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第五章陶瓷一、陶瓷（Ceramics）的概念1．传统的陶瓷概念是指所有以粘土为主要原料与其他天然矿物原料经过粉碎混炼、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。如我们常见的日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑卫生陶瓷等都属于传统陶瓷。绪论2．新型陶瓷的概念随着近代科学技术的飞速发展，陶瓷已成为人类生活和现代化建设中不可缺少的材料之一。具有高强、耐温、耐腐特性或各种敏感特性的陶瓷材料，由于其制作工艺过程与传统陶瓷不同，更重要的是由于其化学组成、显微结构及特性不同于传统陶瓷，故现在人们习惯称其为新型陶瓷，而又把所有新型陶瓷制品统称为陶瓷新材料。新型陶瓷是采用人工精制的无机粉末原料，通过结构设计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达到特定的性能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精度的无机非金属材料。新型陶瓷正在不断成熟和发展之中，新型陶瓷也有如下几种说法：先进陶瓷(AdvancedCeramics)、高性能陶瓷(HighPerformanceCeramics)、高技术陶瓷(High-tech.Ceramics)、精细陶瓷(FineCeramics)、特种陶瓷(SpecialCeramics)等。3．广义的陶瓷概念用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。二、陶瓷研究的发展历程陶瓷在人类文明发展史上功不可没。人类最早使用的工具——石器，可以说就是一种最早的天然陶瓷材料。陶瓷既是我国最杰出的科学成就之一，又是中华文明的伟大象征之一。就陶瓷研究的历史进程来看，可简单概括为三个发展阶段，如图1所示。远在几千年前的新石器时代，我们的祖先就已经利用天然粘土作原料，塑造成各种形状的器皿，再在火堆中烧成坚硬的可重复使用的陶器。由于烧成温度较低，陶器仅是一种含有较多气孔、质地较松的未完全烧结制品。以后大约在2000多年前的东汉晚期，人们利用含铝量较高的天然瓷土为原料，加上釉的发明，以及高温烧结技术的不断改进，使陶器步入了瓷器阶段，这是陶瓷技术发展史上十分重要的里程碑。由于瓷器烧成温度高，质地致密坚硬，表面有光亮的釉彩，随着科学技术的进步与发展，由瓷器又衍生出了许多种类的陶瓷。在日用陶瓷的基础上，形成了工业陶瓷的生产，如电力工业用的高压电瓷、化学工业用耐腐蚀的化工陶瓷、建筑工业用的建筑陶瓷和卫生陶瓷等。诸如此类的日用陶瓷、工业陶瓷与水泥、玻璃、耐火材料、搪瓷、磨料制品等统称为硅酸盐制品，因为它们的主要成分是硅酸盐化合物。人们一般将这一类陶瓷制品称为传统陶瓷或普通陶瓷。从原始瓷器的出现到近代的传统陶瓷，这一阶段一直持续了4000余年。瓷器（传统陶瓷）陶器高铝质粘土和瓷土的应用釉的发明原料纯化陶瓷工艺的发展陶瓷理论的发展先进陶瓷（微米级）纳米陶瓷高温技术的发展显微结构分析的进步性能研究的深入无损评估的成就相邻学科的推动图1陶瓷研究发展的三个阶段20世纪以来，特别是第二次世界大战之后，随着宇宙开发、原子能工业的兴起和电子工业的迅速发展，对陶瓷材料，无论从性能、质量、品种等方面，均提出了越来越高的要求，促使陶瓷材料发展为新的具有一系列特殊功能的无机非金属材料，陶瓷研究的发展则从传统陶瓷跃入第二个阶段——先进陶瓷阶段。先进陶瓷（AdvancedCeramics，又称现代陶瓷）是为了有别于传统陶瓷而言的。相邻学科、相关技术的相互渗透与交叉，是现代科学技术发展的一个重要特点。先进陶瓷（或现代陶瓷）是在传统硅酸盐陶瓷的基础上，吸收了相邻学科的先进技术而发展起来的一门综合而又相对独立的学科体系，许多学科和技术因素促成了这种发展，例如：①在原料上，从传统陶瓷以天然矿物原料为主体发展到用高纯的合成化合物，材料的组成已远远超出硅酸盐的范围。②制备工艺的进步，在传统陶瓷工艺基础上发展和创造出一系列新的工艺技术。如成型技术上的等静压成型、热压注成型、注射成型、离心注浆成型、压力注浆成型和流延成膜等成型方法；烧成上则有热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、自蔓燃烧结等。③陶瓷科学理论的发展，为陶瓷工艺的发展提供了科学依据，使陶瓷工艺从经验操作发展到科学控制，并发展到在一定程度上可根据实用要求进行特定的材料设计。④显微结构分析上的进步，使人们可更精确地了解陶瓷材料的结构及其组成，从而可人为控制工艺——显微结构——性能关系的统一，对陶瓷技术起到了指导作用。⑤陶瓷材料性能的研究使新的性能不断出现，大大开拓了陶瓷材料的应用范围。⑥陶瓷材料无损评估技术的发展，加强了陶瓷材料使用上的可靠性。⑦相邻学科的发展对陶瓷科学的进步起到了推动作用。但是应该指出，这一阶段的先进陶瓷，无论从原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等在尺度上还只是处在微米级的水平，故又可称之为微米级先进陶瓷。到上世纪90年代，陶瓷研究进入了第三个阶段——纳米陶瓷阶段。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米（nm）级尺度的陶瓷材料，它包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的尺度上。纳米陶瓷是当前陶瓷材料研究中一个十分重要的发展趋向，它将促使陶瓷材料研究从工艺到理论，从性能到应用都提高到一个崭新阶段。三、陶瓷的分类陶瓷的分类方法很多，这里主要介绍按陶瓷的概念和用途来分类，可将陶瓷分为普通陶瓷（TraditionalCeramics）和特种陶瓷（SpecialCeramics）两大类。特种陶瓷从性能上可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷（StructuralCeramics）是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的先进陶瓷（现代陶瓷），特别适于高温下应用的则称为高温结构陶瓷。功能陶瓷（FunctionalCeramics）是指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷（现代陶瓷）。功能陶瓷的特点是品种多、产量大、价格低、应用广、功能全、技术高、更新快。通过对复杂多元氧化物系统的化学、物理及组成、结构、性能和使用效能间相互关系的研究，已陆续发现了一大批具有优异性能或特殊功能的功能陶瓷，并可借助于离子置换、掺杂等方法调节、优化其性能，功能陶瓷材料研究已开始从经验式的探索逐步走向按所需性能来进行材料设计。结构陶瓷大致分为氧化物系和非氧化物系两类，见表1。由于许非氧化物系的陶瓷材料具有氧化物系材料所不具备的优异功能，因而其发展前途广阔。表1结构陶瓷的分类种类材料氧化物系Al2O3，MgO，ZrO2，SiO2，UO2，BeO等非氧化物系碳化物SiC，TiC，B4C，WC，UC，ZrC等氮化物Si3N4，AlN，BN，TiN，ZrN等硼化物ZrB2，WB，TiB2，LaB6等硅化物MoSi2氟化物CaF2，BaF2，MgF2硫化物ZnS，TiS2，MxMo6S8（M=Pb,Cu,Gd）碳和石墨C功能陶瓷具有电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、耐腐蚀性、化学吸附性、生物适应性、吸声性（能）、耐辐射性等很多功能，且具有相互转换的功能。功能陶瓷的大致分类见表2。随着科学技术的发展，多功能陶瓷材料已逐渐在研制和生产，这种陶瓷材料所具备的多功能性是其它材料难以达到的，因而十分引人注目。表2功能陶瓷的分类分类功能陶瓷典型材料主要用途电功能陶瓷绝缘陶瓷Al2O3、BeO、MgO、AlN、SiC集成电路基片、封装陶瓷、高频绝缘陶瓷介电陶瓷TiO2、La2Ti2O7、Ba2Ti9O20陶瓷电容器、微波陶瓷铁电陶瓷BaTiO3、SrTiO3陶瓷电容器压电陶瓷PZT、PT、LNN(PbBa)NaNb5O15超声换能器、谐振器、滤波器、压电点火、压电电动机、表面波延迟元件半导体陶瓷PTC(Ba-Sr-Pb)TiO3NTC(Mn、Co、Ni、Fe、LaCrO3)CTR(V2O5)温度补偿和自控加热元件等温度传感器、温度补偿器等热传感元件、防火灾传感器等ZnO压敏电阻浪涌电流吸收器、噪声消除、避雷器SiC发热体电炉、小型电热器等快离子导体陶瓷β-Al2O3、ZrO2钠-硫电池固体电介质、氧传感器陶瓷高温超导陶瓷La-Ba-Cu-O、Y-Ba-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O超导材料分类功能陶瓷典型材料主要用途磁功能陶瓷软磁铁氧体Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn、Cu-Zn-Mg电视机、收录机的磁芯，记录磁头、温度传感器，计算机电源磁芯、电波吸收体硬磁铁氧体Ba、Sr铁氧体铁氧体磁石记忆用铁氧体Li、Mn、Ni、Mg、Zn与铁形成的尖晶石型计算机磁芯光功能陶瓷透明Al2O3陶瓷Al2O3高压钠灯透明MgO陶瓷MgO照明或特殊灯管，红外输出窗材料透明Y2O3-ThO2陶瓷Y2O3－ThO2激光元件透明铁电陶瓷PLZT光存储元件、视频显示和存储系统，光开关、光阀等分类功能陶瓷典型材料主要用途生物及化学功能陶瓷湿敏陶瓷MgCr2O4-TiO2、ZnO-Cr2O3、Fe3O4等工业湿度检测、烹饪控制元件气敏陶瓷SnO2、α-Fe2O3、ZrO2、TiO2、ZnO等汽车传感器、气体泄漏报警，各类气体检测载体用陶瓷堇青石瓷、Al2O3瓷、SiO2-Al2O3瓷等汽车尾气催化载体、化工用催化载体、酵素固定载体催化用陶瓷沸石、过渡金属氧化物接触分解反应催化、排气净化催化生物陶瓷Al2O3、Ca5(F、Cl)P3O12人造牙齿、关节骨等四、新型陶瓷的特性与应用新型陶瓷，由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的特殊性质和功能，如高强、高硬、耐温、耐腐、绝缘、导电和各种电、磁、光及生物相容性等，陶瓷材料的这些性能，可以广泛用于机械、电子、宇航、医学工程等各个方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。新型陶瓷的主要特性和应用见表3。表3新型陶瓷的特性与应用领域特性应用光、电、磁学功能领域电子陶瓷高绝缘性集成电路组件，集成电路衬底，散热性绝缘衬底铁电性、介电性图像存储元件，电光偏振光元件，高容量电容器压电性振子，点火元件，滤波器，压电变压器，超声波元件，电子引燃器，弹性表面波元件，电子钟表热电性红外检测元件，自计式温度计，探测器，新型武器电子放射性阴极射线管电子枪热阴极，热电子装置，电子显微镜，电子束焊机，超大规模集成电路电子束绘画仪半导性、传感性电阻发热体（高温电炉），湿度传感器，热敏电阻（温度控制器），压力传感器，稳压元件（非线性电阻），自控系统电阻发热元件（电子恒温器，被褥干燥器，头发干燥器），气体传感器（气体泄漏报警器）离子导电性氧量传感器（汽车发动机空气∕燃料比控制器），高炉的控制，钠硫电池（功率平衡用）领域特性应用光、电、磁学功能领域光电陶瓷荧光性荧光体，彩色电视显像管材料偏振光性电光偏振光元件光电性光电变换元件光陶瓷透光性耐高温耐蚀透光性（高压钠灯灯管），窑炉观察窗，原子能反应堆窗口，半导性透可见光性（光改变色玻璃）光反射性耐高温金属特性反射红外性透过可见光，反射红外线特性（节能型窗玻璃）导光性通信用光纤，光通信光缆，胃摄像机，光能传输纤维磁性陶瓷软磁性、硬磁性电脑存储元件，变压器磁芯，磁带，磁盘，橡胶磁铁，立体声拾音器，磁头，现金支付信用卡，冷藏库气密磁门领域特性应用热学功能领域传热性集成电路绝缘（散热）衬底绝热性耐热绝热体，轻质绝热体，不燃壁材，节能型炉耐高温性耐高温结构材料，高温炉，核聚变反应堆材料，原子能反应堆材料机械功能领域高强度、耐磨性、非膨胀收缩性超高精度全陶瓷车床，机床，测量机械，拉丝模高强度、耐高温性高性能高效汽车发动机，燃气轮机叶片，柴油机，Sterling发动机，航天飞机表面瓦高比强度性汽车零件，人造卫星机体，火箭机体，飞机机体高模量高尔夫球棒，长柄，网球拍，撑杆跳高撑杆，钓鱼竿，各种弹簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料润滑性轴承材料，高温润滑材料生物化学功能领域骨亲和性人工骨，人造牙根，人造关节载体性固定酶载体，催化剂载体，生物化学反应控制装置耐蚀性理化仪器，化工陶瓷，化学装置内衬，原子能有关材料催化性水煤气反应催化剂，耐热催化剂，化学用催化剂尤其要指出的是，功能陶瓷的不断开发，对科学技术的发展起了巨大促进作用，功能陶瓷的应用领域也随之更为广泛，目前主