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今天我们来聊一种很常见又很不常见的陶瓷：氧化钙陶瓷。
说很常见，是因为氧化钙大家都很熟悉，俗名生石灰，初中化学里就出现过的物质。将石灰石（碳酸钙）在高温下煅烧，就得到氧化钙。氧化钙在很多领域都有广泛的用途，比如作为工业上用作填料、农业上用作土壤改良剂等。说不常见，是因为大家平时的确很少见到氧化钙陶瓷。氧化铝、氧化锆这些氧化物陶瓷很多人都耳熟能详细，但提起氧化钙陶瓷，可能连听说过的都比较少。
实际上，氧化钙陶瓷的确算是陶瓷中的另类，因为其用途十分单一，主要就是用作金属冶炼的耐火材料，比如钢铁冶炼的多孔过滤器、合金精炼的坩埚，等等。而这些用途，是与氧化钙特殊的性能相关的。
氧化钙有什么特殊性能呢？
首先耐火性能较高，氧化钙的熔点是℃，虽不是非常高，但也不低。同时抗热震性不错。氧化钙具有一定的高温蠕变性，因此材料由于温度变化而产生的热应力可以得到缓冲，不至于变形损坏。如果说以上两点算不上特殊，那氧化钙的另外几种性能就很独到了。一是高温热稳定性极佳，是最稳定的氧化物之一，几乎与各种熔融金属都不发生反应。有人研究过，在℃下，氧化钙的热稳定性比我们熟知的氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钛、氧化硅等都高，很难被活性金属还原。二是具有优异的除杂性能。简单地说，就是氧化钙很容易与金属熔液中的硫、磷等杂质发生反应，生成的物质会上浮到保护渣层中被除掉——这样就大大提高了金属的纯度。
由此可见，氧化钙用在金属冶炼领域，是十分合适的。
但是还有一个问题，为什么氧化钙陶瓷的使用范围仅限于金属冶炼，而不能在更广泛的领域拓展呢？
这与氧化钙陶瓷的另一个特殊性能相关：极易水化。即使在常温下，氧化钙也会与水发生反应，生成氢氧化钙，也就是熟石灰。这是一个放热过程，同时制品的体积会剧烈膨胀，产生裂纹和崩裂，最后彻底粉化。这样的禀赋，有哪个老板敢试用？
而与此同时，一些敏锐的材料研究者却从中看到了机会。因为生石灰实在太便宜，一旦解决了其水化的问题，是不是就有可能打开了一片广阔的天地？因此，氧化钙陶瓷的抗水化，就成为一个很好的研究方向。
如何提高氧化钙的抗水化性能的呢？
最简单的方法就是提高烧结温度。烧结温度高，所获材料不仅致密度高，而且晶粒粗、结晶完整，水化反应的活性大大降低，相应地，其抗水化能能力也会有明显提高。不过，这种方法能耗大、设备要求高，不是研究的主流。而且如果烧结温度过高，有时候还会引起晶粒异常长大，陶瓷的密度反而会下降，抗水化能力减弱。
目前研究较多的方法是进行适当的掺杂。掺杂的物质主要有氧化物比如氧化铜、氧化铁、氧化铬、氧化锆、氧化钛等和盐类比如氯化钙、氟化钙、磷酸盐等。从机制上看，掺杂的作用主要有以下两种：
一是与氧化钙形成固溶体，促进固相烧结。这样可以在较低温度下获得致密度高、晶粒大的陶瓷，提高其抗水化性能。比如，有人氧化钙陶瓷中加入0.5mol%氟化钇，在℃下，密度由62.1%提高到99.7%，在抗水性能测试中，前者在35天内增重21.8%，而后者仅增重1.2%。
二是与氧化钙形成耐水性玻璃相。玻璃相的形成不仅可以促进烧结，同时由于它们自身不容易水化，覆盖在晶粒表面时，也减少了氧化钙与水接触的几率，提高了其抗水化能力。
由于在固溶体或液相的形成往往会削弱氧化钙陶瓷其它方面的性能（比如耐高温性能），因此有人采用表面包覆的方法加入掺杂物质。比如有人将氧化钙材料埋在氧化铬粉中进行烧制，氧化铬在高温下会与氧化钙反应，在表面形成9CaO·4CrO3·Cr2O3，阻止氧化钙与水接触，从而大大提高了其抗水性能。
#深度好文计划#表面处理除了掺杂，还有一种被认为具有较大应用前景的方法，就是表面碳酸化法。即采用二氧化碳气体对氧化钙制品进行碳酸化处理，使其表面形成碳酸盐覆盖层，阻止与水的接触，达到提高其抗水化性能的目的。最后说一下，氧化钙陶瓷这种易水化的特性就一定不好吗？当然不是，这种物性在某些应用场景上十分适合。比如铸造精密金属零部件所用的型芯。当金属零部件铸造完成后，就要进行脱芯处理。有些型芯化学稳定性好，必须采用振动、高压水冲击等方式来脱芯，很容易破坏铸件。但如果采用耐高温、又容易水化的氧化钙，脱芯处理就方便多了，只要在水中浸泡一下（为加速反应，还可加一点稀酸），铸件的破损率就会大大降低，同时脱芯的效率就会高很多。
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