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产业观察 | 陶瓷的艺术

发表时间: 2021-03-04 00:00:00

作者: 东莞先进陶瓷研究院

来源: 东莞先进陶瓷研究院

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陶瓷是人类文明的结晶。陶瓷的艺术是人类科学与文化的完美融合与升华。


陶瓷最早源于中国,陶瓷被外国人称为“China”,它是中华文明的标志和象征。


陶瓷是陶器和瓷器的总称。陶器出现在距今约两万年前,是人类创造的第一种“人造材料”,因此陶器的出现被认为是人类新石器时代文明的标志之一。陶是瓷之源,瓷是陶之流,源远流长的陶瓷,是古代华夏文明的起点。陶器内蕴纯朴厚重之道,充满阳刚之气;瓷器外溢飘逸靓丽之仙韵,体现阴柔之美。陶是“创造”的美,它蕴含了艺术创造的灵魂;瓷是“欣赏”的美,它体现出艺术律动的魂魄。陶孕育了瓷,瓷脱胎于陶,古代中国的陶器随着瓷器漂洋过海,传播华夏文明,扬名世界。陶与瓷的结合,精与神的交融,成就了千古佳话,流淌出万年不朽的优美诗篇。


传统陶瓷:从中国走向世界


中国是世界上最早出现陶器的地区,湖南玉蟾岩遗址出土的早期陶器出现的时间约距今1.8万年,江西的仙人洞遗址出土的陶器距今2万年,是世界上已发表陶器出现的最早年代。陶器是采用陶土加水成型后在500℃-600℃的低温下烧结而成;而瓷器则是采用由瓷石、高岭土、石英石、莫来石等粘土矿物组成的瓷土加水成型后,再在其外表施以玻璃质釉或彩绘,最后经过窑炉内高温(约1280℃-1400℃)烧制而成,在高温烧制过程中,瓷器表面的釉色会因为温度的不同发生各种化学变化进而呈现出各种颜色。由于瓷器比陶器的烧结温度高出400以上,因此远比陶器致密。


中国具有代表性的陶器有河南贾湖陶、山东龙山黑陶、浙江宜兴陶、云南建水陶、广西坭兴陶、重庆荣昌陶、广东石湾陶、贵州牙舟陶、安徽界首彩陶等,历史上以唐三彩陶最为出名。中国瓷器是从陶器发展演变而成的。我国瓷器大约始于公元前16世纪的商代中期,大量瓷器出现则是在东汉时期。东汉之后的三国两晋南北朝时期,南方瓷器,如浙江越窑等,主要生产青瓷与黑瓷,技术一直处于领先地位。中国瓷器工艺至宋得到空前发展,突破了以往青、白瓷的单纯色调,使瓷釉具有各种不同的颜色,五光十色,光彩夺目。在宋代时,名瓷名窑已遍及大半个中国,是瓷业最为繁荣的时期,宋代的汝、官、定、钧、耀、龙泉、哥窑等著名瓷窑,均对后世制瓷艺术产生了深远影响。元朝建立后,景德镇开始成为中国陶瓷产业中心,其名声远扬世界各地,元青花瓷大改传统瓷器含蓄内敛风格,以鲜明的视觉效果,给人以简明的快感,以其大气豪迈气概和艺术原创精神,将青花绘画艺术推向顶峰,确立了后世青花瓷的繁荣与长久不衰。明代以青花成为瓷器生产的主流,宫廷和民间用瓷均以青花瓷器为主,器型轻巧玲珑,姿态优美。清代彩瓷在明代基础上也有很大发展,分化出更多的彩色,极大地丰富了清代的瓷器装饰,使中国陶瓷走向了辉煌。到明代我国瓷器已达到成熟阶段,清初制瓷技巧更达到了历史的高峰,官窑工艺也在清朝雍正年间达到巅峰。中国历史上比较有代表性的瓷器有:青瓷、白瓷、青花瓷、黑瓷等。


在漫长的历史长河中,陶瓷浓缩着各个时代的技艺与审美,折射出当时的科学技术与时代风尚。从艺术的角度而论,“陶”更贴近厚重的泥土,气质阳刚而粗犷;“瓷”欲亲吻云天的空灵,高贵而精致。一件汉朝灰陶,蕴含了大汉武士的凝重与朴实、雄浑与胆略、辉煌与平淡;一件清朝薄胎瓷,表达了弱清宫女的清纯与单薄、坚强与脆弱、细腻与柔美。不同时代的陶瓷,蕴含了不同时代的艺术之美。唐朝的美,本质上属于陶之美,一尊唐三彩,尽显唐朝勇士的雄壮、阳刚、厚重的中原大地之美;汉代的青瓷如身披青釉之纱的含蓄羞涩少女,宋朝的汝瓷却蕴含着东方女性的淡雅如水,元代的青花豪迈奔放如草原明珠,明朝的青花浓艳如村姑进宫,清朝的康熙美人醉如柳叶摇曳多姿,一件件瓷器的艺术淋漓尽致地表达出了一个个朝代的时代之美。


中国是瓷器的故乡,瓷器的发明是汉民族对世界文明的伟大贡献。一些专家认为,陶瓷是世界上第一种全球化的商品。《文明之光》这样说道,“在中国几千年的文明史上,没有任何一种商品能像瓷器那样,改变世界的政治文化和人类的生活。”中国被称为“瓷器之国”足见陶瓷之影响深远,而China指代中国,亦是瓷器的英文译名。陶瓷的成分和制作工艺对世界来说一直隐藏在迷雾中,直到清朝才由欧洲人以传教士身份将技术传入欧洲。瓷器凭借其靓丽的颜色、精美的外观、以及超级耐磨、不透水、耐腐蚀、耐高温的使用特性而使其深受世界各地民众的喜爱,得以迅速从中国传播向全世界。



先进陶瓷:从“China” 到“Ceramics”


虽然中国陶瓷一度风靡全世界,但与金属材料相比,传统陶瓷却存在诸多局限性,比如脆性大、硬度高而难以加工、大批量生产的产品批次一致性很差等。直至二战后,电子工业的发展迫切需要性能优良的材料,比如对于材料的绝缘性能、耐热性能、机械强度、耐腐性能的要求越来越高,而金属材料无法满足以上需求,使得人们不得不重新面对陶瓷,采用现代结构化学知识进行结构设计、采用现代物理原理进行性能调制,从高性能粉体工程入手,开发新型烧结设备和创新烧结工艺,迅速开发出一系列具有优良机械性能、光热电声磁物理性能的新型陶瓷,这就是所谓的先进陶瓷材料。


传统陶瓷(China)与先进陶瓷(Advanced Ceramics)的主要区别

区别

普通陶瓷

先进陶瓷

原料

天然矿物原料

人工精细合成原料

成型

以注浆、可塑成型为主

模压、等静压、流延、注射、挤出、注凝、注塑、注浆等现代成型工艺为主

烧结

烧结温度一般在1350℃以下,燃料以木柴、气、煤、油为主,没有精确控温

结构陶瓷烧结温度在1600℃以上,电加热为主,功能陶瓷需精确控制温度

加工

一般不需要后加工

需后加工如研磨、抛光、切割、打孔、镀膜等

性能

以外观视觉效果为主

以内在的化学性质、物理性能、器具功能为主,表现出特定的物理化学性能

用途

炊具、餐具、陈设品和墙地砖,卫生洁具

航空、能源、电子通讯、冶金机械、交通、家电等行业


先进陶瓷很少使用或不再使用粘土、长石、石英等传统陶瓷原料,而是使用其他特殊人工精细合成的原料,材料体系也扩大到非硅酸盐、非氧化物的范围,并且出现了许多新工艺。美国和欧洲一些国家的文献已将“Ceramic”一词理解为各种无机非金属固体材料的通称,陶瓷的含义已远远超越过去传统观念的范畴。


先进陶瓷通常是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料,利用精密的制造加工和结构设计技术,使之具有优异特性的陶瓷。先进陶瓷也被称作精细陶瓷、高技术陶瓷、新型陶瓷等,按其特性可分为结构陶瓷和功能陶瓷。目前,国内市场上结构陶瓷大约占比30%,功能陶瓷占比70%。


先进陶瓷应用性能及分类

种类

性能

应用

原料

800℃以上长期使用,超高温短期使用

窑炉器件、柴油机等发动机、航空航天、空间技术等

成型

高韧性、高强度、良好的抗冲击性

机床主轴轴承、密封环、模具等

烧结

热稳定性、化学稳定性、弹性模量优良

高速磨削刀具、防弹装甲等

加工

优良的化学稳定性和耐冲刷性能

化工设备、舰船潜艇密封、金属液体防护、过滤陶瓷等

性能

压电、光电、热释电、铁电、绝缘性

电子元器件、超高压绝缘子等

用途

与血液、器官良好的生物相容性

陶瓷关节、骨骼、牙齿等

用途

透波性能、透明性、荧光性

基板、天线罩、发光器、陶瓷传感器、激光器件等

用途

超导特性、耐低温

超导光缆、空间、电子、生物等

用途

磁导率、矫顽力大、硬度高

微波器件、量子天线电等

用途

能量转换与存储特性

热、电、光、氢储能等


先进陶瓷作为一种新材料,以其高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优异性能已形成一个巨大的高技术产业,其应用更涉及航空、生物、医疗、能源、电子及化工等各大高精尖领域,也因此成为衡量一个国家科技发展水平的重要指标。目前,全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总额超过500亿美元,年增长率达8%。



从国际上看,美国、法国、德国与日本在该领域整体上处于领先地位,而欧洲其他各国、韩国正从不同的研究领域展现优势。欧美日等发达国家均将先进陶瓷的革新提到战略高度,并投入巨资制订了专门的研究计划,以保持其在先进陶瓷领域的全球领先地位。如日本通产省精细陶瓷研究与开发的“阳光计划”、“通用技术计划”,美国的“脆性材料设计”、“材料基因组计划”,欧盟通过研发框架计划(FP)扶持新材料发展,已知累计投入约1180亿欧元。


我国先进陶瓷研究始于上世纪50年代,上世纪70年代以来国内诸多高校和科研院所开始重视先进陶瓷材料研究,并取得了一系列创新性成果。我国近几年虽然也涌现了像潮州三环、山东国瓷、顺络电子、中材高新等大型公司,在国际上开始产生影响力,但绝大多数结构陶瓷企业的品牌价值和影响力尚未形成,具有高度专业化的陶瓷公司也比较少。此外,许多中小型陶瓷企业的产品同质化现象严重,恶性竞争比较激烈,且产品性能指标达不到国际先进水平,因此还难以进入广阔的国际市场。我国在先进陶瓷和先进玻璃领域的总体问题在于:关键材料缺乏核心技术和自主知识产权,高端原材料和相关器件制品多需要依赖进口,先进工艺装备尚不能国产化和产业大而不强。



多孔陶瓷:国内首次实现多孔介质燃烧技术商业应用

碳化硅多孔陶瓷是一类具有三维连通网络结构的先进陶瓷材料,这种材料与其复合材料在能源、化工、环保、冶金、电子等国民经济支柱产业中有着十分广泛的应用。松山湖材料实验室多孔陶瓷团队经过几十年的研发试验,开发的碳化硅多孔陶瓷材料是目前国内唯一满足商用要求的多孔陶瓷材料,打破了西方国家对中国的技术封锁,真正解决了阻碍技术应用的“卡脖子”难题,率先实现了多孔介质燃烧技术在国内的商业化应用。


图1 多孔陶瓷团队自主研发成功的高性能碳化硅多孔陶瓷


多孔介质燃烧技术被国际燃烧学界称之为21世纪最新一代燃烧技术,可有效解决自由火焰燃烧存在的高排放问题,这是一种燃料和氧化剂在多孔介质孔隙内燃烧的方式,其传热形式以高温固体辐射为主,预先混合的燃料气体和空气混合物经过火焰屏障,在燃烧区域充分反应。相比传统自由火焰燃烧,它具有燃烧效率高、析热均匀、超低排放、结构紧凑的特点,是最新一代的清洁、环保、高效、节能燃烧技术,能够有效解决传统自由火焰燃烧存在的温度分布不均匀、燃烧效率低、污染物排放严重等缺点。然而,由于欧美发达国家对相关多孔介质材料的禁运,多孔介质燃烧技术在国内还未能充分实现商业化应用。


图2 多孔介质燃烧技术


团队基于高性能碳化硅多孔陶瓷,采用多孔介质燃烧技术的全预混无焰低氮燃烧器及热工装备,具有燃烧效率高、析热均匀、超低氮排放、结构紧凑等特点,可用于热处理线、熔炼炉、辊道窑等各种形式的工业炉窑,以及处理VOCs、垃圾填埋气、煤矿乏风等在内的低热值气体燃烧设备,解决热能、钢铁、有色、陶瓷、化工、纺织、汽车等众多行业,涉及加热、热处理、熔炼、焙烧、低热值气体处理等领域的超低排放、析热不均、高能耗、燃烧不稳定、设备大投资高、余热利用率低等诸多问题,且成本上略有下降,可实现热工装备的低氮排放,同时节能10%以上。


作为燃气锅炉的一种应用形式,目前全国在用水套加热炉总量为20000多台套,主要用于采油井场、输油干线上,为原油加热降低粘度、增加流动性,利于原油输送;同时通过直燃的方式处理油田伴生气。胜利油田在用的水套加热炉多为燃气加热炉,采用的燃烧器主要为简易型燃烧器和商用燃气燃烧机,存在污染物排放较高,热效率低(50%-60%),能耗及运行成本高等问题。油田现场监测加热炉烟气排放结果显示,按照氮氧化物阈限值50mg/m3的标准,排放达标排放率仅4.7%,迫切需要新型低氮燃烧技术进行改造和升级。


图3 多孔陶瓷团队研发的超低氮燃烧系统在胜利油田水套炉中的应用


多孔陶瓷团队基于高性能碳化硅多孔陶瓷,采用新一代的多孔介质燃烧技术,开发了新型水套加热炉燃烧系统,2020年10月在胜利油田试用,取得了较大进展。新型水套加热炉燃烧系统采用全预混燃烧方式,具有显著的超低氮排放优势,对比测试显示,采用传统烧嘴的水套炉NOx排放>100mg/Nm3,采用多孔介质燃烧系统的水套炉NOx排放可低至5mg/Nm3,降低了一个数量级。



透明陶瓷:实现陶瓷光辉璀璨的艺术升华


在先进陶瓷领域中,有一类特殊的陶瓷,它可以晶莹剔透如水晶,可以玲珑透明如玻璃,可以璀璨出火如钻石,可以七彩缤纷炫光辉。它可以低调而奢华地进入我们的日常生活,也可以高调激昂地进入高科技军工航天领域。前者有能发射各种颜色的发光透明陶瓷宝石、透明陶瓷茶器茶具、高折射透明陶瓷超薄镜头高清相机和手机、便携轻巧短小的高清透明陶瓷镜头望远镜等;后者有透明陶瓷导弹整流罩、透明陶瓷防弹装甲、核/中子辐照显示用闪烁透明陶瓷、透明陶瓷高能激光武器、透明陶瓷受控核聚变激光增益介质等。


松山湖材料实验室透明陶瓷团队经过前几十年的实验研究,成功研发一系列透明陶瓷材料体系,这些不同体系的透明陶瓷均具有优越的光学性能,在激光照明、超薄高清透镜领域显示出了独特的技术优势和商业化前景。


图4  透明陶瓷团队自主研发的可发射不同波长的荧光透明陶瓷及其激光白光照明光源器件(右下两图)(其中蓝光激光图片来源于百度图片)


透明陶瓷团队自主研发成功的第一类透明陶瓷是荧光透明陶瓷(图4)。这些不同材料体系的透明陶瓷的透过率均可以达到理论透过率上限,在吸收紫外光或蓝光时可分别发射红光、黄光、绿光等。其中,利用耐高温、优异热淬灭特性、高可靠、高稳定的荧光透明陶瓷替代传统低热稳定的荧光粉,混合硅胶进行光电封装,可彻底解决高能量密度激光LD、大功率LED的白光荧光转化材料热失效的技术瓶颈和热管理技术难题,从而实现高可靠的激光白光照明和2千瓦LED小面积COB单光源,进一步实现对含汞污染的千瓦以上超高功率金卤灯以及3千米以上超远射程氙灯的替代,填补汞灯退市后的特种照明市场空白,以实现节能、无汞、绿色的健康照明


未来,通过我们的陶瓷之光,将带给世界一个健康的、光辉璀璨的照明艺术。




图5  透明陶瓷团队自主研发的新型LZBMT高折射透明陶瓷(左上)及其SEM图(中上)、激光光源透镜(右上)、高清手机摄像镜头组(左下,来源于百度图片)、高清摄像头镜头组(右下,来源于百度图片)


透明陶瓷团队研发成功的第二类透明陶瓷是LZBMT高折射透明陶瓷(图5)。这种陶瓷的透过率可以达到理论透过率上限,折射率可以达到2.17,同时具有高机械强度、耐1600度高温、耐酸碱等优异性能,可广泛用于高清、超薄透镜等光学器件领域,可显著减薄透镜组的厚度。


通常,高清摄像镜头是由多镜片组组成的,比如手机的高清镜头目前可达到6P水平,为了追求更高清摄像,手机摄像镜头趋向于向更多镜头组如7p、8p、9p等方向发展,因此摄像镜头组由于焦距的关系会做得越来越厚或越来越长,从而导致高清摄像镜头的薄化已成为手机、摄像等行业的产业痛点。目前常用的镜头材料是PC和玻璃,而PC和玻璃透镜材料的折射率只有1.4-1.5,由于折射率较低导致其焦距较长,进而使得透镜组也较长,所需要的镜片数量也较多,为了获得更高分辨能力,透镜直径也设计得比较大。


透明陶瓷团队研发成功的一种折射率达到2.1的LZBMT透明陶瓷材料,可制备高可靠、小体积透镜,针对薄透镜组,可减薄2.3倍厚度,针对厚透镜组,可减薄5倍厚度,所以采用本团队研发的高折射率LZBMT透明透镜是解决高清摄像镜头组薄化难题和轻小型化难题的最佳途径之一。


未来,通过我们的陶瓷之镜,将带给世界一个轻巧的、高清的摄像艺术。


中华文明源于陶瓷,时代的文明深深烙印于陶瓷的艺术之中,陶瓷艺术的繁荣于全球伴随着华夏文明的盛播于世界。相信21世纪,中国先进陶瓷之艺术终将再次见证中华民族文化的伟大复兴。


撰稿:松山湖材料实验室多孔陶瓷团队负责人付超,松山湖材料实验室透明陶瓷团队负责人曹永革

本文刊载于《中国科技投资》2020年第10期

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