陶瓷是指用于各種結構部件，以發揮其機械、熱、化學相生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用電、磁、聲、光、熱、彈等性質或其耦合效應以實現某種使用功能的先進陶瓷。先進結構陶瓷材料由于具有一系列優異的性能，在節約能源、節約貴重金屬資源、促進環保、提高生產效率、延長機器設備壽命、保障高新技術和尖端技術的實現方面都發揮了積極的作用。本文著重介紹近年來結構陶瓷的研究進展及發展趨勢。
2先進結構陶瓷及其應用
先進結構陶瓷若按使用領域進行分類可分為：（1）機械陶瓷；（2）熱機陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它。若按化學成分分類可分為：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、賽龍陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它結構陶瓷(莫來石陶瓷、MoSi陶瓷、硫化物陶瓷以及復合陶瓷等)[1]。
由于先進結構陶瓷具有耐高溫、高強度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕和抗氧化等一系列優異性能[4]，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴酷工作環境，已成為許多新興科學技術得以實現的關鍵，在能源、航空航天、機械、交通、冶金、化工、電子和生物醫學等方面有著廣泛的應用前景。
2.1 耐高溫、高強度、耐磨損陶瓷
2.1.1 氮化物陶瓷[6～8]
氮化物陶瓷是近20多年來迅速發展起來的新型工程結構陶瓷。氮化硅陶瓷和一般硅酸鹽陶瓷不同之處在于其中氮和硅的結合屬于共價鍵性質的鍵合，因而有結合力強、絕緣性好的特點。
氮化硅的燒結與一般陶瓷的燒結工藝不同，采用的是反應燒結法，此法制造的氮化硅陶瓷，不能達到很高的致密度，一般只能達到理論密度的79％左右，不能制造厚壁部件。提高氮化硅陶瓷致密度的有效方法之一就是在高溫下進行加壓燒結，由此可得到熱壓氮化硅陶瓷，其室溫抗彎強度一般都在800～1000MPa。如果在其中添加少量氧化釔和氧化鋁的熱壓氮化硅，室溫抗彎強度可達到1500MPa，在陶瓷材料中名列前茅，硬度很高，是世界上最堅硬的物質之一；極耐高溫，強度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到1900℃才會分解；有驚人的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸(氫氟酸除外)和30％以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕，同時又是一種高性能電絕緣材料。由于其熱膨脹系數小，抗溫度急變能力很強，因此氮化硅陶瓷具有優良的力學性能，在工程技術的應用上已占有重要地位。
氮化硅陶瓷制品的種類很多，應用也日益廣泛，例如可做燃氣輪機的燃燒室、晶體管的模具、液體或氣體輸送泵中的機械密封環、輸送鋁液的電磁泵的管道和閥門、鑄鋁用長期性模具、鋼水分離環等。利用氮化硅摩擦系數小的特點用作軸承材料，特別適合作為高溫軸承使用，其工作溫度可達1200℃，比普通合金軸承的工作溫度提高2.5倍，而工作速度是普通軸承的10倍；使用陶瓷軸承還可以免除潤滑系統，大大減少對鉻、鎳、錳等原料的依賴。氮化硅作為高溫結構陶瓷最引人注目的就是在發動機制造上獲得了突破性進展。美國用熱壓氮化硅制成的發動機轉子成功地在5000轉／min的轉速下運轉很長時間。
2.1.2 碳化硅陶瓷[9，10]
工業化生產碳化硅的方法是將石英、碳素（煤焦）、木屑和食鹽混合，在電爐中加熱到2200～2500℃下制成。碳化硅陶瓷和許多陶瓷的不同之處，在于它在室溫下既能導電，又耐高溫，是一種很好的發熱元件。用碳化硅制成的電熱棒叫硅碳棒，在空氣中能經受1450℃的高溫；質量好的重結晶法制成的硅碳棒甚至可耐1600℃的高溫，遠高于金屬電熱元件(除了鉑、銠等貴金屬外)，這是因為它在高溫空氣中會氧化生成一層致密的氧化硅薄膜，起到隔離空氣的作用，大大減慢了內層碳化硅的進一步氧化，從而使它能在高溫下工作。用熱壓工藝可以制得接近理論密度值的高致密碳化硅陶瓷，它的抗彎強度即使在1400℃左右的高溫下仍可達到500～600MPa，而其它陶瓷材料在1200℃以后，強度都會急劇下降。因此，碳化硅是在高溫空氣中強度較高的材料。
高溫燃氣渦輪發動機要提高效率，就必須提高工作溫度，而解決問題的關鍵是找到能承受高溫的結構材料，特別是發動機內部的葉片材料。碳化硅陶瓷在高溫下有足夠的強度，且有良好的抗氧化能力和抗熱震性，這些優良品質都使它極其適合作為高溫結構材料使用。用于在1200～1400℃下工作的高溫燃氣渦輪發動機葉片的材料，許多科學家認為它和氮化硅陶瓷是最有希望的候選材料。
碳化硅陶瓷的熱傳導能力僅次于氧化鈹陶瓷。利用這一特性，可作為優良的熱交換器材料。太陽能發電設備中被陽光聚焦加熱的熱交換器，其工作溫度高達1000～1100℃，具有高熱傳導性的碳化硅陶瓷很適合做這種熱交換器的材料，從試驗情況來看，碳化硅陶瓷熱交換器的工作狀態良好。此外，在原子能反應堆中碳化硅陶瓷可用作核燃料的包封材料，還可作為火箭尾噴管的噴嘴及飛機駕駛員的防彈用品。
此外，為了提高切削刀具的切削性能，20世紀以來，刀具材料經過了高速鋼和硬質合金兩次發展過程，目前正在進入陶瓷刀具大發展的階段。新型陶瓷以其耐高溫、耐磨削的特點，已在20世紀初引起了高速切削工具行業的注意。陶瓷刀具不僅紅硬性高，而且具有高硬度、高耐磨性，因此便成為制造切削刀具的理想材料。目前，制造陶瓷切削刀具的材料主要有氧化鋁、氧化鋁-碳化鈦、氧化鋁-氮化鈦-碳化鈦-碳化鎢、氧化鋁-碳化鎢-鉻、氮化硼和氮化硅等[11]。以這類材料制作的刀具沒有冷卻液也可以工作，比起硬質合金來具有切削速度高、壽命長等優點。目前，歐美各國都已廣泛使用陶瓷材料做鉆頭、絲錐和滾刀；原蘇聯確定了7000多個品種的合金刀具，用噴涂表面陶瓷涂層的辦法來提高車刀的工作速度和使用壽命。
陶瓷除作切削刀具外，利用其耐磨、耐腐蝕的特性還可用作各種機械上的耐磨部件。如用特種陶瓷制作農用水泵、砂漿泵、帶腐蝕性液體的化工泵及有粉塵的風機中的耐磨、耐腐蝕件或密封圈等都已取得良好的實用效果。此外，高純氧化鋁(剛玉)可制作金屬拉絲模，尤其在高溫下的熱拉絲更顯示出陶瓷的優越性；工業陶瓷中納球磨筒和磨球，金屬表面除銹用的噴砂嘴，噴灑農藥用的噴頭等。總之，凡是需要耐磨、耐腐蝕的場合，幾乎都會看到特種陶瓷的存在。
2.2 耐高溫、高強度、高韌性陶瓷
新型陶瓷具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等性能，因此在冶金、宇航、能源、機械等領域有重要的應用。由于陶瓷的韌性差，因此也限制了它的使用范圍。1975年澳大利亞的伽里耶(Garie)首次成功地利用添加氧化鋯來大大提高陶瓷材料的強度和韌性，自那時起世界各國利用氧化鋯增韌這一辦法，開發出多種具有高強度和高韌性的陶瓷材料，掀起了尋求打不碎陶瓷的熱潮。
氧化鋯能夠增加陶瓷材料韌性和提高強度的原因，至今雖沒有搞清楚，但研究結果已經表明，它和均勻彌散在陶瓷基體中的氧化鋯晶粒的相變有關。一種增韌理論認為相變膨脹導致的微裂紋可以阻止造成脆斷的裂紋擴展；另一種理論認為應力誘導相變，而相變可吸收應力的能量，從而起到增韌的作用[12～14]。總之，在某些陶瓷材料中引入一定量亞穩氧化鋯微粒，并使其均勻分布都可大大提高陶瓷材料的強度和韌性。
氧化鋯增韌陶瓷已在工程結構陶瓷研究中取得重大進展，經過增韌的陶瓷品種日益增多。現在已經發現可穩定氧化鋯的添加物有氧化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氧化鈰、氧化釔等單一氧化物或它的復合氧化物。被增韌的基質材料，除了穩定的氧化鋯外，常見的有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷，還有氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。日本在氧化鋁基質（強度為400MPa、斷裂韌性為5.2 J/m2）材料中，添加16%體積百分數的氧化鋯進行增韌處理，制得材料的強度高達1200MPa，提高了3倍，斷裂韌性達到15.0J/m2，幾乎也提高了3倍，基本達到了低韌性金屬材料的程度[12]。最近的研究表明，強度和韌性是相互制約的。盡管如此，許多陶瓷材料通過氧化鋯增韌，大大拓寬了應用領域，增強了取代某些金屬材料的能力，出現了喜人的應用前景。利用氧化鋯增韌陶瓷可替代金屬制造模具、拉絲模、泵機的葉輪、特種陶瓷工業用的磨球、軸承，替代手表中的單晶紅寶石。日本用增韌氧化鋯做成剪刀，既不會生銹，又不導電，可以放心地剪斷帶電的電線。氧化鋯增韌陶瓷還可用于制造汽車零件，如凸輪、推桿、連動桿、銷子等。
2.3 耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷[4，15]
現代電光源對構成材料的耐高溫、耐腐蝕性及透光性有很高的要求，而同時滿足這些性能的材料直到20世紀50年代后期才開始得到發展。1957年，美國通用電器公司的科布爾等人在平均尺寸只有0.3μm的高純超細氧化鋁原料中，添加氧化鎂，混勻后壓成小圓片，放在通氫氣的高溫電爐中燒制，意外地發現它像玻璃一樣透明。科布爾還發現，把透明的陶瓷片放在顯微鏡下觀察，幾乎看不到微氣孔。經過多次實驗觀察和研究分析發現，陶瓷的透光能力和內部氣孔大小有很大關系，當微氣孔的大小在1μm左右時，厚度為0.5mm的陶瓷試樣只要含有千分之三的氣孔就能使光線的透過率減少90％。一般氧化鋁陶瓷中所含的氣孔都超過這個數字。因此，構成氧化鋁陶瓷的剛玉小晶體本身能夠透過光線，而陶瓷還是不透明。使陶瓷透明的關鍵，是坯體中只能有一種晶型的晶體，而且對稱性愈高愈好，否則會發生雙折射，此外氣孔要愈少愈好，有人做過試驗，當氣孔小到埃的數量級時，光會沿著微氣孔發生繞射現象，這有助于透明度的提高。
氧化鋁陶瓷是高壓鈉燈極為理想的燈管材料，它在高溫下與鈉蒸氣不發生作用，又能把95 %以上的可見光傳送出來。這種燈是目前世界上發光效率較高的燈。在相同功率下，一只高壓鈉燈要比2只水銀燈或10只普通白熾燈發出的光還要亮，壽命比普通白熾燈高20倍，可使用2萬小時以上，是目前壽命最長的燈。人眼對高壓鈉燈的黃色譜線十分敏感，而且黃光能穿過濃霧，特別適合街道、廣場、港口、機場、車站等大面積的照明，效果極好。目前，許多國家正在推廣使用，其發展速度之快，超過了以往任何一種電光源。由此不難看出，新型透明氧化鋁陶瓷的出現，引起了電光源發展過程中的一次重大飛躍，帶來了巨大的社會經濟效益。
除半透明氧化鋁陶瓷外，研究得較多的還有氧化鎂、氧化鈣、氧化鈹、氧化鋯、氧化釔、氧化釷、氧化鑭等。透明氟化鎂、氰化鈣、硫化鋅、硒化鋅、硒化鎘等也有報道。用氧化鋁和氧化鎂混合在1800℃高溫下制成的全透明鎂鋁尖晶石陶瓷，外觀極似玻璃，但其硬度、強度和化學穩定性都大大超過玻璃，可以用它作為飛機擋風材料，也可作為高級轎車的防彈窗、坦克的觀察窗、炸彈瞄準具，以及飛機、導彈的雷達天線罩等。
2.4 纖維、晶須補強陶瓷復合材料[12，16～18]
近年來，以陶瓷為基體、纖維或晶須補強的復合材料由于其韌性得到提高而受到重視。碳化硅晶須增韌的氧化鋁陶瓷刀具在20世紀80年代初開始研究，1986年已作為商品推向市場。碳化硅晶須的加入大大提高了氧化鋁陶瓷的斷裂韌性，改善了切削性能。用碳纖維和鋰鋁硅酸鹽陶瓷復合，材料的強度已接近或超過1000MPa，其斷裂功高達3000J/m2，即達到了鑄鐵的水平。用鉭絲補強氮化硅的室溫抗機械沖擊強度增加到30倍；用直徑為25μm的鎢絲沉積碳化硅補強氮化硅，這種纖維補強陶瓷的斷裂功比氮化硅提高了幾百倍，強度增加60％；用莫來石晶須來補強氮化硼，其抗機械沖擊強度提高10倍以上。可以認為，繼20世紀70年代出現的相變增韌熱后，晶須、纖維增強、均韌復合陶瓷已成為結構陶瓷發展的主流。高性能(強度、韌性)、高穩定性、高重復性的晶須、纖維復合陶瓷材料的獲得，除要求晶須、纖維與基體間化學、物理相容性較好以外，從復合工藝上，還必須保障晶須纖維在基體中能均勻地分散，才能獲得預期的效果。最近，利用“織構技術”，在某些陶瓷坯體中生長出纖維狀態針狀第二相物質如莫來石晶體進行“自身內部”復合，這種復合增韌是一項簡便易行的陶瓷補強新技術。目前高性能陶瓷復合材料，還處在深化研究階段，關鍵在于改進工藝和降低成本，提高其實際應用的競爭力。
2.5 生物陶瓷[4，5，19]
生物陶瓷材料是先進陶瓷的一個重要分支，它是指用于生物醫學及生物化學工程的各種陶瓷材料。它的總產值約占整個特種陶瓷產值的5％。生物陶瓷目前主要用于人體硬組織的修復，使其功能得以恢復。全世界1975年才開始生物陶瓷的臨床應用研究。但是，最近10多年間，各國在這方面的基礎應用研究很活躍。
目前生物植入材料在人體硬組織修復中應用的有：金屬及合金、有機高分子材料、無機非金屬材料和復合材料。材料被埋在體內，在體內的嚴酷條件下，由于氧化、水解會造成材料變質；長期持續應力作用會造成疲勞或者破裂、表面磨損、腐蝕、溶解等，這些都可引起組織反應，腐蝕產物不僅在種植體附近聚集，還會溶入血液和尿中，引起全身反應。因此，對生物植入材料的要求是嚴格的、慎重的。陶瓷材料作為生物植入材料和其他材料相比，它和骨組織的化學組成比較接近，生物相容性好，在體內的化學穩定性、生物力學相容性和組織親和性等也較好，因此，生物陶瓷越來越受到重視。目前國內一些高等院校已對羥基磷灰石及氧化鋁陶瓷等進行了研究，并已開始臨床應用。
隨著人類社會物質文明的發展，人們對提高醫療保健水平和健康長壽的要求必然成為廣泛的社會需要。可以相信，生物陶瓷材料今后必將會有重大發展。
3結構陶瓷的發展趨勢
當今世界，材料，特別是高性能新材料由于以下原因而得到迅速發展：（1）國際軍事工業激烈競爭，航空航天技術的發展需要；（2）新技術的需要促進了新材料的發展；（3）地球上金屬資源與化石能源越用越少，石油、天燃氣等在本世紀末將用盡，開發與節約能源成為當務之急；（4）科學技術的進步為新材料的發展提供了條件[14]。目前使用的金屬合金，在無冷卻條件下，較高工作溫度不超過1050℃，而高溫結構陶瓷，如Si3N4和SiC則分別在1400℃和1600℃以上仍保持著較高的強度和剛性[16]。先進結構陶瓷所表現出的優異性能，是現代高新技術、新興產業和傳統工業改造的物質基礎，具有廣闊的應用前景和巨大的潛在社會經濟效益，受到各發達國家的高度重視，對其進行廣泛的研究和開發，并已取得了一系列成果。但結構陶瓷的致命弱點是脆性、低性和重復性。近20年來，圍繞這些關鍵問題已開展了深入的基礎研究，并取得了突破性的進展。例如，發展和創新出許多制備陶瓷粉末、成形和燒結的新工藝、新技術；建立了相變增韌、彌散強化、纖維增韌、復相增韌、表面強化、原位生長強化增韌等多種有效的強化、增韌方法和技術；取得了陶瓷相圖、燒結機理等基礎研究的新成就，使結構陶瓷及復合陶瓷的合成與制備擺脫了落后的傳統工藝而實現了根本性的改革，強度和韌性有了大幅度的提高，脆性得到改善，某些結構陶瓷的韌性已接近鑄鐵的水平。
先進結構陶瓷今后的重點發展方向是加強工藝-結構-性能的設計與研究，有效地控制工藝過程，使其達到預定的結構（包括薄膜化、纖維化、氣孔的含量、非晶態化、晶粒的微細化等），重視粉體標準化、系列化的研究與開發及精密加工技術，降低制造成本，提高制品的重復性、性及使用壽命。目前，高性能結構陶瓷的發展趨勢主要有如下三個方面：
3.1 單相陶瓷向多相復合陶瓷發展
當前結構陶瓷的研究與開發已從原先傾向于單相和高純的特點向多相復合的方向發展[20]。復合的主要目的是充分發揮陶瓷的高硬度、耐高溫、耐腐蝕性并改善其脆性，其中包括纖維(或晶須)補強的陶瓷基復合材料；異相顆粒彌散強化的復相陶瓷；自補強復相陶瓷（也稱為原位生長復相陶瓷）；梯度功能復合陶瓷[21]。以往研究的微米-微米復合材料中,微米尺度的第二相顆粒(或晶須、纖維)全部分布在基體晶界處，增韌效果有限,要設計和制備兼具高強度、高韌性且能經受惡劣環境考驗的材料十分困難，納米技術和納米材料的發展為之提供了新的思路。
20世紀90年代末,Niihara教授領導的研究小組報道了一些有關納米復相陶瓷的令人振奮的試驗結果,如Al2O3-SiC(體積分數為5%)晶內型納米復合陶瓷的室溫強度達到了單組分Al2O3陶瓷的3～4倍,在1100℃下強度達1500MPa[8～12，22～26]，這些都引起了材料研究者的極大興趣。從那時直到現在,納米復相陶瓷的研究不斷深入[13～17，27～31]，我國也相繼開展了一系列的工作,目前對納米復相陶瓷的研究已處于國際水平[18～22，32～36]。
3.2 微米陶瓷向納米陶瓷發展
1987年，德國Karch等[37]首次報道了納米陶瓷的高韌性、低溫超塑性行為。此后,世界各國對發展納米陶瓷以解決陶瓷材料脆性和難加工性寄予了厚望。從20世紀90年代開始，結構陶瓷的研究和開發已開始步入陶瓷發展的第三個階段，即納米陶瓷階段。結構陶瓷正在從目前微米級尺度(從粉體到顯微結構)向納米級尺度發展。其晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸以及缺陷尺寸都屬于納米量級，為了得到納米陶瓷，一般的制粉、成形和燒結工藝已不適應，這必將引起陶瓷工藝的發展與變革，也將引起陶瓷學理論的發展乃至建立新的理論體系，以適應納米尺度的需求。由于晶粒細化有助于晶粒間的滑移，使陶瓷具有超塑性，因此晶粒細化可使陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在性能上發生突變甚至出現新的性能或功能。納米陶瓷的發展是當前陶瓷研究和開發的一個重要趨勢，它將促使陶瓷材料的研究從工藝到理論、從性能到應用都提升到一個嶄新的階段。
納米陶瓷的關鍵技術在于燒結過程中晶粒尺寸的控制。為解決這一問題,目前主要采用熱壓燒結、快速燒結、熱鍛式燒結、脈沖電流燒結、預熱粉體爆炸式燒結等致密化手段[39～43]，但總的來說,以上各種手段，雖對降低燒結溫度、提高致密度有一定作用,但對燒結過程中晶粒長大的抑制效果并不理想，大塊納米陶瓷的制備一直是目前國際上納米陶瓷材料研究的前沿和難點。目前納米陶瓷在商業應用方面尚未取得突破性進展，若能制備出真正意義上的納米陶瓷，則將開創陶瓷發展史上的新紀元，陶瓷的脆性問題也將迎刃而解[44]。大量的研究結果表明[45～49]，將等離子噴涂技術與納米技術相結合，以納米陶瓷粉末為原料經等離子噴涂技術制備的納米陶瓷結構涂層表現出極其優異的性能，已經使納米材料的應用逐步進入大規模實用化的階段。
3.3 由經驗式研究向材料設計方向發展
由于現代陶瓷學理論的發展，高性能結構陶瓷的研究已擺脫以經驗式研究為主導的方式，陶瓷制備科學的日趨完善以及相應學科與技術的進步，使陶瓷材料研究工作者們有能力根據使用上提出的要求來判斷陶瓷材料的適應可能性，從而對陶瓷材料進行剪裁與設計，并最終制備出符合使用要求的適宜材料。
陶瓷材料常常是多組分、多相結構，既有各類結晶相，又有非晶態相，既有主晶相，又有晶界相。先進結構陶瓷材料的組織結構或顯微結構日益向微米、亞微米，甚至納米級方向發展。主晶相固然是控制材料性能的基本要素，但晶界相常常產生著關鍵影響。因此，材料設計需考慮這兩方面的因素。另外，缺陷的存在、產生與變化、氧化、氣氛與環境的影響，對結構材料的性能及在使用中的行為將產生至關重要的作用。所以這也是材料設計中要考慮的重要問題，材料的制備對結構與缺陷有著直接影響，因此人們力求使先進陶瓷材料的性能具有更好的性和重復性，制備科學與工程學將在這方面發揮重要作用。
陶瓷相圖的研究為材料的組成與顯微結構的設計提供了具有指導性意義的科學信息。最近提出的陶瓷晶界應力設計，企圖利用兩相或晶界相在物理性質(熱膨脹系數或彈性模量)上的差異，在晶界區域及其周圍造成適當的應力狀態，從而對外加能量起到吸收、消耗或轉移的作用，以達到對陶瓷材料強化和增韌的目的[1]。為克服陶瓷材料的脆性而提出的仿生結構設計，通過模仿天然生物材料的結構，設計并制備出高韌性陶瓷材料的新方法也成為研究熱點[12，50]。
4結語
先進結構陶瓷材料在粉體制備、成形、燒結、新材料應用以及探索性研究方面取得了豐碩的成果，這些新材料、新工藝、新技術，在節約能源、節約貴重金屬資源、促進環境保護、提高生產效率，延長機器設備壽命以及實現尖端技術等方面，已經并繼續發揮著積極的作用，促進了國民經濟可持續發展、傳統產業的升級改造和國防現代化建設。
先進結構陶瓷材料的研究，需要跟蹤國際科技前沿，對新設想、新技術進行廣泛探索。自蔓延高溫燃燒合成技術(SHS)、凝膠注模成形技術、微觀結構設計已成為研究熱點。
陶瓷材料的許多獨特性能有待我們去開發，所以先進陶瓷的發展潛力很大。隨著科技的發展和人們對陶瓷研究的深入，先進陶瓷將在新材料領域占有重要的地位。
陶瓷材料論文:陶瓷材料硬度表示方法的探討
摘要 本文詳細論述了陶瓷材料硬度的不同測試方法以及各種方法的優缺點，并對影響耐磨陶瓷材料硬度的因素進行了分析。以95氧化鋁瓷為例，對其洛氏硬度進行了對比試驗，發現A、C不同標尺之間的換算在一個特定范圍存在相應誤差。
關鍵詞 耐磨性，陶瓷，硬度，測試方法
1前 言
陶瓷材料作為無機非金屬材料的一個重要門類，已經取得了很大的發展。結構陶瓷以其高機械強度、高硬度、優良的耐磨性和耐腐蝕性等優點被廣泛應用于冶金及航天等領域[1]。而作為陶瓷材料基本性能之一的力學性能，又是表征其使用性能的有效參數。硬度是衡量材料力學性能的一項重要指標，是結構陶瓷一種重要的力學性能，與材料的強度、耐磨性、韌性等有著密切的關系。
陶瓷材料的硬度是其內部結構牢固性的表現，主要取決于其內部化學鍵的類型和強度。其中形成原子晶體的共價鍵型硬度較高，然后依次是離子鍵、金屬鍵。原子價態和原子間距決定了化學鍵的強度，因而也是決定材料硬度大小的重要因素。
2陶瓷材料常用的硬度表示方法
2.1 劃痕法
陶瓷及礦物材料常用的一種硬度表示方法就是莫氏硬度，它是由劃痕來表示硬度由小到大的順序，即后面的礦物可劃破前面的礦物表面，但沒有具體數值。莫氏硬度共分為十五級。表1所示為莫氏硬度的順序。
2.2 壓入法
陶瓷材料的化學鍵主要有離子鍵和共價鍵。由于陶瓷材料彈性模量大，其鍵的方向性強而密度小，所以可塑性小。陶瓷材料顯微結構不同于金屬材料，很少由單一相組成，組成的晶相結構也較復雜。要想得到陶瓷材料硬度的具體數值，常用的表示方法有維氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。它們都是通過將壓頭壓入陶瓷表面而測得硬度值，測定方法及優缺點對比如表2。
3洛氏硬度HRA與HRC之間的換算關系
對于較硬的材料（如95瓷、SiC陶瓷等），用得較多的是洛氏硬度表示法，它的精度高，誤差小。但它的標尺多，共有A、B、C、D、E、F、G、H、K九種。硬度之間的換算較難，沒有統一的標準，下面就探討一下洛氏硬度。
GB/T230-91是金屬洛氏硬度的試驗方法的標準，也適用于陶瓷材料。表3列舉了洛氏硬度各種標尺相應的壓頭類型和總試驗力。
陶瓷材料一般以HRA為主（適用范圍值：20～88），較硬可用HRC為標尺（適用范圍值：20～70），洛氏硬度根據壓痕深度來計算硬度值。
HR = (K-h)/0.002
式中：
K――常數
h――除掉初試應力（10kgf）的深度
當壓頭為金剛石時，K=0.20mm；當壓頭為鋼球時，K=0.26mm
由公式可以看出，h越大，HR值越小。對于同種材料， A標尺（588.4N）由于施加力小，因此相對C標尺（1471N）來說，h小，HR值大。根據GB1172-74，由黑色金屬洛氏硬度值換算表可知，HRA在80左右范圍內時，HRC與之相差范圍在16～18，并且隨著HR值增大，差值逐漸減小。作者曾以95氧化鋁瓷為例做實驗，儀器是一臺HR-150A型洛氏硬度計，發現其HRA與HRC之間換算數據雖不滿足金屬硬度GB1172-74中的對照關系，但趨勢都保持一致。據相關文獻報道，氧化鋁瓷的磨損主要為斷裂磨損機制，而金屬材料主要為塑性磨損機制[2]，而力學性能的提高是耐磨性能提高的最主要原因[3～4]。同一組成相，顯微結構是硬度的決定因素，晶粒大小是最靈敏的結構因素。
H = H0 + K?d-0.5
式中：
H0――單晶壓入硬度
d――晶粒直徑
K――材料系數
由上式也可看出，平均粒徑小的材料，對應其硬度越大。
4結 論
表示陶瓷材料硬度的方法有許多種，不同的方法適用于不同的陶瓷類別，并且只有同種硬度方法之間的測試才有可比性。若需要簡單快捷時，可用莫氏硬度法進行比較，要求時可用洛氏硬度或維氏硬度進行測試。陶瓷材料的硬度取決于其晶相組成和結構，晶粒大小是最靈敏的因素，晶粒粒度越小，離子電價越高，結合能越大，抵抗外力摩擦刻劃和壓入的能力就越強，硬度就越大。
陶瓷材料論文:無鉛壓電陶瓷材料的研究現狀
摘要 本文綜述了近年來國內外無鉛壓電陶瓷材料方面的研究進展，重點介紹了鈦酸鋇基、鉍層狀結構、鈦酸鉍鈉基、堿金屬鈮酸鹽系以及鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷體系的研究現狀，并對無鉛壓電陶瓷的發展作了展望。
關鍵詞 無鉛壓電陶瓷，鉍層狀結構，鈦酸鉍鈉基，鎢青銅結構
1引 言
隨著社會可持續發展戰略的實施和人們環保意識的增強，無鉛壓電陶瓷材料的研究和應用更日益引起人們的關注。壓電陶瓷被廣泛應用于通信、家電、航空、探測和計算機等諸多領域，是最重要的電子材料之一，然而，目前使用的壓電陶瓷材料仍是含鉛的，其中鉛基壓電陶瓷中氧化鉛約占原材料總量的70%，由于氧化鉛是一種易揮發的有毒物質，在生產過程中，氧化鉛粉塵以及高溫合成或燒結過程中揮發出來的氧化鉛極易造成環境污染，在使用和廢棄后的處理過程中也會給人類及生態環境造成嚴重危害。于是近年來，為了保護人類及生態環境，許多國家都在醞釀立法禁止使用含鉛的壓電陶瓷材料，因此，開發無鉛基的環境協調性（綠色）壓電陶瓷材料是一項緊迫而具有重要科學意義的課題。
近年來，國內外研究的無鉛壓電陶瓷體系主要有：鈦酸鋇基、鉍層狀結構、鈦酸鉍鈉基、堿金屬鈮酸鹽系及鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷。
2鈦酸鋇基無鉛壓電陶瓷
鈦酸鋇（BaTiO3）是最早發現的典型無鉛壓電材料，其居里溫度較低，工作溫度范圍較窄，壓電性能屬于中等水平，難以通過摻雜改性來大幅度改善其壓電性能,且在室溫附近存在相變，所以其在壓電方面的應用受到限制。目前，BaTiO3基無鉛壓電陶瓷體系主要有：
（1） （1-x）BaTiO3-xABO3(A=Ba、Ca等；B=Zr、Sn、Hf、Ce等)；
（2） (1-x）BaTiO3-xA′B′O3（A′=K、Na等； B′=Nb、Ta等）；
（3） (1-x）BaTiO3-xA0.5NbO3(A= Ba、Ca、Sr等)。
研究結果表明，在上述三個體系中，都存在順電立方-鐵電四方相變，此相變具有弛豫鐵電性的特征，而某些組分不再出現宏觀上的鐵電四方到鐵電正交的相變，因而有利于室溫下使用。對于某些配比，比如以Zr取代Ti的位置，可得到壓電性能和鐵電弛豫性都較好的陶瓷[1]，如Ba(Til-xZrx)O3基壓電陶瓷的 d33可達340pC/N，而且工作溫區有所拓寬[2]。
3鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷
含鉍層狀結構是由二維的鈣鈦礦和(Bi2O2)2+ 層有規則地相互交替排列而成。它的通式為：(Bi2O2)2+（Ax-1BxO3x+1）2-，此處A為適合于12配位的1、2、3、4價離子或它們的復合，B為適合于八面體配位的離子或它們的復合，x為整數，稱為層數，即鈣鈦礦的層數。理論上講從x=l到x=∞(純鈣鈦礦結構)都可能，都能滿足離子堆積的幾何規則，對于x≤5的物質的存在已經有大量電子衍射和高分辨電鏡實驗證明，但對于其它情況則存在疑問。到目前為止，含鉍層狀結構主要可以歸納為以下幾大類[3]：
(1) Bi4Ti3O12基無鉛壓電陶瓷；
(2) MBi4Ti4015基無鉛壓電陶瓷；
(3) MBi2N209基無鉛壓電陶瓷(M=Sr、Ca、Ba、Na0.5Bi0.5、K0.5Bi0.5；N=Nb、Ta)；
(4) Bi3TiNO9基無鉛壓電陶瓷(N=Nb、Ta)；
(5) 復合鉍層狀無鉛壓電陶瓷。
鉍層狀結構壓電陶瓷材料具有以下特點：低介電常數、高居里溫度、壓電性各向異性明顯、高絕緣強度、高電阻率、低老化率。這類材料是適合于高溫高頻場合使用的壓電材料，但這類材料的壓電活性低，極化場強高，為了改善鉍層狀結構的壓電活性，通常采用兩種方法，即摻雜改性和工藝改進[4]。
研究表明[5]：Nb5+和V5+離子分別摻入Bi4Ti3O12，取代B位的Ti4+，可以提高其電阻率,摻雜后可以獲得相對密度達95%以上的致密化陶瓷，而且通過施主摻雜，電阻率大大提高，而電阻率的提高可以有效地改善極化性能，象Bi4Ti2.86Nb0.14O12的d33可以達到20.0pC/N，而V摻雜后，可以在不降低其它性質的同時，將Pr提高40×10-6C/cm[5]。
另外，通過新的制作工藝可以改進陶瓷的顯微結構，從而提高非鉛壓電陶瓷的壓電性能，通過工藝上控制這類陶瓷的晶粒取向，可使材料在某一方向具有所需要的性能。采用適當的熱處理技術可以在高溫下使晶粒內發生位錯運動和晶粒間的晶界滑移，使陶瓷晶粒實現定向排列[6]。
表1列出了分別采用流延和擠壓工藝定向后得到的織構化CaBi4Ti4015陶瓷的電學性能[7]，同時將它們與任意取向的陶瓷進行比較，可以看出晶粒定向以后陶瓷的電學性能得到了有效的提高。
4鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷
鈦酸鉍鈉Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）是1960年Smolensky等人首次合成并發現的具有鈣鈦礦結構的鐵電體，通式為A0.5 A′0.5TiO3，是鈦酸鹽系列的典型代表[8]。BNT在室溫下是三方鐵電相，在230℃ 時經歷彌散相變轉變為反鐵電相，在320℃轉變為四方順電相，520℃以上BNT為立方相。BNT具有弛豫鐵電體的特征，具有相對較大的剩余極化強度Pr(38uC/cm)、壓電系數大（kt、kp約50%）、介電系數小(240～340)、聲學性能好（其頻率常數NP=3200 Hz?m）和極高的矯頑場(7.5 kV/mm)。由于其矯頑電場高以及在鐵電相區電導率較高，因而極化困難，難以制得實用的壓電陶瓷。
為了克服BNT陶瓷的極化困難和難以燒結成致密樣品的缺點，人們通過添加多種鈣鈦礦結構摻雜物對BNT進行改性。日本學者Takennka等人[9～12]通過引入Pb、Ba、Ca、Sr、Mn等元素后，降低了BNT過高的矯頑場強，避免了因BNT鐵電相較高的電導率導致的極化困難，成功解決了BNT材料極化難的問題。他們主要對以下體系進行了較詳細的研究：
(1) (1-x)BNT-xBaTiO3；
(2) (1-x)BNT-xMNbO3(M為Na，K)；
(3) (1-x)BNT-x/2 (Bi2O3Sc2O3)。
表2列出了上述體系中性能較好的代表性配方的壓電性能。
另外，Park等[13]對BNT-SrTiO3系統進行了研究，國內吳裕功等[14]也開展了CaTiO3對BNT壓電性能影響的研究，結果表明：SrTiO3、CaTiO3同樣能降低BNT的飽和極化強度，但作用不如BaTiO3顯著。Takenaka等[11]研究了(1-x)(Na0.5Bi0.5)TiO3-xNaNbO3體系的特性，表明了該體系較容易燒結，在配方 x=0.03組成下其性能為：d33=71×10-12pC/N，k33=0.43，在50kV/cm電場下剩余極化為33uC/cm。Hajime等[15]開展了(1-x)(Na0.5Bi0.5)TiO3-x/2(Bi2O3?Sc2O3)體系的研究，發現隨著1/2(Bi2O3?Sc2O3)的摻入，使體系中Bi的含量增加，對增大tc效果明顯，但是k33也會相應下降。在x=0.02時，k33和d33同時達到較大值：42%和74.7pC/N。
在BNT中摻雜稀土元素及錳的氧化物可以改善BNT陶瓷的壓電特性。稀土氧化物的加入會促進BNT晶粒的生長，在一定范圍內，隨著稀土氧化物量的增加，晶粒尺寸也增大；其中尤以Nd2O5對晶粒生長促進的作用較大。但當稀土氧化物的加入量超出其固溶極限后，稀土氧化物會存在于晶界附近，阻止晶粒長大，造成BNT的細晶結構。Aree等研究了摻入0～6%的La可形成(Bi0.5Na0.5)1-1.5xLaxTiO3系壓電陶瓷，其壓電性能良好：x= 0.0172時，相對密度為95%，相對介電常數為550，d33=91pC/N，kt =43%，kp=13%，tc=345℃[16]。MnO2的加入能提高BNT的機電耦合系數并顯著提高BNT陶瓷的電阻率，40℃下可達3×l0l4Ω/m，從而可提高BNT的擊穿強度，但MnO2的引入同時也會使BNT的居里溫度下降[17]。
5堿金屬鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷
1949年美國學者合成了NaNbO3、KNbO3、LiNbO3等類鈣鈦礦型化合物晶體，這類化合物的通式為ANbO3(A為Na、K、Li)，其壓電性較大,多年來作為電光材料受到重視[18]。其中NaNbO3是室溫下具有類鈣鈦礦結構的反鐵電體，存在復雜的結晶相變，具有強電場誘發的鐵電性。以NaNbO3為基，適當添加第二組元，可得到性能較好的鐵電壓電體，如NaNbO3-KNbO3系陶瓷的居里溫度較高(>160℃)，壓電性能良好(d33可超過100pC/N)[19]。由于堿金屬的易揮發性，采用傳統陶瓷工藝難以獲得致密性良好的陶瓷體，使陶瓷性能變差。采用熱壓或等靜壓工藝能夠獲得致密的NaNbO3-KNbO3陶瓷，材料的溫度穩定性得到較大改善，相對密度可達99%，但材料的穩定性程度并不令人十分滿意；另一方面，以Ta、Sb等元素部分置換取代B位的Nb，使堿金屬鈮酸鹽陶瓷向多元化方向發展[20]。
LiNbO3和KNbO3也是重要的無鉛壓電材料，LiNbO3晶體因其居里溫度高（tc=1210℃）、自發極化強度大（Ps=71×10-6C/cm2）、機械品質因數高而倍受關注。在LiNbO3中加入少量的自身具有高壓電性的玻璃助劑，從而有效地改善了陶瓷的強度。KNbO3具有與鈦酸鋇相似的結構,其居里溫度為435℃，由于KNbO3陶瓷的壓電性能低，燒結工藝要求嚴格，易破碎，因此難以在實際生產中應用。
6鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷
鎢青銅結構化合物是次于(類)鈣鈦礦型化合物的第二類鐵電體，其特征是存在[BO6]式氧八面體，B為Nb5+、Ta5+或W6+等。目前發現和研究的鎢青銅結構壓電陶瓷多以鈮酸鹽為主，其中主要體系有：
（1） (Sr1-xBax)Nb2O6基無鉛壓電陶瓷；
（2） (AxSr1-x)2NaNb5O15基無鉛壓電陶瓷(A=Ba、Ca、Mg等)；
（3） Ba2AgNb5O15基無鉛壓電陶瓷。
鈮酸鹽鎢青銅結構化合物陶瓷在成分和構造上的差別對它的鐵電性能有重要影響，一般來說，鎢青銅化合物具有自發極化強度較大、居里溫度較高、介電常數較低等優點，因此近年來，鎢青銅結構鈮酸鹽陶瓷作為重要的無鉛壓電陶瓷體系越來越受到重視。
7結 束 語
從現在的研究狀況來看，無鉛壓電陶瓷的性能指標均不能與鉛基壓電陶瓷相媲美，還存在較大的差距,但無鉛壓電陶瓷在壓電性能上又各具特點，在某些單項指標上甚至優于鉛基壓電陶瓷，可在特定場合部分取代鉛基壓電陶瓷。作為新一代壓電材料，目前對這些體系的研究還不完善，還需要進一步深入研究，在以后的研究工作中，我們應該從以下幾個方面開展工作：一是對現有無鉛體系做進一步的摻雜改性和位置替換，研究替換機理和摻雜物對介電壓電性能的影響；二是研究新的無鉛壓電陶瓷的制備工藝；三是開發新的無鉛壓電陶瓷體系。
陶瓷材料論文:陶瓷材料成形工藝的研究新進展
摘要 當前阻礙陶瓷材料進一步發展的一個關鍵就是成形工藝技術沒有突破。本文介紹了膠態成形、固體無模成形工藝及氣態成形工藝，對上述工藝的原理、工藝過程及特點進行了比較，提出了陶瓷成形工藝的關鍵問題，并重點介紹了水基非塑性漿料的注射成形新工藝。
關鍵詞 陶瓷，膠態成形，固體無模成形，氣態成形，膠態注射成形
1前 言
陶瓷作為一種重要的結構材料，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優點，無論在傳統工業領域還是在新興的高技術領域都有著廣泛的應用。然而陶瓷所固有的高強度、高硬度等優點卻同時給陶瓷件的成形、加工帶來了很多困難。因此，研究各種陶瓷的成形技術變得至關重要。
粉料成形技術的目的是為了得到內部均勻和高密度的坯體，提高成形技術是提高陶瓷產品性的關鍵步驟[1]。成形是陶瓷生產過程的一個重要步驟，其過程就是將分散體系（粉料、塑性物料、漿料）轉變為具有一定幾何形狀和強度的塊體，也稱素坯。成形的方法很多，本文主要介紹膠態成形工藝、固體無模成形工藝、陶瓷膠態注射成形技術這幾種主要的陶瓷成形工藝的成形原理、基本工藝及特點。不同形態的物料適合不同的成形方法，而究竟選擇哪一種成形方法則取決于對制品各方面的要求和粉料的自身性質（如顆粒尺寸、分布、表面積）。
2膠態成形工藝
2.1 擠壓成形（Extrusion）[2～3]
將粉料、粘結劑、潤滑劑等與水均勻混合，然后將塑性物料擠壓出剛性模具即可得到管狀、柱狀、板狀以及多孔柱狀成形體。其缺點主要是物料強度低、容易變形，并可能產生表面凹坑、起泡、開裂以及內部裂紋等缺陷。擠壓成形用的物料以粘結劑和水作為塑性載體，尤其需用粘土以提高物料相容性，故其廣泛應用于傳統耐火材料如爐管、護套管以及一些電子材料的成形生產。
2.2 壓延成形（Sheet Forming）[3～4]
將粉料、添加劑和水混合均勻，然后將塑性物料轉到滾柱壓延，而成為板狀素坯。壓延法成形密度高，適于片狀、板狀物件的成形。
2.3 注射成形（Injection Molding）
陶瓷注射成形是借助高分子聚合物在高溫下熔融、低溫下凝固的特性來進行成形的，成形之后再把高聚物脫除。注射成形的優點是可成形形狀復雜的部件，并且具有高的尺寸精度和均勻的顯微結構；缺點是模具設計加工成本和有機物排除過程中的成本比較高。在克服傳統注射成形缺點的基礎上，水溶液注射成形（Aqueous Injection Molding）和氣相輔助注射成形（Gas-assisted Ceramic Injection Molding）相應發展起來[5～6]。水溶液注射成形采用水溶性的聚合物作為有機載體，很好地解決了脫脂問題。水溶液注射成形技術可以很容易地實現自動控制，比起傳統的注射成形來說降低了成本。氣體輔助注射成形是把氣體引入聚合物熔體中而使成形過程更容易進行，該技術開辟了許多新的應用途徑，比如適用于腐蝕性流體,另外高溫高壓下流體的陶瓷管道也可以應用此方法生產[7]。
2.4 注漿成形（Slip Casting）
SC工藝利用石膏模具的吸水性，將制得的陶瓷漿料注入多孔質模具，由模具的氣孔把漿料中的液體吸出，而在模具中留下坯體[8]。注漿成形工藝成本低、過程簡單、易于操作和控制，但成形形狀粗糙，注漿時間較長，坯體密度、強度也不高。人們在傳統注漿成形的基礎上，相繼發展了新的壓濾成形（Pressure Filtration）和離心注漿成形（Centrifugal Casting），借助于外加壓力和離心力的作用，來提高素坯的密度和強度，避免了注射成形中復雜的脫脂過程，但由于坯體均勻性差，因而不能滿足制備高性能、高性陶瓷材料的要求。
2.5 流延成形（Tape Casting）[2]
流延成形是將粉料與塑化劑混合得到流動的粘稠漿料，然后將漿料均勻地涂到轉動著的基帶上，或用刀片均勻地刷到支撐面上，形成漿膜，干燥后得到一層薄膜，帶膜厚度一般為0.01～1nm。60年代中期，Wentworth等首次將流延法用于鐵電材料的澆注成形。此外，它還被廣泛用于多層陶瓷、電子電路基板、壓電陶瓷等器件的生產中[9]。
2.6 凝膠注模成形（Gel Casting）[10]
凝膠注模成形是20世紀90年代開發出的一種新型膠態成形工藝，由美國橡樹嶺國家實驗室Mark A.Janney教授等人首先發明。它將傳統陶瓷工藝和化學理論有機結合起來，將高分子化學單體聚合的方法靈活地引入到陶瓷的成形工藝中，通過將有機聚合物單體及陶瓷粉末顆粒分散在介質中制成低粘度、高固相體積分數的濃懸浮體，并加入引發劑和催化劑，然后將濃懸浮體（漿料）注入非多孔模具中，通過引發劑和催化劑的作用使有機聚合物單體交聯聚合成三維網狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結而固化成坯體。
目前的研究重點主要還是如何在結構陶瓷的成形上選擇低毒性凝膠體系，清華大學的謝志鵬等將瓊脂糖凝膠大分子用于陶瓷的原位凝固成形[11]，成功制備出渦輪轉子等異形陶瓷坯體。目前生物大分子殼聚糖已經用于凝膠注模陶瓷坯體。研究表明，角澡膠可和多種樹脂組合并用于凝膠注模的成形。無毒體系Na-alginae（藻酸鈉）-CaIO3-PVP已應用于鋁陶瓷的成形[12]。Omatete[13]等發明了一種使用羥基-甲基-丙烯酰胺（Hydroxy Methyl Acrylamide，HMAM）單體的體系，其特點是固相高、濕坯易脫模，成形制品密度可達理論值的99%，有較大的研究價值。美國東北大學Montgomery等人發明了熱可逆轉變凝膠注模成形工藝（TRG），當溫度高于某值時，其混合物料呈液態，反之則呈凝膠的固態。
凝膠注模成形作為一種新型的膠態成形方法，可實現凈尺寸成形形狀復雜、強度高、微觀結構均勻、密度高的坯體成形，燒結成瓷的部件較干壓成形的陶瓷部件有更好的電性能。該技術已廣泛應用于電子、光學、汽車等領域，但需要具體解決的問題有：高固相低粘度漿料的制備、素坯干燥新方法和固相含量高帶來的漿料中氣泡排除問題，以及制備薄膜、厚膜時，坯體的開裂、變型、氧阻凝帶來的表面起皮等問題[14]。
2.7 直接凝固注模成形（Direct Coagulation Casting）
直接凝固注模成形[15～17]是瑞士蘇黎世高校的L.Gaucker教授T.Graule博士發明的一種近凈尺寸原位凝固膠態成形方法。這種方法利用了膠體化學的基本原理。其成形原理如下：對于分散在液體介質中的微細陶瓷顆粒，所受作用力主要有膠粒雙電層斥力和范氏引力，而重力、慣性等影響很小。根據膠體化學DLVO理論,膠體顆粒在介質中總勢能Ut是雙電層排斥能Ur和范氏吸引能Ua之和,即Ut=Ur+Ua。當介質pH值發生變化時顆粒表面電荷隨之變化。在遠離等電點IEP,顆粒表面形成的雙電層斥力起主導作用，使膠粒呈分散狀態，即可得到低粘度、高分散、流動性好的懸浮體。此時增加與顆粒表面電荷相反的離子濃度，可使雙電層壓縮；或者改變pH值靠近等電點，均可使顆粒間排斥能減少或為零；而范氏引力占優勢，使總勢能顯著下降，漿料體系將由高度分散狀態變成凝聚狀態，若漿料具有足夠高的固相含量(＞50vol%)，則凝固的漿料將有足夠高的強度以便成形脫模。
該成形方法已經成功地應用于成形氧化鋁、氧化鋯、碳化硅和氮化硅復雜形狀的部件。該工藝的主要優點為不需要或只需少量的有機添加劑(＜1%)，坯體不需脫脂，坯體密度均勻，相對密度高(55～70%)，可以成形大尺寸形狀復雜的陶瓷部件。
2.8 水解輔助固化成形（Hydrolysis Assisted Solidification）[30]
水解輔助固化成形（簡稱HAS）結合了水泥性物質的硬化、直接凝固注模成形（DCC）和凝膠注模成形（GC）的優點，此方法建立于AlN等物質在熱激發下的加速水解反應。反應式為：
AlN + 3H2O = Al(OH)3 + NH3
AlN加入陶瓷漿料之后發生熱水解，漿料中的水被消耗，固相體積分數增高。同時氨氣的產生使漿料的pH值移向高pH值點，對于Al2O3漿料來說pH值移向了其等電點，可引起陶瓷漿料的固化。另一方面，作為AlN的水解產物的Al(OH)3在加熱時可以膠態化，從而起到輔助固化、增加坯體強度的目的。HAS工藝的優勢在于工藝簡單、漿料流變性好、固化快、密度高。主要缺點在于需額外的設備收集和中和氨，而且該工藝不適合于所有陶瓷，目前適用于制備含有氧化鋁，或至少將其作為次要相的陶瓷材料，如氧化鋁陶瓷、氧化鋁增韌氧化鋯陶瓷、Sialon陶瓷等[18]。
2.9 電泳澆注成形（EFD）
EFD體系是將一個外部電場作用于漿料上，促進帶電粒子的遷移（電泳），隨后沉積在相反電極上[19]。EFD工藝中，顆粒必須保持穩定分散狀態，從而可以各自獨立向電極運動，進而顆粒可以分別沉積，不發生團聚。懸浮顆粒必須具有高的電泳移動能力，沉積過程中，由于顆粒移動時雙電層發生變形，即靠近基體的離子和顆粒濃度增加，穩定性條件發生變化。當電泳和靜電力仍超過范德華力，顆粒開始堆積，從而開始形成吸引顆粒網絡。而膠態參數（Zeta電位、粘度和電泳遷移率）和電導率在EFD工藝中非常重要。
EFD工藝由于其簡單性、靈活性、性而逐步應用于多層陶瓷電容器、傳感器、梯度功能陶瓷、薄層陶瓷試管以及各種材料的涂層等。
3固體無模成形工藝
3.1 層片疊加成形法(Laminated Object Manufacture)
LOM法是美國的Helisys公司開發并實現商業化的一項工藝，其成形工藝如圖1所示。LOM公司利用激光在x-y方向的移動來切割每一層薄片材料。每完成一層的切割，控制工作平臺在z方向的移動以疊加新一層的薄片材料。激光的移動由計算機控制。層與層之間的結合可以通過粘結劑或熱壓焊合。由于該方法只需要切割出輪廓線，因此成形速度較快，且非常適合制造層狀復合材料。Helisys和Peak Engineering等公司將其用于陶瓷的成形，用于疊加的陶瓷材料一般為流延薄材。Curtis Criffin等采用LOM法制成了Al2O3部件，結果表明其性能與采用傳統干壓工藝成形的相差不大[20～21]。
3.2 熔化沉積成形(Fused Deposition of Ceramics)
FDC技術是由FDM(Fused Deposition Modelling)技術發展而來的。FDM技術是由Stratasys公司成功開發并實現商業化的。在FDM中，通過計算機控制，將由高分子或石蠟制成的細絲送入熔化器，在稍高于其熔點的溫度下熔化，再從噴嘴擠至成形平面上。通過控制噴嘴在x-y方向和工作平臺z方向的移動可以實現三維部件的成形。Rutgers大學和Argonne國家實驗室將這種技術應用于陶瓷生產，并稱之為Fused Deposition of Ceramics（FDC）。Stephen等對Si3N4、Al2O3的成形進行了研究，但由于細絲缺乏足夠的柔韌性而不能連續進給，而且部件密度較低，需要進一步研究來加以解決[20～23]。
3.3 立體印刷成形(Stero Lithography)
立體印刷成形以光敏樹脂為原料，采用計算機控制下的紫外激光，以預訂原型各分層截面的輪廓為軌跡進行逐點掃描，使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應后固化，從而形成一個薄層截面。當一層固化后，向上（或下）移動工作臺，在剛剛固化的樹脂表面布放一層新的液態樹脂，再進行新一層掃描、固化。新固化的一層牢牢地粘合前一層，如此重復至整個原型制造完畢。Michelle L.Criggith等研究了SiO2、Si3N4、Al2O3的成形，Brady等用SL法制備了PZT材質的壓電陶瓷件。
3.4 三維打印成形(3-D Printing)
三維打印成形工藝是由美國麻省理工學院開發出來的，首先將粉末鋪在工作臺上，通過噴嘴把粘結劑噴到選定的區域，將粉末粘結在一起，形成一個層，然后工作臺下降，填粉后重復上述過程直至做出整個部件。J.Grau等人[25]采用三維打印技術制備了Al2O3陶瓷膜。J.YOO等人用三維打印法結合熱等靜壓工藝制備出致密的Al2O3陶瓷件。此外，Specific Surface公司使用該技術制造了復雜的陶瓷過濾器。
3.5 噴墨打印成形(Ink-jet Printing)
噴墨打印成形技術是由Brunel大學的Evans和Ediris ingle研制出來的，是將待成形的陶瓷粉與各種有機物配置成陶瓷墨水，通過打印機將陶瓷墨水打印到成形平面上成形。該工藝的關鍵是配制出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等[26]。
3.6 選區激光燒結(Selective Laser Sintering)
SLS以堆積在工作平臺上的粉末為原料，用高能CO2激光器從粉末上掃描，將選定區內的粉末燒結，做出部件的每一個層。對于塑性物料，激光燒結高分子粉末，得到最終成形件。陶瓷的燒結溫度很高，很難用激光直接燒結。可以將難熔的陶瓷粒子包裹上高分子粘結劑并應用到SLS設備上，通過激光熔化粘結劑以燒結各個層，從而制備出陶瓷生坯，通過粘結劑去除及燒結后處理的過程就得到最終的陶瓷件。Marcus等利用這種技術制成了Al2O3齒輪[27]和其他零部件。
4氣相成形
利用氣相反應生成納米顆粒，如能使顆粒有效而且致密地沉積到模具表面，累積到一定厚度即成為制品，或者先使用其它方法制成一個具有開口氣孔的坯體，再通過氣相沉積工藝將氣孔填充致密，用這種方法可以制造各種復合材料。由于固相顆粒的生成與成形過程同時進行，因此可以避免一般超細粉料中的團聚問題。由于在成形過程中不存在排除液相的問題，從而避免了濕法工藝帶來的種種弊端[28]。
5陶瓷膠態注射成形新工藝
清華大學黃勇教授[29]提出把膠態成形和注射成形結合起來的“陶瓷膠態注射成形新工藝”，該工藝即水基非塑性漿料的注射成形，其流程見圖2。這種工藝是將低粘度、高固相體積分數的水基陶瓷濃懸浮體注射到非孔模具中，并使之原位快速固化，再經燒結，制得顯微結構均勻、無缺陷和凈尺寸的高性能、高性的陶瓷部件，可大大降低陶瓷制造成本。
陶瓷膠態注射成形解決了兩個重要的關鍵技術：陶瓷濃懸浮體的快速原位固化和注射過程的可控性。通過深入研究發現，壓力可以快速誘導陶瓷濃懸浮體的原位固化，從而發明了壓力誘導陶瓷成形技術。
通過膠態注射成形技術可以獲得高密度、高均勻性和高強度的陶瓷坯體，這種成形技術可以消除陶瓷粉體顆粒的團聚體，減少燒結過程中復雜形狀部件的變形、開裂，從而減少最終部件的機加工量，獲得高性的陶瓷材料與部件。同時避免了傳統陶瓷注射成形使用大量有機物所導致的排膠困難問題，實現了膠態成形的注射過程。該新工藝適合于規模化生產，是高技術陶瓷產業化的核心技術。
6結 語
目前，陶瓷膠態成形工藝已取得很大進展，但仍面臨著幾個急需解決的問題。首先是如何制備分散良好、低粘度、高固相含量的漿料，其次是脫脂問題以及溶劑類型的轉變問題。
固體無模成形技術制備陶瓷件的研究目前還處于研制階段，各種成形的方法也各有其優缺點。選用的陶瓷材料也比較有限，但是這不能掩飾其快速制造復雜形狀陶瓷構件的優點，而且其應用領域還相當廣泛，因此必將在包括結構陶瓷和功能陶瓷在內的領域發揮更重要的作用。
當前阻礙陶瓷材料進一步發展的關鍵之一是成形技術尚未有新的突破。壓力成形不能滿足形狀復雜性和密度均勻性的要求。上個世紀90年代以來發展起來的多種膠體原位成形工藝、固體無模成形工藝以及氣相成形工藝有望促進陶瓷成形工藝得到突破。
陶瓷材料論文:大功率鉛基壓電陶瓷材料的研究進展
摘 要 本文綜述了大功率壓電陶瓷材料的研究進展，介紹了其體系結構、應用和制備方法，指出摻雜改性、探索新的材料體系和制備工藝是改進其制備的有效途徑。
關鍵詞 壓電陶瓷，大功率，低損耗
1壓電學的發展
19世紀80年代居里兄弟在石英晶體上發現壓電效應，美國、日本和前蘇聯于二戰中期幾乎同時發現鈦酸鋇（BaTiO3）具有高介電常數。1894年沃伊特指出[1]，32種點群中僅無對稱中心的20種點群的晶體才可能具有壓電效應。這20種點群晶體，只要是絕緣體都是壓電體，而其中具有單一極軸的10種點群壓電晶體中某些壓電晶體在一定的溫度范圍內能自發極化，其自發極化方向因外電場方向反向而反向，晶體的這種性質稱為鐵電性，具有該特性的物質稱為鐵電體。不久之后，于1947年發現了鈦酸鋇的壓電性，并成功研制出鈦酸鋇壓電陶瓷，美國于1954年公布了壓電體鋯鈦酸鉛Pb(Zr,Ti)O3（即PZT），實現了壓電陶瓷發展史上的巨大飛躍。
2壓電材料的體系結構
壓電材料的體系結構[2]如圖1所示。其中鈦酸鉛的居里溫度為490℃，溫度穩定性好；介電常數εTr小，適于高頻下工作；Kt/Kp值大，可以有效抑制橫向寄生模式的干擾，提高器件的工作效率，適合多層壓電降壓變壓器的制作，但其壓電性能d33、Kp較低。
鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷具有表4所示的優良性能，但機電耦合因素Kp和機械品質因素Qm難以實現雙高[3]。PZT基的三元系壓電陶瓷具有燒結溫度低、氣孔率小及微觀結構均勻致密的特點。對它的研究主要包括兩方面：一是在準同型相界附近找到合適的錳、銻、鋯、鈦的比例[4]；二是進行摻雜取代改性。這方面的研究有稀土元素(Lu2O3，CeO2，Yb2O3，Eu2O3等)摻雜、NiO、Fe2O3、Nb2O5等摻雜，還有Sr2+，Mg2+等取代[5]。
3壓電陶瓷的應用分類
壓電陶瓷的應用可分為兩大類：壓電振子和壓電換能器。
3.1 壓電振子的應用
壓電陶瓷作為壓電陶瓷振子的應用如表2所示，它利用壓電振子本身的諧振特性，將電能轉換為振動的機械能。
（1） 陶瓷壓電變壓器
陶瓷變壓器屬于壓電陶瓷振子的一種，其輸入壓電陶瓷片的電振動能量通過逆壓電效應轉換成機械振動能，再通過正壓電效應轉換成電能，在能量的這兩次轉換中實現阻抗變換，從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出，它要求材料具有較高的徑向耦合系數Kp、機械品質因數Qm；低的介電損耗；壓電、介電、彈性等性能參數具有較好的頻率、溫度、時間穩定性。
壓電變壓器與傳統電磁變壓器相比，具有體積小、質量輕、無電磁噪聲、高升壓比、高能量密度、高效率、耐高壓高溫與短路燒毀、耐潮濕、節約有色金屬等優異性能，特別適應電子電路向集成化、片式化發展的趨勢[6]。隨著IT產業的快速發展，壓電變壓器已廣泛應用于筆記本電腦、數碼相機、掌上電腦、移動電話、傳真機、復印機等電子信息類產品。較大能量轉換效率大于95%、較大能量密度大于57.3W/cm3的壓電變壓器已有報道[7]。
（2） 陶瓷濾波器
陶瓷濾波器在交變電場作用下，壓電陶瓷振子會產生機械振動，當外加交變電場增加到最小阻抗頻率(fm)時，振子的阻抗變得最小，輸出電流較大。當頻率繼續升高達到較大阻抗頻率(fn)時，振子阻抗變得較大，輸出電流最小，由此實現濾波功能。其制備材料要求各個參數的經時穩定性和溫度穩定性要好，材料的機械品質因素要高、介質損耗小，機電耦合系數Kp能按濾波器對帶寬的要求而定。
壓電振子和壓電變壓器等器件在大功率工作狀態下往往會因諧振時振動幅度大而引起應力破壞，振動時間長則會導致疲勞性破壞；振動時由于內摩擦和介質損耗產生的大量熱而帶來性能的惡化[8]，這就要求相應的壓電陶瓷材料具有高的力學強度、低的介電損耗。
3.2 壓電換能器的應用
如表3所示，壓電換能器主要利用正逆壓電效應進行機械能和電能的轉換。
（1） 超聲馬達
壓電陶瓷換能器是超聲馬達的核心，對于工作在諧振狀態的超聲馬達來說，要求壓電陶瓷材料具有高 Qm和較小的 tanδ以提高器件的效率和降低發熱；具有盡可能大的 Kp和d33，以實現低電壓驅動和大的輸出力矩[10]。此外，寬響應頻率、高居里點、良好的時間和溫度穩定性也是它高效工作的需要。國內外基本上都采用大功率壓電陶瓷材料，如PZT-4、PZT-8、PCM-5、PCM-80、PCM-88制備超聲馬達，其材料性能如表4所示。
（2） 水聲換能器
制備水聲換能器的材料，除了要滿足換能器的一般性能要求外，還應具體考慮換能器屬于接受型、發射型還是接受發射型，以滿足不同的具體要求。例如對于接收發射一體的換能器材料則要求高Kp值與適中的Qm和ε值；對接受型來說，要求壓電常數g33或g31大，機電耦合系數Kp要高，材料的Qm較低以利于展寬接收頻率范圍，但太低Qm的值會使機械損耗增加，降低接收靈敏度；對于發射型，還要求強場下的介電損耗要小，Qm要大，壓電性能不能衰退。
PZT壓電陶瓷作為水聲換能器的換能材料仍占首位，我國聲學研究所研制的PZT壓電陶瓷，常用的型號為PZT-4、PZT-5和PZT-8，如表4所示。PZT-4因具有較好的激勵特性，可制備收發兼用的水聲換能器；PZT-5較高的介電常數和機電耦合系數多用于接收型；而PZT-8因其突出的高激勵特性而常用于大功率發射型。
4大功率壓電材料及器件的研究現狀及方法
4.1 大功率壓電材料研究現狀
至今大功率壓電陶瓷材料的三元系列有幾個較為成熟的系列：鈮鎂鋯鈦酸鉛系，其特點為高Kp、介電常數、Qm和較好的穩定性；鈮鋅鋯鈦酸鉛系，其特點是較優的穩定性、致密性、絕緣性、壓電性。碲錳鋯鈦酸鉛系，其特點是其壓電性受機械應力和電負載的影響小。銻錳鋯鈦酸鉛系，其特點是Kp和Qm都高，諧振頻率受時間和溫度的影響小。
而對大功率而言，往往要求PZT陶瓷具有高的介電常數、高的Qm等，故為了尋求更高性能的壓電陶瓷材料，人們通過在PZT的基礎上添加第三、第四組元制成了三元系、四元系壓電陶瓷。1965年，日本松下電氣科研人員首先成功制造了三元系壓電陶瓷Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PZT (PCM)[12]，它的性能比二元系PZT更加優越，且可通過在PCM中添加MnO2，NiO，CoO，Fe2O3，Cr2O3等改善PCM的燒結性、介電性、彈性性能和機械品質因素等。通過對三元、四元系PZT基壓電陶廣泛的探索研究表明：四元系壓電陶瓷具有高εr 、高機械強度、低損耗、低劣化、低燒結溫度、穩定性好、工藝性好等優點[5]。所研制的四元系列具有高Kp、高Qm、高εr、高壓電常數、高矯頑場Ec和高機械強度的特點，并且容易燒結，壓電常數、耐劣化性好。
如： Pb(Mn1/3Nb2/3)A(Zn1/3Nb2/3)BTiCZrDO3
Pb(Mg1/3Nb2/3)A(Mn1/3Nb2/3)BTiCZrDO3
Pb(Li1/2Nb1/2)A(Mg1/3Nb2/3)BTiCZrDO3
Pb(Sn1/3Nb2/3)A(Zn1/3Nb2/3)BTiCZrDO3
然而在大功率應用中，依然會產生眾多的問題，主要有：諧振頻率的漂移；Qm的降低；發熱帶來的機電耦合系數的減小和熱穩定性變差。其中的熱產生，會帶來升溫，當溫度上升到一定值時，將使材料去極化，使材料的壓電介電體系失去功效。故制備介電損耗低、Qm大的硬性材料在大功率器件中尤為重視。
4.2 大功率壓電材料的研究方法
4.2.1 摻雜改性
摻雜改性是探索高性能壓電材料的有效手段，它們主要通過取代離子的半徑和價態的差異來影響材料性能的，如表5[13]所示。
錳是一種常見的硬性摻雜物，它作為穩定性材料，可以大大改善材料的抗老化性能，提高材料的機械品質因數(Qm)，因而是大功率壓電功能材料中最常用的添加元素之一[14]。Y.-H.Chen[15]報道，適量的Mn摻雜可顯著地提高Qm，但同時降低了Kp。
PMN-PZT材料中摻入CeO2制備壓電陶瓷材料，結果表明CeO2的加入，減小材料的晶胞參數，提高材料的機械品質因素Qm和機電耦合系數[16]。而在PMN-PZT材料中加入微量的PNN固溶體，不但可提高材料的相對介電常數和機電耦合系數，還可以降低材料的燒結溫度，如Yoo J H等研究出用于驅動28W熒光燈的PNN-PMN-PZT四元材料體系[17]。
通過添加摻雜離子取代A位的Pb或B位的Zr、Ti來改善相應的介電性能和壓電性能，如PNW-PMS-PZT系材料中適當調整B位離子和鋯鈦比可得到性能如下的壓電陶瓷：εr=2138、tanδ=0.58%、Kp=0.613、Qm=1275、d33=380pC/N、Tc＝205℃，適于大功率壓電器件的制備[5]。
4.2.2 開發新的材料體系
壓電單晶在某些方面具有優異的性能[18]，如已發現并研制出的Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶(A=Zn2+,Mg2+)，其d33max=6000pc/N(壓電陶瓷的d33max＝850pC/N)，K33max＝0.95(壓電陶瓷的K33max=0.8)，其應變＞1.7%，幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級，儲能密度高達130J/kg（壓電陶瓷儲能密度小于10J/kg）。壓電復合材料在水聲換能器方面得到了較好的開發，如PVDF與鉛基壓電材料相比，除了高的g33外，制備的換能器更易于安裝。
鉛基壓電材料的多元復合也是一種開發新的材料體系的方法。大功率壓電材料如果有大的介電常數，則有利于輸出較大的功率[19]，而作為一種高介電常數、低燒結溫度的馳豫鐵電體P(Ni1/2W1/2)O3(PNW)，將它作為第四組元加入到PMS-PZT，可得到了高介電常數材料PMS-PZT-PNW；同時，加入PNW還能起到降低燒結溫度的作用。
鈮鎂鋯鈦酸鉛PMN-PZT是典型的“軟性材料”，其Kp可達0.72，機械強度高，抗張強度在500MPa以上，壓電性能穩定[20]；而鈮錳鋯鈦酸鉛PMnN-PZT是典型的“硬性材料”，其特征Qm可達6000。譚訓彥等綜合了二者的特點，研制得到的PMMN-PZT四元系壓電陶瓷材料，其Kp=0.518，Qm=3887，tanδ=0.71%，εT33/ε0=701，d33=203pC/N，主要性能與PZT-8接近，基本上滿足壓電變壓器的要求。
4.2.3 探索新的制備工藝
溶鹽合成法(MSS)能在保障較優性能的情況下，降低PZT基燒結溫度[21]。加入低溫共燒助劑能保障較好的壓電介電性能[22]。濕化學法[23]得到亞微米粉體；一步合成法較兩步合成法好，能得到微細晶粒的材料結構，從而有利于提高材料的機械強度[24]；文獻表明較長的球磨時間帶來粒徑的減小，能得到更好的材料性能，即高振動速度和低發熱[25]；熱壓成形能得到較高的致密度，形成致密的晶界，有利于制備出高Qm的壓電材料，同時探索的燒結工藝也是十分有效可行的方法[26]。在燒結氣氛方面，F.Xia[27]等報道了1mol%的PbO過量可消除燒綠石相并補償燒結時候的PbO損失，從而有利于優良介電壓電性能的獲得。
理論分析表明[28]，壓電變壓器在工作時本身所受到的機械應力是制約其工作效能的主要因素，所以材料的機械強度要特別高。為了滿足這一要求，應選擇微細晶粒的材料。適當的“輔加元素”，如鍶、鈰、鉻等，有利于得到細晶的陶瓷。微晶(0.2～2μm)陶瓷不易開裂，而晶粒尺寸大于10μm的陶瓷易開裂[29]，陶瓷晶粒尺寸的減小，從而晶界面積增大，有利于提高抵抗應力的能力，無論低電場還是高電場下，晶粒尺寸對損耗和發熱都有作用[30]。
壓電變壓器已用于個人數字助理器的液晶顯示驅動電路，因為PMN-PZT系列具有較高的Qm，而加入PbNW來提高其介電常數，用Nb2O5來提高陶瓷密度和晶粒細化，因為細微晶粒的材料，可使其機械強度提高一倍，由(Pb0.94Sr0.06)[(Ni1/2W1/2)0.02(Mn1/3Nb2/3)0.07(Zr0.51Ti0.49)0.91]O3+0.5wt%PbO+0.5wt%Fe2O3+0.25wt%CeO2+0.3%wt%Nb2O5的配方制備成Rose型，改變負載電阻和驅動頻率[6]。當驅動頻率為214.4kHz、輸入電壓為31.78V、輸入電流為21.1mA時，變壓器輸出端的電壓為293.2V，電流為2.2mA，能量效率達96.2%，同時變壓器只出現3.6℃的溫升。其性能如下：介電常數為1704，Kp為0.55，Qm為2041，晶粒尺寸為2.50μm，密度為7.71g/cm3。
5結語
壓電陶瓷今后要解決的問題是實現大功率、高效率、高性，為此，需要進一步研究壓電陶瓷的組成、結構和制備工藝。鋯鈦酸鉛以其優良的介電壓電性能在一定時期內仍將被研究和應用，其摻雜改性、新體系的探索和制備工藝的改進仍將是其優良特性發掘的有效手段。
陶瓷材料論文:鈦酸鍶鋇陶瓷材料的摻雜改性
摘 要 鈦酸鍶鋇（BST）是一種重要的具有鈣鈦礦結構的鐵電材料。順電態下，其介電損耗較小，結構穩定。因此對順電態下的BST進行摻雜改性是近年來鐵電材料的研究熱點之一。本文簡要介紹了目前國內外科研工作者利用稀土、堿土氧化物進行摻雜時對BST的微觀結構、介電損耗、介電常數以及可調率方面的影響。
關鍵詞 凝聚態物理，鐵電材料，鈦酸鍶鋇，摻雜改性，介電性能
1 引 言
近年來，研究人員發現微波鐵電材料具有較高的可調諧性，其電性能滿足適中的介電常數、低介電損耗、高調諧率等條件。目前，這方面的熱點研究材料之一是鈦酸鍶鋇(Ba1-xSrxTiO3-BST)。鈦酸鍶鋇（BST）材料以其高的介電常數、低的介電損耗、大的調諧率、快的反應速度、好的抗擊穿能力、簡單的制造工藝，受到了廣泛的歡迎。其在微波電子領域如相控陣天線或雷達的移相器[1～2]、新穎微波調諧器件、延遲線、混合器、動態隨機存儲器[3～4]、鐵電存儲器上都有重要的應用。在微波應用中，通過材料的設計[5]，其介電常數可以被調節在100～350范圍內，強電場調諧率可以達到70%，擊穿電場＞2×104V/mm。不僅如此，BST鐵電薄膜材料還有開關速度快、功率容量大、溫度穩定性好、抗輻射能力強、驅動功率低、電容電壓可控等優點[6]。目前，與鈦酸鍶鋇基體陶瓷相關的工作在國內外已經取得了很大的進展[7]。
美國在20世紀60年代就開始研究鐵電材料的微波性能。美國陸軍實驗室(US Army Electronics Laboratories)于1964年完成了微波鐵電移相器和開關(microwave ferroelectric phase shifters and switches)的研究報告[8]，由于當時鐵電材料的微波介質損耗大，沒有研制出可供使用的鐵電移相器。在20世紀90年代，由于工藝條件的改善和對鐵電材料認識的深入，人們重新掀起了對鐵電材料研究的高潮。美國陸軍研究實驗室 (US Army Research Laboratory)系統地研究了摻雜對BST介電性能的影響，發現摻入非鐵電氧化物(如ZrO2、Bi2O3等)可有效降低微波介質損耗，并能保持較高調諧率值。美國國防預研局于1998年啟動了“頻率敏捷電子材料”(Frequency Agile Materials for Electronics，FAME)計劃，其目的是開發高性能微波調諧材料。目前，其計劃研究出的微波鐵電薄膜材料已經得到了應用[10]，比如，美國的Paratek微波公司采用BST鐵電薄膜材料，生產出了電調諧微波器件(調諧微波器、雙工器和壓控振蕩器)、動態可重構的無線網絡(DRWIN)天線及衛星天線，其中DRWIN天線和衛星天線分別應用在無線通信系統和中低地球軌道(LEO/MEO)衛星系統中[11]。
另外，微波鐵電材料的研究已經引起世界范圍的重視，俄羅斯、德國、英國和瑞士等國也正在積極開展這方面的研究工作。可以預計，鐵電移相器、鐵電濾波器等微波器件將得到更廣泛的應用。
我國在鐵電材料的改性研究方面起步較晚，目前，中國科學院、華東電子工程研究所、華中科技大學、成都電子科技大學、天津大學、東南大學等單位都對鐵電移相器展開了積極探索，有了一些鈦酸鍶鋇制備、介電性能測試和介質阻抗匹配方面的報道。比如華中科技大學嘗試用BST研制微波震蕩器；成都電子科技大學用La2O3摻雜BST，試圖提高在微波頻率下的調諧率；哈爾濱工業大學嘗試用B2O3摻雜BST降低燒結溫度，提高致密度，并用BST的梯度化控制介電常數，降低損耗。
由此可見，對順電態下的BST可調諧材料的研究，對鐵電移相器、動態隨機存儲器（DRAM）、雷達通訊系統等都有著重大意義。
2 鈦酸鍶鋇(BST)鐵電材料的基本結構和介電性能
鈦酸鍶鋇（BST）是鈦酸鋇（BaTiO3）和鈦酸鍶（SrTiO3）的固溶體，是一種具有典型的ABO3鈣鈦礦結構的鐵電材料。鈣鈦礦結構可以看成是由氧八面體在相互垂直的三個方向上以頂角相互連接的形式形成的空間網絡。低電價、大半徑的Ba2+、Sr2+占據氧八面體的面心（A位），配位數為12；高電價、小半徑的Ti4+占據氧八面體的中央（B位），配位數為6。高溫下，離子熱運動的能量比較高，B位離子平均來說處在氧八面體的中心，晶體屬于m3m點群，沒有自發極化，為非極性的順電態。隨著溫度下降，平均熱運動能量減少，B位離子熱運動減弱，不能夠再維持在氧八面體中心的平衡位置，而是向位于相互垂直的三個晶軸方向上的六個氧離子中的某一個偏移。高電價的離子偏離中心位置會形成很強的偶極矩，而相鄰晶胞之間的相互耦合，使得所有晶胞中的B位離子均向同一方向偏移，直到晶胞之間的耦合被缺陷中止。這樣，材料的正負電荷中心發生偏移，出現電偶極矩和自發極化。
本征BST的性能隨著Ba/Sr比例的不同而變化[12]，通常隨著鍶含量的增加，居里溫度下降。當Ba1-xSrxTiO3中Ba/Sr比例在x=0.5附近時，BST的居里溫度通常會在0℃左右，當Ba1-xSrxTiO3中Ba/Sr比例在x=0.6附近時， BST的居里溫度通常會在零度以下[13～16]。在室溫條件下，BST處于非線性的順電態，順電態下的晶體對介電常數的貢獻主要是電子位移的影響，但由于不存在自發極化，因此介電損耗較小。此時如有外加電場的作用，就會產生電位移極化，其相對介電常數具有隨電場變化的非線性特性，即鐵電材料的非線性效應。當電壓從V（0）變化到V（app）時，介電常數將產生一個增量Δεr=εr（0）-εr（app）, 這個增量與εr（0）比值的百分數稱為可調性，用[εr（0）-εr（app）]/εr（0）×表示[17]。而施加一特殊的微波時將會產生相應的差相移，且微波相移隨BST鐵電材料的介電常數的變化而變化。高溫下，整個結構中的離子熱運動比較高，B位離子仍然在氧八面體的中央高速振動，沒有偏離。溫度下降時，晶格振動變弱，B位離子會存在某種程度上的偏離中心位置，這時使得電中心發生偏移，出現電偶極矩，產生自發極化。這種極化的產生，造成了電疇的產生和極化方向的偏轉，使損耗上升。
盡管順電態下的BST介電損耗較低，但是在靠近居里溫度附近，其介電常數很大，對器件化整體阻抗匹配十分不利；微波頻率下，可調度下降，不利于實際應用中濾波范圍的寬化。因此通過摻雜控制BST的介電常數，保持（或提高）調諧率的基礎上，降低材料的介電損耗是一條很好的探索路線。下文總結了部分國內外研究人員對BST摻雜的情況，討論了不同種類的氧化物摻雜對BST性能的影響，提出了復合摻雜的可行性。
3對A位離子的置換摻雜
本征BST固溶體，A位離子為Ba2+、Sr2+，Ba離子半徑為160pm，Sr離子半徑為144pm[18]。根據能量低化原理，離子半徑相近的離子容易相互置換。但是，實際實驗當中，離子的置換并不是的，并且摻雜技術里對于BST中A、B位離子的取代問題，歷來就有不同的看法。本文針對國內外科研工作者已有的研究成果及實驗結論，總結了幾種對A位進行置換摻雜的離子類型。
3.1 MgO的置換改性
Ba0.6Sr0.4TiO3在常溫下處于順電態，由于Ba 的成份比較多，因此其介電常數較大。MgO具有低介電常數、低損耗的特點，從理論上講，MgO的摻雜會降低Ba0.6Sr0.4TiO3的介電常數和損耗。Sengupta、WU等對BST的摻雜進行了系統的研究，其中在摻雜金屬氧化物方面以MgO為代表。在結構方面，我們知道BST是典型的ABO3鈣鈦礦結構，Mg2+離子半徑為72pm，比A位Ba2+(160pm)、Sr2+(144pm)都要小，但是比B位的Ti4+(61pm)略大。根據相近離子半徑更容易取代的規律，Mg2+應該取代B位的Ti4+。但是在實驗過程中，華中科技大學呂文中等人[19]通過用XRD來分析摻雜MgO的BST時，發現隨著MgO摻入量的增加，BST的晶粒尺寸逐漸減小，且BST（110）晶面衍射峰有微量移動，MgO（200）衍射峰逐漸增強。由XRD圖看出，系統中Mg2+以MgO單獨相存在，且隨著MgO量的增加其衍射峰強度增大。摻雜后的BST主衍射峰相比未摻雜時的強度有所減弱，表明BST的原子間距d發生了改變。正如上假設，如果Mg2+取代B位的Ti4+，那么勢必會使得BST結構中的原子間距增大，所以Mg2+應該取代了A位離子，只是取代量較少。Sengupta等人對MgO摻雜帶來的介電性能的變化(主要是對BST介電常數、介質損耗以及可調率)進行了系統的研究，實驗表明，在BST中摻雜MgO，樣品的介電常數大幅度下降，介電損耗在摻入量較少的時候急劇下降，之后變化不大。這可能是因為少量的MgO能夠進入晶格，使得樣品發生晶格畸變，BST的居里溫度向負方向移動，發生相變。在可調性方面，隨著MgO的增多，Mg2+析出，以非鐵電體的單獨相(MgO)存在，材料體系中的非線性減弱，可調率降低。由此可以看出，添加MgO有細化BST陶瓷晶粒的作用，且隨MgO摻入量的增加，材料的體密度下降明顯，晶胞參數有所下降，其BST鐵電陶瓷材料的介電常數大幅度下降，介電損耗基本不變，而系統可調性下降。MgO在BST-MgO體系中主要以單獨相存在。
3.2 La2O3的改性作用
La是一種輕稀土元素，配位數是6和12的La離子半徑為105pm和135pm，與Ba、Sr離子半徑接近，而遠大于Ti離子半徑，由于ABO3結構中A位配位數為12，B位為6，且La與Ba、Sr電負性也相近（分別為1.1、0.9、1.0），因此La占據A位的可能性比B位大，摻雜過程中，將置換A位的Ba2+、Sr2+離子。由勒正國等人[20]的研究工作可知，La3+有較強的移動、展寬居里峰的作用，少量的摻入(
在A位離子摻雜種類上，除了堿土金屬氧化物MgO、稀土金屬氧化物La2O3以外，還可通過摻雜稀土氧化物Dy2O3來降低介質損耗[24]。另外，L.H.Chiu等人通過摻雜CeO2來降低材料的介質損耗，以達到弱化材料對波的吸收和色散作用[25]。由以上研究我們可以看出，稀土摻雜可以使材料的溫度穩定性提高，降低材料的介電損耗，提高材料的調諧性，降低了材料的高頻損耗，使系統的居里溫度向負溫方向移動，從而使體系在室溫下處于順電態。
4對B位離子的置換摻雜
Al2O3的摻雜對樣品的燒結密度也有影響，具體表現在：隨著Al2O3含量的增加，樣品的體密度下降。在材料的燒結過程中，傳質方式主要是表面擴散和氣相傳質，由于燒結溫度比材料熔點低得多，同時無機氧化物的蒸汽壓較低，所以表面擴散是更為主要的傳質方式。在鈣鈦礦結構中，氧八面體結構緊湊，Al3+離子進入間隙位的可能性比較小。由于Al3+離子的半徑為50pm，比體系中所有的陽離子半徑都小，而與Ti4+離子（61pm)的半徑最為接近，根據電中性原理和半徑關系，外加離子進入并取代后，對系統造成最小的能量起伏和結構變化的取代方式發生的可能性較大，所以在燒結過程中應該發生B位的取代反應。由于Al2O3能夠提高材料的表面擴散系數，增大表面擴散速率，使被燒結物質松散地堆積在一起，抑制材料的致密化。同時受主摻雜產生的缺陷將增強基體中的氧空位的濃度，從而使空位或質點流的擴散能力增強，成為晶粒生長的促進劑[26]。添加0.4wt% Al2O3的樣品的晶粒長大，晶粒排列緊密，無明顯分相，也無成份的偏析；隨著Al2O3量繼續增加后，晶粒結晶仍然完好，晶粒尺寸有所減小，所有樣品均為立方鈣鈦礦結構，從XRD的圖譜中沒有發現第二相的衍射峰，說明Al3+離子進入到鈦酸鍶鋇的晶格內部，形成了固溶體[27]。隨著Al3+離子的摻入，樣品的介電常數減小，居里溫度都在零度附近，隨著摻雜濃度的增加而有所下降。在鐵電區域，介電常數減小比較微弱，在順電區域，介電常數減小比較明顯，可能是摻雜的Al3+離子在體系中起到了作用，在摻雜之后產生的氧空位使晶格的振動發生“中斷”，使居里溫度降低[28]，介溫譜左移。同時，由于Al3+離子的加入，異于純體系的第二彌散相進入體系，“沖淡”了系統原有的介電性能；同時造成系統成份上的微區分布的不均勻，每一個亞微區的介電常數不同，由于Al3+離子不容易極化，造成在富鋁的亞微區介電常數較小，其他微區的介電常數較大，從而使樣品宏觀的介電常數變小，介電溫譜壓低并寬化。樣品摻鋁以后，介電損耗明顯得到改善，摻雜量為0.8wt%的樣品損耗最小。室溫下，由于純鈦酸鍶鋇（Ba0.6Sr0.4TiO3）處在順電相，所以沒有明顯的馳豫行為和電疇轉向。此時Al3+離子作為受主進入系統取代Ti4+離子的B位，同時產生氧空位，這些氧空位產生的剩余電子活躍于Ti4+離子和Ti3+離子之間，形成損耗[29]。但是作為受主Al3+離子可以中和施主電子，阻止Ti4+離子還原成Ti3+離子，從而降低了損耗。當施主與受主的量正好形成補償時，樣品的損耗也就最小。當添加量繼續增加時，系統中的缺陷會增多，大量的氧空位缺陷在交流電場下極化，會產生附加損耗，于是系統的表觀損耗又上升。
摻雜0.4wt%Al2O3樣品的調諧率為較大，從晶格動力學方面考慮，半徑小的Al3+離子取代半徑較大的Ti4+離子，使得晶胞體積變小，使得晶體結構更加緊湊，占據氧八面體中心離子之間的間距縮小，使得系統的非調諧量變大。如果從Devonshire的唯象理論考慮[30]，晶粒之間的應力影響到介質的介電性能，晶粒越大，晶粒之間的相對作用就相對越小。摻雜0.4wt%Al2O3時樣品的晶粒尺寸較大[31]，其內部應力最小，外加直流偏置電場的有效性較大，調諧量也就較大。梁曉峰等人[32]在進行順電態下摻鋁鈦酸鍶鋇陶瓷微結構和介電調諧性能試驗時發現，摻入適量的Al2O3可以使介電常數和介電損耗降低，調諧量增大，系統品質因數提高。
在B位離子摻雜種類上，除了金屬氧化物Al2O3以外，還有邵美成等人通過摻雜SnO2來降低低頻和微波損耗，但過多的加入會產生第二相，會使微波損耗上升[33～34]；也有通過摻雜MnCO3來取代B位的Ti4+離子進行受主取代和等價取代兩種。受主取代會產生空穴等缺陷，不利于微波損耗的降低，而等價取代類似SnO2的情況，有助于降低微波損耗，但過多的加入也會產生第二相的問題[35]。程華容等人通過摻雜B2O3，降低了燒結溫度、提高了致密化程度和介電性能、展寬了居里峰、降低了介溫系數從而提高了穩定性[36]。由以上研究可以看出，上述材料的摻雜會對鈦酸鍶鋇陶瓷材料燒結溫度、微波損耗的降低、致密化的提高、低頻損耗的降低有著直接的影響。
由以上研究工作我們可以得到下面的規律：稀土摻雜可以大幅降低樣品的介溫變化，使樣品在較高頻段下的介電常數增加并且有利于復相的形成；在低頻下（1MHz），中稀土摻雜的樣品介電常數小于輕稀土摻雜的樣品介電常數；重稀土摻雜的樣品介溫變化率大于輕稀土摻雜的介溫變化率；摻雜后的樣品在高頻下的極化主要受離子極化的影響。
5復合摻雜方案的設想
通過系統研究各種稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物對鈦酸鍶鋇的各種成份的摻雜情況以及摻雜后所得出的對材料介電性能（介電常數、介電損耗、調諧性）和微觀形貌的影響，我們可以設想出復合摻雜對鈦酸鍶鋇的改性實驗方案。我們希望將設想摻雜的兩種金屬氧化物分別從A、B位對鈦酸鍶鋇的介電性能進行改性，達到降低鈦酸鍶鋇基體的介電常數和介電損耗，增大其基體調諧量的目標。
為了達到目標，在今后的實驗研究中必須從以下三個方面進行努力：（1）從大量的實驗中總結經驗和發現規律，確定配方的組成；（2）從微觀的角度利用現有的現代化測試手段如X射線衍射、透射電鏡、掃描電鏡、核磁共振等測試手段來研究晶界、晶相、相組成以及各種缺陷對材料介電性能的影響，從而指導材料配比的、優化工作；（3）進一步從實驗中驗證以上復合摻雜設想的可行性，從機理上進一步解決材料介電常數的電場可調性和介電損耗的根源。
陶瓷材料論文:淺談多孔陶瓷材料及其過濾技術
摘要：陶瓷過濾器以其獨特的功能特性，在分離、凈化領域中已成為一種不可替代的產品。本文根據多孔陶瓷過濾技術的發展變遷，對多孔金屬濾材與多孔陶瓷濾材的性能進行了比較，闡述了多孔陶瓷濾材過濾元件的性能指標及過濾原理，介紹了多孔陶瓷及過濾器的應用現狀，同時指出了多孔陶瓷材料過濾技術的發展前景。關鍵詞：多孔陶瓷材料；過濾技術；發展前景
1 引言
多孔陶瓷是一種以耐火原料為骨料，配以結合劑，經過高溫燒結而制成的陶瓷過濾材料，其結構內部具有大量的微細氣孔。它除具有耐高溫、高壓、耐酸、堿腐蝕等特性外，還具有孔徑均勻、透氣性高等特點。因此，可廣泛用作過濾、分離、布氣和消音材料。20世紀50年代后，國外就開始應用多孔陶瓷做過濾元件進行上、下水凈化；礦泉水除菌；含油氣體凈化等。現今，多孔陶瓷產品已標準化、系列化。國內對多孔陶瓷在過濾技術中的應用研究雖起步較晚，但過濾器在分離、凈化領域中已得到較的推廣應用。如石化行業中液一固、氣～固分離；制藥、釀造行業中的無菌凈化處理；環保行業中高溫煙氣除塵等。陶瓷過濾器以其獨特的功能特性，在各分離、凈化領域中已成為一種不可替代的產品。
2 多孔陶瓷濾材技術的發展現狀
多孔陶瓷是一種含有較多孔洞，并利用其結構或表面達到所需性能的過濾材料。其主要的制備方法有添加造孔劑法、發泡法、有機泡沫浸漬法和溶膠～凝膠法。常用于電化學陶瓷膜及熔融金屬、液體、氣體等的過濾。由于再生性差、成本高及孔結構難控制等方面的缺點，使其應用受到制約。通過完善制備工藝、改良材質、協調孔隙度與強度的關系等措施可提高其應用性能。
多孔陶瓷材料過濾技術得主要產品包括：各種規格的微孔陶瓷過濾元件和微孔陶瓷過濾器、高性能陶瓷膜過濾元件及陶瓷膜過濾裝置、高溫氣體凈化的陶瓷過濾材料及高溫陶瓷除塵器、高溫融體過濾用泡沫陶瓷過濾元件以及陶瓷凈水器、陶瓷曝氣器、陶瓷消聲器、各種陶瓷電解隔膜等。產品已廣泛應用于化工、制藥、冶金、水處理及環保工業等方面。
國外多孔陶瓷材料研究開發和應用已有80余年歷史，陶瓷膜產品研制、開發、應用也有近30年歷史，其產品的產業化、商業化程度已達到較高的水平，產品的技術水平也有了很大地提高。
2.1微孔陶瓷過濾元件和微孔陶瓷過濾器
20世紀50年代，法國、美國等先后開發了各種SiC、莫來石、ZrO2、陶瓷纖維等氣、液過濾器，以及微生物處理用微孔陶瓷過濾元件，其主要用于化工、食品、飲料及水處理行業中。20世紀70年代，日本等在高溫氣體凈化、煙氣除塵用多孔陶瓷過濾材料研究方面取得了較大的進展，如日本旭硝子公司等生產的高溫陶瓷過濾器在化鐵爐等高溫煙氣除塵方面進行了大量的推廣應用。在陶瓷膜的研究及開發應用、高溫陶瓷熱氣體凈化技術方面研究取得了較大的突破。
2.2高溫氣體凈化的陶瓷過濾材料及高溫陶瓷除塵器
在高溫氣體除塵技術研究的早期，美國開展了以陶瓷過濾介質為主的高溫氣體過濾除塵技術的開發。德、日、英等發達國家也開展了類似的研究工作。美國Anguil環境系統公司生產的自潔式高溫陶瓷過濾器采用了陶瓷過濾和催化凈化技術。而進入90年代中期以來，隨著一批先進的高性能過濾材料的開發成功，高溫氣體介質過濾除塵技術的工業化應用進入了實質性階段，圍繞著陶瓷過濾材料抗熱震性的改善，取得了實質性進展。尤其是陶瓷纖維增強復合多孔材料的開發，使得陶瓷過濾材料抗熱震性得到了顯著改善。目前已有1600余套高溫氣體過濾裝置在各個領域中應用。
2.3高性能陶瓷膜過濾元件及陶瓷膜過濾裝置
國外已有專業的多孔陶瓷材料及陶瓷膜材料生產廠家近300家，如日本、法國、美國和烏克蘭等。其中，美國過濾器公司已成為目前全球較大的無機陶瓷分離膜及設備供應商，芬蘭奧托昆明克公司生產的陶瓷真空圓盤過濾機目前已在100多個國家中使用。與國外先進國家相比，國內在多孔陶瓷材料產業發展方面還存在明顯的不足，主要表現在國內多孔陶瓷材料的發展技術不平衡，對多孔陶瓷材料缺乏必要的了解。
近年來，在國家科技攻關政策的扶持下，尤其是在國家環保、節能政策的引導下，國內多孔陶瓷材料及膜材料技術有了較快的發展，產業化及市場化規模逐漸擴大。目前已在陶瓷微濾材料、高溫陶瓷過濾材料及膜材料方面逐漸形成了一定的技術優勢，并且在產品市場推廣和產業化方面有了一定的規模。目前，我國在微孔陶瓷材料的制備工藝及性能檢測、陶瓷過濾器的設計及應用、陶瓷微濾膜及高溫氣體凈化用陶瓷過濾材料、過濾裝置的研制及開發等方面居于國內經驗豐富地位。
目前，多孔陶瓷材料的高效節能裝置，在過濾機理和工藝效果方面均有新的突破，在世界各地已得到大量的推廣應用。其特點是：能耗低，約為真空過濾機的10％；成本低，約為板礦過濾機的50％。另外，整機自動控制；連續運轉設備利用率高；生產維護費用低。在目前國內外開發應用的各種過濾脫水設備中，陶瓷過濾機無疑是一種較先進、有應用前景的過濾設備。
3 多孔金屬濾材與多孔陶瓷濾材性能的比較
金屬過濾材料具有優異的耐溫性和力學性能，在常溫下金屬材料的強度是陶瓷材料的10倍，即使在700℃高溫下，其強度仍較高。金屬材料良好的導熱性和韌性使其具有優異的抗熱震性能，并且適于連續的反向脈沖清洗，再生性好、使用壽命長等特點。金屬材料還具有很好的加工性和焊接性能。這些優異性能使得金屬過濾材料在高溫氣體除塵應用中具有很好的適應性和優越性。
金屬材料良好的塑性使其可以拉拔成金屬細絲或纖維，進而編織成網或鋪制成氈。粉狀顆粒材料經燒結可以制成燒結金屬粉末和金屬膜。金屬多孔過濾材料按結構形式主要有燒結金屬絲網、金屬纖維氈、燒結金屬粉末和金屬膜等。燒結金屬絲網采用多層金屬編織的絲網為原料，通過特殊的疊層設計、復合壓制和真空(或保護氣氛)燒結等工藝制備而成。在發達國家，其制作工藝已相當成熟，能批量生產。多孔金屬膜在燒結時，以顆粒表面質點的擴散進行傳質。目前用于高溫除塵的多孔金屬膜的制備方法主要有懸浮粒子燒結法、相分離瀝濾法等。多孔金屬膜具有以下幾方面的優點：機械強度高：耐壓性能好，因此，膜組件不易損壞；通過增大壓差的方法來提高滲透率，增大膜的分離能力；具有良好的熱傳導性和散熱能力，因此可減小膜組件的熱應力，提高膜的使用壽命，非常適合高溫領域的應用；密封性能好，膜材料是具有良好焊接性能的金屬材料，因而膜組件易于連接密封；具有很強的應用價值，在過濾過程中，多孔金屬膜吸附量大，支撐性好，過濾面積大，可在線清洗，適應范圍寬。
多孔陶瓷是微孔過濾介質的一種，是以耐火原料為骨料，配以結合劑，經過高溫燒結而制成的陶瓷濾材，其結構內部具有大量的微細氣孔。與其它過濾材質相比，多孔陶瓷濾材空隙率高，較高可達60％以上，孔徑均勻且易 于控制；機械強度高，工作壓力可達16MPa，壓差可達1MPa；耐高溫，具有良好的耐急熱、急冷性能，工作溫度較高可達1000℃；過濾精度高，可達0.11a,m，適用于各種介質精密過濾；過濾元件自身清潔狀態好，無毒、無味、無異物脫落，可適用于無菌處理操作；耐酸堿性好，可適用于強酸、強堿和各種有機溶劑的過濾；過濾元件使用壽命長，長期使用，微孔形貌不發生變化，便于清洗再生。多孔陶瓷材料具有低密度、高精度、高滲透率、耐腐蝕、耐高溫、抗熱沖擊性好以及使用壽命長等優點，是一種優良的過濾材料。在高溫干式除塵方面應用較好。
多孔陶瓷的強度主要與骨料材質、骨料顆粒大小、結合劑材質、加入量以及燒成溫度有關。按材質分，多孔陶瓷的強度按下列順序依次變小：碳化硅>剛玉>氧化鋁>莫來石>瓷粒>石英>硅藻土。
陶瓷分離膜種類很多，目前已開發的有：氧化鋁質、氧化鋯質、氧化硅質、氧化鈦質、硅酸鋁質、碳化硅質、沸石質等。根據制備工藝不同，適用于不同的應用領域。由于陶瓷分離膜極薄，微孔近乎直通孔，所以陶瓷分離膜的過濾分離精度與微孔孔徑相當。
4 多孔陶瓷濾材的性能指標及過濾原理
4.1多孔陶瓷濾材的性能指標
陶瓷過濾元件按陶瓷的微孔結構可分為均質陶瓷和復合膜層陶瓷，復合膜層結構包括雙層和多層結構。雙層結構是由微孔孔徑較大的支撐層和孔徑相對較小的膜過濾層組成，這種結構克服了傳統陶瓷過濾元件壓力損失高、過濾效率低的問題，實現了表面過濾，是近年來開發應用最為典型的一種結構形式。多孔陶瓷過濾材料具有優良的使用性能，其性能指標為：氣孔率大于60％；氣孔尺寸為14μm，不同燒成溫度可以改變其氣孔尺寸分布范圍；氣孔表面積大于0.155g／m2；氣孔在陶瓷體內呈立體網狀結構分布：強度大于5MPa；適合工作溫度范圍：-40～1350℃。
陶瓷過濾器過濾情況主要由過濾精度決定，即它表征濾除流體介質中最小固體顆粒的粒徑大小。對陶瓷過濾器來講，其過濾精度可達0.1μm。影響陶瓷過濾器過濾精度的主要因素是多孔陶瓷過濾元件的較大微孔直徑。對于同體介質來講，孔徑愈小，則過濾精度愈高，反之愈低。其次，工作壓力對過濾精度也有微弱的影響。一般來講，對液體介質，其能過濾掉的雜質顆粒大小約為陶瓷過濾元件孔徑的1／5-1／10。對氣體介質，由于布朗運動在氣體中比液體中活潑、擴散捕捉作用增大，其截留雜質顆粒大小約為過濾元件孔徑的1／15-1／25。由于多孔陶瓷的過濾是一種集慣性沖撞，擴散和截留相結合的過濾方式，因此，流體介質的粘度、介質工作壓力、過濾元件本身的微孔性能等對其過濾速率都有較大的影響。多孔陶瓷孔徑愈大，孔隙率愈高，工作壓差愈大，則流量愈大；隨著多孔陶瓷壁厚增加，粘度增大，流量迅速減小；隨著多孔陶瓷微孔的變小，其壓力損失越來越大，過濾分離效率越來越低。在精濾、超濾領域中，多孔陶瓷的微孔孔徑可達到0.1μm甚至更小。根據目前的成形方法及強度的要求，其壁厚最薄為1～2mm。因此，和具有0.1μm微孔且膜厚為0.1mm的高分子膜相比，壓力損耗太大，過濾效率太低。
4.2陶瓷過濾材料產品的特點
舉例說明某種碳化硅陶瓷過濾材料產品的特點如下：
(1)碳化硅粉料作為多孔陶瓷的骨料，導熱性好、耐熱沖擊、熱膨脹系數小；
(2)選用長石和粘土組成的低共熔混合物作為結合劑，與碳化硅顆粒的粘結性能較好：
(3)采用活性炭和相關有機物顆粒作為成孔劑：
(4)采用注漿成形法，其工藝簡單、成本低廉；
(5)采用常壓燒結方法，燒成溫度為1200～1280℃，保溫1～3h。
陶瓷過濾材料產品氣孔率高，過濾效果優良，過濾過程中壓力損耗較小、過濾效率高、使用壽命長；氣孔率大，使氣孔的表面積大，與高溫煙塵或污水的接觸面積大，過濾凈化的效果增加，節約污染流體的凈化成本。陶瓷過濾材料產品強度大：可以承受較大的壓力，具有優良的耐腐蝕、耐沖蝕性；使用性和安全性高。孔徑分布理想，95％以上的高溫粉塵顆粒都可以一次過濾清除。氣孔形狀呈立體網狀貫通結構。可以大大增加固相顆粒在過濾材料內部的行程，顯著提高一次凈化率。網狀結構分布的氣孔，可以有效避免固相顆粒在體內的積聚，從而減少清洗維護次數。同時，可以減輕清洗反吹的阻力，便于清洗。導熱性能優良，熱膨脹系數小，陶瓷過濾材料可以應用于1350℃以下的高溫煙塵凈化和在-40℃極限溫度下工作也不會損壞。
4.3多孔陶瓷的過濾原理
多孔陶瓷過濾一段時間后，由于內部通道可能被流體介質中顆粒雜質堵塞，表面濾餅層增厚，導致過濾阻力增大，流速降低，這時可通過氣體反吹、液體反洗或氣一液混洗的方式再生，從而使其基本恢復到初始狀態的水平。定時反吹、反洗，能延長多孔陶瓷過濾元件的使用壽命。
多孔陶瓷的過濾是集吸附、表面過濾和深層過濾相結合的一種過濾方式。對于液一固、氣一固系統的過濾與分離，其過濾機理主要為慣性沖撞、擴散和截留。流經多孔陶瓷過濾元件微孔孔道的流體中的雜質顆粒，由于慣性作用與微孔孔道壁接觸而被捕捉。慣性沖撞與雜質顆粒直徑平方成正比，與流速及流體粘度成反比。雜質顆粒由于布朗運動而離開流線和微孔孔道壁接觸，從而被捕捉，擴散捕捉和流速及流體粘度成反比。雜質顆粒由于比微孔孔道大而被捕捉，屬表面過濾。截留只與雜質顆粒的大小有關，與流速、流體粘度無關。當流體流經多孔陶瓷過濾元件時，大于過濾元件微孔徑的顆粒被截留在表面形成濾餅層，小于多孔陶瓷陶瓷孔徑的顆粒由于慣性和布朗運動影響而離開流線和微孔道壁接觸，但仍有部份顆粒被截留在表面或沉積在多孔陶瓷孔道內。由于多孔陶瓷微孔通道迂回曲折，加上流體介質在多孔陶瓷表面形成的架橋效應及慣性沖撞和布朗運動影響，因此，其過濾精度要比本身孔徑高得多。如10μm孔徑多孔陶瓷過濾元件，當過濾介質為液體時，其過濾精度為lμm；當過濾介質為氣體時，其過濾精度達0.5m。陶瓷過濾器運行一段時間后，由于過濾元件內部通孔可能被流體介質中顆粒雜質堵塞，表面濾餅層增厚，導致過濾阻力增大。流速降低時，可以通過氣體反吹，液體反洗或氣一液混洗的方式再生，而使其基本恢復到初始狀態水平。
陶瓷分離膜是以多孔陶瓷為載體，微孔陶瓷膜為過濾層的陶瓷質過濾分離材料。其斷面由微孔孔徑較大、厚度較厚的支持體層，一定厚度的中間過渡層和微孔孔徑很小且厚度很薄的過濾層三層結構構成。與普通多孔陶瓷相比，其不同之處就是這種不對稱的微孔孔徑成梯度變化。斷面層數越多，微孔梯度變化越平緩，陶瓷分離膜的抗熱震性越好。把過濾層的厚度減薄，過濾分離效率可以達到或超過高分子膜的水平。
5 多孔陶瓷及過濾器的應用現狀
隨著科技和工業化生產的發展，能源、資源、三廢治理等問題更加受到重視。尤其是生物化工、精細化工、能 源材料等高技術領域的迅速發展，對液、固分離技術的研究和開發提出了更高的要求，高分離精度、高運行效率的微孔過濾技術及微孔過濾材料愈來愈引起人們的重視。微孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透氣阻力小、清洗再生方便以及耐高溫、高壓、耐化學介質腐蝕等特點，在許多領域具有較大的應用市場。以微孔陶瓷材料做過濾介質的陶瓷過濾技術及陶瓷過濾裝置，不僅解決了高溫、高壓、強酸堿和化學溶劑介質等難過濾問題，而且由于本身具有過濾精度高、潔凈狀態好以及容易清洗、使用壽命長等特點，目前已在石油、化工、制藥、食品、環保和水處理等領域得到了廣泛的應用。
多孔陶瓷材料及膜材料具有良好的性能特性，如耐熱性能和介質腐蝕性能，因此可以應用于除HF、熱磷酸以外的所有介質中。另外，多孔陶瓷過濾材料高的過濾精度、在線清洗性能以及自潔性能和良好的操作性能，使其在許多領域具有良好的推廣應用。
多孔陶瓷過濾管根據各自的特性，可應用于不同的過濾分離凈化場合。液體過濾主要應用于水過濾和化工液體過濾。水過濾可用于工業廢水處理，生活用水、礦泉水、超純水的制備等。化工液體過濾主要用于化學工業中酸、堿性液體過濾，石化行業中航空煤油、柴油過濾，各種有機液體過濾等。氣體過濾主要用于各種壓縮氣體、含油雜質的處理，化工催化氣體精濾，制藥、釀造行業中無菌空氣凈化以及高溫煙氣除塵等。陶瓷分離膜用途廣泛，除可用于各種液一固、氣一固過濾分離外，還可用于氣一氣、液一液、氣一液、油一水等分離，特別適用于高溫氣體分離。多孔陶瓷除用作過濾分離外，還可用作布氣材料、消聲材料、各種催化劑載體、氣敏、濕敏元件、隔膜材料、酶載體、化學反應介質、復合體成分、隔熱材料等。
石化工業領域常涉及到工藝原料氣、液凈化問題，其中少量固體必須較大限度除去。由于原料氣、液常涉及高溫、高壓或強腐蝕性問題，其他分離材料無法應用，只能采用陶瓷材料。
化工液體過濾主要用于化學工業中酸、堿性液體過濾，石化行業中航空煤油、柴油過濾，各種有機液體過濾等。采用陶瓷過濾器進行液體過濾與板框壓濾機相比，投資減少40％以上，效率提高了2～4倍。另外，陶瓷過濾器在國內各大煉油廠中航空煤油過濾、催化氣體凈化、石蠟加氫工藝中得到了推廣應用。
水過濾主要用于工業廢水處理，生活用水、礦泉水、超純水的制備等。如采用孔徑80～100μm多孔陶瓷過濾器進行工業廢水處理，處理能力為10～20m3／m2h，過濾精度為5μm懸浮物去除率達到95％以上。采用孔徑2~4txm的硅藻土質陶瓷過濾器進行生活用水、礦泉水的無菌處理，濾速可達到2～3m3／m2h。采用孔徑為0.8～2μm的陶瓷過濾器，可以做注射液的消毒過濾，電子行業和光學透鏡研磨用純水和超純水制備。水制備、工業循環水凈化及工業污水和城市生活廢水處理等。如采用硅藻土質陶瓷濾芯進行家庭生活飲用水凈化，具有獨特的除菌和再生性能。目前已在美、英、日、韓和中國等得到大量開發和應用。陶瓷過濾材料用于工業冷卻水處理及酸堿性廢水處理，目前已在國內的蓄電池行業、石化行業、電廠中取得了較好的應用成果。在工業污水處理方面，陶瓷膜過濾裝置用于乳化油廢水、印鈔及印染廢水等方面的處理，不僅可以保障廢水達標排放或回用，而且還可大大降低處理成本。國內采用陶瓷微濾膜過濾裝置處理工業廢水，在相同情況下，其設備價格僅為進口有機膜設備的1／4左右，運行費用約為1／10。
氣體過濾主要用于各種壓縮氣體的含油、雜質處理化工催化氣體精濾，制藥、釀造行業中無菌空氣凈化以及高溫煙氣除塵等。如采用陶瓷過濾器進行風機、壓縮機含油氣體處理，凈化后氣體含油量小于15ppm，去除效率達995％以上。采用孔徑為60～80μm陶瓷過濾器可以進行石化行業中干氣過濾；采用孔徑20μm的陶瓷過濾器可以進行制藥、啤酒等釀造行業發酵用無菌空氣處理：采用40-60μm的陶瓷過濾器則可以進行高溫煙氣，如PFBC燃煤鍋爐排放煙氣除塵凈化，工作溫度可達800℃，3μm以上塵埃粒子去除效率≥99％。同樣，采用陶瓷過濾器還可以進行水霧分離、氣體分離等。此外。污水處理中，采用多孔陶瓷螺氣板進行充氧曝氣，上、下水殺菌時，吹人氯氣、臭氧等。多孔陶瓷過濾元件還可以做各種電解液的氣體發散元件，以及用做流化床和粘料輸送板等。采用微孔陶瓷過濾器進行空氣的無菌處理具有潔凈狀態好、濾速高、凈化效果好、再生周期長(1～2月)、清洗效果好、可高溫消毒殺菌等特點。在制藥、啤酒行業發酵用無菌空氣制備方面具有很好的應用前景。因此，采用微孔陶瓷過濾器代替價格昂貴的金屬過濾器用于食品、釀造及制藥行業發酵無菌空氣的制備是可行的。另外，陶瓷過濾器用于高壓壓縮氣體的凈化，用于除油、除雜質在國內也得到推廣應用。其次，陶瓷過濾器在高壓高溫領域蒸氣(150-200％)凈化方面也有較大的應用。
根據陶瓷膜特點和國外發展陶瓷膜的經驗，陶瓷膜在我國應用領域極其廣泛，食品工業是其重要應用領域，諸如礦泉水生產、酒、飲料、調味品、果汁等方面的過濾。該領域對膜設備的要求是抗污染能力強，可以蒸汽原位消毒、使用壽命長，而陶瓷膜恰具這種優勢。
6 多孔陶瓷材料過濾技術的發展前景
在現代工業生產中，涉及高溫含塵氣體的凈化除塵領域十分廣泛。高溫氣體除塵技術的研究開發始于上世紀70年代，傳統的除塵方式多為濕法除塵，即先將高溫氣體進行冷卻，然后除塵，這樣浪費了大量熱資源。而高溫氣體的直接凈化除塵技術是實現高溫氣體資源綜合利用的關鍵技術，也是一項先進的環保技術。目前，直接高溫除塵器主要有高溫旋風除塵器、旋流式分離器、多管除塵器以及介質過濾除塵器等。在諸多高溫氣體凈化除塵工藝技術中，介質過濾凈化除塵技術因其較大程度地利用了氣體顯熱和有用能源，同時簡化了工藝過程，節省了設備投資避免了濕法除塵所帶來的二次水污染等。高溫氣體介質過濾除塵技術的核心是高溫過濾材料，由于其在高溫、高腐蝕性氣體中工作，因此對過濾材料具有很高的要求，必須滿足過濾特性好、使用壽命長等方面的要求。工業除塵過濾材料的主要功能是捕集高溫含塵氣體中的顆粒。按微粒被捕集的方式可分為表面過濾、深層過濾和濾餅過濾。
多孔陶瓷具有十分廣泛的實際應用前景，如作熔融金屬或熱氣體的過濾器，醫學臨床的病菌等微生物過濾，超濾分離血清蛋白；化學反應過程的過濾膜；催化劑或酶的載體等。
在冶金工業中，鑄件里的非金屬夾雜物一直是鑄造產品中遇到的最普遍的鑄造缺陷之一。金屬液過濾。采用過濾器凈化金屬液可以降低60％～80％熔渣，改善成品的切削性能，提高其力學性能和表面質量。陶瓷纖維網具有使用方便、裝配靈活、價格較低等優點，但強度低，受熱容易下垂，使用中需要多孔陶瓷作為支撐體。它在我國的各種礦漿脫水、無機鹽工業中的重堿脫水、碳酸鹽、磷酸鹽等制備過程物料干燥、脫水方面有較好的應用推廣前景。
陶瓷過濾技術在我國的分離，凈化領域中起到舉足輕重的作用。陶瓷纖維過濾器由于其有優良的特性，在高溫煙氣過濾等方面將會發揮越來越重要的作用，具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉化等功能的陶瓷纖維過濾材料，將是熱氣體凈化材料的發展方向。多孔陶瓷材料由于受產品制造水平及應用技術的限制，目前在國內過濾分離領域所占的市場份額較小，產品的產業化水平普遍較低。但可以預言，隨著國內化工形勢好轉，能源和環保產業政策的扶持以及國外同行業技術的不斷發展和應用市場的不斷擴大，多孔陶瓷材料產業在國內將會迎來更好的發展前景。
7 結語
多孔陶瓷及過濾器以其自身具有的諸多優點，使其能有效地替代傳統的過濾材料，并開拓了這些材料所不能應用的領域。陶瓷纖維過濾器依賴于陶瓷纖維的發展和應用，陶瓷纖維作為過濾器普遍強度較低，發展低成本、高強度的連續纖維增強陶瓷纖維過濾器將是今后的發展方向。預見未來，隨著多孔陶瓷材性及過濾技術的不斷提高，多孔陶瓷過濾器將會自成體系，在我國的氣體分離、凈化和液體精濾方面起到非常重要的作用。
陶瓷材料論文:中國陶瓷材料美學的權利擴張
周先鋒并不是哪一類風格型藝術家，或者說周先鋒的藝術施行還并不成為風格。但這絕不是周先鋒的錯，甚至這也并非什么錯誤。在陶瓷藝術普遍性地風格停頓的當下，苛求一個嚴肅的，具有探索精神的陶瓷藝術家冒然形成自己的風格，必將是一種殘忍的扼殺。
中國陶瓷藝術的風格停頓，其實來源于1949年以來，基于統治美學的舊的陶瓷藝術出現歷史性斷層，而新的陶瓷美學尚未成形，所導致的一種陶瓷美學沿革缺失癥。從這個角度來說，中國陶瓷美學的二次啟蒙，或許也正在這個斷層的截面上，悄然萌發。而這一萌發，依然宿命般地要基于材料，而絕不是某種觀念性的東西。因為材料是一切藝術表達的基礎。
雖然有很大一部分涉及陶瓷材料的當代藝術家，將陶瓷材料僅僅當做表述的語言方法之一，而并不嚴格地將自己涉及陶瓷材料的藝術施行，作為自己藝術生涯的主體范疇。這就導致了一種觀點的產生，即：材料在這里，精神在別處。嚴格地說，這其實是一個具有普遍意義的觀點，甚至適合于任何門類的藝術，油畫、雕塑、水墨，乃至于多媒體與綜合材料藝術，而這已經不在基于材料劃分的藝術門類范疇里說話了。
但這也恰恰是當下中國陶瓷藝術的觀點分歧所在：一方面，絕大部分長期從事陶瓷藝術創作的人們，深陷在陶瓷材料的符號屬性與表達可能的局限性中，而無法突圍，甚至并不認為應該突圍；另一方面，一批具有探索精神的藝術家，開始高舉“當代藝術”的旗幟，殺進長期缺乏創新思想，處于半封閉狀態的中國陶瓷藝術領地，用純粹西方的美學觀點和主張，來圖謀策動中國陶瓷藝術的權利交接。
對于舊的陶瓷美學來說，革命是必須的，這絕不是對陶瓷文化的反動。如果說完整繼承舊的美學是對文化延續性的源頭進行保護，那么對舊的美學進行革命，則是陶瓷藝術發展的必經之路。
美學家吳炫在其《否定主義美學》一書中，談到美與審美，存在于“本體性否定”之中，其認為所有的審美現象，其發生并不是自然性變異而導致的，而是因為作為主體的人“不滿足于”自然性現實而產生。
那么也就是說，一千多年以來存在于皇權統治與官方審美需求中的舊的陶瓷美學系統，在皇權消失與官窯系統崩盤的歷史背景下，成為了某種既無法自然性變異，也無法統攝性改造的僵死狀態，若要對這一狀態進行改變，非進行陶瓷材料表述可能的“本體性否定”不可。
而陶瓷材料表述可能的“舊的本體性”到底在何處呢？我們當然不能簡單地指認某種陶瓷文化的呈現類型即為“舊的本體性”，但由于其相對于文化發展問題的大面積固化與僵持，以及充分成熟的技藝和傳承，因而具有了“本體性”意義。
在中國景德鎮，這個作為中國陶瓷文化與藝術的大本營，人們至今認為陶瓷藝術，必定要尊崇古老的治瓷法度，“不可以！”“你不懂陶瓷！”成為陶瓷領地中常見的權利掌握的彰顯詞匯。一大批將舊的審美趣味當做“非物質文化遺產”來繼承的人們，用一種皇權般的堅固觀念，抵抗著試圖摧毀舊的陶瓷表述法則的外來力量。景德鎮的“大師”們，更是將陶瓷繪畫與裝飾的模式，固化為一系列獨特的個人風格，沉浸在一片風花雪月的甜美情調中。
毫無疑問，在中國教育系統尚未啟動全民美學啟蒙的現實條件下，人們普遍的審美經驗還停滯在文學情緒的低級范疇里的時候，“大師”們的堅持，是有現實意義的，但這與美學無關，只與利益發生關聯。對于陶瓷美學來說，景德鎮所有“大師”的作品全部加起來，只相當于一件作品，這件作品集合了傳統陶瓷語言中的所有技法和語言關系，成為了一種陶瓷美學的“本體性”存在。它堅固到讓人窒息，且純粹屬于“庸俗藝術”的范疇。美國批評家克萊門特·格林伯格（Clement Greenberg）認為指認庸俗藝術的前提條件，就是一種近在眼前的，充分成熟的文化傳統的存在。庸俗藝術可以利用這種文化傳統的諸種發現和成就，以及已臻的自我意識，來為它自己的目的服務。這里的目的當然包括了經濟利益的訴求。
周先鋒的出現，成為打破這一窒息感的一絲亮光。
令人欣慰的是，周先鋒并不是從外面，用某種“綜合材料”性質的西方美學觀念來撬開這堅固的堡壘的。
周先鋒畢業自景德鎮陶瓷學院，其所受的陶瓷教育是正統的舊陶瓷美學的本體論與方法論。周先鋒說：“我今天還能記住并影響我的教導，并不是陶瓷學院所傳授的技藝系統，而是一句話，這句話來自一個不知名的女性老師，正是她說的‘今天教給你們的技術，都僅僅是一種方法，重要的不是這些方法，而是人的精神’，讓我走到今天，走到對陶瓷材料語言表述的探索之路上來”。
周先鋒對陶瓷材料的叛逆性探索，正是來自其對自我精神需求的遵從。
周先鋒曾在即將畢業期間，謀求過留校，但沒有成功。或許這對于周先鋒來說，當時是極其失望的。雖然周先鋒后來在準備畢業的時候，已經因參加一個小型的名為《問土》的陶藝展而小有名氣，甚至留校的謀求因而也有了眉目，但倔強的他最終選擇了離開。
這一離開，反而讓周先鋒獲得了一種更大的藝術視野。
他開始涉及油畫、綜合材料、以及觀念藝術與行為藝術。他在陶瓷藝術的大范疇里，努力探索陶瓷材料的表述可能。2004年，周先鋒創作了一批形式主義的陶瓷作品，以此來探索陶瓷及其相關材料能否獲得一種全新的，綜合材料式的語感效果。《紅與綠》、《怒放》就是其中比較成熟的作品之一。這些嘗試性的探索，讓周先鋒逐漸打開了藝術思路，并向當代藝術的縱深方向挺進。2009年，其陶瓷觀念藝術作品《未來考古文獻》系列，試圖通過陶瓷的狀態恒常性特點，來涉及當下中國人多層面的社會性存在，對于歷史的文獻存留可能。但最終，周先鋒用一個名為《碎片》的行為藝術，否定了利用陶瓷的狀態恒常性的嘗試。
然而2012年，周先鋒又用一組名為《修復》的雕塑作品，回望了一次對陶瓷恒常性的否定。這一反復否定的過程，正是周先鋒不斷前進的歷史軌跡，也是其逐漸向陶瓷美學的“本體性否定”靠近的過程。
另一組作品，則更加明顯地凸顯了周先鋒對傳統陶瓷材料的語言表述探索。他首先用傳統陶瓷材料中的“釉里紅”色料，嘗試了對觀念性的表達（代表作《面具》2008年），然后在2011年的《共生》系列中，對“青花釉里紅”這一傳統的詞組性材料，進行了修辭學范疇的改造。2012年，周先鋒則對青花的表述可能進行了跨度巨大的探索，通過使用多重的工具轉譯，完成其系列作品《夢回長安》系列和《夢游》系列。自唐青花用麥稈蘸料在陶器上點綴花紋開始，到青花繪畫吸取水墨精神實現傳統青花美學的趣味固化，再到周先鋒的多重的工具轉譯，可以說青花這一陶瓷繪畫材料，終于具有了一種完整的美學意義上的流變譜系。
2013年春節之后，周先鋒忽然拿出了一組尚未命名的陶瓷作品。該組作品首先顛覆了瓷板的形態特征，讓瓷板具有了某種類似手工紙張與透光聚酯材料的觀感，然后用包括青花繪畫與瓷板陽刻在內的多種表現手段，重新演繹了敦煌壁畫藝術。
這次周先鋒直接涉及到陶瓷藝術整體材料組本體性的否定。可以說，這一組尚未命名的作品，顛覆了陶瓷藝術的全部舊形態，直接激發了陶瓷藝術的形態活力，具有了一種前無古人的材料探索價值。
綜觀古今中外的陶瓷藝術，基本上只有兩條形態線索，其一是器物形態，其二是擬象形態。器物形態基本沒有跳出傳統陶瓷美學的歷史語境，只是在功能性與視覺經驗上完成了某種變異；而擬象形態，則自有陶瓷以來，就是一種小眾形態，歷史上早期的擬象形態體現為仿生型表現，仿木竹瓜果昆蟲玉器等等。二戰之后，一批日本陶瓷藝術家，接受西方美學方法論，開始將陶瓷制作成視覺上非陶瓷化的裝置，有些作品甚至根本不必使用陶瓷這一材料，直接使用金屬或者泥土進行表達，其效果基本一致。也就是說，這已經遠遠偏離了陶瓷藝術的形態范疇。
周先鋒制作的瓷板形態，并沒有偏離陶瓷的形態屬性，但也沒有了舊的陶瓷板材的形態特征，因而我們并不能就此指認其屬于擬象形態的變異，或者冒然批評此者屬于“失敗的技術呈現”。但我們能否就此放下一切成見，承認其創造了新的陶瓷瓷板形態呢？這或許并不能在這里武斷地下一個定論，其試驗性特征還很濃，如果這一瓷板形態被更多的藝術家所使用，恐怕意義就非比尋常了。
這就好比紙張的形態，不同的造紙技術所誕生的不同紙張形態，造就了迥異的藝術門類與式樣，宣紙的水墨、水粉紙的水彩與水粉畫、感光紙的影像等等，是不同的藝術門類。
如果周先鋒的半透光瓷板能夠成為一種公共性材料形態的話，那么他將引起陶瓷藝術大范疇內的表述革命。至少不同的藝術家在使用這一全新的瓷板樣式進行創作的時候，其所能夠呈現出的畫面效果也是不同的，更不用說這有可能將激發更多的藝術創作的想象力。
毫無疑問，如果說在中國陶瓷藝術的主體話語權范疇里，依舊是瓶瓶罐罐的天下，依舊是中國傳統紙本繪畫在陶瓷材料上簡單移植的天下，那么周先鋒有可能觸及到的，恐怕正是陶瓷材料的美學擴張。這或者將撼動的，是舊陶瓷材料美學的話語權利。
陶瓷材料論文:氧化鋯陶瓷材料的抗熱震性能分析
摘 要：文章通過對氧化鋯陶瓷材料的熱膨脹性以及相變的特征進行分析，著重探討有效利用氧化鋯的相變提高氧化鋯材料實際抗熱震性能的具體方法，以及如何提高材料抗熱震性的可行性辦法。
關鍵詞：氧化鋯 陶瓷材料 抗熱震 性能
材料具有的熱學性能以及力學性能決定了陶瓷材料當中熱應力的大小，另外構件的幾何形狀以及環境的介質等也會影響陶瓷材料的熱應力的大小。因此，抗熱震性代表著陶瓷材料抵抗溫度變化能力的大小，也肯定是它熱學性能以及力學性能相對應各種受熱條件時一個的反映。關于陶瓷材料在抗熱震能力方面的研究開始于上個世紀五十年代，到目前形成了很多關于抗震性的相關評價理論，不過都在一定程度上有著片面性和局限性。
一、陶瓷材料的抗熱震性具體理論分析
陶瓷材料熱震破壞包括：在熱沖擊的循環直接作用下發生的開裂和剝落；在熱沖擊的作用下瞬間的斷裂。基于此，有關脆性的陶瓷材料具體的抗熱震性相關的評價理論也涵蓋了兩個觀點。首先是基于熱彈性的理論。其說的是材料原本的強度無法抵抗熱震溫差導致的熱應力的時候，就造成了材料的“熱震斷裂”。通過這個理論，陶瓷材料需要同時具備熱導率、高強度和低熱膨脹系數、泊松比、楊氏彈性模量、黏度以及熱輻射的系數，這樣方能夠具備較高的抗熱震斷裂能力。另外，想要提高陶瓷材料實際的抗熱震能力，還可以通過對材料的熱容以及密度進行適當的降低。
另一理論基于斷裂力學的具體概念，也就是材料當中熱彈性的應變能能夠裂紋成核以及擴展而新生的表面需要的能量的時候，裂紋形成并且開始擴展，進而造成了材料熱震的損傷。按照該理論，在抗熱震損傷性能方面比較好的材料應當符合越高越好的彈性模量以及越低越好的強度。以此能夠發現，以上要求和高抗熱震斷裂的能力具體的要求對立。另外，將陶瓷材料實際的斷裂能提高以及對材料的實際斷裂韌性進行改善，很明顯有助于提高材料的抗熱震的損傷能力。另外，存在一定量的微裂紋也對提高抗熱震的損傷性能有很大的幫助，比如：在氣孔率是10%到20%之間的非致密的陶瓷當中，熱擴展裂紋的形成通常會遭受來自氣孔的抵制，存在的氣孔能夠幫助鈍化裂紋以及減小應力的集中。
作為氧化鋯陶瓷材料，有著極為鮮明的常溫力學的性能，熔點比較高、在化學穩定性以及熱穩定性上都比較好。所以，其的使用經常處于高溫的條件之下，因而其抗熱震性的性能也是判斷其性能的關鍵指標。氧化鋯的許多性質都非常的特殊，比如：氧化鋯能夠以單料以及四方、立方這三種具體晶型共同存在，還有它特殊的相變特性，這么多特性都可以被我們所利用，用來提高其熱膨脹的行為，加強其的抗熱震方面的性能。
關于氧化鋯具體的抗熱震相關指標：材料一些熱學性能、力學的性能等都會影響到陶瓷材料具有的抗熱震性能，目前大部分科研人員對其熱膨脹性以及相變的特性進行研究，以此使其具有的抗熱震性得到提高。
二、陶瓷材料自身的熱膨脹性
當材料發生受熱或者冷卻的時候，那么就會相應的產生膨脹或者收縮，于是材料的內部就會出現熱應力。一般情況下，都是存在不同溫度或者不同物相的熱曲線。在純單的斜相氧化鋯熱膨脹系數雖然很小，但是熱膨脹有著明顯的不同，并且存在著相變問題。熱膨脹系數較大的是立方氧化鋯，并且會隨著溫度的升高而增加。所以結構材料是立方氧化鋯，那么抗熱與抗震性就會很差。為此，通常時候只對氧化鋯進行一部分穩定，通常情況下不同物相之間熱膨脹失調，以及相同物相熱膨脹出現不同時，材質本身內部就會產生熱應力。熱膨脹系數越是小，同一條件下產生熱應力也越小。假如沒有熱膨脹也就是說本身不會產生熱應力，如果外界熱應力供應熱應力很大的情況下，將造成材質本身的抗熱性能與抗震性能遭到損壞。下表為：不同類型氧化溝鋯熱膨脹曲線作用
影響陶瓷材質最重要的環節就是熱膨脹。根據多年經驗總結出來的，我們可以通過先進的技術理念對熱膨脹行為進行設計與調整。如圖一，圖二
如果材料當中晶相有可逆的多型轉變進而出現較大體積變化的時候，就會產生較大的熱應力。純二氧化鋯便是具備這樣特性在陶瓷整個系統中的突出代表。二氧化鋯晶型變化的溫度大概是1000℃；加熱溫度達到1100℃的時候，其將會由單斜相變換成四方相，反過來也是這樣。這兩樣多型變體在密度上差距比較大，所以在相變化的時候體積的變化達到了0.6%或是更大。因此出現了非常大的應力，而且發生了開裂。
三、陶瓷材料的具體相變特征
氧化鋯的相變，ZrO2一共包含三種主要晶型分別為：單斜晶型，四方晶型以及立方晶型。三者之間的關系為：
氧化鋯陶瓷材料當中非常典型的一種馬氏體的相變是由二氧化鋯中的正方相到單斜相的轉換。其實現是依靠無擴散的剪切變形，所以被當做是馬氏相變類型相關的一種固態相變，其有下列特征：
1.無熱的相變。給定的溫度之下，相變和時間沒有關聯。
2.熱滯的現象。相變在一定的范圍以內發生，單斜向變化成四方相是1170℃，然而四方相變化成單斜向溫度卻是850℃到1000℃之間，此相變大概有200℃左右的滯后。
3.相變的發生伴隨有三到五個百分點的體積效應以及一定剪切形變。從t-二氧化鋯相變為m-二氧化鋯體積發生膨脹，反過來則會發生收縮。
4.相變沒有擴散的反應出現，因為相變的完成只需要一瞬間，比裂紋速度要快，如此一來能夠利用相變有效的阻止裂紋發生擴展，進而使陶瓷材料具有的韌性有所提高，相變帶來的體積效應能夠進行熱應力的緩解，提高材料實際的抗熱震性。
5.顆粒的尺寸效應，處在一定條件下的顆粒在小于某一個臨界的尺寸的時候，單斜相能夠在室溫條件下保存而不發生相變。
6.添加劑能夠抑制住相變。往氧化鋯內放入氧化鎂及氧化鈣等能夠讓氧化鋯以單斜或者是立方的具體形式而存在。
7.相變受到應力狀態的約束所影響。處在壓應力的狀態的時候，由t到m的相變便會受到一定的抑制，相反則有助于發生相變。
四、氧化鋯陶瓷材料抗熱震性能的改善
1.減少材料的熱膨脹系數，提高材料的熱導率
這么做的目的主要在于降低熱震時發生的熱應力，同時穩定劑的種類以及添加量與氧化鋯陶瓷材料熱膨脹系數大小有一定關系。
2.利用單斜相熱膨脹的各向異性
雖然不用用單斜相氧化鋯制造可以使用的陶瓷部件，但是，可以利用純單斜相熱膨脹不同異性來提升材質的韌性，改善材質抗熱震能力。
3.利用相變改善氧化鋯陶瓷材料的抗熱震性
通過ZrO2相變特征，并且對ZrO2進行分析，并且控制及調整ZrO2相變，從宏觀上來改善材質本身熱膨脹行為。另一方面可以通過利用相變體積效應在材質內部造成適量的微細裂紋，改善材質的抗熱震性。
五、總結
通過對氧化鋯陶瓷材料在抗熱震性能方面的研究，能夠知道材料實際的抗震性和材料具有的物理特性有著緊密的聯系，我們可以對其特點加以利用，利用對工藝進行優化和調整，有效的改善材料實際的抗熱震性方面的能力。此外，還應當針對固有的提高材料抗熱震性的方法加以改進和完善，研究出更多的先進工藝。參考文獻[1] 鄧雪萌，張寶清，林旭平.添加劑對氧化鋯陶瓷抗熱震性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2007（z1）.[2] 趙世柯，黃校先，施鷹，郭景坤.改善氧化鋯陶瓷材料抗熱震性的探討[J].陶瓷學報，2000（1）.[3] 董艷玲，王為民.陶瓷材料抗熱震性的研究進展[J].現代技術陶瓷，2004（1）.[4] 劉景林，李連洲.層狀陶瓷材料抗熱震性提高的可能性[J].國外耐火材料，2005（1）.[5] 韓亞苓.氧化鋁基陶瓷抗震性的研究進展[J].陶瓷學報，2008（2）.
陶瓷材料論文:陶瓷材料在現代家居裝修中的意義
【內容摘要】陶瓷是火與土的藝術交融品，通過藝術家的獨特設計和表現創造，使陶瓷作品具有生命力和藝術價值。它具有豐富的藝術表現形式，在新環境和新技術的影響下，工藝形式、裝飾手法以及材料自身的表現力，使其他材料變得不可比擬，是不同于一般的藝術工藝品。
【關鍵詞】陶瓷材料 裝飾藝術 家裝意義
陶瓷藝術是我國數千年的傳統文化瑰寶，是富有民族特色的日用工藝品和裝飾藝術品。陶瓷材料之美是區別于其他藝術材料的獨特性，從表達藝術形式上，它是生活藝術中的特殊載體，具有審美力、感染力，在現代社會已成為室內裝飾的必需材料。陶瓷的“裝飾”工藝卻又不同于其他材料的性質，只是用來附加或減少來表達它的裝飾藝術形式，而陶瓷是凝聚自身的材質肌理、雕塑、刻畫、鏤雕、彩繪、印坯、釉色、紋飾等與表現藝術形式來呈現其天然成趣的裝飾藝術之美。
陶瓷是一門古老又現代的藝術載體，在過去與現代家庭裝飾中，在美化生活和陶冶人們文化與精神上都有其獨特的藝術魅力。隨著人們生活質量的提高、時代不斷的進步發展，在現代生活中，人們的家裝設計中大量涌現以陶瓷為材料的產品，生活質量的要求不同于先前人們的審美只在實用化，現代人使用陶瓷，不僅表現了它的實用性，還體現裝飾性和審美情趣，以飾美為現代人的精神需求，特別是在陶藝不斷發展的現今，現代裝飾風格的陶藝作品和藝術家的新作使得人們爭先恐后地購置或收藏，這是人們對藝術審美的升華，是物質時代人們對現代生活中的消費觀念的感悟。誠然，陶瓷藝術在現代人的生活中已經成為美化室內空間的一種文化載體，也是室內空間環境中點綴和裝飾的一道風景。
一、陶瓷材質的獨特美
陶瓷是特殊物質材料的一種，我們可以在上面進行藝術加工，表達各種裝飾和技法形式，提高產品的藝術性和檔次。在陶瓷工藝材料研究和生產實踐中發現，陶瓷材料是用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料，它采用天然原料如長石、黏土和石英等燒制而成，具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點，是屬于功能材料。如若運用到藝術陶瓷創作中，它能產生很大的變化并不斷發展，人們通過這種工藝、技法的創新，將在未來的陶瓷材料和裝飾研究中表現出更多的新形式與新面貌。
陶瓷材料在裝飾表現形式上是其他材料所不能達到的藝術效果。它飾美性強、保質期長、實用性久，由此人們將陶瓷材料運用到了家具上，如壁櫥、燈具、廚具、衛浴具、壁畫等設計上，它們不僅實用美觀，而且還可以成為人們欣賞的藝術工藝品。在現代社會，陶瓷材料在家裝設計中應用廣泛，人們喜愛是因它獨有的材質、肌理和裝飾美，另外還有實用易打理的特質，多用到表現在傳統與現代文化內涵兼具的家具藝術形式。陶瓷裝飾在不同類型的室內環境空間中，能表現出很多不同形式的藝術品，即使在同一空間的裝置，也可以通過不同裝飾風格（紋樣、圖案、色彩、質感）打造出截然不同的陶瓷工藝品，對相同外形尺寸的家具，可以用簡捷的擺設手法來達到室內家裝系列風格裝飾藝術效果。
二、建筑裝飾材料的實用美
陶瓷作為建筑材料裝飾使用，是家裝設計中必不可少。瓷磚、衛浴的實用性幾近，是每個家庭中客廳、臥室、廚房、衛生間等空間里都要使用的產品。陶瓷品使用大到地面磚，小到廚房鹽罐子。如今，經濟繁榮帶來生活水平的提高，人們越來越注重精神上的消費，追求生活的個性化、情趣化的特征滿足了大眾的心理。許多地產商的樓盤戶型皆是大廚房、開放式廚房和多套衛生間的形式，瓷磚、衛浴產品的發展空前迅速，各大城市高樓大廈外立面都貼用瓷磚，它因耐用和易清洗而得到大眾青睞，形成了很大的市場。因此，陶瓷產品的藝術設計將扮演非常重要的角色。從一定程度上講，作為生活者，他們選擇的不是產品本身，而是它的設計，審美性成為首要因素。誠然，陶瓷產品的設計不僅僅是考慮它的造型、款式、花色、工藝等方面，更主要的是在室內整體空間上的組合搭配，還有在空間的主題、情調、氛圍等方面進行營造與設計。
三、陶瓷材料在家裝中應用廣泛
除了建筑材料的功用性，如燈具、花瓶、餐具、小家具等家居小擺設品都可采用陶瓷制作裝飾。在景德鎮出門見的最多的是路燈，一根根陶瓷燈柱在大街上形成一道亮麗的風景，很多來景德鎮的人都會因街道兩旁的陶瓷燈柱為之一震。此外，在景德鎮國貿商城和各大陶瓷店，還可以看到另一種風景——陶瓷燈具。陶瓷材料應用于燈具中效果是不言而喻的，用普通的瓷泥制作燈具，技法和工藝到位，燒制把握好了，一臺陶瓷燈也就顯現出它的實用和藝術效果。如果使用品質瓷泥制作陶瓷燈，那么它的瓷胚質地較高、原材料純凈無雜質，工藝精細，胎質薄，它的透光性使室內客廳無限生輝。另外，還可以通過鏤雕的形式制作燈具的透光性，在裝飾與實用上亦毫不遜色。
陶瓷花插，在客廳也占有一席之地，它可以讓家里的客廳和書房的家具增添一處美景。餐具在陶瓷材料中獨占率最廣，在遠古和現今，每個家庭會用陶瓷餐具，選擇陶瓷作為餐具是因為它潔凈、無毒、不銹、不吸水，表面堅硬光滑、易于洗滌、耐用，是其他材質的餐具無法超越的優點，而且在廚房里它比其他材質的用具其裝飾效果要強很多。還有，書房的書桌、書柜，臥室里的床，都隨著現代家具形式的多樣化而巧妙運用陶瓷，嵌瓷藝術和床屏是主要的裝飾部位，瓷片以整體嵌式的方式鑲嵌于木材中，它的裝飾形式也決定了書房、臥室和其他家具的裝飾風格。
四、陶瓷在家居裝修中的意義
裝飾藝術是連接人類精神文明與物質文明的橋梁，而陶瓷裝飾的形式特點是建立在審美功能和物質技術的基礎上，除了審美功能和技術的結合，還需要裝飾形式法則進行藝術處理，這樣才能獲得良好的藝術效果。對于陶瓷裝飾的欣賞，我們的視覺是在它的變化中尋求美的情趣，用這樣的審美藝術效果來改造世界、改善環境，提高自身生存的生活質量和藝術品位。而現代家裝設計是屬于室內設計的一個分支，家裝設計在現代生活中與人們生存環境密切相關，它是為了滿足人們生活、工作的物質要求和精神要求所進行的理想的家庭環境設計。誠然，陶瓷作為我國傳統文化產物，歷經原始彩陶時期的裝飾紋樣藝術不斷發展、改變、創新，陶瓷材料與技術工藝的不斷更新進步，體現了我國先民的勤勞與智慧，表現了中華民族深厚的文化底蘊。當然，我們更應該看到中華民族文化傳統的主流和民族文化的原始之根，這種傳統文化的延續與圖騰演變過程的持續，對研究裝飾形象和接近人類生活與藝術的求真性皆依于我們對美的需求。
總之，陶瓷藝術應用到現代家裝中，已經展現了它無窮無盡的藝術魅力和表現力。現代陶瓷裝飾設計，與時代的風尚、現代的工藝材料和科學技術、審美的愛好傾向密不可分。我們要緊跟時代的步伐，把握時代的要求，了解現代家裝陶瓷裝飾市場、技術信息，努力學習以創造更多更新的陶瓷藝術產品，將陶瓷藝術融于現代家裝設計領域，再創陶瓷新特點。
作者單位：湖南工藝美術職業學院
陶瓷材料論文:碳化硅陶瓷材料研究的制備與應用探討
【摘 要】針對碳化硅陶瓷材料研究的制備與應用探討問題，探討了碳化硅陶瓷的制備方法及其性能，介紹了碳化硅陶瓷材料制備的反應燒結法，無壓燒結法和液相燒結法，總結碳化硅材料以其優異的性能，介紹了它的應用范圍，展望了碳化硅陶瓷材料的發展趨勢。
【關鍵詞】碳化硅陶瓷；陶瓷材料；陶瓷燒結；燒結法
0.引言
由于碳化硅陶瓷具有超硬性能，又具有高溫強度和抗氧化性好、耐磨性能和熱穩定性高、熱膨脹系數小、熱導率高、化學穩定性好等優點，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，廣泛應用于機械制造加工行業。它還可以應用在軍事方面，例如將碳化硅陶瓷與其他材料一起組成的燃燒室及噴嘴，這種技術已應用于火箭技術中。同時在航空、航天、汽車、機械、石化、冶金和電子等行業得到了廣泛的應用，碳化硅密度居中，硬度和彈性模量較高，還可用于裝甲車輛和飛機機腹及防彈防刺衣等。由于碳化硅產品具有操作簡單方便，使用壽命長，使用范圍廣等優點，使碳化硅產品的市場發展前景廣闊，因此受到很多國家的重視，一直是材料學界研究的重點，如何制得高致密度的碳化硅陶瓷也是研究者一直關心的課題。目前制備碳化硅陶瓷的方法主要有以下幾種方法，由于制備方法的不同，碳化硅陶瓷材料的性能與制備工藝的不同有一定的相關性，本文對碳化硅陶瓷的制備方法及其應用進行了介紹。
1.反應燒結法制備陶瓷與應用
反應燒結法也可稱為活化燒結或強化燒結法。需要指出活化燒結和強化燒結的機理有所不同。活化燒結的過程是指可以降低燒結活化能，使體系的燒結可以在較低的溫度下以較快速度進行，并且使得燒結體性能得到提高的燒結方法。而強化燒結的過程泛指能增加燒結速率，或強化燒結體性能（通過合金化或者抑制晶粒長大）的所有燒結過程。可見它們的制備機理是存在差異的。反應燒結強調反應，這是一種化學過程，也就是有一種物質變成另外一種物質，例如，在制備碳化硅的過程中，就會在確定的溫度下發生Si+CSiC 的化學反應。這種反應過程就是將碳化硅粉料和碳顆粒制成多孔坯體，然后將多孔坯體干燥后利用馬弗爐加熱至1450～1470℃，在這樣的條件下就可以使，熔融的硅滲入坯體內部與碳反應生成碳化硅。這一機理的探討源于上世紀七十年代，當時由于世界范圍內的石油危機，能源問題對世界各國的經濟發展帶來巨大的挑戰，為了提高內燃發動機的效率，科學家們開始考慮使用高溫陶瓷材料替代內燃機的金屬部件，這樣就可以提高效率。在1973年，英國人KennedyP和ShennanJV等開始了反應燒結制備碳化硅的深入研究[1]，1978年，英國劍橋大學的SawyerGR等人采用掃描電鏡、透射電鏡、光學顯微鏡和 X 射線衍射等手段對反應燒結碳化硅的微觀結構進行了一系列的定量表征[2]，從碳化硅的制備機理給與了探討；1990年，日本的LimCB等人研究了反應燒結碳化硅中強度、氣孔率與微觀結構的關系，隨著研究的進一步深入，反應燒結碳化硅產品開始逐步走向商業化。
2.無壓燒結法制備陶瓷與應用
無壓燒結法是在常壓條件，也就是在一個標準大氣壓的惰性氣體氣氛中進行燒結。這種燒結可以把粉狀物料轉變為致密體，這是一個傳統的工藝過程。人類很早就開始利用這個工藝來生產陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高溫材料等。我國古代就可以制備精美的工藝瑰寶，流傳至今。
一般來說，粉體經過成型后，通過燒結得到的致密體是一種多晶材料，其顯微結構由晶體、玻璃體和氣孔組成。給人類美的享受。它的燒結過程直接影響顯微結構中的晶粒尺寸、氣孔尺寸及晶界形狀和分布。無機材料的性能不僅與材料組成（化學組成與礦物組成）有關，還與材料的顯微結構有密切的關系。但這種燒結方法只停留在觀賞。在1956年，美國的AlliegroRA等人發現，加入某一物質可以使熱壓燒結碳化硅中發生促進燒結的作用，此后，實驗證實，許多物質如：Al、Fe、Cr、Ca、Ni、Al+Fe、Zr和Mn等能夠促進碳化硅的燒結過程。1975年，Prochazka S 等人在碳化硅坯體中加入不同的兩種物質，通過無壓固相燒結成功制備出碳化硅陶瓷。ProchazkaS等人的實驗采用的是高純的亞微米級β-SiC粉體，并在其中加入少量不同的兩種物質，他們的研究結果對無壓燒結法的機理帶來了重要的影響因素，實驗證明碳化硅的坯體通過固相燒結致密化，β-SiC在燒結過程中產生相變并發生晶粒長大，這種晶粒的大小與陶瓷的強度有關。由于碳化硅是高熔點的強共價鍵材料，這項研究結果報道后引起了許多研究者大量的關注，并且對碳化硅燒結過程的研究論文得到大量的引用。在 ProchazkaS的研究成果發表后不久，人們就發現 加入不同的兩種物質對β-SiC的燒結促進作用同樣適用于α-SiC。因此，使大部分碳化硅陶瓷產品得到大量應用。
3.液相燒結法制備陶瓷與應用
液相燒結法最早應用在7000年前，那就是古人用粘土燒制磚塊。開發液相燒結技術是由愛迪生發明的電燈絲所驅動。碳化硅的液相燒結開始于1975年，LangeFF首次在碳化硅的熱壓燒結過程中加入了部分氧化鋁以促進碳化硅坯體的致密化。當今的利用高新技術廣泛采用液相燒結技術制造陶瓷，壓電陶瓷，鐵氧體和高溫結構陶瓷。Al2O3在高溫下與SiC粉料顆粒表面的SiO2反應形成液相，成為碳化硅顆粒之間的晶間相，通過液相傳質過程使坯體致密化。
與添加不同的兩種物質的碳化硅固相燒結不同的是，利用液相燒結過程中需要燒結助劑較少，這種添加劑的添加量通常只有百分之幾，盡管用量較少，但在燒結完成后的晶間相中仍然會殘留較多的氧化物。因此，液相燒結碳化硅的斷裂方式通常是沿晶斷裂，具有較高的強度和斷裂韌性。ShinozakiSS和SuzukiK等人通過加入質量分數不低于3%的Al2O3，分別采用無壓燒結和無壓燒結與熱等靜壓相結合的辦法，系統地研究了它們的組織和力學性能。通過一系列不同的燒結制度，研究了晶粒生長、密度、強度和韋伯模數（強度分布的模數）的變化情況，并指出了晶粒的縱橫比與斷裂韌性之間的關系，實現了碳化硅陶瓷微觀組織的原位控制技術。
4.結語
碳化硅材料因其優良的性能而得到越來越廣泛的應用，不同制備工藝制得的產品性能有一定的差別。反應燒結法具有燒結溫度低的優點，但燒結過程中會在坯體中留有部分殘余硅，使材料的服役溫度下降。液相燒結可以制備出不含殘余硅的碳化硅陶瓷，但由于碳化硅的強共價鍵性，必須在坯體中加入氧化鋁等作為燒結助劑形成液相才能使碳化硅坯體致密化。熱壓燒結、熱等靜壓燒結和火花等離子體燒結碳化硅性能較高，其密度和強度通常要高于無壓燒結，但在燒結過程也都需要加入B、C等作為添加劑促進坯體的燒結致密化且生產成本高，不適于制備異型件。可以實現工業化生產，滿足工業和工程應用領域對相關材料日益苛刻的性能要求。
