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材料人眼中的人类发展史——陶瓷篇

楼主:航小材 时间:2021-06-01 12:47:47


什么是材料?

世界是由物质构成的,材料就是人们用来制成各种机器、物件、结构等具有某种特性的物质实体。

在知识经济新时代,材料与信息能源并列为现代科学技术的三大支柱,可见其重要的意义和作用。



古代的陶瓷

在人类社会的发展和进步过程中,材料是一个带有时代和文明标志的基础。材料是人类一切生产和生活的基础的物质基础,是生产力的标志,对材料的认识和利用能力,决定社会形态和人类生活质量。

所以,从今天开始,小材就带着大家从材料方向来回顾人类的发展历史。

石器时代的人类

大约2500年前,人们就学会使用材料了。不过那时人们只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料,或者对它们进行简单的加工。

木材是天然有机高分子化合物,重要的成分为多糖类的纤维素、芳香类的木质素以及可提取的树脂和挥发性油类。主要成分中碳约占44%、氧42.5%、6%的和少量的氮和矿物质。

木材作为生活中的常用材料,从远古时代的简单工具,到古代房屋的主要承重材料,主要体现了生态环保、施工简易、抗震性能优良的特点。可能有同学看过故宫宫殿等比例模型的抗震实验,归功于古代匠人的智慧和设计的精妙,这所宫殿承受住了十级左右地震。

不过值得一提的是,由于古代烧制技术中并没有现今使用的高效的燃料。所以木材一直是陶瓷制造业燃料的主力军,当然,随着时代发展,对木材的选用也在不断进步,松柴由于其松脂含量高,可提升烧制温度而成为首选。

那时的人们最主要用来制作工具的还是石头。这里带领大家回顾初中知识,石头的最主要成分是什么?不知道的面壁一分钟表达对化学老师的愧疚之情。

石头的种类很多,通常我们见到的石头主要成分为二氧化硅和氧化铝。这里我们就可以引出今天的重点——陶器。

昌平区南口镇王老太太发现的汉代陶罐

据考古学家分析,距今一万年前就有陶器出现,人们用粘土或者以粘土、长石、石英为主的混合物,经成型、干燥、烧制得到的坚硬陶器。通常烧制温度低于1200℃。

陶是人类创造的第一种人造材料,经过高温烧制产生的物理化学变化,得到的是与粘土不同的新物质。

我国新石器时代陶器现今发现最早的是仰韶文化,仰韶文化的陶器,主要是泥质红陶,夹砂红陶,泥质灰陶几种,也有一些泥质黑陶和夹砂灰陶器。

仰韶文化黑陶碗,陶体黑色是因为渗入了碳

秦始皇的兵马俑也是典型的陶制品,所用的原料是黄色粘土,主要化学成分是氧化硅 、氧化铝和氧化铁。在秦代,生漆层用树脂涂抹,再用各种矿物质原料提取成颜料彩绘。

还有后来的唐三彩等一系列陶器,可以说,陶器的出现,标志着人们离开了靠上天赐予的时代而进入自力更生制造材料的新时期。

陶器是人类创造的第一种无机非金属材料,它的出现成为新时期时代开始的标志之一。著名导师恩格斯就曾说过:“人类从低级阶段向文明阶段的发展是从学会制陶开始的”。(不慌,这个不用背)

不过陶器有着不致密、易渗透、强度低等缺点,人们发现,当炉窑的温度达到1200℃,能将金属氧化物烧制成釉瓷,不仅外形美观,而且用途广泛。

瓷土和陶土相比,氧化铁、氧化钙、氧化镁等助熔剂物质明显减少,氧化钙含量也降至70%以下,同时氧化铝含量显著增加。

商代绿釉尊

中国是瓷器之国,这从我们的国名China和瓷器china中就可见到陶瓷材料的重要性。这里不得不提中国五大名窑:钧窑 、汝窑 、官窑、 定窑、 哥窑。其中汝瓷在中国宋代被列为五大名瓷之首,当时被钦定为宫廷御用瓷。其釉如“雨过天晴云破处”,土质细润,坯体明亮,被世人称为“似玉、非玉、而胜玉”。而其中的钧窑更是享有“黄金有价钧无价”“纵有家财万贯不如钧瓷一片”的盛誉。

汝窑莲花温碗



现今的陶瓷材料

陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。

陶瓷材料分为传统陶瓷材料特种陶瓷材料。传统陶瓷材料泛指硅酸盐类材料,用天然粘土、石英、长石为原料经成型和烧结制成。特种陶瓷材料是指化学合成陶瓷,采用人工提炼纯度较高的金属氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、硅酸盐以及其他盐类和单质经配料、成形和烧结工艺制成。

应用在汽车上的特种陶瓷材料

传统陶瓷材料是工业和基本建设所必需的基础材料,由于传统陶瓷材料脆性大,难以用作机械结构部件。

而特种陶瓷材料具有高熔点、高硬度、化学稳定性好、耐高温、耐磨损等突出优点,其中结构陶瓷还具有较高的强度韧性,某些品种的韧性甚至达到铸铁水平。

功能陶瓷具有介电性、压电性、铁电性、热电性或软硬磁性等特殊性能,因而特种陶瓷材料应用非常广泛。在机械、汽车、化学等传统工业领域可作切削刀具、耐热耐腐部件、热交换器等;在激光、光纤、微电子领域用作激光器元器件、光电元器件等。在空间和军事领域用作宇宙飞船隔热瓦、舷窗玻璃、导弹飞机端头帽和红外窗等。

神六宇航员透过飞船舷窗拍摄祖国

特种陶瓷材料是现代工业发展的重要支柱,在微电子、激光、光纤、光电子、传感、超导和空间军事等工业的发展中占有重要甚至是核心的地位。



北航陶瓷材料

北航材料学院特色科研方向中有先进陶瓷材料。主要从事高温和超高温陶瓷材料、环境材料、新能源材料的研究以及材料的第一性原理、分子动力学等多尺度计算的研究工作。承担国家自然科学基金、973课题等国家和省部级科研项目10 余项。在Acc.Chem.Res.、Angew.Chem.Int. Ed.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Nature Commun.等国际期刊发表学术论文200余篇,获授权国家发明专利20余项,获2011年度国家科学技术进步二等奖。


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