陶瓷工業論文范文
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引言
后工業時代的到來,促使世界各國的經濟結構發生了巨大變化,“瓷都”景德鎮也出現了大量的工業廢棄地。這些工業遺址在創意文化產業和旅游產業影響下,有些已被成功改造與利用,有些則荒廢在城市景觀中。研究景德鎮陶瓷工業遺址的現狀與價值,是景德鎮后工業景觀更新設計的基礎,對工業遺址的改造具有重要的意義。
景德鎮陶瓷工業遺址的現狀
景德鎮因瓷聞名,以瓷立市,景德鎮瓷業發展歷史悠久,從1950年至1958年,景德鎮先后建立了包括建國瓷廠在鵲氖多家地方國營企業,包括建國、人民、新華、東風、景興、藝術、光明、紅星、紅旗、宇宙、為民等十余家大型瓷廠,我們習慣稱為“十大瓷廠”。這些瓷廠在半個多世紀里,推動著景德鎮制瓷業的迅猛發展,對景德鎮乃至中國陶瓷作出了巨大的貢獻。
20世紀90年代以后,由于市場經濟大環境的影響,加上企業自身的因素,景德鎮陶瓷企業遭遇重創,被迫走向“分塊承租,劃小經營”的模式。從此,景德鎮陶瓷產業進入了嚴重的衰退期,逐漸被一些私企、外企和個體小作坊所代替。原本的陶瓷廠房荒廢起來,廠區內部遺留下了大量的工業廠房、倉庫、機器、煙囪等設施,成為城市景觀中承載歷史記憶卻失去原有價值的工業遺產。
近些年來,在文化創意產業的推動下,景德鎮舊瓷廠利用廠房優勢,結合陶瓷文化,對舊瓷廠進行改造與再利用,形成了較為成熟的文化創意產業園。例如,1992年初,雕塑瓷廠在原有園林式工廠的基礎上開拓建設了“明清園”,開始走工業旅游的發展道路。隨后又擴建了藝術陶瓷展示中心、名人作坊、陶瓷購物街、旅社等,定期舉辦學術講座、創意集市銷售。又如,建國瓷廠改造為以高檔陶瓷銷售、展出為主;還有近兩年來,以宇宙瓷廠為基礎進行改造的“陶溪川?CHINA坊”國際陶瓷文化產業園也剛剛改造完工。
景德鎮陶瓷工業遺址的價值
1.獨特的工業建筑美學價值
景德鎮現存的工業遺址建筑主要為20 世紀 50~70 年代的建筑,這些建筑大都紅磚、灰瓦、磚混結構和大跨度的鋼梁結構為特色,折射出我國工業建筑的發展軌跡。從建筑美學的角度看,其藝術價值雖不能與其他優秀近現代建筑相媲美,但這些建筑反映了我國特定時期的工業建筑的水平和特點,代表了那個時期城市建筑的風格,物體現了景德鎮在建國以來的廠區建筑藝術風格、流派和特征。工業遺址中構筑物的美感是以工業生產為核心的機械美學。在外的管道、銹跡斑斑的金屬,各種形態、縱橫交錯的構件組合在一起,表現出一種結構美、材質美、工藝美,如能選擇性地保護和修繕工業建筑,這些工業遺產必將豐富城市的肌理,成為城市可識別性的標志。
2.歷史文化價值
工業遺產見證了人類社會巨大變革時期的日常生活,每個城市中的物質形體都打上了歷史發展的印記,而每個時代的特征都濃縮在整個時代的遺跡和建筑上。保留下來的建筑可以告訴我們過去發生過的故事,反映著城市的發展、社會的變遷。時間的久遠性和不可逆性,使得工業遺產的歷史人文價值尤為珍貴。景德鎮舊瓷廠見證了建國以后景德鎮陶瓷生產和陶瓷文化的興盛和衰敗的過程,但通過工業遺址和工業建筑保留下來的物質肌理能夠使人們在情感上取得對歷史的認同和感知。例如,景德鎮“陶溪川”改造項目(原宇宙瓷廠),該廠既有清末時期的的建筑,也有具有包豪斯建筑風格的建筑,因此,歷史文化價值較高。
3.生態價值
景德鎮陶瓷工業遺址雖已停產,但它們遺留在場地內的植物、道路鋪裝、廢舊材料、生產設備等,都是工業遺址改造過程中可直接利用或創新使用的物質對象。。例如,舊瓷廠內大量的窯房、生產車間、倉庫、煙囪等,都可以提取其符號進行藝術化處理,添加藝術造型和藝術肌理,成為體現場地特色的景觀雕塑或小品。景德鎮工業遺產具有“低齡化”特征,保護和再利用工業遺產建筑可以節省大量的拆除成本,避免因產生大量建筑垃圾所造成對自然環境的破壞。在自然資源有限或不可再生的情況下,將工業遺址變廢為寶,將使得景德鎮陶瓷資源的利用最大化,也使得城市擴張與生態保護之間達到平衡,有效保證社會資源的節約,顯示出巨大的生態意義
4.經濟價值
對工業建筑簡單地“推倒重來”,無法適應當代城市發展以及國家推行的可持續發展和科學發展的要求。在市場經濟條件下,實現閑置工業遺址和工業廠房的經濟價值轉移,為以盡可能低的成本投入獲取經濟利潤的最大化,是工業遺址改造的經濟動因。工業遺產建筑的物質壽命一般比其功能壽命長,在工業生產功能退出后,轉換使用功能,發揮工業遺產建筑的再利用價值,可避免資源的浪費。景德鎮“十大瓷廠”本身就是瓷都文化的象征,改制后的原址,文化元素俯拾皆是。因此,對景德鎮舊瓷廠遺址的再利用,不僅可低成本促進創意產業與旅游雙發展,而且有利于景德鎮歷史陶瓷文化的弘揚,提升景德鎮城市旅游形象。
結語
景德鎮陶瓷藝術能夠得以傳承和延續,與舊瓷廠的建立有莫大的關系。我們保護與延續陶瓷文化,不僅要保護歷史文化建筑,也要保護舊瓷廠遺址。隨著我們對工業遺產研究的不斷深入,發現工業遺產的價值己不僅僅局限在藝術層面,還具有建筑美學、歷史文化、生態和經濟的價值,這些都成為工業遺址改造的動因。
(作者單位:景德鎮陶瓷大學 設計藝術學院)
基金項目:本論文為2015年江西省藝術科學規劃項目“后工業景觀視野下的工業遺址再利用研究――以景德鎮為例”(課題編號:YG2015213)的階段性成果;
篇2
潮州,猶如鑲嵌在南海之濱的一顆珍珠,數千年來一直散發著迷人的光彩,陶瓷藝術的繁盛無疑是使這枚珍珠更加璀璨奪目的重要因素。潮州不僅是粵東地區政治、經濟,文化中心,也是中國陶瓷文化的發源地之。早在新石器時期,潮州的先民就開始燒制罐,缽等陶器,唐代開始了真正意義上的瓷器生產,宋代則進入陶瓷藝術的鼎盛時期。時至當代,它又憑借陶瓷產業的突飛猛進而被譽為“中國瓷都”。
青年陶瓷藝術家陳震就生長于這片陶瓷文化的沃土之上,不僅如此,他的父親陳鐘鳴就是一位著名的陶瓷藝術家和中國工藝美術大師。陳震幼年深受熏陶,并展現了他不凡的藝術天賦。小學時他雕塑的作品《母愛》曾獲潮州市美展“小學組”一等獎。12歲時,他在父親的工作室里捏塑了兩件質樸天真的作品張角的人和《頭像》,深得父親的贊賞。后來,父親在這兩件作品的基礎上進行了再創作,作品競入選《世界雕塑全集》,留下了一段父子合作的佳話。
自明代末年起,潮州陶瓷自東郊移至西郊,楓溪成為新興的陶瓷生產基地,清代尤為興盛。清同治三年(1864年)。楓溪出現了瓷塑藝術,多為玩具。自此,瓷塑藝術成為潮州陶瓷的代表性品類,并在中國陶瓷藝術史上占據了重要的一頁。現任廣東省楓溪陶瓷工業研究所高級工藝美術師的陳震無疑受到了傳統瓷塑藝術深刻的影響。但是,與傳統瓷塑藝人明顯不同的是,他是一位受過現代高等院校教育的青年藝術家,他的文化修養和藝術視野遠比前人要深厚和寬廣得多。如果說父親幫助他將藝術的根須深植于傳統和民間的土壤,那么,廣東省陶瓷學校,廣州嶺南美術專修學院和景德鎮陶瓷學院等院校的學習經歷則使得他盡情地吸收學院藝術的營養。傳統瓷塑是民間和傳統的,學院陶瓷是精英和現代的,陳震悠游于兩者之間,既能兼采二者之長,比如潮州傳統瓷塑的古拙,質樸和充滿民間情趣,學院現代陶藝的開放、超越和極具想象力;又能力避二者之短,比如傳統瓷塑的過于通俗和泥古不化,現代陶藝的故弄玄虛和盲目崇洋。 陳震擅長人物陶瓷雕塑藝術,他的藝術來源于潮州傳統的瓷塑藝術,但決不是簡單地復制傳統瓷塑;他的藝術得益于父親的親授,但決不是機械地模仿父親;他的藝術取法于學院藝術,但決不是僵硬地套用學院的創作法則。復制,模仿和生搬硬套是匠人所為,從來為真正的藝術家所不恥,膽敢獨造才是藝術家的命脈所在。陳震面對傳統陶瓷文化令人仰止的高山并不膽怯,被籠罩在父親炫目的藝術光環之下并不氣餒。他要登上高山,他要沖破光環,他要以自己杰出的藝術創作再上層樓,再立標桿。10余年來,他創作了許多令_人過目不忘的作品,并連續入選國家級等大型陶瓷藝術展覽,并獲得各種獎項,幾乎成為陶瓷界的“獲獎專業戶”。他的作品還分別被中國美術館,中國國家博物館釣魚臺國賓館,廣東民間工藝博物館等機構收藏。代表作有《中國娃》系列、《母與子》系列,《mm》等表現現實題材的作品,還有《新仕女》系列、《醉八仙》、《奕》等表現古裝人物的作品。題材無論古今陳震所塑造的藝術形象均是那么的生動傳神,趣味盎然。他以漫畫的手法塑造的可愛的“中國娃”,觀之仿佛能夠聽見這群天真爛漫的孩子的嬉鬧之聲。娃娃的造型突破了傳統“福娃”的程式,充滿濃郁的生活氣息和現代感。《母與子》系列生動再現了潮汕地區質樸憨厚的母親和頑皮可愛的孩子,他們的幸福和甜美打動著每一個觀眾。2009年的新作《mm》,塑造了網絡時代的時尚女子形象,拉長的人物造型既具有莫迪里阿尼式的美感,又精妙地傳達了當代女子慵懶無謂之感。在表現傳統題材方面,陳震更是匠心獨造,他借鑒了潮州大吳泥塑的表現手法,創作了《新仕女》系列作品。大吳泥塑在表現仕女方面有著特定的程式,尤其是面部刻畫和手的捏塑,細膩而嫵媚。陳震大膽突破既有的程式,人物造型夸張,手法寫意,恰到好處地表現了古典仕女的雍容和嬌媚。在《醉八仙》中,他以夸張的手法刻畫神態各異的八仙,翻卷起伏的衣飾更加襯托人物的醉態。粗獷的表現手法迥異于《新仕女》系列的精微與細膩。
陳震是一位才情勃發的藝術家,他自稱自己的作品是“噴”出來的。與其他藝術家苦心經營,反復推敲的創作方式相反,他創作時完全進入了解衣磅礴的境界。陳震又是一位激情澎湃的藝術家,他認為,“藝術創作需要一顆激動的心,才會動人。”的確,他的作品之所以具有強烈的藝術感染力,正是因為它們均是出自于一顆敏慧而激動的心靈。這位善于思考的藝術家,在創作之余,還撰寫并發表了數篇學術論文,如《淺談陶瓷藝術的“意象變化”與“表現形式”》《淺談藝術作品的生命力》等。這些論文體現了他廣博的文化修養以及對于陶瓷藝術的理性思索。
與歷史上曾經的輝煌相比,今天的中國陶瓷藝術之光黯淡了許多,盡管仍是陶瓷生產大國,但其“大”僅僅表現在數量上的“大”,并不是陶瓷強國。如何重塑中國陶瓷藝術新的輝煌,是陳震等青年一代陶瓷藝術家們所面臨的共同問題。相信他既不會圃于傳統瓷塑的程式,也不會被現代陶藝的法則所束縛,他既會在兩者之間,又會超越于二者之上,創造具有獨特風格和氣度的陶瓷藝術作品。如果能夠多一些像他這樣才情,修養功力兼備的藝術家,中國的陶瓷藝術一定會再度輝耀世界,并令世人重新讀解“China”一詞的深刻內涵。
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論文摘要:閩清建陶業煤氣發生爐產生的含酚廢水流入梅溪,導致梅溪流域地表水的揮發酚嚴重超標,提出要綜合循環利用含酚廢水,將建陶業的煤氣發生爐產生的含酚廢水摻入球磨進入生產利用,多余的含酚廢水收集后采用電解催化氧化法進行處理,使整個煤氣發生爐產生的含酚廢水達標排放或零排放,從而控制了污染的源頭。
一、概述
根據酚類能否與水蒸氣一起蒸出,可分為揮發酚和不揮發酚。通常認為沸點在230℃以下的為揮發酚,而沸點在230℃以上的為不揮發酚。揮發酚類的毒性較不揮發酚類強得多。
揮發酚類為細胞原漿毒,其毒性作用是與細胞原漿中蛋白質發生化學反應,形成變性蛋白質,使細胞失去活性,屬高毒物質。它所引起的病理變化主要取決于毒物的濃度,低濃度時可使細胞變性,高濃度時使蛋白質凝固,低濃度對局部損害雖不如高濃度嚴重,但低濃度時由于其滲透力強,可向深部組織滲透,因而后果更加嚴重。長期飲用被酚污染的水,可引起頭昏、騷癢、貧血、及神經系統障礙。
根據感官性狀和一般化學標準的要求,我國《生活飲用水衛生標準》中規定,揮發酚值不超過0.002mg/L;《地表水環境質量標準》規定,Ⅲ類水質的揮發酚不超過0.005mg/L;《污水綜合排放標準》中規定,任何排污單位不應超過0.5mg/L;福建省水質監測技術規范中明確要求,揮發酚項目作為飲用水源水質每期必測的項目。由此可見,水中揮發酚的含量在生活中具有重大的意義。
二、建陶業中含酚廢水的特點
水中酚類的主要來源是工業污染物,如煉油、煉焦、煤氣洗滌、造紙等行業的廢水。閩清建陶業的含酚廢水來源于熱值能源供應車間的煤氣發生爐。
建陶企業為了在燒結過程中能獲得較高且均勻的爐溫,降低成本,都使用煤氣發生爐產氣燃燒。根據爐子結構不同,煤氣發生爐可分單段式和雙段式兩種,單段式煤氣發生爐產生的含酚廢水較雙段式煤氣發生爐多,且含酚濃度高,造成的環境影響大。雙段式煤氣發生爐是設計燒煙煤的煤氣發生爐:這種煤氣爐具有能耗低,煤氣熱值高,氣質穩定的特點;產生的酚水量每個煤氣發生爐約3-5噸/天,可以采取分量加入球磨使用,并通過進入干燥塔消除,完全可以不外排;但雙段式煤氣發生爐造價較高,一般為單段式的1.5倍。單段式煤氣發生爐原設計使用燃料為無煙煤,但因使用無煙煤制煤氣,產生的煤氣熱值低、造價較低,因此許多陶瓷企業為了增加瓷磚產量,降低投資成本,紛紛改用煙煤直接入爐制氣。這種工藝流程制氣可以達到煤氣熱值高的效果,但由于出爐時帶焦油的煤氣數量多、溫度高,而電捕焦的正常工作溫度為≤150℃,其煤氣必須經過雙豎管水洗降溫后才能工作,這樣煤氣爐的水經過與煤氣直接洗滌就和酚水混合,所以含酚廢水量就增多,因此只能通過外排來解決。
建陶業的煤氣發生爐產生的含酚廢水,其濃度在300-1000 mg/L之間,回收價值低,而建設的蓄污池簡陋,易產生突發性污染事故,因此,必須有效地控制其排放濃度,綜合循環利用所產生的含酚廢水。
三、含酚廢水對梅溪流域地表水產生的影響
在閩清未引入煤氣發生爐之前,梅溪流域地表水的揮發酚均為未檢出,自從2005年下半年,多家煤氣站的完工、投入使用,且沒有污水處理設施,直接排放,使當年11月份省控梅溪口斷面,縣控田中斷面等出現檢出,并超標。2006年1月隨著溪水的流量銳減,含酚廢水對梅溪的影響達到頂峰,地表水的揮發酚檢出值最高。如下表。
表1
梅溪流域各支流斷面監測數據表
單位:mg/L
從表1可以看出,2006年1月份控制芝溪流域水質的田中斷面超標最嚴重,濃度值達0.595mg/L,超標119倍,其主要原因是上游建陶業比較集中,治理和綜合利用較緩,產生、排放的含酚廢水量大,因此在枯水期溪水流量小的情況下,導致揮發酚超標現象更為突出。控制玉演溪的六角斷面上游陶瓷企業相對較少,但距最近的一家建陶業不足200米,產生的影響較直接。同樣,省控的梅溪口斷面,納入了所有上游建陶企業含酚廢水,雖然水體能自凈一部份,但更主要的原因是梅城的幾家陶瓷企業,尤其距最近一家建陶企業的排污口不足500米,它們都直接地影響該斷面的水質,使該期的揮發酚濃度高達0.034mg/L。
在梅溪流域發現揮發酚檢出后,縣政府、環保局不斷加大對陶瓷行業的管理力度,要求建陶企業簽訂“陶瓷環保責任書”,對于不履行責任書的企業將給予相應的處罰。且多次到佛山市的陶瓷企業進行參觀考察,借鑒其先進的污水防治措施,結合閩清建陶行業的特點,制定一套較為科學可行的措施。主要從源頭、過程與循環利用三個方面進行控制。使每個企業的含酚廢水基本上達到達標排放或零排放,從地表水斷面監測數據也可以顯示出,從2006年5月以后的監測數據中梅溪各支流斷面均未檢出。
四、含酚廢水的綜合利用
建陶業煤氣發生爐的含酚廢水其成分比較復雜,屬于難處理的工業廢水之一,其產生的廢水必須嚴格控制排放,并回收利用或經處理后達標排放。目前,煤氣站含酚廢水的處理途經主要有兩條,一是改進煤氣生產工藝,改單段爐為雙段爐,既能減少含酚廢水的產生量,又能降低含酚廢水的濃度,或循環用水以減少廢水量,并提高廢水中含酚濃度,便于回收。二是回收利用和選用適當的廢水處理方法,常見的處理方法有:萃取、吸附、蒸氣吹脫、離子交換、化學沉淀、化學氧化、生化處理等。一般說來,含酚濃度在1000 mg/L以上的廢水應先考慮酚的回收,再加破壞處理,以達無害排放,含酚濃度低于此濃度以下,則要無害化處理。
根據閩清建陶企業的具體情況,采用綜合循環利用的辦法,即用較高濃度的含酚廢水分量摻入球磨,進入生產使用,多余部分采用電解催化氧化(氧化絮凝復合床)法,即用中山大學環境工程有限公司自行設計的,采用氧化絮凝復合床(Oxido-Floculation Reactor,簡稱OFR)污水處理設備,根據廢水中需要去除的污染物的種類和性質,在兩個主電極之間充填高效、無毒而廉價的顆粒狀專用材料、催化劑及一些輔助劑,組成去除某一類污染物復合填充材料作為粒子電極。將這些材料裝填于結構為方型或圓型的復合裝置,在一定的操作條件下,裝置內便會產生一定數量的具極強氧化性能的羥基自由基(-OH)和新生態的混凝劑。這樣廢水中的污染物便會發生諸如催化氧化分解、混凝、吸附等作用,使廢水中的有機污染物迅速被去除。再經沉淀池沉淀,最后經過砂濾、碳濾等過濾,收集未能沉淀或氣浮的微小懸浮物,最后達標排放。
污水處理系統由集水池、隔油池、調節池、電解槽、混凝沉淀池、ABR厭氧池、好氧池(接觸氧化池)、二沉池、砂濾池、碳濾池、清水池及污泥濃縮池等組成。
電解催化氧化(氧化絮凝復合床)工藝特點:從三維電極的基本原理出發,巧妙配以催化氧化技術,構成一種新的很具特色的氧化絮凝復合床水處理技術。這種充分利用一些已有的原理和技術進行“巧妙的組合”達到1+1>2的目的,以求獲得更佳效果的方法,也是當前學術和工業領域的新思想。這種新技術是根據水中需要去除污染物的種類和性質,在兩個主電極之間充填高效、無毒而廉價的顆粒狀專用材料、催化劑(或催化手段)及一些輔助劑、組成去除某種或某一類有機或無機污染物最佳復合填充材料作為粒子電極,將它們置于結構為方型或圓型的復合床內,當需要處理的廢水流經氧化絮凝復合床裝置時,在一定的操作條件下,裝置內便會產生一定數量的羥基自由基和新生態的混凝劑。這樣廢水中的污染物便會產生諸如催化氧化分解、混凝、吸附、絡合、置換等作用,使廢水中的污染物迅速被去除。這種方法運行成本低,結構簡單,操作方便,易于管理。
采用此方法的代表企業有新東方陶瓷有限公司,根據閩清縣環境監測站的監測數據如下:
表2
新東方陶瓷有限公司含酚廢水處理設施水質進口監測結果統計表
單位:mg/L
表3
東方陶瓷有限公司含酚廢水處理設施水質出口監測結果統計表
單位:mg/L
從現有監測結果表明,新東方陶瓷有限公司產生的污水經處理設施后,水質各項指標均能符合處理設施的設計出水水質要求和GB8978-1996《污水綜合排放標準》表4中Ⅰ級排放標準。尤其是揮發酚、CODCr、色度在經過處理后都能達到相應排放標準。
由于實際處理的能力與煤氣發生爐產生的含酚廢水量不一致,不同的企業在生產進行過程中,回收利用不及時、或其它原因造成廢水過剩,有可能造成含酚廢水外排,因此,要采取適當的措施,進行排除類似事故的發生。
高濃度的含酚廢水進入干燥塔進行燃燒后,是否從水相污染轉達化為氣相污染,本人于2007年年初選擇四家不同生產工藝的代表企業進行跟蹤監測,結果如下:
表4
含酚廢水摻入球磨利用后的排放濃度
污水含酚濃度mg/L
干燥塔中含酚濃度mg/m3
廢氣中酚排放標準mg/m3
恒豐陶瓷有限公司
南海陶瓷有限公司
豪業陶瓷有限公司
歐美陶瓷有限公司
從表4中可以看出,用高濃度的含酚廢水摻入球磨,進入生產利用,不同的生產工藝,均未從水相污染轉化為氣相污染,說明這一方法在閩清的建陶業中可以推廣使用。至于水相的酚是否進入到體坯,在窯爐中高溫裂解,還是在干燥塔中分解,有待于進一步探討。
五、探討與建議
建陶行業作為閩清縣的一個支柱產業,其污染防治問題是閩清縣面臨的一個重要課題,推行清潔生產,對這些建陶業加強管理,科學地進行物料平衡、改進生產工藝等是建陶業污染防治的宗旨。在節約資源、降低能耗、提高產品質量和降低成本的前提下,改進建陶業的生產工藝,選用經濟、環境綜合效益較高的原料,使用清潔能源,這樣不僅能增強市場競爭能力和企業發展后勁,同時能大大減少污染物排放,減輕末端處理的負荷,降低處理費用,還可避免減少末端處理可能發生的風險和二次污染。但從閩清建陶工業目前的生產現狀和工藝特點看,要完全地按照清潔生產的要求控制污染尚存在較大的難度,只能從現實出發,采取以物耗最少化、廢物減量化和效益最大化為主,末端控制為輔的綜合污染防治方式。
近年來梅溪水量逐漸減少,水體納污自凈能力差,惡化速度非常快,一旦建陶企業高濃度含酚廢水排向水體,就使梅溪水質揮發酚項目超標。在此為了梅溪水質清潔,提幾點建議:
1、對于新建的建陶企業應禁止建設煤氣發生爐,規范企業使用閩清現有的廣安天然氣或燃燒柴油、石油液化氣等清潔能源,減少含酚廢水的產生,努力做到增產不增污。
2、水煤漿也是一種很好的選擇,其原料豐富,制備相對簡單,運輸儲存安全性能極佳,污染程度低。可以選擇使用。
3、加強環保行政執法,對新上項目嚴格執行“三同時”制度,做到建設項目中防治污染的設施,必須與主體工程同時設計、同時施工、同時投產使用。
4、淘汰工藝落后、污染嚴重的單段式煤氣發生爐,使用單段式煤氣發生爐的企業應在規定時間內完成雙段式整體改造。
5、應建造足夠容量的污水蓄水池,必須做好清污分流措施,確保制氣廢水閉路循環,同時應將污水按一定比例摻入到球磨中使用,綜合循環利用,以保證制氣廢水零排放。
6、采用廢水處理工藝,目前在國內含酚廢水的處理技術已經比較成熟,處理方法也有很多種,根據企業的自身特點,選擇有效的處理方法,使煤氣發生爐產生的廢水達標排放或零排放。
參考文獻
[1]、中國環境監測總站. 水和廢水監測分析方法(第四版) [M].北京:中國環境科學出版社,2002,189-193
[2]、彭仁華,付凌艷,等.大力發展陶瓷循環經濟[J]景德鎮陶瓷,2005,vo115 No.1.34
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關鍵詞:分散劑復配;陶瓷分散劑;靜電效應與空間穩定效應;分散穩定性
1 引言
陶瓷的分散均勻性是影響陶瓷產品物理性能的重要因素[1-3],分散劑的加入會大大改善陶瓷漿料的分散均勻性。傳統的陶瓷分散劑價格低、易購買,但用量大、穩定分散效果不佳,分散作用十分有限。而一般的有機分散劑效果相對好,用量也較多,價格貴[4-5]。利用復配技術將幾種分散劑復合使用是降低用量、提高性能、降低成本的有效途徑,往往具有最好的效果[6-10]。
2 實驗部分
2.1實驗材料與儀器
本實驗所用的主要原料是廣東佛山某陶瓷有限公司的衛浴陶瓷原料,該原料的主要礦物組成為黑泥 55% 、長石 30%、石英 15%。原料的化學組成見表1。本文所采用的實驗儀器有NDJ-1旋轉黏度計、GMJ2-30L罐磨機、KM1單瓶快速球磨、電動攪拌機、涂4福特杯、電熱鼓風機、篩子(325目)、TG705型電子天平。本文所采用的實驗藥品有硅酸納、三聚磷酸鈉 、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、草酸鈉、聚丙烯酸鈉。
2.2實驗流程
復配試劑的工藝流程如圖1所示。
2.3實驗方法
稱取489.73g黑泥(含水率27%)、195g長石、97.5g石英,放入球磨罐內,再加入已經配制好的試劑,按一定先后順序加入。首先,先加入無機試劑,再加入有機試劑,并稍微搖勻使其充分滲入粉料中,盡可能減少損失;然后,加入定量的自來水,從而配制一定固相質量分數(固含量)的懸浮液,設定球磨時間為150 min,停止球磨后倒出漿料,對漿料性能進行測試。
在單一分散劑分散效果的基礎上,選擇兩種分散劑進行復配,試驗中選擇了無機分散劑與小分子有機分散劑,無機分散劑與高分子有機分散劑進行復配,設計結果見表2、3。實驗固含量為69%,球磨時間為150 min,分散劑加入總量為0.4%。
2.4漿料分散性能的研究
(1) 分散性測試
按表2、表3的配比使用不同用量的分散劑配置漿料,設定電動攪拌機為1000 r/min,漿料剪切分散10 min,在室溫下用NDJ―1 旋轉黏度計測試漿料的黏度,作出黏度變化與分散劑用量的曲線圖。比較不同種類分散劑作用時,漿料的黏度變化。
(2) 流動性測試
用4福特杯測試漿料的流出時間,列出流動性對比表格。
(3) 穩定性測試[7-9]
將分散劑用量最佳的漿料倒入50 mL量筒,分別記下t= 0 min、2 min、4 min、6 min、8 min、10 min、12 min、14 min時刻懸浮液中顆粒層的沉降高度H,根據V=(Ht+2-Ht)/2計算沉降速率,做沉降速率對時間的關系曲線。選出分散性能較好的分散劑。
3 實驗結果與討論
3.1黏度分析
3.1.1單一分散劑對黏度的影響
本實驗所采用的單一分散劑對泥漿黏度的影響如圖1和圖2所示。減水性分散劑對泥漿黏度降低越多則減水分散效果越好。
由圖1可知,無機分散劑的用量在0.2%~0.4%之間時,隨著無機分散劑的加入,泥漿黏度先下降后增加,這是因為隨著減水性分散劑用量的增加,系統的ζ電位增加,粒子間靜電排斥力增大,膠粒之間充分分散[9],當分散劑用量繼續增加時,兩個臨近的粒子間發生電位重合,雙電層厚度變薄,引力大于斥力,粒子相互靠攏發生團聚出現絮凝,增加泥漿黏度。硅酸鈉的較好解凝用量范圍較寬,原因可能是硅酸鹽與泥漿中所含的SiO2成分相匹配性較好。
聚丙烯酸鈉是高分子減水性分散劑,其作用機理主要是靜電位阻效應[7]。
從圖2中可以看出,聚丙烯酸鈉對于此黏土系統的用量在0.4%時,泥漿系統的黏度有一較大的突降,隨著分散劑用量的增加,黏度還在下降,但下降的幅度較小,且到0.7%的用量時黏度還未出現上升的趨勢,可見聚丙烯酸鈉的用量范圍寬、減水力強。
3.1.2二組分復配分散劑對黏度的影響
聚丙烯酸鈉與無機分散劑復配后對泥漿黏度的影響如圖3所示。草酸鈉與無機分散劑復配后對泥漿的黏度影響如圖4所示。圖中的m1/m2表示兩種物質的質量之比。
從圖3可以看出,焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉與聚丙烯酸鈉復配減水效果最好比例在1:3左右,六偏磷酸鈉在1:4左右,而硅酸鈉與聚丙烯酸鈉的最佳比例在1:2~1:3之間。比較這組實驗得出:焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、硅酸鈉分別與聚丙烯酸鈉復配的復合分散劑對泥漿的降黏效果最好,焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉與聚丙烯酸鈉的復配比例較寬,硅酸鈉與聚丙烯酸鈉復配后,降黏幅度最大,生產使用時可優先考慮這一組合。
從圖4中可以看出,各無機分散劑與草酸鈉復配之后效果最好的是三聚磷酸鈉和焦磷酸鈉兩種無機分散劑。三聚磷酸鈉與草酸鈉的復配比例在3:1時,降黏效果較好,焦磷酸鈉與草酸鈉的使用比例范圍較寬,比例的變化基本對泥漿黏度起伏無影響,且泥漿黏度都處于較低的水平。
比較圖3、圖4可知,采用無機分散劑與高分子分散劑進行復配的復合分散劑減水效果好。
結合圖1、圖2、圖3、圖4可知,兩種分散劑復配之后,減水效果大大提高,尤其是無機分散劑與聚丙烯酸鈉高分子分散劑復配后的效果更突出。這主要是因為聚丙烯酸鈉是高分子分散劑,減水作用主要來自高聚物長鏈的空間位阻效應。硅酸鈉、焦磷酸鈉等無機分散劑的分散作用主要是靜電效應,將兩種效應的分散劑復配后,泥漿顆粒既吸附帶電離子,又吸附聚合物高分子,發揮靜電位阻復合效應。
3.2 各減水性分散劑作用后泥漿的流動性分析
將黏度最小時分散劑的使用量記為這組實驗的最佳用量。
3.2.1各單一分散劑最佳用量使用時的泥漿流動性。
如表3所示,不同分散劑對泥漿性能的影響差異很大,其中測試使用的無機分散劑中的三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉、硅酸鈉的分散效果較好,六偏磷酸鈉的效果一般。草酸鈉的減水效果不好,而球磨時泥漿分散的較快,可見草酸鈉易被泥漿顆粒吸附,但作用效果有限。高分子分散劑中聚丙烯酸鈉的解凝和分散效果均好。分析篩選試劑得出:無機分散劑的減水分散效果較好,有機小分子分散劑的減水分散效果較差,聚合物高分子分散劑的分散效果最好。
3.2.2復配分散劑在最佳用量時的泥漿流動性
表4列出了不同復配成分的復合分散劑在最佳比例和用量時,對泥漿黏度、流動性的影響,從表中可以看出聚丙烯酸鈉與焦磷酸鈉復合分散劑的流動性最好,聚丙烯酸鈉與六偏磷酸鈉復合分散劑的流動性最差。三聚磷酸鈉、草酸鈉復合型分散劑對泥漿的降黏作用較三聚磷酸鈉、聚丙烯酸鈉復合型分散劑差,但泥漿的流動性較好,原因可能是因為草酸鈉是小分子分散劑,不會在泥漿中形成架橋作用,聚丙烯酸鈉是高分子聚合物分散劑,形成架橋作用的幾率較大,而少量分子的架橋作用也會對泥漿的流動性有一定影響
3.3分散劑對泥漿的分散穩定性分析
3.3.1單一分散劑對泥漿的分散穩定性
一定時間內,漿料懸浮液沉降越慢,分散穩定性越好。由于實驗所用有機小分子分散劑的分散效果不理想,所以選擇無機分散劑和聚丙烯酸鈉高分子分散劑進行分散穩定性測試。比較圖5、圖6可知,經分散劑處理的泥漿顆粒與未加分散劑的空白樣相比,沉降速率變慢,說明加入分散劑后,泥漿的分散穩定性得到改善。
由圖6可知,加入各分散劑后泥漿的沉降規律基本一致,三聚磷酸鈉,焦磷酸鈉在沉降兩分鐘后的沉降速率較小,但沉降依然明顯。六偏磷酸鈉在沉降三分鐘后的沉降速率幾乎為零,原因可能是:六偏磷酸鈉的分子較大對泥漿顆粒吸附較快,所以達到分散穩定所用時間較短。聚丙烯酸鈉在前三分鐘的沉降速率相對無機分散劑較慢,分散穩定性好。
3.3.2復配分散劑的分散穩定性
從前面的實驗可知,聚丙烯酸鈉分別與焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、硅酸鈉的復配組合的降黏作用較其他組合好,因此實驗選擇此三種組合的復合分散劑,進行泥漿的分散穩定性比較。如圖7所示,這三種組合的復合分散劑的沉降速率隨時間的變化規律基本一致,聚丙烯酸鈉與硅酸鈉復合分散劑的沉降速率,在兩分鐘之后明顯較前兩種組合低,說明在這三個組合中,聚丙烯酸鈉與硅酸鈉的穩定性較好,加之硅酸鈉的價格便宜,工業生產時,可以考慮這一組合。
3.4聚丙烯酸鈉、硅酸鈉復合分散劑對泥漿黏度的影響
從前面的實驗得出,聚丙烯酸鈉與硅酸鈉的組合對泥漿的分散性能較好,最后以黏度為基礎,選擇聚丙烯酸鈉與硅酸鈉的比例為2.5:1的復合分散劑,測定不同用量的這一復合分散劑對泥漿黏度的影響規律,結果如圖8所示。
由圖8可知,當聚丙烯酸鈉硅酸鈉與硅酸鈉復合分散劑用量為0.2%時泥漿的黏度出現突降,用量為0.4%時泥漿黏度很低,增加用量泥漿黏度繼續下降,但下降幅度不大。所以工業生產時,選擇用量在0.4%~0.5%為宜。
4 結論
分散劑在陶瓷制造中起重要作用,從實驗結果來看,加入分散劑有利于提高泥漿的分散穩定性,降低泥漿黏度,改善泥漿的流動性。對單一分散劑作用的效果和二元組合作用效果的實驗分析,結果表明:
(1) 通過不同種類分散劑對泥漿的分散效果測定結果分析可知,有機高分子電解質分散劑對實驗所用泥漿的分散作用最佳。幾種分散效果較好的分散劑的分散作用從大到小排列如下:聚丙烯酸鈉、焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、硅酸鈉。
(2) 二元組合分散劑的解凝和分散效果比單一分散劑好,無機分散劑的減水效果比較好,但料漿的懸浮性普遍不好;高分子電解質分散劑的解凝和分散穩定性均好,且解凝范圍寬。
(3) 分散劑加入量有一個最佳范圍,加入量過少或過多,都會使影響料漿體系的穩定性。研究表明:當固含量為69%,無機分散劑加入量為0.2%~0.4%%時較好,聚丙烯酸鈉加入量為0.4%~0.7%。
(4) 二元復合分散劑中,聚丙烯酸鈉與無機分散劑的組合分散效果優于小分子有機物與無機分散劑的組合,在所有的組合中聚丙烯酸鈉與硅酸鈉組合的復合分散劑分散效果最好。
參考文獻
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The Research about the Dispersion Behavior of Ceramic Slurry
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(College Text. & materials,Xi'an Polytechnic University,Xi'an 710048 ,China.)
篇5
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,具有能精確控制的化學組成,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、保證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、鑄鋁用永久性模具、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最高的材料。
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,至今雖沒有完全搞清楚,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最高的燈。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,還必須保證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,最高工作溫度不超過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、低可靠性和重復性。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、可靠性及使用壽命。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一流水平[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。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可靠性和重復性,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。
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