| 词条 | 陶瓷工程 |
| 释义 | 简介陶瓷工程是通过无机非金属材料制造物体的科学核技术。陶瓷工程的研究范围包括包括对原材料的纯化、对需要的化学成分的研究和生产、对产物的结构、成分和性质的研究。 陶瓷材料可能拥有晶体或者部分的晶体结构，在原子层面上是大范围有序的。玻璃陶瓷可能有不定型或类似玻璃的结构，几乎没有有序度或者只能小范围有序。他们的制造方法可能通过是熔化物质冷却凝固，通过加热、或者在低温下通过化学手段如水热或溶胶凝胶法得到。 陶瓷材料特性使其能够在材料工程、电子工程、化学工程以及机械工程中得到很多应用。由于通常陶瓷非常耐热，他们可以用于很多金属和聚合物无法胜任的地方。陶瓷材料在工业中有广泛的应用，包括采矿、航天、医药、精炼、食品和化学工厂、电子行业、工业输电、以及光波导传输等等。 历史陶瓷这个词（ceramic）来自希腊语单词κεραμικός (keramikos)，意思是陶器。这个单词和古印欧语词根燃烧有关。 在英语中，陶瓷可以用作单数名词，只陶瓷材料或者陶瓷制品，或者作为形容词使用。复数形式的陶瓷可以用来指使用陶瓷材料制作东西。和许多科学技术一样，陶瓷工程经过了很大的发展，它在以前的含义和今天的标准有很大的不同。材料科学工程和陶瓷工程现在聚合在了一起。 1709年，亚伯拉罕·达比在英国的什罗普首次使用了焦炭，以增加熔炼过程的产量。现在焦炭在生产碳化物陶瓷中已经得到了广泛的应用。1759年，陶工乔赛亚·韦奇伍德在英国的特伦特河畔斯托克开办了第一家现代陶瓷工厂。1888年，奥地利化学家卡尔·拜耳为俄罗斯的纺织业开发了一种从矾土矿石中分离铝的生产技术，这种技术被称为拜尔法。现在，拜尔法仍然被用来为陶瓷工业和铝工业提纯铝。皮埃尔·居里和雅克·居里两兄弟在约1880年发现了酒石酸钾钠具有压电特性，压电性是电子陶瓷的关键特性之一。 1983年，爱德华·古德里奇·艾奇逊通过敬爱热焦炭与粘土的混合物发明了碳化硅，或称合成碳化硅。法国化学家亨利·莫瓦桑也几乎同时在他的电弧炉中合成了碳化硅和碳化钨。1923年，卡尔·施罗特在德国使用液相烧结是莫瓦桑的碳化物粒子与钴结合（或称黏合）。使用这种与金属结合的碳化物制成刀刃可以大大延长加硬钢制成的刀具的寿命。二十世纪二十年代，瓦尔特·能斯特开发了立方氧化锆生产技术。这种材料在排气系统中用作氧气感应器。在工程中使用陶瓷的唯一限制是它的易碎性。 军用需求第二次世界大战（1939-1945）中对陶瓷的军用需求极大的促进了陶瓷工程的发展。战争产生了对高性能材料的需求，从而加速了陶瓷科学技术的发展。在二十世纪的六十年代和七十年代中，由于核技术、电子行业、通信行业以及太空技术的要求，许多新型陶瓷被开发出来了。1986年，发现了陶瓷超导体，这引起了对陶瓷超导体的在电子器件、电动机和运输设备中的应用的研究兴趣。 军队部门对高强度的坚固的材料的有越来越高的需求，这种材料可以在可见光和中红外波段传输光。这些材料可以用于需要透明装甲的场合。透明装甲一种材料或者一系列的材料，它们是透明的并且可以提供对弹片的防护。对透明装甲的主要需求不仅仅是用来打败有威胁的敌人，同时也可以提供一种最少干扰周围区域的多打击能力。透明装甲的视窗必须与夜视装备兼容。人们正在寻找新的更薄、更轻，可以提供更强的防护能力的材料。这种固体的部件在许多不同场合都有着广泛应用，如在光电方面可以用于传输光波的光纤、光开关、光放大器和透镜，制造固体激光器主机和气体激光器的透明窗的材料，以及用于导弹制导系统和红外夜视系统的红外线热搜索设备。 教育历史捷克共和国 第二陶瓷技术学校于1872年在哲诺伊摩成立。1922年，这所学校搬迁到卡罗维发利州。 贝希涅陶瓷技术学校于1884年成立。 日本 - 日本陶瓷学会于1891年在东京成立。 德国 德国陶瓷学会于1919年在柏林成立。 公立陶瓷技术学院于1908年在塞尔普成立。1973年，这个学校转移至纽伦堡理工学院，和一所陶瓷职业培训机构合并，同时也合并了一所提供陶瓷交易、测试和实验室课程的学校。 波兰 - 本茨劳陶瓷技术学院存在于1887年到1945年。 西班牙 公立陶瓷学校于1911年在马德里成立。 马尼塞斯陶瓷学校于1914年成立。 美国 - 美国的第一个陶瓷工程系由小爱德华·奥顿在1894年建立。他是俄亥俄州立大学地质和矿业工程的教授。奥顿和其他八个专业人士在1898年匹兹堡召开的全国砖制造商协会上成立了美国陶瓷学会， 奥顿是第一任陶瓷学会秘书长，他在俄亥俄州立大学的办公室被用作学会早期的总部。查尔斯·宾斯在1900年建立了纽约州立粘土与陶瓷学校，现在名为阿尔弗雷德大学。宾斯是陶瓷学会的第三任主席，霍顿是第32任主席。 现代工业现在陶瓷工程已经是每年已经有数十亿美圆的产值的行业了。陶瓷工程和研究已经是科学中的一个重要领域。研究者不断的开发新的材料，以满足不同的需求，因此陶瓷材料的应用场合越来越广。 二氧化锆陶瓷可以用来制造刀具。陶瓷刀具的刀刃比钢制刀具的刀刃寿命更长，尽管它有些脆，在落到坚硬表面时容易折断。 矾土、碳化硼和碳化硅等陶瓷可以用于防弹背心，以抵当大口径步枪的射击。这种陶瓷板通常被称为轻武器护层。由于它们一般比较轻，类似的材料可以用来保护一些军用飞机的驾驶员座舱。 氮化硅零件被用于陶瓷球轴承。他们的高硬度意味着他们更加不易磨损，可以提供超过普通材料三倍的寿命。他们在负载下的形变也比较小，这意味着他么能接触轴承支架边缘的面积也比较小，这样，它们滚动的速度就可以更快。在高速运动的场合里，滚动摩擦产生的热量可能会对金属轴承产生问题，但是这些问题可能通过使用陶瓷轴承得到缓解。陶瓷轴承通常拥有更加稳定的化学性质，因此可以用于潮湿的场合。在这种场合使用钢铁轴承会使他们生锈。在很多场合里，他们的电气绝缘的特点经常也对轴承很重要。陶瓷的主要缺点是它们高昂的成本。 二十世纪八十年代早期，丰田对一种绝热的陶瓷发动机进行了研究。这种发动机可以在超过3300 °C的温度下工作。陶瓷发动机不需要冷却系统，因此可以减轻很大一部分重量，从而提高了燃料使用效率。而且根据卡诺热机定理，燃料效率也会随着温度的升高而升高。在传统的金属发动机中，大多数燃料燃烧释放的能量都作为废弃排放到空气中了，以防止金属零件被熔化。尽管拥有这些可取的特点，这种发动机仍然没有投入生产，这是因为制造符合精度要求和持久性要求的陶瓷零件非常困难。陶瓷中不完美的结构会导致破裂，并且可能会引发危险的设备失效。这种发动机在实验室环境里是可能的，但是大规模的生产在目前的技术条件下还不可行。 扫描电子显微镜下放大10000倍以后的骨骼矿物质结晶。使用陶瓷制造涡轮发动机的零件的开发工作即将结束，目前，即使在发动机热区使用超级合金制成的叶片也需要冷却系统，同时限制工作的温度。使用陶瓷制造的涡轮机的工作效率将会更高，使得飞机用同样多的燃料能够飞得更远，载更多的重量。 最近，生物陶瓷的研究取得很大的进展，如牙齿植入物和合成骨骼。羟基磷灰石是一种天然的骨骼矿物成分，这种物质可以通过一些生物和化学原料合成，而且可以制成陶瓷材料。使用这些材料制成的骨科植入物可以更好地与骨骼和身体立德其他组织结合，而不会产生排异反应和炎症。由于这个原因，在基因传递和组织工程领域对这种材料很感兴趣。大多数的羟基磷灰石陶瓷都是多孔的，缺少足够的机械强度，因此经常被用于作为金属涂层，以使其与骨骼结合的更紧密，或者作为骨骼的填充物。他们也可以用作骨科的塑料螺丝的填充物，以减轻炎症，同时使塑料骨科材料更容易吸收。目前的工作是通过生产致密的纳米级结晶羟基磷灰石陶瓷材料使它们更加强壮，能够应用于骨科的需要承受重量的设备，这样就可以使用合成的但是天然存在于骨骼中德矿物质来替代外来的金属和塑料骨科制品了。对这些陶瓷进行研究的终极目标是让他们可以替代骨骼，或者结合胶原蛋白来合成骨骼。 手表制造业也使用高科技陶瓷来制造手表的外壳，这是由于这些材料重量更轻，耐划，寿命更长，摸起来也更光滑。万国表是制表业中最开始使用陶瓷的品牌，他们在2007年的双计时飞行员手表Top Gun款中使用了高科技黑色陶瓷手工制造。 玻璃陶瓷玻璃陶瓷材料有许多玻璃与陶瓷的共同特征。玻璃陶瓷具有一种无定形相和一种或多种晶体相。这种材料通过一种被称为受控结晶的技术生产，而这种技术通常是在玻璃制作中需要避免的。玻璃陶瓷通常包含有一种均匀分布的晶体相，占其体积的30%到90%，这样产生了一种具有引人注意的热力学特性。 在生产玻璃陶瓷的过程中，熔融的玻璃在重新加热和退火前缓慢的冷却。在加热过程中，玻璃会发生部分的结晶。在大多数情况下，需要向其中添加一种被称为“成核剂”的物质以控制洁净的过程。由于通常没有施加压力和烧结，玻璃陶瓷一般不会出现烧结陶瓷中常有的多孔现象。 玻璃陶瓷通常指一种锂和硅铝酸盐的混合物，包括一系列拥有引人注意的热力学特性的材料。最具有商业意义的一种特性是他们能够阻隔热冲击。这样，玻璃陶瓷在制造烹调台面上非常有用。某些拥有负的热膨胀系数的晶相可以于拥有正的热膨胀系数的玻璃相混合，这样他们的膨胀系数就会互相抵消。大约晶相占70%的时候，玻璃陶瓷拥有接近于0的热膨胀系数。这种玻璃陶瓷有很好的力学特性，可以反复快速加热至1000°C. 统的陶瓷生产步骤按照如下顺序：粉碎→配料→混合→成型→干燥→火烧→装配。 生产步骤球磨。粉碎是指将材料从较大的体积转变为较小体积的过程。粉碎过程需要将黏合材料打碎，每一个单独的材料块仍然有自己的外形，或者需要将材料弄成粉末。粉碎通常通过机械手段实现，包括摩擦（材料块与块之间碰撞，使得大块被打碎，颗粒被削减，压缩（施加压力增大摩擦），还有冲击（需要引入研磨介质，或者材料颗粒自身会造成粉碎）。摩擦粉碎设备包括洗涤器，在水中有叶片，可以产生漩涡，是材料在其中发生碰撞而被打碎。压缩粉碎设备包括颚式碾碎机，滚动碾碎机和锥形碾碎机。冲击粉碎设备包括球磨，其中有一种介质不停地翻动，砸碎材料。轴撞击导致材料颗粒与颗粒间的摩擦和压缩。 配料是根据配方对各种原材料称重的过程，将原材料准备好用于混合和干燥。 混合在配料过程之后进行，通常使用不同的机器来实现。在混合搅拌的过程中通常需要加入水。 成型是指将混合好的材料制成各种形状。成型过程可能包括：1）挤出，如制造砖的过程；2）压制成型；3）注浆成型，如在制造马桶、洗脸盆和陶瓷雕像灯装饰品的时候。成型过程将会生产出一个用于干燥的零件坯。零件坯比较软，长时间放置会破坏它的形状。处理待加工零件可能会改变它们的外形，如，没有被烧制的砖可以被挤压，而挤压以后就保持了那个形状。 干燥是将已成型材料中的水分或其他结合剂去除的过程。喷雾干燥现在被广泛的用于准备冲压的粉末。其他的干燥机如管道干燥机、周期干燥机。在需要加热的两个阶段中，都需要对其施加受控的热量。首先，热量将水分移除。这一步许要小心的控制，如果快速加热，会产生裂纹和表面瑕疵。干燥后的零件将比零件坯更小，更容易碎，一点点很小的力量都可能造成零件破碎，因此必须需要更小心的处理。 火烧是将干燥的零件进行受控加热的过程，这时原材料中的氧化物会发生化学变化，并引起烧结。通过火烧的零件将会比干燥的零件更小。 形成方法陶瓷成型技术包括抛掷、注浆、流延、注射成型、干压、等静压、热等静压以及其他方法。在许多领域的技术中都需要某种方法以将陶瓷粉末制造成复杂的形状。例如，生产先进的高温结构的零件如热机零件、涡轮机零件就需要这些方法。用于成型过程的材料除了陶瓷以外可能还包括：木头、金属、水、石膏以及环氧物，但是这些物质的大多数都将在火烧过程中被烧掉。 由于这些成型的技术可以提供具有维度稳定性、高表面质量、高密度和微结构一致性的工具和零件，这些技术很有名。而需要采用特殊方法成型的各种专门形状陶瓷的广泛应用又使得处理技术越来越多。 增强纤维主要使用聚合物、溶胶凝胶、或者CVD 方法制造，但是也可能使用熔融的方法。最广泛使用的的形态是层状结构，例如流延法制造电子衬底和封装就是很好的方法。光刻法在精确制造半导体和其他如封装的部件成型方面也有越来越广的应用。流延法等成型技术在其它应用中也日渐引人注目，如像燃料单元这种开放的结构等等。层状结构的另一个重要应用是加膜，这里很重要的技术是熔融喷雾，但是也物理蒸汽沉淀和化学方法的应用也越来越广泛。除了开放的结构，如蜂巢催化、包括各种泡沫材料的多孔结构（如网状泡沫）都有日渐广泛的应用。 目前这种使用粉末材料制成的物体的致密性都是通过无压力烧结实现的。但是，使用通过热压进行压力烧结的方法的情况越来越多，特别是在使用非氧化物和制造形状简单但是质量要求高的零件时，还有制造大型零件或者每次制造多个零件时，使用压力烧结更为先进。 烧结过程基于烧结的方式的基本原理很简单。火烧的温度低于陶瓷的熔点。一旦制成了一个干燥的坯，它将在窑中烘烤。在这里原子和分子的扩散过程将使主要的微结构特征发生重大改变。这些改变包括多孔性的逐渐消除，这通常是由于材料发生了收缩，整体变得更加致密。这样，物体中的细孔可能发生封闭，导致材料的密度变大，从而极大的提高了材料的强度和抗磨损性。 应用宇航 生物医学 电子行业 光学行业 汽车行业 |
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