（原）材料视角 | 陶瓷简论
初原载于 工大材料汇 2019-10-18
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陶瓷简论
作为中华民族文化之一的陶瓷文化，在民族母体中孕育、成长与发展，它以活生生的凝聚着创作者情感、带着泥土的芬芳、留存着创作者心手相应的意气的艺术形象，表现着民族文化，叙述着一个个动听的故事，展现着广阔的社会生活画卷，记录着芸芸众生的悲欢离合，描述着民族的心理、精神和性格的发展与变化，伴随着民族的喜与悲而前行。
通过观察上面的陶瓷，我们能够想到什么呢？画面中有两朵花，一朵“骄阳似火”，一朵“闭月羞花”，它们分别象征着。。。。。（剩下的就交给你们咯）
好吧我承认这么想确实没错，但今天我们要以科学的视角，来揭开陶瓷的神秘面纱！！
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构成陶瓷的主要原料
陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。
粘土本人在此
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粘土是含沙粒很少、有黏性的土壤，水分不容易从中通过才具有较好的可塑性。坯体的成型是借助于粘土的可塑性，注坯泥浆则赖于粘土的细分散性而获得良好的悬浮性与稳定性，故配料中必须用一定量的粘土。同时粘土是瓷坯组成中氧化铝的主要来源，是坯体耐火性质的主要依靠。
粘土富有可塑性，在瓷坯中用以对一些非可塑性原料(长石、石英等)产生结合能力，使瓷坯在干燥过程中避免变形与开裂的缺陷，并产生了强度。同时因粘土的粒子很细,而非可塑性原料的粒子较粗，二者相混，可得堆积密度很高的坯体结构。
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Q&A
Q:
原来粘土功能这么多啊，那如果这些功能丰富的原料组合在一起能给陶瓷带来什么样的特性呢？？
A：
我们经常说的陶瓷，是指陶器和瓷，所以说到陶瓷的特性我们需要分开单独来讨论。
说到陶瓷材料，难免将陶与瓷分开来谈，我们经常说的陶瓷，是指陶器和瓷。
陶质材料：与瓷相比，陶的质地相对松散，颗粒也较粗，烧制温度一般在900℃—1500℃之间，温度较低。陶的种类很多，常见的有黑陶、白陶、红陶、灰陶和黄陶等，红陶、灰陶和黑陶等采用含铁量较高的陶土为原料，铁质陶土在氧化气氛下呈红色，还原气氛下呈灰色或黑色。
瓷质材料：与陶相比，瓷的质地坚硬、细密、严禁、耐高温、釉色丰富等特点，烧制温度一般在1300℃左右。
所以虽然我们总说陶瓷陶瓷，但其实从这里就能看出，陶和瓷的特性如果细分的话还是有不少区别的。
Q：
在我们的印象中陶瓷脆性大硬度高，似乎总是给人以刚性的特点，那么它有没有“柔情”的一面？它是否可以“刚中带柔”，柔的能够弯曲？
A：
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还 真 有 可 能。。。。。
在20世纪末，日本新日铁公司研制出一种能同橡胶一样弯曲的陶瓷。由于添加了有机物质，新陶瓷既柔软，又耐高温，因此适合用作生产防震材料。据日本报纸报道，这种新陶瓷的制作方法很简单：只是在铝和酒精的化合物中加入类似硅酮树脂的链状有机分子, 然后加热固定。如果不用铝，用钛或钽与酒精的化合物也可制出同样性质的陶瓷。
我有铝和酒精的化合物
我有类似硅酮树脂的链状有机分子
ah~~
弯曲的陶瓷！！！
A：
而现如今美国和新加坡科学家们制造出了一种非常微小的陶瓷，其不仅弯曲后不会破碎，且具有形状记忆，可广泛应用于生物医学和燃料电池领域。这篇研究发表在《科学》杂志上。
该研究的领导者，麻省理工学院材料科学和工程学教授克里斯托弗·舒解释道，拥有形状记忆意味着，当这种材料被弯曲接着被加热时，它们会回复到原初的形状。上世纪50年代，科学家们首次知道这种拥有形状记忆的材料。舒说：“人们一直认为金属和某些聚合物才具有这种属性，从来没有想过陶瓷也会有。”
从原理上来讲，陶瓷的分子结构可以使其具有形状记忆，但陶瓷脆弱易碎是个障碍。最新研究表明，让陶瓷能弯曲并拥有形状记忆的关键在于让其变得很小。
研究人员通过两个关键的方式做到了这一点。首先，他们制造出了肉眼看不见的小陶瓷，接着，再使单个晶粒跨越整个结构，并剔除了晶粒的边界，因为碎裂更有可能发生在这些边界上。最终，他们制造出了微小的陶瓷样本，整个样本的7%可以弯曲变形。研究生阿兰·莱说：“包括普通的陶瓷在内的大多数物品只有1%能弯曲，而我们在最新研究中得到的这些直径仅为1微米的长纤维，其7%到8%能被弯曲而不破碎。”
最新材料兼具金属和陶瓷的优点。金属的强度更低，但非常容易变形；而陶瓷的强度更大，但几乎无法弯曲，新研发的陶瓷则兼具类似于陶瓷的强度以及金属的柔软性。
真的是越来越厉害了啊。。。。。。
其实我们的生活里有很多奇妙实用的科技陶瓷，如陶瓷毛巾，它不仅抗菌力强，而且吸水性佳，清洁性也好。有陶瓷抹布，这种抹布是用灭菌性陶瓷，合成沸石以及尼纶纱制成的，可反复使用，且不会发臭、发霉，粘在抹布上的大肠杆菌和霉菌等24小时后会全部自行死亡。还有陶瓷菜刀，这种菜刀是以氧化锆为材料的陶瓷菜刀，不仅永不生锈，而且始终保持锋利状态，非常适合家庭使用。类似的实用科技陶瓷还有很多，在这里就不一一列举了。
看到这里，想必大家都了解了陶瓷一步步发展的成果，其实这只是陶瓷发展的冰山一角，还有更多的陶瓷材料我们在这里没有讨论，比如高性能新型陶瓷材料，特种陶瓷材料，纳米陶瓷材料等等等等。
但我们可以以小见大，认识到陶瓷材料发展的无限前景，相信在不远的将来，我们对陶瓷能有更多更丰富的认识，从而更好的造福于我们！！
本期问题
Q1：
日本新日铁公司是如何研制出能同橡胶一样弯曲的陶瓷？
答案：在铝和酒精的化合物中加入类似硅酮树脂的链状有机分子 , 然后加热固定。如果不用铝，用钛或钽与酒精的化合物也可制出同样性质的陶瓷。
Q2：
在这里我们提到了陶瓷的可弯曲性，那么陶瓷的耐磨性如何呢？
精选留言1：
一、材料本身的组织结构
（一）力学性能
•陶瓷材料的脆性直接影响磨损率。随着材料断裂韧性的和硬度的提高，陶瓷的磨损率逐渐的降低，耐磨性越好。
（二）显微结构
1. 结构
•一般说来，离子键耐磨陶瓷片高温强度比共价键陶瓷低一些
2.晶粒的尺寸
•一般来说，颗粒越粗耐磨性越不好
a.粗颗粒缺陷较多。较小晶粒以是塑性变形和部分的穿晶断裂为主，磨损较少;较大晶粒则以材料内部沿晶断裂，甚至大晶粒从材料内部拔出的方式发生较大的的磨损。
b.粗颗粒不易烧结。
3.气孔率
•气孔率越高，耐磨性越差。气孔相当于一种缺陷的存在，它会造成应力的集中， 加速裂纹的扩展，降低晶粒之间的结合强度，严重影响陶瓷制品的力学性能。在摩擦力的作用下气孔之间可能会彼此连接起来形成裂纹源，加速材料的磨损。
4.晶界相以及晶间杂质
•晶界处易产生裂纹，形成严重磨损。
•陶瓷当中的一些添加剂和一些杂质成分主要是以“第二相”或者“玻璃相”的形式存在于晶界上他们的存在会对晶粒之间的结合强度造成一定的影响。
a.多晶陶瓷的添加剂一般会以玻璃相的形式存在于陶瓷晶界上，往往降低耐磨性。在摩擦的过程，产生的高温会降低玻璃的粘度，从而引发塑性变形，若邻近的晶界的应力不能相适应则会引发晶界处的裂纹，引发严重磨损。
b.如果适量的添加剂可以在晶界处形成第二相，则往往是有利于材料的耐磨性能的。
二、外部因素如载荷、温度以及气氛等。
（一）载荷
•低载荷时气孔不会造成裂纹的扩展;而在高载荷的情况下，气孔变得不稳定，会在气孔处形成裂纹及扩展裂纹，导致制品磨损率极高，抗磨损突变能力变弱。
（二）温度
•材料不同，强度随温度的变化也不一致。其断裂机制由低温下的脆性断裂而转变为高温下的韧性断裂，因此具有一定的脆-韧转变温度。
（三）气氛
•使非氧化物氧化，氧化物表面粗糙或开裂的气氛均降低强度。
（四）其他
使用温度范围及变化；
腐蚀介质；
受力情况；
硬颗粒碰撞入射角；
粒子冲蚀强度。
---------凳子
参考资料：
中国知网《日本研制出能弯曲的陶瓷》
快科技《陶瓷可弯曲摔不破你信吗？》
奇妙实用的科技陶瓷
百度词条
图片源于网络
本文作者：张昭明
时任审阅：于世龙 刘孟茜
时任编辑：许心雨
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时任总编辑：李晓萌
