陶瓷的研究现状与发展展望

陶瓷的研究现状与发展展望陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料.它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点.可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料.分类:普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟.这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等.特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要.根据其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能.本节主要介绍特种陶瓷.编辑本段性能特点力学性能陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上.陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差.热性能陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上）,且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料.同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性.电性能大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件.铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为机械能（具有压电材料的特性）,可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等.少数陶瓷还具有半导体的特性,可作整流器.化学性能陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力.光学性能陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等.磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途.编辑本段常用特种陶瓷材料根据用途不同,特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷.1．结构陶瓷氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3,一般含量大于45%.氧化铝陶瓷具有各种优良的性能.耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍.其缺点是脆性大,不能接受突然的环境温度变化.用途极为广泛,可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等,也可作刀具和模具.氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4,这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷,线膨胀系数在各种陶瓷中最小,使用温度高达1400℃,具有极好的耐腐蚀性,除氢氟酸外,能耐其它各种酸的腐蚀,并能耐碱、各种金属的腐蚀,并具有优良的电绝缘性和耐辐射性.可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具.碳化硅陶瓷主要组成物是SiC,这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷,在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度,是目前高温强度最高的陶瓷,碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度.是良好的高温结构材料,可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等.六方氮化硼陶瓷主要成分为BN,晶体结构为六方晶系,六方氮化硼的结构和性能与石墨相似,故有“白石墨”之称,硬度较低,可以进行切削加工具有自润滑性,可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等.2．工具陶瓷硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂,碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等,粘结剂主要为钴（Co）.硬质合金与工具钢相比,硬度高（高达87~91HRA）,热硬性好（1000℃左右耐磨性优良）,用作刀具时,切削速度比高速钢提高4~7倍,寿命提高5~8倍,其缺点是硬度太高、性脆,很难被机械加工,因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用,硬质合金主要用于机械加工刀具；各种模具,包括拉伸模、拉拔模、冷镦模；矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等.金刚石天然金刚石（钻石）作为名贵的装饰品,而合成金刚石在工业上广泛应用,金刚石是自然界最硬的材料,还具备极高的弹性模量；金刚石的导热率是已知材料中最高的；金刚石的绝缘性能很好.金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；金刚石工具进行超精密加工,可达到镜面光洁度.但金刚石刀具的热稳定性差,与铁族元素的亲和力大,故不能用于加工铁、镍基合金,而主要加工非铁金属和非金属,广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工.立方氮化硼（CBN）具有立方晶体结构,其硬度高,仅次于金刚石,具热稳定性和化学稳定性比金刚石好,可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工.可制成刀具、磨具、拉丝模等其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷,但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷.3．功能陶瓷功能陶瓷通常具的特殊的物理性能,涉及的领域比较多,常用功能陶瓷的特性及应用见表.常用功能陶瓷的组成、特性及应用种类性能特征主要组成用途介电陶瓷绝缘性Al2O3、Mg2SiO4集成电路基板热电性PbTiO3、BaTiO3热敏电阻压电性PbTiO3、LiNbO3振荡器强介电性BaTiO3电容器光学陶瓷荧光、发光性Al2O3CrNd玻璃激光红外透过性CaAs、CdTe红外线窗口高透明度SiO2光导纤维电发色效应WO3显示器磁性陶瓷软磁性ZnFe2O、γ-Fe2O3磁带、各种高频磁心硬磁性SrO．6Fe2O3电声器件、仪表及控制器件的磁芯半导体陶瓷光电效应CdS、Ca2Sx太阳电池阻抗温度变化效应VO2、NiO温度传感器热电子放射效应LaB6、BaO热阴极(一)工程塑料的开发利用目前,主要的工程塑料制品已有10多种,其中聚酸胺、聚甲醛、聚磷酸酯、改性聚苯酸和热塑性聚酯被称为五大工程塑料．它们的产量较大．价格一般为传统通用塑料的2—6倍．而聚摧硫酸等特种工程塑料的价格为通用塑料的5一10倍.以塑料代替钢铁、木材、水泥三大传统基本材料,可以节省大量能源、人力和物力.(二)合成橡胶的开发利用由于生产合成橡胶的原料丰富,其良好的性能又可以满足当代科技发展对材料提出的某些特殊要求,所以合成橡胶出现几十年来,品种已很丰富,一般可将其分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两类.通用合成橡胶性能与天然橡胶相似,用于制造一般的橡胶制品,如各种轮胎、传动带、胶管等工业用品和雨衣、胶鞋等生活用品.特种合成橡胶具有耐高温、耐低温耐酸碱等优点,多用于特殊环境和高科技领域,如航空、航天、军事等方面.(三)合成纤维的开发利用合成纤维的品种有几十种,但最常见的是六大种：聚酸胺纤维(商品名尼龙)、聚胺纤维(商品名涤纶)、聚乙烯纤维(商品名腈纶)、聚丙烯纤维(商品名丙纶)、聚乙烯酸纤维(商品名维纶)、聚氯乙烯纤维(商品名氨纶).高分子合成材料具有质量小、绝缘性能好等特点,所以发展很快,但又都有先天不足,即它们都在不同程度上对氧、热和光有敏感性.但是,随着高技术的迅速发展,高分子合成材料的大军必将在经济生活中扮演举足轻重的角色.四、陶瓷材料陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷,它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚.精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料,采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷,因此又称先进陶瓷或新型陶瓷.精细陶瓷有许多种,它们大致可分成三类.(一)结构陶瓷.这种陶瓷主要用于制作结构零件.机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件,用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏,而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”.(二)电子陶瓷指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷.这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外,对周围环境的变化能“无动于衷”,即具有极好的稳定性,这对电子元件是很重要的性能,另外就是能耐高温.(三)生物陶瓷生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统,以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料.精细陶瓷是新型材料特别值中得注意的一种,它有广阔的发展前途.这种具有优良性能的精细陶瓷,有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用,达到节约能源、提高效率、降低成本的目的；精细陶瓷和高分子合成材料相结合．可以使交通运输工具轻量化、小型化和高效化.精陶材料将成为名副其实的耐高温的高强度材料,从而可用作包括飞机发动机在内的各种热机材料、燃料电池发电部件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公害的外燃式发动机材料等.精细陶瓷与高性能分子材料、新金属材料、复合材料并列为四大新材料.有些科学家预言．由于精细陶瓷的出现,人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代编辑本段更多信息原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称.也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体.传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐.刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高,纯度不大,颗粒的粒度也不均一,成型压强不高.这时得到陶瓷称为传统陶瓷.后来发展到纯度高,粒度小且均一,成型压强高,进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷.接下来的阶段,人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础,使陶瓷的概念发生了很大的变化.陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关,在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料.这重要包括比较强的离子键的离子化合物,能够形成原子晶体的单质和化合物,以及形成金属晶体的物质.他们都可以作为陶瓷材料.其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料.更进一步拓宽了陶瓷材料的范围.因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称.陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料,通过成型和高温烧结所得到的烧结体.（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围）研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料,内部微结构（微晶晶面作用,多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展.材料（光,电,热,磁）性能和成形关系,以及粒度分布,胶着界面的关系也得到发展,陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态.这里应该和量子力学,纳米技术,表面化学等学科关联起来.陶瓷学科成为一个综合学科详细介绍----透明陶瓷材料陶瓷具有广大的发展前景，透明陶瓷以其优异的综合性能已成为一种新型的、备受瞩目的功能材料。综述了透明陶瓷的分类，探讨了透明陶瓷的制备工艺，并展望了透明陶的应用前景。1962年RLC首次报导成功地制备了透明氧化铝陶瓷材料以来,为陶瓷材料开辟了新的应用领域。这种材料不仅具有较好的透明性,且耐腐蚀,能在高温高压下工作,还有许多其他材料无可比拟的性质,如强度高、介电性能优良、低电导率、高热导性等,所以逐渐在照明技术、光学、特种仪器制造、无线电子技术及高温技术等领域获得日益广泛的应用。透明陶瓷的分类透明陶瓷材料主要分为氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷两类。1氧化物透明陶瓷对氧化物透明陶瓷的研究早于对非氧化物透明陶瓷的究，其制备工艺也相对成熟。到目前为止，已经先后研发出了多种材料:Be()、ScZ()3、Ti认、ZK):、Ca(〕、Th(矢、A12()3仁5·6〕、Mg()、AI()NL，」、YZ03[8·”〕、稀土元素氧化物、忆铝石榴石(3Y203·SA12()。)仁’0，”】、铝镁尖晶石(Mg()·A一2()。)〔’2，’3]和透明铁电陶瓷pLZ子川等。其中AiZ姚、M四、YZ姚以及忆铝石榴石以其自身优异的综合性能，现已经得到广泛的应用。2非氧化物透明陶瓷对非氧化物透明陶瓷的研究是从20世纪80年代开始的。非氧化物透明陶瓷的制备比氧化物透明陶瓷的制备要困难得多，这是由于非氧化物透明陶瓷具有较低的烧结活性、自身含有过多的杂质元素(如氧等)，这些都成为制约非氧化物透明陶瓷实现成功烧结并得到广泛应用的主要因素。但经过各国研究人员的共同努力和深人研究，现已经成功地制备出了多种透明度很高的非氧化物透明陶瓷，其中最典型的是AIN、GaAS、MgF