陶瓷器形（共5篇）
陶瓷器形 篇1
0 引言
陶瓷材料的结构与组成决定了它的性能,因此陶瓷配方决定了产品的性能。陶瓷配方的各种组成原料的细微变化直接影响陶瓷的性能,所以优化陶瓷配方设计非常重要。当地原料的供应情况、化学组成、价格因素决定配方中原料的种类,从多种原料中选取得到符合目标配方要求的化学组成和百分含量。由于陶瓷材料中的化学成分组成的多样性,传统方法采用手工计算,其工作量非常大,而且结果往往并不准确,与实际要求相差甚远。
通过计算机编程求解陶瓷材料的配方,在很多文献中已经提到[1.2.3],邓美兰教授使用MATLAB工具软件求解模糊最优化问题的方法[1]和应用LINDO工具软件使用灰色优化方法求解最优化问题[2],杨云使用复合形优化算法计算出最佳的配方比例,并通过加权值的方法进行调整,优化陶瓷坯釉料配方[3]。
1 陶瓷坯釉配方优化设计
陶瓷配方优化设计有一个确定的目标,即根据已知坯、釉料化学组成和一组备选原料化学组成,通过编程计算得到优化配方,该坯釉料的化学组成与设计的坯釉料化学组成要尽可能地接近[8]。因此我们将各种原料的用量作为优化变量(X1,X2,…Xm)。
我们假设陶瓷主要化学组成有八种,分别为SiO2、K2O、Na2O、TiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO,在不考虑原料价格因素控制时,优化的目标是釉、坯料化学组成无限接近预定值。设定计算值与理论值绝对误差大于等于零,再以绝对误差的总和为目标函数,进行优化求最小值。
绝对误差Y=计算值μ-预定值β
相对误差Y1=(计算值μ-预定值β)/预定值β
目标函数
abs是求绝对值函数,wi原料的加权系数,默认是1,F(X)是加权后的统一目标函数值。
各原料用料应该在零到一百之间,即0≤Xi≤100
2 单纯形遗传优化算法
遗传算法(Genetic Algorithm)是一种随机化搜索方法,它借鉴了生物界的进化规律-适者生存,优胜劣汰遗传机制。1975年,美国的J.Holland教授首先提出该算法,它的主要特点是对结构对象进行操作,使用概率化的寻优方法,具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力;没有求导和函数连续性的限定;能自动获取和指导优化的搜索空间,自适应地调整搜索方向,不需要确定的规则。
有一种求多维函数极值的算法,叫Nelder-Mead单纯形算法,由于未利用任何求导运算,算法比较简单,但收敛速度较慢,我们通过将它与遗传算法相融合得到一个新的算法:单纯形遗传优化算法,它的基本运算过程如下:
a)初始化相关参数,进化代数计数器设置为t=0,最大进化代数设置为指定值MAX,随机生成M个个体作为初始群体P(0)。
b)评价群体P(t)的适应度。
c)根据群体适应度评估值,运用选择算子在群体中选择优化的个体,将其遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体,然后遗传到下一代。
d)把群体中父代个体的部分结构加以替换重组而生成新个体。
e)变动群体中的个体串某些基因座上的基因值,经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t1)。
f)以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出到A[n+1]数组中,当生成了n+1个最优解时跳出循环到步骤g执行。否则跳到步骤a执行。
g)计算上面循环中得到的n+1个点的目标函数值,并对各点进行排序:
如果|f(x1)-f(xn+1)|>=|f(x1)|或者迭代次数超过指定值时,则跳到最后一步,结束。
h)除xn+1点外,计算所有点的重心点xo。
i)计算反射点:xr=xo+γr(xo-xw),
如果反射点比xn更好,但不超过x1,则用xr代替xn+1形成一个新的单纯形,并转到步骤f。
j)计算扩张点:
那么,计算扩张点,
如果扩张点比反射点好,f(xe)
那么用扩张点xe代替最差点xn+1,然后转到步骤f,
否则,反射点比xn更差,转到步骤k。
k)压缩
此时,f(xn)≤f(xr)
计算压缩点xc=xn+1+γc(xo-xn+1)
如果压缩点比最坏点更好,f(xc)≤f(xn+1)
用xc替换最差点xn+1,然后转到步骤f。
否则,转步骤l。
l)整体收缩
除去最好点x1外,计算所有点:
转到步骤g。
m)结束
该算法是在单纯形操作中引入遗传算法进行优化,因为遗传算法的两个点之间相关性小,可以避免陷入局部最优解,以此来增强全局搜索能力。具体做法是使用遗传算法找出n+1个局部最优点,由于这n+1个局部最优点的相关性小,使用n+1个局部最优点作为单纯形法的初始输入点,这样可以避免单纯形法陷入局部最优解。
3 计算实例及结果分析
目标配方以及原料的化学组成百分含量见表1
3.1 应用单纯形法求解
Nelder Mead单纯形首先要确定n+1个点,即6种配方,(1,0,0,0,0),(0,1,0,0,0),(0,0,1,0,0),(0,0,0,1,0),(0,0,0,0,1),(0.2,0.2,0.2,0.2,0.2),使用Nelder Mead单纯形经过51次搜索求解的结果如表2,该配方的目标函数值是7.9598,与目标配方的相对误差见表3:
3.2 单纯形遗传优化算法求解
使用单纯形遗传优化算法计算出的结果见表4:
4 结论
本文采用单纯形遗传优化算法进行配方计算,利用遗传算法的变异操作来增强单纯形法的全局搜索能力,既兼顾了全局收敛性,又具有高效的局部搜索能力,计算实例验证了该改进算法具有全局寻优的能力。因此该优化算法值得在今后的陶瓷配方参数估计中加以改进和应用。
参考文献
[1]邓美兰,孙国梁,唐燕超等.陶瓷配方设计的灰色优化方法[J],中国陶瓷,2006,7(42):33-36
[2]邓美兰,孙国梁.模糊最优化方法在陶瓷配方设计中的应用[J],中国陶瓷工业,2002,9(4):23-26
[3]杨云,张瑛,王秀峰.最优化技术在陶瓷配方优化设计中的应用[J],中国陶瓷,2008,8(44):34-36
[4]王志强,姜群英,温其兵.陶瓷配方优化设计的通用方案开发[J],中国陶瓷,2001,4(37):37-39
[5]马志远.优选法在陶瓷釉料配方中的应用[J],佛山陶瓷,2005,2(15):18-20
[6]刘阳,曾令可.计算机在陶瓷配方设计中的应用[J],中国陶瓷工业,2002,2(9):19-22
[7]张纯禹.现代优化计算方法在材料最优化设计中的应用[J],材料科学与工程学报,2003,21(1):44-47
[8]http://www.hudong.com/wiki/%E9%81%97%E4%BC%A0%E7%AE%97%E6%B3%95
[9]http://en.wikipedia.org/wiki/Nelder%E2%80%93Mead_method
古陶瓷鉴定 从标形学到痕迹学 篇2
现代仿品有百分之九十是采用现代成型工艺制作的，采用传统工艺制作的不足百分之十，如果你能清楚地了解现代成型工艺的痕迹特征，至少绝大部分仿品都逃不出你的眼睛。
注浆成型工艺是现代仿品普遍采用的成型方法。注浆成型的优点是生产设备简单，操作技术易于掌握，产品造型规整、统一，原材料损耗小，成本较低。有利于批量生产。
首先要将所仿器物的外形严格按比例放大后制成石膏型，再根据需要做出种模、母模和工作模。工作模多采用一套多开或多开空腔磨具，制好晾干后用绳套或橡胶套从外围箍紧后，就可以进行注浆操作了。
陶瓷坯料经球磨机的搅拌，粉碎、研磨加工后变成泥浆。注浆泥浆含水率一般在35％～45％之间，再加入4％。的氯化钠做悬浮剂，使泥浆不易沉淀且有较好的流动性、稳定性和渗透性，即可备用。将事先准备好的泥浆浇注到人石膏模具中，由于干燥的石膏模具有较好的吸水性，与模具相接触的泥浆会因脱水逐步变硬变厚并定型，当定型的泥料达到一定厚度时，就可将多余的泥浆从注浆口倒出。等到模具内壁上的泥型达到一定强度时，就可以打开模具将其取出晾干。
注浆成型工艺又分空心注浆和实心注浆两种。上面介绍的是空心注浆工艺，一般用于瓶、罐等器物的制作。实心注浆可以用于耳、柄等小形配件的制作，也可以用于印花碗、盘的制作，方法与前者有所不同。以当代河北曲阳制作的仿宋代定窑印花碗为例：首先要按照古代碗的内形及花纹雕刻制作一个石膏内模，再按照碗的外形制作一个外模，以足圈外径为标准在底部开出注浆口，并将外模倒扣在刻花内模上，即可开始浇筑。泥浆顺注浆口流入模具并填满内外模具之间的缝隙，即碗壁，随着泥浆中的水分被模具吸走，注浆口的液面逐步下降，需继续补浆，直到浆面不再下降并基本凝固为止。当坯体半干后打开外模，修整足圈。再取下内模即可。
注浆成型工艺在民国时期由欧洲传人中国，早期在少数新建现代化工厂中使用，生产盘、碗、调羹、皂盒、漱口盂等日用瓷。上世纪50年代我国实施资本主义工商业的社会主义改造运动，全国各地的窑场都收归国有或由地方政府管理的集团所有，为提高生产效率实现现代化，开始大力普及注浆成型工艺。经过二十多年一代人的不懈努力，到70年代中期，国内制作的各种工艺瓷、陈设瓷和仿古瓷几乎都采用清一水的注浆工艺，当时能掌握传统工艺的人已所剩无几。80年代末，私营窑场重新活跃。他们首先把工艺瓷、陈设瓷和仿古瓷的阵地从国营大厂手中夺回，重新挖掘传统工艺。最早恢复的传统工艺自然是景德镇人最熟悉的拉坯工艺。
现将注浆工艺与拉坯工艺的痕迹特征比较如下。
需要说明的是：
1拉坯器物上的指痕和刮痕会分别出现，一般不会同时出现。
2在正常情况下注浆器物上一般无明显修刀痕，圈足较浅且圆滑，内外足墙坡度较大，便于脱模。当代造假者有时为掩盖上述注浆痕迹，也会刻意在底足上修几刀。
3注浆器物上的模印与拓坯和印坯工艺上的模印有所不同，前者表现在器物的外壁上，后者则多表现在器物的内壁上。
4注浆印是注浆器物上的特有痕迹。器物的外壁和足圈随着造型的变化会出现高低起伏或阳或阴的线条变化，在其内壁与之对应处，也会随之产生或阴或阳的变化，我们称内壁上的变化痕迹为注浆印。如下图是一件现代仿宋代青釉蔗段洗，其外壁有两圈凸起的旋纹，在它内壁相对应的部位就有两圈凹进的阴纹，此外，在与外足圈相对应的洗内底部，也有一圈凹痕，我们称这些凹痕为“注浆印”。观察光素无纹的器物，重点是看圈足，如果在器物的内底与外部圈足相对应处，有一圈闭合状凹痕，那就是注浆印，千万不要把它当作拉坯时留下的螺旋状指痕。
5坯体内一般不允许存在气泡，特别是较大的气泡会严重影响产品质量，传统工艺是靠正确的揉泥方法来排除泥料中的气泡的，但小型气泡和微型气泡是很难杜绝的，一般也不会造成质量问题。在修坯过程中，会把一些原本的闭合性气泡变成开放性气泡。那些开放性气泡多暴露在修刀后的底足部位。当今作伪者为掩人耳目，往往还会把注浆成型后的坯体再放在快轮上修上几刀，冒充手工拉坯产品。这时更需要注意观察器物内壁和圈足，注浆工艺所产生的气泡为圆形，拉坯，印坯和拓坯工艺所产生的气泡为不规则形。尽管修刀留下的痕迹可以部分掩盖注浆时留下的模具印，但开放性气泡的出现又为我们鉴定真伪找到了新的证据。
6表中所说“泪痕”是指注浆产品的内壁，有时因操作不当而产生的挂浆痕迹。它也是注浆产品所特有的。
有初学者曾将有关书中所说的“浆胎”误解为“注浆”，其实二者风马牛不相及。前者是指制坯原料，后者是指成型工艺。所谓“浆胎”是指用颗粒度极细的澄浆泥制成的产品，早在唐朝就已经出现。它和我们所说的注浆成型工艺根本是两回事。
旋压和滚压成型都是现代机械成型工艺，多用于日用瓷生产。造假者经常使用旋压机制作石膏模具，也有极少数仿品，直接使用日用瓷厂滚压成型的白瓷盘、碗，加彩后冒充古瓷。滚压成型主要用于生产盘、碗等敞口器，其突出特点就是圈足较矮，足墙坡度较缓，以便于脱模。
装饰工艺鉴定
古代陶瓷上的装饰是因实用的需要、美观的需要和烧制工艺的需要而形成的。它是在古人长期经验的积累和不断创造、改进中发展起来的。最早的装饰是对原始陶器表面的修饰。它们包括：抹平、压光、磨光、化妆、印(拍)纹、彩绘等，而后又出现了堆塑、刻花、印花和施釉等工艺。
装饰工艺中的彩绘工艺对人们的影响最大，最长久，从初创期的原始彩陶到顶峰期的清代画珐琅，直至近现代珠山八友的文人瓷绘，经久不衰。本章仅从彩绘颜料和彩绘技法两个方面进行阐述。绘画的风格容易模仿，消失的工艺难以恢复。从上世纪50年代开始，在计划经济体制下，国家组织大量高科技人才从事古陶瓷工艺的恢复性开发工作，时至今日，能真正做到以假乱真者难觅踪影，其关键是许多工艺细节都不过关。研究工艺是当代古陶瓷鉴定之关键。
人们通常习惯将陶瓷颜料分为釉上彩和釉下彩两大类，但从鉴定角度看笔者更倾向于将它们分为高温彩和低温彩两大类。因为所有的传统高温颜料既可以用于釉上彩绘，也可以用于釉下彩绘，而传统的低温颜料只能用于釉上彩绘，这样一来更便于我们学习和掌握。原始陶器与早期陶器
最早的装饰是对原始陶器表面的修饰。不管是砂质陶还是泥质陶，它们粗糙而又不平整的表面总是令人感到不快。最简单也是最早的尝试，就是在陶坯成型后，处于半干状态时，用手和水将表面抹平，甚至在表面涂上一层泥浆，即所谓陶衣，仰韶文化以及随后的各个文化的彩陶上所出现的陶衣已不仅是为了改善陶器表面的平整度和光滑
度，而是为了美观的需要，如浅色陶衣上可以加红、褐、黑色彩而使陶器更加丰富多姿。
另外一种改善粗糙表面的措施就是借用简单的工具，如用表面光滑的石器或骨器在陶器半干时进行打磨和压光。早期的裴李岗和磁山出土的陶器都曾出现过这种表面磨光的陶器。到了仰韶文化的彩陶和龙山文化的黑陶，这种磨光技术已臻成熟，使得这些陶器的表面几乎光可鉴人。
与使陶器表面光滑的装饰工艺相反的措施则是在陶器表面加上各种印纹，即所谓印纹陶。绳纹陶器是最早最常见的印纹陶，几乎流行于整个新石器时代的各个地区、各种文化类型的陶器表面。绳纹是用适当粗细的绳子缠绕在棍子上，然后再滚压到半干的陶坯上。其后，又出现了各种图案的印纹，如篦(点)纹、弦纹、篮纹、贝齿纹、指甲纹、方格纹和几何纹等。这些纹饰是先在木板或陶拍上刻成各种纹样的阴文后，再拍印到半干的陶坯上。仔细观察带有各类印纹的陶器表面，可以发现许多纹饰是由相同的单元组成的，而且有时在交接处还会出现交错和重叠的现象，由此可推测出它们的制作方法。现今在一些偏远少数民族地区仍然保留着这种古老的制陶工艺。陶器上的印纹，不仅仅是为了美化器物，更重要的是通过这种滚压和拍打可以提高器壁的强度和致密度，也可以增加表面摩擦力，防止使用时滑落脱手。
印纹陶发展到商周时期，由于技术的改进，窑温的提高，出现了一种硬质印纹陶，无论是其硬度还是胎质都与当时的原始青瓷无二，只是没有施釉而已，严格讲它应属于原始素瓷(俗称“反瓷”)。硬质印纹陶发展到战国时期，更是达到了一个前无古人后无来者的顶峰阶段。这一时期在吴越(江浙)地区出现了一种所谓“细布纹”陶，其制作工艺至今无人破解。这种硬质印纹陶表面装饰一种极其细小的方格纹，既不属于拍打纹，也不属滚压纹，更不是包裹和按压上去的细布纹。拍打印记会有重复和叠加印，但它没有；滚压印记会有起始端和叠加印，它也没有。如果是细布纹，就更不可能了；首先，把布纹印在陶器表面，方格应当是阴纹，但它是阳纹；其次，哪怕使用最先进的织布机，采用经线和纬线相互交织的技法织出的布，都是平面产品，用平面的布去包裹立体的罐，印在罐壁上的布纹必然会有皱褶或接缝，可是它都没有，真可谓鬼斧神工。随着其可贵之处被收藏者逐步认识，这类陶器已经成为南方地区的收藏热点，近几年也有人开始仿制，只是技术不过关，方格纹都是拍印上去的，与真品相去甚远。
彩绘也是中国古代陶器上一种普遍流行的装饰。它萌芽于新石器时代早期，成熟和普遍应用于新石器时代的中、晚期。目前，最负盛名的仰韶文化彩陶，因1921年在河南渑池县仰韶村首次发现而得名。其中心产区广泛分布于黄河流域的河南、河北、陕西、山西、甘肃，青海等地。这些彩绘多数是绘画在器物的外表，但也有绘在盆内的。西安半坡出土的绘有人面纹和鱼纹的彩陶盆，就是一件颇具特色而闻名于世的艺术品。彩陶上的彩绘图案绝大多数是先绘制在泥坯上再经烧成，只有极少数是在陶器烧成后再加绘上去而未经火烧。文物界习惯上把先绘后烧的陶器叫做“彩陶”，先烧后绘的陶器叫做“彩绘陶”。原始彩绘陶在收藏界很少有人问津，主要是因为这类器物的彩绘基本都已剥落，品相欠佳，凡色彩完好者都有后加彩之嫌疑。
彩陶上的彩绘的纹样亦多种多样，一般有简单的宽带纹、平行线纹、条纹、圆点纹、斜线纹、波折纹以及一些组合的网纹、方格纹、三角纹，甚至有仿生和表现当时人们生活的抽象人面纹、鱼纹、蛙纹、龟纹、鸟纹、鹿纹以及集体舞蹈纹等。这些彩绘纹饰虽都非常简单，但也非常生动逼真，充分表现了绘画者的想象力和创造才能，都是十分难得的艺术精品，也为我们提供了原始社会先民们生活和生产活动的可靠写照。
原始彩陶的彩绘技法并不复杂比较好仿。目前常见的仿品有两类，一类是纯新产品，新胎新彩；一类是半新产品，老胎后加彩。前者鉴定起来比较容易，后者鉴定难度稍大一些，但只要按照古陶瓷的基本鉴定步骤一步一步进行，总会找出破绽来。其方法就是一看二听三嗅四点水。“看”是最主要的，要看胎质，看成型工艺，看装饰技法(包括彩绘用料)，看装烧痕迹，最后还要看它的旧貌。彩陶及所有原始陶器都采用捏塑和盘筑工艺成型，凡采用拉坯、拓坯和注浆工艺成型者均为现代仿品。装烧痕迹和旧貌将在后文介绍。“听”是指听声音，新烧仿品往往声音清脆，古代真品声音沉闷。“嗅”是指嗅味道，新烧仿品多有煤烟味和红砖味，真品有泥土的清香味。所谓“点水”就是蘸取少量清水点在器物表面或彩绘处，一是看它的吸水程度，二是看其是否掉色。真品吸水快(表面压光器除外)，不掉色，现代仿品和后加彩器吸水慢，或有掉色现象。
鉴定装饰工艺，首先要从颜料入手。彩陶的彩绘颜色有红、紫褐、黑褐和白四种。一般黑褐彩较多，如仰韶文化中的马家窑文化彩陶，多用黑彩描绘。多数彩绘就是直接描绘在陶器上，但也有的是在彩绘之前，先在陶器上涂抹一层陶衣，陶衣有白色、红色和黑色三种。如在白色陶衣上，再加上红、黑两色彩绘，使色彩更为亮丽醒目。
根据对原始彩陶表面陶衣和彩的化学分析，说明红色陶衣和赭红彩的化学组成和一般陶器差别不大，只是其中Fe2O3的含量较高，一般在10％左右。而白色陶衣和自彩的Fe2O3含量则非常低，一般在2％左右。黑彩则不然，如大溪文化枝江关庙山彩陶的黑彩，除去含有很高的Fe2O3(约14％)外，还有很高的MnO(约7％)。由此可见，红色陶衣和赭红色彩的主要着色剂为Fe2O3紫褐色和黑褐色彩的主要着色剂是Fe2O3和MnO，其中往往也含有0.1％左右的CoO，由于CoO有非常强的着色作用，可能对色调也会产生一定的影响。古人不懂化学，也不可能根据化学成分进行调色，他们都是根据经验直接采用天然矿物材料作陶衣和颜料。赭红色彩料使用的是赭石。黑彩的彩料是以铁锰结合矿为原料。白色陶衣和自彩中除含有少量Fe2O3外，基本上没有其他着色剂，很可能就是含Fe2O3很低的和颗粒度极细的白粘土，类似于宋代磁州窑瓷器上使用的白色化妆土。从涂有白色陶衣和加绘黑彩的彩陶的显微结构可以看出，白色陶衣中只有少量玻璃相和大量云母、石英等亚微观颗粒。其矿物组成和结构均和胎相似，只是颗粒要细得多。黑彩中已含有较多的玻璃相，并有赤铁矿析出。这当然是由于成分中含有多量Fe2O3和在氧化气氛中烧
成之故。现代仿品所用颜料多是从化工商店买来的现代工业颜料，甚至有的黑彩用墨汁代替。由于这些颜料中都含有粘合剂，用它彩绘陶器，会大大降低器物表面吸水率，因此可以采用点水法鉴定。有条件的藏家也可以采用高科技手段鉴定真伪，采用XRF元素分析法和红外光谱分析法可以对所用颜料中的各种化学成分进行分析，对使用现代手段作伪的产品可以一目了然。此外，热释光测年法也是最有效最科学的鉴定方法，但只能鉴定胎质，无法鉴定彩绘。
新石器时代中、晚期的彩陶所涉及到的三种着色氧化物不仅在当时为丰富人类多彩的生活起过非常重要的作用，而且在后世陶瓷釉和彩的使用中一直长盛不衰，特别是Fe2O3在数千年的发展中始终是青、黄、黑、红等色的主要着色氧化物，从而形成铁系釉和铁系彩两大系列。
商周以后，彩陶逐步退出历史舞台，秦汉之际彩绘陶粉墨登场。彩陶是实用器，对彩的牢固度要求较高；彩绘陶属冥器，对彩的牢固度要求不高，只要人土时色彩不掉即可，往往采用先烧后绘工艺，但其色彩更加丰富。大多数秦汉时期的彩绘陶出土时，色彩已大部脱落，保留完好者属极少数。由于彩绘陶俑一度非常受国内外收藏家的追捧，所以也是当代造假的热点品种之一。彩绘陶的仿制难度较低，所用原料都是当地的普通粘土，关键是把握造型和旧貌。陶器的作旧也要比瓷器容易得多。
文物界的一些人曾普遍认为，由于今人没有古人的社会、文化、审美和创造思想，所以仿品只能有其形，而无其神，因此鉴定起来十分自负，往往不求深入。殊不知，造假者为生活所迫，居然能把仿品做的神形兼备。2003年北京陶俑事件把专家们从自负中惊醒。其实，只要深入了解彩绘陶俑的仿制技术，再加上高科技手段，真伪问题即迎刃而解。
以下图彩绘陶坐骑俑为例，经XRF元素分析和红外线检测，其中多种彩色颜料为现代化工产品，而非古代所用天然矿物颜料，且从中检出微量高分子有机物，说明颜料中添加有未被分解的化学粘合剂。由此可以初步断定该彩绘陶坐骑俑的彩绘为现代工艺。在古代陶瓷器上后加彩也是常见的一种作伪方法，至此还不能完全断定陶俑本身是赝品，还需要作进一步鉴定。后在显微镜下仔细观察，又发现器物表面的所谓霉变点，均是采用弹拨工艺人工染色所致。胎内士锈也非墓穴里的沉积土，而是人工抛撒所致。再经热释光检测，最后判定该彩绘坐骑俑为现代仿品。
陶瓷器形 篇3
砂轮磨削是一个相当复杂的过程,磨削力是磨削过程中产生的切削力和摩擦力的总和。我们一般采用将磨削力分解成互相垂直的三个力来研究,磨削力(undefined)的三个分力分别为法向磨削力(undefinedn)、切向磨削力(undefinedt)、轴向磨削力(undefineda),其中,undefined,总磨削力的大小和方向是不断变化着的,这就给磨削力的测量和分析带来很大不便。在高速磨削条件下,陶瓷cBN砂轮的径向和切向磨削力都大为减小,由磨削作用引起的砂轮周面受力仅占砂轮旋转引起的离心应力的极小一部分,在进行受力分析时,可以不予考虑;同时,高速砂轮多采用薄层陶瓷结合剂工作层(一般为5mm),由于磨料层厚度相对很小,因此高速砂轮设计遇到的主要是基体强度问题[1,2]。
旋转砂轮根据使用要求一般都要在中心开孔,特别是大型或特大型锻件,由于中心处材料存在缺陷,在中心开孔以消除隐患。开孔所引起的应力增长,比材料缺陷对构件强度危害要小些。
通过计算,对于中心有孔的砂轮基体,其最大应力随孔径大小的变化幅度不大,极薄的圆环的环向应力值ρω2R2只比中心有小孔的基体中的最大环向应力值(3+μ) ρω2R2/4大
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当μ=0.3时,该值约为21%。因此,在进行砂轮基体设计时,不应过多地考虑减少孔径比来提高基体强度,而应根据磨床的要求及基体加工的可操作性来设计基体[3]。
基体设计的原则:
①保证砂轮中心孔及周面强度;
②有利于砂轮的中心定位及动平衡;
③改善砂轮的应力分布状态,外径的径向应变最小化;
④减轻砂轮的重量,降低对轴的负荷。
2 陶瓷cBN砂轮基体材料的选择
由于砂轮厚度对称于基体的中心面,当基体绕通过其中心并垂直于中心面的轴旋转时,在惯性力作用下,其上任意一点均要产生径向应力和环向应力,且二者均对称于旋转轴分布。由于基体厚度较薄,在旋转轴方向的应力分量可以略去不计,于是任意一点均处于平面应力状态。
为了有效地减小基盘应力及变形,基体材料一般选用合金钢和硬铝合金,常用的材料有LY12铝合金和45号钢;同时,由于砂轮工作状态与汽轮机有很多相似之处,可以采用汽轮机转子材料制作砂轮基体,供选用的各材料许用应力及主要机械性能列于表1、表2[4]。
因此,我们在进行基体材料选择时,应根据材料的性价比,选择密度小、离心变形小,而且高速回转时因空气摩擦发热引起的热膨胀小,比强度、比模量大的基体材料[5]。
3 陶瓷cBN砂轮基体截形优化
CYYQ-16型电脑显示硬支承动平衡仪所测砂轮最大直径可达300mm,提供平衡轴的轴径有Ф25.4 mm和Ф20.0mm两种规格,但考虑到设备电动机功率有限,砂轮基体质量不宜过大。综合考虑国内外砂轮规格,及其自身条件,现设计一个外径为190mm,中心孔为25.4mm,工作层宽度为15mm,厚度为5mm的砂轮基体。
在市场上出售的各种国内外砂轮产品,其基体形状有等厚度平行砂轮基体、孔壁和周面厚中间薄的砂轮基体及近似等强度砂轮基体,现在分别对这三种砂轮基体进行对比分析。
(1)等厚度平行砂轮基体(如图1)
等厚度平行砂轮基体易于加工,成本低,且动平衡性能好,因此,上海豪德公司、郑州三磨所及上海二和公司所生产的砂轮都采用这种规格的基体;但这种砂轮基体孔壁较薄,不利于中心定位,安全系数较低。
(2)孔壁和周面厚中间薄的砂轮基体(图2)
此规格的砂轮基体孔壁和周面厚、中间薄,可以大大减轻砂轮的重量,降低对轴的负荷,此种规格的砂轮基体,孔壁厚有利于中心定位和提高抗开裂强度,因此,东风汽车公司安装在兰迪斯磨床上的和郑州金贝公司生产的砂轮都是此规格的砂轮。
(3)近似等强度砂轮基体(图3)
在弹性失效准则中是以最大应力不超过材料的许用应力为依据的,因而在等厚度圆盘中,只有中心孔附近的材料得到充分利用,这样不仅是不经济的,而且由于其余部分材料在旋转过程中产生附加惯性力的影响,使中心部分应力增大,因而大大限制了圆盘所允许的旋转速度。
从强度要求考虑,最理想的情形是,基体旋转时所产生的径向应力在任意处均等于环向应力,即所有点处于二向等拉的应力状态。此外,还要求这些应力沿径向均匀分布。等强度圆盘可以通过改变厚度来实现,即靠近孔壁处较厚,向外逐渐变薄,为保持应力连续性,厚度变化曲线应该是连续、光滑的。
在中心有孔的圆盘中,由于在孔边σr=0,因而不符合等强度条件。但作为一种近似,在工程中还是允许的,所以可以采用等强度设计公式计算其厚度[σ]=材料的许用设计应力
利用边界条件确定中心处厚度to约为20mm[3]。
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近似等强度陶瓷cBN砂轮充分利用了基体各部分的材料,对提高砂轮中孔强度、中心定位都很有好处,但此基体难于加工,加工成本较高。
4 结论
为满足陶瓷cBN砂轮中心孔及周面强度,减轻砂轮的重量,获得安全有效的砂轮定心及安装形式的要求,我们必须选择高强度的基体材料,并对基体截形进行优化。
(1)通过对比材料性能,LY12铝合金和45号钢价格便宜,密度较小,能有效减轻对轴的负荷;35CrMo合金钢,比强度、比模量大,离心变形小,而且高速回转时因空气摩擦发热引起的膨胀小,特别适合更高精度工件加工。
(2)优化高速陶瓷cBN砂轮的截形可以大大降低和均化基体应力,充分利用材料,提高砂轮的临界转速,但应考虑加工的难易程度和成本。
摘要：陶瓷cBN高速砂轮一般都采用金属基体材料,为了保证基体强度,改善应力分布,获得安全有效的砂轮定心及安装形式,对其基体材料进行选择和截形优化非常关键。文章对各种金属材料的物理机械性能进行了对比,确定了适合高速磨削的砂轮基体材料;同时,列举了三种规格的砂轮基体,可以根据需要进行选择。
关键词：陶瓷结合剂,cBN砂轮,基体,优化
参考文献
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陶瓷器形 篇4
关键词：泡沫陶瓷,闭孔,分形,分维,计算机模拟
0 引言
在材料学科学中, 存在许多不规则的、复杂的、具有自相似性的研究对象, 如材料的断裂面、孔结构及薄膜生成中的某些过程等。在Mandelbrot首次应用分形几何方法定量地分析了金属断口的不规则性, 并取得非常满意的效果后, 各国的材料工作者才把分形几何应用到各自的研究领域, 取得了可喜进展, 并证明了材料的物理化学性质与其分形结构特征有密切的关系[1,2,3]。
闭孔泡沫陶瓷是由大量的、各自独立封闭的、内部呈负压的陶瓷气孔构成的陶瓷材料。该材料具有导热系数小、比热容低、抗热震性好、不透水等特点, 具有保温、隔热、隔湿、隔音和可漂浮等多种功能。可广泛用作建筑材料、高温隔热材料和水上漂浮材料[4,5,6]。
闭孔泡沫陶瓷其组成、显微结构和性能均可采用仪器设备等方面进行检测描述, 唯有其空间几何结构不能通过检测的方法进行描述。通过观察发现, 闭孔泡沫陶瓷气孔几何结构不是一个整形结构, 而是具有分形特征的分形结构, 因此, 须采用分形几何来描述。
1 分形维数
维数是几何对象的一个重要特征量。直观地说, 维数是为了确定几何对象中一个点的位置所需要的独立坐标的数目, 或者说独立方向的数目。经典几何学的对象具有整数维数。对于更抽象的几何对象, 只要每个局部可以和欧氏空间对应, 也容易确定它们的维数。它们的维数仍然是整数。将点、线、面等作拉伸、压缩、扭曲等拓扑变换, 并不改变它们的维数。这种维数叫做拓扑维, 记作d。球和椭球表面的拓扑维数d=2。
如果把一个正方形的每边放大为原来的2倍, 得到相当于4个原来正方形的大正方形。如果把一个正方体的每边放大到原来的2倍, 就得到相当于8个原来大小的正方体。推而广之, 一个d维几何对象的每一边都增加为原来的L倍, 就得到N个原来的对象, d, L和N三个数的关系为Ld=N。对该式取对数, 则有
此时, d可不再是整数, 把这样定义的维数叫做分维, 记为D。因此, 分维是这样的集合, 其分维严格地大于拓扑维, 即D>d。分维大于其拓扑维是判定分形的一个重要标志[7,8,9]。
很显然, 分维和拓扑维之差D-d是系统无序程度的度量。对分形曲线来说, D-d愈大, 曲线的弯曲就愈大。对其他形式的分形, D-d愈大, 不规则性或粗糙度或无序性就愈大。
2 闭孔泡沫陶瓷的分维
2.1 闭孔泡沫陶瓷的分维表达式
闭孔泡沫陶瓷的配料中, 含有一定数量的颗粒细小的发泡剂。这些发泡剂在高温下分解释放出气体, 气体先成核再发泡长大。如果每个发泡剂粒子之间相距足够远, 且每个发泡剂粒子足够小, 其释放的气体只形成一个气泡, 那么气泡的个数应等于发泡粒子数。然而, 由于发泡体是局限在一个紧凑的空间中, 发泡时间也较短, 再加上发泡过程中系统的自组织行为的约束, 因此, 只有一部分气泡核可以长大成为宏观上的气泡。这些气泡整齐地排列, 占据着泡沫瓷的大部分空间。其余未长大的气泡核和小气泡则存在于气泡壁上, 图1为其显微结构的扫描电镜图片。
图2为具有分形结构的泡沫陶瓷样品直观图。从图1、图2可知, 气泡壁上未长大的气泡核和小气泡的排列不是无序的, 而是遵循分形几何中的无穷嵌套自相似结构进行排列:即一个半径为R的大气泡壁上均匀分布着N个半径为r的小气泡, 且在这N个半径为r的小气泡上, 每个小气泡壁上也均匀分布着N个半径更小 (设其半径为ri) 的小气泡。依次类推, 直至无穷, 且满足:
故可求得该泡沫陶瓷的分维表达式:
2.2 分维D与闭孔泡沫陶瓷气孔微结构的关系
根据计算, 相邻级别大小气泡半径比K与小气泡数N的关系及其对应的分维如表1所示。
从表1可知:随着相邻大小气泡半径比K的增大, 分维D趋向于球面的拓扑维数 (d=2) 。这说明K值越大, 气泡内壁越光滑, 越趋向于整形结构。并且, 当分维D无限趋向于2时, 每个发泡剂粒子释放的气体单独形成一个气泡, 闭孔泡沫陶瓷中气泡数量将达到最大。由于单个发泡剂粒子释放的气体很少, 气泡孔径也最小。因此, 分维D越小, 泡沫陶瓷的气孔越多, 孔径越小, 其容重也越小, 保温隔热性能越好。
3 闭孔泡沫陶瓷气孔分形结构的计算机模拟
据对样品 (图2) 的测量计算, 其大小气泡半径比K为5, 其分维D为2.5840。图3-10是当K为5时, 用计算机模拟的泡沫陶瓷的分形结构[10]。其中, 图3-6是模拟从气泡外部观察的分形结构图, 图7-10是模拟从气泡内部观察的分形结构图。
单孔模型外部结构运行结果 (图3~图6) :
单孔模型内部结构运行结果 (图7~图10) :
4 结论
(1) 闭孔泡沫陶瓷的气泡结构具有分形结构, 其分形维数表达式为:
(2) 分形维数越小, 闭孔泡沫陶瓷的气孔越多, 孔径越小, 其容重也越小, 保温隔热性能越好。
(3) 试验观测表明:闭孔泡沫陶瓷孔结构与计算机模拟的图像贴近度很高。
参考文献
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[9]文志英, 井竹君.分形几何和分维数简介[J].数学的实践与认识, 1995, 4:20-34
陶瓷器形 篇5
CaO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷是玻璃陶瓷中的一个重要体系。该体系可以析出透辉石、硅灰石、黄长石、钙镁橄榄石、镁橄榄石及堇青石等晶相[1,2,3,4,5,6], 因这些晶相具有优异的力学性能, 所以CMAS系玻璃陶瓷具有广泛的应用, 尤其在建筑材料领域。近年来, 许多研究者利用多种固体废弃物如粉煤灰、矿渣和高炉渣等制备了CMAS系玻璃陶瓷[7,8,9,10], 大大减少了原料的成本, 这也成为人们研究该系玻璃陶瓷的原因。
目前, 利用整体析晶法制备CaO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷时很难析晶, 而烧结法制备又不利于该系玻璃陶瓷性能的提高。要使CMAS系玻璃陶瓷析晶是研究的重点, 田清波等[11]研究了Fe2O3、ZrO2及CaF2形核剂对CaO-MgOAl2O3-SiO2系玻璃陶瓷析 晶的影响, 发现基础 玻璃和添 加Fe2O3及ZrO2的玻璃陶瓷以表面析晶为主。Fe2O3的加入可促进玻璃的析晶和析出晶体的生长, 而ZrO2的作用正好相反, 抑制了玻璃的析晶。同时添加Fe2O3、ZrO2和CaF2复合形核剂时样品发生整体析晶, 其中CaF2的加入是促进整体析晶的根本 原因。Rezvani等[12]研究了Cr2O3、Fe2O3和TiO2形核剂对SiO2-Al2O3-CaO-MgO (R2O) 系玻璃陶瓷的影响, 发现只添 加Cr2O3时样品中 有镁铬尖 晶石相析 出, Cr2O3、Fe2O3和TiO2同时添加可以诱导该系玻璃陶瓷整体析晶。
笔者所在课题组已经成功利用白云鄂博矿二次选后尾矿和已发生水 化反应而 难以应用 于其他行 业的工业 废弃物———湿排粉煤灰 为原料制 备了主晶 相为辉石 相的CaOMgO-Al2O3-SiO2系高性能特种矿渣玻璃陶瓷管材, 满足了多家企业的需求[13,14]。为更进一步了解形核剂对CMAS系玻璃陶瓷的微观结构与力学性质的影响, 并在此基础上设计玻璃陶瓷的微观结构以及指导研发新配方和生产工艺, 本工作对复合形核剂Cr2O3和CaF2对CaO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷微观结构与力学性质的影响展开研究。
1实验
实验所用原料为化学纯试剂, 基础玻璃的化学组成如表1所示。按配方所需的质量准确称量各试剂, 利用罐磨机混料30min后装入刚玉坩埚中。将坩埚放入型号为SX16 (0~ 1600 ℃) 的高温箱式电阻炉中, 加热至1470 ℃ 熔融并保温3h。随后将玻璃液浇铸到40mm×60mm×8mm的钢模具中成型, 并将成型后的玻璃在600 ℃退火处理3h以消除内应力, 随炉冷却至室温。
采用二步热处理法使玻璃进行核化和晶化。本工作选用课题组已确定的最优热处理制度[15], 将5组试样在700 ℃ 保温2h进行核化处理, 然后升温至850 ℃保温2h进行晶化处理, 具体工艺如图1所示。
将晶化后的试样研磨粉碎成200目的粉末, 用Panalytical公司的X’pert Pro Powder型X射线衍射仪测定样品的析晶种类。采用Cu靶X射线管, 工作电压为40kV, 电流为40mA, 扫描 (2θ) 范围为10~80°, 扫描角速度为0.2 (°) /s。 将试样抛光后用浓度为5%的HF溶液腐蚀35s, 用真空离子溅射仪 进行表面 喷金 (Au) 处理后在Zeiss Supra 55 FESEM型扫描电子显微镜上观察其形貌组织。采用三点弯曲法在电子万能试验机 (CSS-88000) 上测试3mm×4mm× 40mm的矩形试样条的抗折强度。
2结果与讨论
图2为晶化后CMAS玻璃陶瓷的XRD图谱。由图2可知5组玻璃陶瓷样品主晶相均为铁透辉石, 且含量呈逐渐增加的趋势, 5# 试样的铁透辉石含量最多, 另外, 3#、4# 和5#有次晶相钠长石析出。比较1#、4#和5# (晶核剂CaF2的含量不变, Cr2O3含量依次 递增) , 从图2可以看出 随着Cr2O3含量的增加, 铁透辉石的含量逐渐增加, 由此可知适量的Cr2O3可促进所研究体系中主晶相铁透辉石的析出, 但不改变该体系的主晶相。Omara等[16]和Barbieri等[17]分别认为Cr2O3可促进CMAS系玻璃中辉石相和透辉石相的析出, Karamazov等[18]在研究富 含铁的CMAS系玻璃时 认为Cr2O3能促进主晶相 辉石的析 出。这与本研 究结果一 致。 图3为玻璃陶瓷的横切面图, 由图可知5组试样都为整体析晶, 且1#和2#析晶不均匀, 3#、4#和5#析晶均匀。Marghussian等[19]研究发现晶 核剂中只 含Cr2O3时CaO-MgOAl2O3-SiO2系玻璃陶瓷 很难整体 析晶, 田清波等[11]认为CaF2能促进玻璃的整体析晶, 本实验在一定程度上也证明了CaF2能促进玻璃的整体析晶。
图4为晶化后CMAS玻璃陶瓷的SEM照片。从图4可以看出, 形核剂对所研究体系玻璃陶瓷析出的主晶相形貌和数量有一定的影响。由图4 (a) 可以看出1#试样玻璃相的含量较多, 析出的晶体很少。由图4 (b) 可以看出2#试样有枝晶状晶体析出, 但是枝晶之间有较多的玻璃相。由图4 (c) 可以看出3# 试样枝晶 结构明显, 但是晶粒 尺寸较大。由图4 (d) 可以看出4#试样主要是枝状晶和柱状晶, 且枝晶结构细小, 与柱状晶相互交织。由4 (e) 可以看出5#试样中枝晶结构消失。根据Griffith微裂纹理论[20], 材料固有裂纹尺寸在很大程度上取决于晶粒尺寸, 一般情况下试样的断裂强度随晶粒尺寸的减小而升高, 因此4#试样枝晶细小, 其断裂强度应最大。
表2为晶化后CMAS玻璃陶瓷抗折强度的测试结果。 从表2可以看出5种玻璃陶瓷的抗折强度先升高后降低, 抗折强度4#>3#>2#>5#>1#。这说明笔者研究的玻璃陶瓷样品力学性能的趋势是先变好后变差。结合5组试样的显微结构可知, 具有枝状晶结构的试样抗折强度比较高, 如2#、3#和4#试样。2#、3#和4#试样的抗折强度依次增强, 同时由XRD可知2#、3#和4#含透辉石的量依次增加, 大量实验已经证明透辉石利于提高玻璃陶瓷的强度[21]。 结合XRD图谱和SEM照片可知样品3#和4#晶体含量高, 具有枝晶结构且晶体相互交织, 堆积紧密, 1#晶体含量少, 5#没有枝晶结构, 所以3#和4#的抗折强度大于1#和5#。
3结论
(1) 形核剂含量不同的5组试样经热处理后析出的主晶相都为铁透辉石, 但主晶相所占比例呈增加趋势, 3#、4#和5#有次晶相钠长石析出。
(2) 当添加6g CaF2和0.9g Cr2O3时样品中有枝晶状晶体析出且晶粒细小, 当添加6g CaF2和1.4g Cr2O3时样品中枝晶结构消失。