从酒业在地震中的损失谈纳米陶瓷材料的应用
时间：2020-03-18 05:15:54 来源：千叶帆 本文已影响人
[摘要]本文从纳米陶瓷材料性能入手，结合供应链管理安全的环节，分析如何从材料的改进来减少自然灾害对酒业造成的损失，对百年陈酒容器的选用除了考虑经济实惠外，安全性也不容忽视。
[关键词]供应链；抗震；纳米陶瓷
[中图分类号]TB484．5
[文献标识码]A
[文章编号]1005—6432(2009)06—0084—03
近年来，环境恶化加剧，自然灾害频发，2008年5月12日发生在四川汶川的8.O级强烈地震，给位于地震附近的剑南春白酒厂造成了上亿元的损失，地震发生在龙门山断裂带上，几分钟之内，地壳岩石中形成了一条深12公里，长300公里的大破裂，这么大能量的释放，源自地球自身的运动：印度大陆板块向北漂移和欧亚大陆板块碰撞挤压，引起一系列造山运动，印度大陆好比一架巨型的推土机，往北使劲推起了青藏高原。当青藏高原增高到8千米后，就再也推不动了，下面的地壳被迫东移，碰到了坚硬的四川盆地地壳，形成了拔地而起北东走向的龙门山，龙门山破裂带位于青藏高原和四川盆地的交接部位，注定是地震的高发区，在此地段盖厂房的企业从建厂那刻起就应有防震意识，将现代科研成果应用于生产实践中。
众所周知，酒业是一个传统性的行业，从川酒行业近30年来的发展可以看出，企业一般是由小到大，逐步从作坊发展到现在的规模，为了减少开支，厂址常被选在郊区，厂房通常也是自行设计并施工，这样的厂房明显缺乏抵御地震灾害的能力，很难对储存酒的容器进行周密的考虑。地震直接摧毁酒罐而造成损失的情景，国内国外都有，比如在2003年12月22日，位于美国洛杉矶和旧金山之间的葡萄酒厂，在这场强烈的地震中，酒桶倾翻，溢出的葡萄酒把酒厂浸泡在一片汪洋之中，几十家葡萄酒厂变得一片狼藉，而在正常情况下，葡萄酒厂每年为该地区带来上亿美元的收入。
一般用于储存基础酒和调味酒的酒容器都是陶坛和金属罐，陶坛是公认的储存优质白酒的最好容器，具有金属和其他材料不可比拟的耐高温、耐腐蚀和耐磨性能，对白酒的老熟有明显的促进作用，但是由于陶坛容易破碎，对突然袭来的地震，陶坛间避免不了要相互碰撞、侧翻、或是遭到外物撞击，陶坛与地碰撞或地震波对陶坛的破坏，会导致大量优质基础酒和调味酒白自流失。而不锈钢酒罐虽比陶坛坚固，但在地震中也避免不了倾斜或倾倒，金属罐底在地震时某侧边瞬间受力过大，会造成金属罐底皱褶变形，或者是与金属储罐的连接管道变形或破损，导致金属罐中的酒流失。为了减少自然灾害带来的损失，除了提高酒厂厂房的防震能力外，考虑用优质抗震的储罐，是减少损失的好办法，下面就陶罐的发展和性能的改善作一个简单的介绍。
陶罐是人类最早利用天然原料制造出的材料，新石器时代，利用火煅烧黏土制成陶器，中国最早的陶器可追溯到9000年前，瓷器在4000年前，由于鼓风提高了燃烧温度，使陶器变得少孔和防水，瓷器的发明是建立在陶器技术不断发展和提高的基础上的。商代白陶以高岭土为原料，烧成温度高达1000~C以上，是原始瓷器出现的基础，器坯靠手工捏成，商代晚期出现了刻纹白陶，白陶的硬度、耐火度和吸水率都较以往的陶器有了提高。为了区别传统陶瓷和现代陶瓷，把选料高纯，超精细无机化合物为原料，用先进工艺技术制造出来的陶瓷，叫做先进陶瓷，也叫精细陶瓷或工业陶瓷，先进陶瓷无论从材料性能还是材料制备技术都和传统陶瓷迥然不同，传统陶瓷坚硬而易碎，缺乏韧性与好塑性，而先进陶瓷本身选用优质材料，具有优异的力学性质，从化学键角度来看，靠离子键或共价键结合而成为的固体，材料固有的力学强度、硬度和耐磨耐热能力都很强，在高温和恶劣环境下，有性能稳定的特质，这种新材料仍在不断地发现中。
先进陶瓷种类繁多，自20世纪60年代以来，人们开始从显微结构来控制陶瓷的性能，我们把原料和成材后的晶粒尺寸都能达到微米尺度的陶瓷称为纳米陶瓷。一般传统陶瓷的颗粒大，造成强度高而韧性差，就像混凝土中的石子，从内部结构来看，混凝土断裂口上石子都是完整的，断裂会出现在石子周围，混凝土是水泥石子的混合物，石子，即沙粒是不容易断裂的，所以提高韧性的任务主要落在水泥和沙子的颗粒均匀性上。由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能，如果粉料的颗粒堆积均匀，烧成收缩一致且晶粒均匀长大，那么颗粒越小产生的缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的力学、电学、热学、磁学、光学等独特性能。为克服传统陶瓷工艺中组分不均匀的顽症，可以用原位包裹法合成高均匀性、高烧结活性的复合纳米陶瓷粉体，如果能控制陶瓷晶粒在亚微米或者100纳米以下，陶瓷的硬度将非常大，强度也会增加，塑性性能将得到很大的提高。在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平(1nm～1OOnm)，可以从纳米材料的结构层次(1nm—1OOnm)上控制材料的成分和结构，充分发挥陶瓷材料的潜在性能。纳米尺度下的晶粒，晶界和界面像串联电路一样分布在陶瓷之中，这种结构使纳米陶瓷材料具有金属的柔韧性和可加工性，同时保持了耐磨和透气性。从陶瓷增韧的角度来看，由纳米尺度下结合的材料，断裂时裂纹在陶瓷体内跑的路径增多，外界碰撞的能量在短时间内得到弥散和吸收，形成裂纹聚集和生长的机会小，微裂纹不易演变为宏观裂纹，裂纹扩展途径越曲折，能量吸收机制越多，形成微小裂纹的目的是避免雪崩为大裂纹，大裂纹是陶瓷断裂的主要因素，代之形成大量的微裂纹，每个裂纹的尖端应力变小，这样陶瓷的耐冲击能力就增强了，韧性也就提高了，为替代传统陶瓷开拓了新领域。
纳米陶瓷的制备工艺主要包括纳米粉体的制备、成型和烧结。在烧结技术方面，用放电等离子体技术实现了利用放电等离子超快速烧结技术，可以在极短的时间里(几分钟到十几分钟)实现陶瓷的致密化，非常短的烧结时间能有效抑制烧结过程中的晶粒长大，使复相陶瓷中的一相或多相晶粒尺寸控制在纳米量级(小于100纳米)，从而大幅度提高陶瓷材料的综合性能。如碳纳米管／氧化铝复合材料以碳纳米管为增强相，只添加0.1％碳纳米管就可以使复合材料的韧性提高32％。
目前世界上对纳米陶瓷粉体制备的方法很多，具体有如下几种，一是气相合成法，包括气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法，化学气相合成法既可制备纳米非氧化物粉体，也可制备纳米氧化物粉体。原料在坩埚中经加热直接蒸发成气态，产生悬浮微粒或烟雾状原子团。原子团的平均粒径可通过改变蒸发速率以及蒸发室内的惰性气体的压强来控制，粒径可小至3～4nm，这种合成法增强了低温下的可烧结性，并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度，是制备纳米陶瓷最有希望的途径之一。二是凝聚相合成即溶胶一凝胶法，是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配
合物，通过控制pH值、反应温度等条件，让其水解并聚合，经溶胶到凝胶而形成一种空间骨架结构，再脱水焙烧得到目的产物，此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。
由纳米粉制成纳米陶瓷材料，指通过工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保持了纳米晶的特性。一般情况下，硬化处理使材料变脆，造成韧度降低，对纳米晶而言，硬化和韧化由空隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度，在室温下有较大的弹性形变。从纳米粉制成纳米陶瓷材料的方法主要有：沉降法，即在固体衬底上沉降；原位凝固法，即在反应室内设置一个充液氮的冷却管，纳米团冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，经漏斗送人压缩器，压缩成一定形状的块材，在烧结温度下，纳米颗粒以较快的速率粗化，制成块状纳米陶瓷材料。在室温压缩时，纳米颗粒已经能很好地结合，高于500"C会很快致密化，而晶粒大小只有稍许增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，烧结温度要比工程陶瓷低400％～600"C，烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加即孔隙度的降低而增加，也就是低温烧结能获得好的力学性能。
再谈谈陶瓷的透明性，一般陶瓷不透明的原因是其内部存在杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。所以不能透明。如果选用高纯原料，通过工艺手段排除气孔，可能获得透明陶瓷。陶瓷之所以能够透明，因为光学吸收和散射很低，在高致密度的情况下，影响陶瓷透明的气孔，主要不是由于晶界上或者三叉晶界处的气孔，而是被晶粒包裹而难以排出的封闭气孔。玻璃之所以透明是因为在可见光范围内光没有被吸收，因为远程无序，所以光学性质上各向同性，内部晶格无序导致物理性能各向同性。透明陶瓷刚好能够满足这个各向同性的要求，同时晶界和气孔极大地减少了光通路上的折射和散射，但陶瓷是多晶体，这和玻璃有本质的不同，所以玻璃熔点低，透明陶瓷在极端条件下有特别的优势。
透明陶瓷的原料对纯度要求会更高，杂质含量必须低于万分之一，透明陶瓷内部的晶粒形貌和尺寸都必须均匀分布，透明陶瓷的制作就是要把陶瓷内的微气孔赶走，才能使光线穿过陶瓷，产生透明的效果，其过程是这样的：先用颗粒十分均匀的、高纯度的粉末作为原料；混合后，高温烧制，便可得到透明(半透明)的陶瓷。烧结过程中，我们需要注意控制陶瓷结晶形成的速度，如陶瓷结晶过程中，晶粒形成的速度太快，则难以将微气孔赶走，若晶粒形成的速度缓慢，则晶粒缓慢地积压，便可将微气孔彻底地赶走。透明陶瓷通常在真空炉中进行，因为在真空中，加热炉中几乎没有气体，这就等于消除了陶瓷中形成微气孔的源头。透明陶瓷被认为是所有陶瓷中最完美的一个家族。如果在紫外一可见光范围内，也就是200～800nm光波长范围内，能透过光波，就形成了我们肉眼可以看见的透明陶瓷。透明陶瓷的制备方法涉及很多先进的陶瓷烧结技术，诸如热等静压烧结、热压烧结、脉冲电流烧结等。一个共同的特点就是在烧结过程中施加了一定的压力，这个压力使得陶瓷粉体之间接触得更加紧密，气孔排除过程更快，现已有很多材料能够制备成透明陶瓷，美国在1962年首次制备出了氧化铝透明陶瓷，随后氧化钇、氧化镁、氧化锆等透明陶瓷也相继问世。
关于酒瓶，现今市场上可分为两大类，一是玻璃瓶，二是陶瓷瓶，就材质而言，前者是透明、晶莹照人、华丽高档；后者釉色可人，高贵典雅。但由于造型不同，会产生出格调高雅、富丽、豪华、粗犷、精细、朴素、敦厚、玲珑、笨拙等各种感觉。酒与包装，在几千年的发展史上，是两个互相融合的互动产业，相互促进，结伴发展，酒是产品，包装后成为商品，在没有销售之前，储存非常重要，如何既保证陈酒的安全稳定，同时又满足包装的美观大方，这个重任看来是要靠透明陶瓷来完成了。
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