從酒業在地震中的損失談納米陶瓷材料的應用

　　[摘要]本文從納米陶瓷材料性能入手，結合供應鏈管理安全的環節，分析如何從材料的改進來減少自然災害對酒業造成的損失，對百年陳酒容器的選用除了考慮經濟實惠外，安全性也不容忽視。
　　[關鍵詞]供應鏈；抗震；納米陶瓷
　　[中圖分類號]TB484．5
　　[文獻標識碼]A
　　[文章編號]1005—6432(2009)06—0084—03
　　
　　近年來，環境惡化加劇，自然災害頻發，2008年5月12日發生在四川汶川的8.O級強烈地震，給位于地震附近的劍南春白酒廠造成了上億元的損失，地震發生在龍門山斷裂帶上，幾分鐘之內，地殼巖石中形成了一條深12公里，長300公里的大破裂，這么大能量的釋放，源自地球自身的運動：印度大陸板塊向北漂移和歐亞大陸板塊碰撞擠壓，引起一系列造山運動，印度大陸好比一架巨型的推土機，往北使勁推起了青藏高原。當青藏高原增高到8千米后，就再也推不動了，下面的地殼被迫東移，碰到了堅硬的四川盆地地殼，形成了拔地而起北東走向的龍門山，龍門山破裂帶位于青藏高原和四川盆地的交接部位，注定是地震的高發區，在此地段蓋廠房的企業從建廠那刻起就應有防震意識，將現代科研成果應用于生產實踐中。
　　眾所周知，酒業是一個傳統性的行業，從川酒行業近30年來的發展可以看出，企業一般是由小到大，逐步從作坊發展到現在的規模，為了減少開支，廠址常被選在郊區，廠房通常也是自行設計并施工，這樣的廠房明顯缺乏抵御地震災害的能力，很難對儲存酒的容器進行周密的考慮。地震直接摧毀酒罐而造成損失的情景，國內國外都有，比如在2003年12月22日，位于美國洛杉磯和舊金山之間的葡萄酒廠，在這場強烈的地震中，酒桶傾翻，溢出的葡萄酒把酒廠浸泡在一片汪洋之中，幾十家葡萄酒廠變得一片狼藉，而在正常情況下，葡萄酒廠每年為該地區帶來上億美元的收入。
　　一般用于儲存基礎酒和調味酒的酒容器都是陶壇和金屬罐，陶壇是公認的儲存優質白酒的最好容器，具有金屬和其他材料不可比擬的耐高溫、耐腐蝕和耐磨性能，對白酒的老熟有明顯的促進作用，但是由于陶壇容易破碎，對突然襲來的地震，陶壇間避免不了要相互碰撞、側翻、或是遭到外物撞擊，陶壇與地碰撞或地震波對陶壇的破壞，會導致大量優質基礎酒和調味酒白自流失。而不銹鋼酒罐雖比陶壇堅固，但在地震中也避免不了傾斜或傾倒，金屬罐底在地震時某側邊瞬間受力過大，會造成金屬罐底皺褶變形，或者是與金屬儲罐的連接管道變形或破損，導致金屬罐中的酒流失。為了減少自然災害帶來的損失，除了提高酒廠廠房的防震能力外，考慮用優質抗震的儲罐，是減少損失的好辦法，下面就陶罐的發展和性能的改善作一個簡單的介紹。
　　陶罐是人類最早利用天然原料制造出的材料，新石器時代，利用火煅燒黏土制成陶器，中國最早的陶器可追溯到9000年前，瓷器在4000年前，由于鼓風提高了燃燒溫度，使陶器變得少孔和防水，瓷器的發明是建立在陶器技術不斷發展和提高的基礎上的。商代白陶以高嶺土為原料，燒成溫度高達1000~C以上，是原始瓷器出現的基礎，器坯靠手工捏成，商代晚期出現了刻紋白陶，白陶的硬度、耐火度和吸水率都較以往的陶器有了提高。為了區別傳統陶瓷和現代陶瓷，把選料高純，超精細無機化合物為原料，用先進工藝技術制造出來的陶瓷，叫做先進陶瓷，也叫精細陶瓷或工業陶瓷，先進陶瓷無論從材料性能還是材料制備技術都和傳統陶瓷迥然不同，傳統陶瓷堅硬而易碎，缺乏韌性與好塑性，而先進陶瓷本身選用優質材料，具有優異的力學性質，從化學鍵角度來看，靠離子鍵或共價鍵結合而成為的固體，材料固有的力學強度、硬度和耐磨耐熱能力都很強，在高溫和惡劣環境下，有性能穩定的特質，這種新材料仍在不斷地發現中。
　　先進陶瓷種類繁多，自20世紀60年代以來，人們開始從顯微結構來控制陶瓷的性能，我們把原料和成材后的晶粒尺寸都能達到微米尺度的陶瓷稱為納米陶瓷。一般傳統陶瓷的顆粒大，造成強度高而韌性差，就像混凝土中的石子，從內部結構來看，混凝土斷裂口上石子都是完整的，斷裂會出現在石子周圍，混凝土是水泥石子的混合物，石子，即沙粒是不容易斷裂的，所以提高韌性的任務主要落在水泥和沙子的顆粒均勻性上。由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結構和宏觀性能，如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小產生的缺陷越小，所制備的材料的強度就相應越高，這就可能出現一些大顆粒材料所不具備的力學、電學、熱學、磁學、光學等獨特性能。為克服傳統陶瓷工藝中組分不均勻的頑癥，可以用原位包裹法合成高均勻性、高燒結活性的復合納米陶瓷粉體，如果能控制陶瓷晶粒在亞微米或者100納米以下，陶瓷的硬度將非常大，強度也會增加，塑性性能將得到很大的提高。在陶瓷材料的顯微結構中，晶粒、晶界以及它們之間的結合都處在納米水平(1nm～1OOnm)，可以從納米材料的結構層次(1nm—1OOnm)上控制材料的成分和結構，充分發揮陶瓷材料的潛在性能。納米尺度下的晶粒，晶界和界面像串聯電路一樣分布在陶瓷之中，這種結構使納米陶瓷材料具有金屬的柔韌性和可加工性，同時保持了耐磨和透氣性。從陶瓷增韌的角度來看，由納米尺度下結合的材料，斷裂時裂紋在陶瓷體內跑的路徑增多，外界碰撞的能量在短時間內得到彌散和吸收，形成裂紋聚集和生長的機會小，微裂紋不易演變為宏觀裂紋，裂紋擴展途徑越曲折，能量吸收機制越多，形成微小裂紋的目的是避免雪崩為大裂紋，大裂紋是陶瓷斷裂的主要因素，代之形成大量的微裂紋，每個裂紋的尖端應力變小，這樣陶瓷的耐沖擊能力就增強了，韌性也就提高了，為替代傳統陶瓷開拓了新領域。
　　納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結。在燒結技術方面，用放電等離子體技術實現了利用放電等離子超快速燒結技術，可以在極短的時間里(幾分鐘到十幾分鐘)實現陶瓷的致密化，非常短的燒結時間能有效抑制燒結過程中的晶粒長大，使復相陶瓷中的一相或多相晶粒尺寸控制在納米量級(小于100納米)，從而大幅度提高陶瓷材料的綜合性能。如碳納米管／氧化鋁復合材料以碳納米管為增強相，只添加0.1％碳納米管就可以使復合材料的韌性提高32％。
　　目前世界上對納米陶瓷粉體制備的方法很多，具體有如下幾種，一是氣相合成法，包括氣相高溫裂解法、噴霧轉化法和化學氣相合成法，化學氣相合成法既可制備納米非氧化物粉體，也可制備納米氧化物粉體。原料在坩堝中經加熱直接蒸發成氣態，產生懸浮微粒或煙霧狀原子團。原子團的平均粒徑可通過改變蒸發速率以及蒸發室內的惰性氣體的壓強來控制，粒徑可小至3～4nm，這種合成法增強了低溫下的可燒結性，并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度，是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。二是凝聚相合成即溶膠一凝膠法，是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制pH值、反應溫度等條件，讓其水解并聚合，經溶膠到凝膠而形成一種空間骨架結構，再脫水焙燒得到目的產物，此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優越性。
　　由納米粉制成納米陶瓷材料，指通過工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊材，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。一般情況下，硬化處理使材料變脆，造成韌度降低，對納米晶而言，硬化和韌化由空隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度，在室溫下有較大的彈性形變。從納米粉制成納米陶瓷材料的方法主要有：沉降法，即在固體襯底上沉降；原位凝固法，即在反應室內設置一個充液氮的冷卻管，納米團冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，經漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材，在燒結溫度下，納米顆粒以較快的速率粗化，制成塊狀納米陶瓷材料。在室溫壓縮時，納米顆粒已經能很好地結合，高于500"C會很快致密化，而晶粒大小只有稍許增加，所得的硬度和斷裂韌度值更好，燒結溫度要比工程陶瓷低400％～600"C，燒結不需要任何的添加劑。其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加即孔隙度的降低而增加，也就是低溫燒結能獲得好的力學性能。
　　再談談陶瓷的透明性，一般陶瓷不透明的原因是其內部存在雜質和氣孔，前者能吸收光，后者令光產生散射。所以不能透明。如果選用高純原料，通過工藝手段排除氣孔，可能獲得透明陶瓷。陶瓷之所以能夠透明，因為光學吸收和散射很低，在高致密度的情況下，影響陶瓷透明的氣孔，主要不是由于晶界上或者三叉晶界處的氣孔，而是被晶粒包裹而難以排出的封閉氣孔。玻璃之所以透明是因為在可見光范圍內光沒有被吸收，因為遠程無序，所以光學性質上各向同性，內部晶格無序導致物理性能各向同性。透明陶瓷剛好能夠滿足這個各向同性的要求，同時晶界和氣孔極大地減少了光通路上的折射和散射，但陶瓷是多晶體，這和玻璃有本質的不同，所以玻璃熔點低，透明陶瓷在極端條件下有特別的優勢。
　　透明陶瓷的原料對純度要求會更高，雜質含量必須低于萬分之一，透明陶瓷內部的晶粒形貌和尺寸都必須均勻分布，透明陶瓷的制作就是要把陶瓷內的微氣孔趕走，才能使光線穿過陶瓷，產生透明的效果，其過程是這樣的：先用顆粒十分均勻的、高純度的粉末作為原料；混合后，高溫燒制，便可得到透明(半透明)的陶瓷。燒結過程中，我們需要注意控制陶瓷結晶形成的速度，如陶瓷結晶過程中，晶粒形成的速度太快，則難以將微氣孔趕走，若晶粒形成的速度緩慢，則晶粒緩慢地積壓，便可將微氣孔徹底地趕走。透明陶瓷通常在真空爐中進行，因為在真空中，加熱爐中幾乎沒有氣體，這就等于消除了陶瓷中形成微氣孔的源頭。透明陶瓷被認為是所有陶瓷中最完美的一個家族。如果在紫外一可見光范圍內，也就是200～800nm光波長范圍內，能透過光波，就形成了我們肉眼可以看見的透明陶瓷。透明陶瓷的制備方法涉及很多先進的陶瓷燒結技術，諸如熱等靜壓燒結、熱壓燒結、脈沖電流燒結等。一個共同的特點就是在燒結過程中施加了一定的壓力，這個壓力使得陶瓷粉體之間接觸得更加緊密，氣孔排除過程更快，現已有很多材料能夠制備成透明陶瓷，美國在1962年首次制備出了氧化鋁透明陶瓷，隨后氧化釔、氧化鎂、氧化鋯等透明陶瓷也相繼問世。
　　關于酒瓶，現今市場上可分為兩大類，一是玻璃瓶，二是陶瓷瓶，就材質而言，前者是透明、晶瑩照人、華麗高檔；后者釉色可人，高貴典雅。但由于造型不同，會產生出格調高雅、富麗、豪華、粗獷、精細、樸素、敦厚、玲瓏、笨拙等各種感覺。酒與包裝，在幾千年的發展史上，是兩個互相融合的互動產業，相互促進，結伴發展，酒是產品，包裝后成為商品，在沒有銷售之前，儲存非常重要，如何既保證陳酒的安全穩定，同時又滿足包裝的美觀大方，這個重任看來是要靠透明陶瓷來完成