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杂说陶瓷材料(上) 精选

已有 3916 次阅读 2020-7-6 08:32 |个人分类:科学与生活|系统分类:教学心得| 无机非金属材料, 硅酸盐, 硅氧四面体, 砖瓦, 水泥

杂说陶瓷材料(上)

提起陶瓷材料,大多数人最先想起的恐怕就是家里的饭碗,想起宜兴的紫砂陶茶壶,想起景德镇的美丽瓷器,想起卫生间里各种卫生洁具,想起高压电线上悬挂的绝缘子。这些确实都是陶瓷材料制成的产品。

不过,如今的“陶瓷材料”一词的含义,远远超出了我们心目中的“陶器和瓷器的总称”。人们还在更广泛的意义上应用“陶瓷材料”这一词语,把它作为“无机非金属材料”的另一个说法。在这一意义上,可以把陶瓷材料分为传统陶瓷和精细陶瓷。从化学组成来说,传统陶瓷主要指硅酸盐材料,而精细陶瓷则除了氧化物外,还有氮化物、碳化物及硼化物等。

我想,在人类的历史上,制造出陶器应当是最重要的发明之一了。有了陶器,人们才能够把食物煮熟,不然人们只能把食物烤熟。而对于植物种子一类的食物(比如原始的稻米、黍子等),经过水煮与不经水煮对于人们的消化吸收效率是大不相同的。有了陶器,人们就有了储存水和谷物的容器。这些都对于农业产品成为人们生存所需要营养和能量的主要来源从而对农业社会的形成起着极其重要的作用。

陶器是最早的人工制造的材料。这不是偶然的。陶器(和后来产生的瓷器)都是由黏土和含黏土的混合物(另含长石、石英等)经成型、干燥,烧制而成的材料。而这些黏土和含黏土的混合物也是人类最容易得到的天然材料。

这些制造陶器或瓷器的原料即黏土等的主要化学成分,都是所谓硅酸盐,所以人们把陶器、瓷器归于硅酸盐材料。例如,著名的制造高级瓷器的原料高岭土,其化学成分可以写为Al2O3·2SiO2·2H2O,其他黏土也差不多是这个成分,不过有更多的杂质罢了。在煅烧的过程中,黏土失去了结晶水,生成更坚硬的莫来石3Al2O3·2SiO2和二氧化硅SiO2。所以,无论是陶器或瓷器,比较其原料,硬度都大大提高了。

这里所谓的硅酸盐材料,其实并没有独立的硅酸盐分子,也没有三氧化二铝和二氧化硅的分子,之所以这样写,只是表示组成这些物质中元素的比例罢了。在这些物质中,大多数只有硅氧四面体和铝氧四面体或铝氧八面体结构。

众所周知,碳是第四主族的元素,每一个碳原子可以与四个原子形成化学键。如果全部都是碳原子,某一个碳原子位于正四面体的中心,另外四个碳原子位于正四面体的四个顶点,许许多多碳原子这样的堆积起来,形成金刚石结构。

硅也是第四主族的元素,与碳原子一样,硅原子也可以形成四个化学键。如果每一个硅原子与四个氧原子形成化学键,而每一个氧原子又与两个硅原子成键,就可以形成硅氧四面体的结构。二氧化硅,就是这样的硅氧四面体结构。

水晶、石英的成分都是二氧化硅,但是都没有什么二氧化硅的分子,都是由硅氧四面体组成的晶体。

实际上,硅氧四面体结构中每一个氧原子只能为两个硅氧四面体共用,在天然的岩石中,硅氧四面体可以是分立的,也可以以链状相连,或者呈现层型,更多的是像石英那样的骨架型。

硅氧四面体中的硅原子,有时候可以被与硅原子大小差不多的铝原子所取代成为铝氧四面体。但是由于铝是第三族元素,表层只有三个电子,因而形成的铝氧四面体带有负电,需要引入其他阳离子(通常是金属离子)以保持电量平衡。在层状硅酸盐结构中,也常常形成铝氧八面体结构。

在自然界绝大多数岩石都是硅氧四面体和铝氧四面体的结构。例如,各类长石:钾长石(K2O·Al2O3·6SiO2);钠长石(Na2O·Al2O3·6SiO2);钙长石(CaO·Al2O3·2SiO2)等。长石类是地壳中含量最多的岩石组分,占岩石的一半以上。

又如,云母(K2O·7Al2O3·6SiO2·2H2O)。

以石英、长石、云母为主要成分,组成了花岗岩。

又如,橄榄石(Mg2SiO4和Fe2SiO4);透辉石(CaMg[SiO3]2)。这两种物质是玄武岩的主要成分。

这些都是天然的硅酸盐材料。而黏土则是这些岩石风化的结果。例如,钾长石在二氧化碳和水的作用下,风化产生高岭土:

K2O·Al2O3·6SiO2 + CO2 + 2H2O → K2CO3 + 4SiO2 + Al2O3·2SiO2·2H2O

花岗岩、玄武岩等岩石及黏土等都是天然的硅酸盐材料,人们最早都是利用这些天然的硅酸盐材料(直到现在还仍然在广泛使用),而陶器则是第一种人工制造的材料。

陶器与瓷器的化学成分相似,只是瓷土为较纯净的高岭土,而陶土中钠、钾、钙、铁等金属离子较多,而三氧化二铝的成分略低。陶器的烧制温度较低,一般在800至1200之间,而瓷器则在1200至1400之间。这样,陶器较粗糙而瓷器则细致;陶器多气孔而瓷器少气孔;陶器较软而瓷器较硬。

介于陶器和瓷器之间的称炻器,它的烧制温度、软硬程度都介于陶器、瓷器之间。如紫砂壶、某些水缸等。

在硅酸盐材料中,与陶瓷较为接近的材料是砖瓦。从秦汉时代就大量使用的砖瓦,在我国使用了两千多年。最传统的烧制砖瓦的主要材料也是黏土,与陶瓷相比,只不过砖瓦更略粗糙、杂质也更多,烧制的温度一般也比较低。这样,其气孔也更多(吸水率更高),硬度也更低。

主要原料为黏土而烧制而成的材料还有水泥。与砖瓦、陶器、瓷器不同,在烧制水泥的原料中,加入了较多的石灰石(CaCO3)。在粉碎并锻烧后得到的水泥,其主要成分是硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)。它们在加水后会发生复杂的水化和硬化反应,能够与沙、石、钢铁很好地结合并且能够承受很大的应力。当然,由于钢筋混凝土中以钢铁为骨架,大大地增强了材料的抗拉强度,这是复合材料的好处了。

由于用黏土烧制的砖需要耗费大量土地,已经被大多数地方禁止使用。免烧砖利用粉煤灰、煤渣、煤矸石、尾矿渣或者天然砂等作为主要原料,不经高温煅烧而制造。在制造过程中,加入水泥或石灰作为粘合剂。在原料被粉碎和压制的过程中,各种原料中的氧化钙(CaO)与二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁作用的结果,与上述水泥的化学过程相似。

(未完待续)




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