材料与社会

《材料与社会》结课作业我对新型陶瓷材料的认识计算机科学与技术学院网络工程1202班1208020230鲜伟2014年5月3日目录1.什么是陶瓷2.陶瓷的缺点3.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变4.新型陶瓷材料与传统陶瓷材料的区别5.新型陶瓷材料研究近况6.学习心得体会1.什么是陶瓷陶瓷是陶器和瓷器的总称。中国人早在约公元前8000－2000年（新石器时代）就发明了陶器。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差。除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。陶瓷原料是地球原有的大量资源黏土经过淬取而成。而粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，全干可磨；烧至700度可成陶器能装水；烧至1230度则瓷化，可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。2.陶瓷的缺点陶瓷在常温下无塑性变形，其抗压强度大，而抗拉、抗弯、抗冲击强度较小，表现为易脆性断裂。根据材料的配比，陶瓷的理论强度很高，但其实际强度只有理论强度的1％左右。原因是陶瓷烧结的条件及工艺不同，其多相结构亦不同。另外，当陶瓷加热到瓷临界温度时可出现蠕变，高温中其蠕变更加明显。即在烧结过程中烤瓷的蠕变常会牵拉金属变形，尤其多单位烤瓷冠桥反复烧结，变形的可能性更大。3.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变陶瓷一词来源于古希腊一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vaporprocessing)溶液法(Aqueousprecipitation)溶胶—凝胶技术(Solgel-technology)及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4,A12O3等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷,它的易脆性得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。4.新型陶瓷材料与传统陶瓷材料的区别属于新型材料的一种。传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。按化学成分划分主要分为两类：一类是纯氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一类是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。按性能与特征划分可分为：高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。随着成分、结构和工艺的不断改进，新型陶瓷层出不穷。按其应用不同划分又可将它们分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。在工程结构上使用的陶瓷称为工程陶瓷，它主要在高温下使用，也称高温结构陶瓷。这类陶瓷以氧化铝为主要原料，具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点，在空气中可以耐受1980℃的高温，是空间技术、军事技术、原子能、业及化工设备等领域中的重要材料。工程陶瓷有许多种类，但目前世界上研究最多，认为最有发展前途的是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。压电陶瓷是一种能将压力转变为电能的功能陶瓷，哪怕是像声波震动产生的微小的压力也能够使它们发生形变，从而使陶瓷表面带电。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机，能够连续打火几万次。透明陶瓷的主要成分有氧化镁、氧化钙、氟化钙等。透明陶瓷不但能透过光线，还具有很高的机械强度和硬度。透明陶瓷是一种很好的透明防弹材料，还可以用来制造车床上的高速切削刀、喷气发动机的零件等，甚至可以代替不锈钢。氮化硅高强度陶瓷以强度高著称，可用于制造燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮等。精密陶瓷氨化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多种方法制备，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K反应后获得：3Si+2N2=Si3N4（条件1600K）也可用化学气相沉积法，使SiCl4和N2在H2气氛保护下反应，产物Si3N4积在石墨基体上，形成一层致密的Si3N4层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：SiCl4+2N2+6H2→Si3N4+12HCl氮化硅、碳化硅等新型陶瓷还可用来制造发动机的叶片、切削刀具、机械密封件、轴承、火箭喷嘴、炉子管道等，具有非常广泛的用途。利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷种类繁多，用途各异。例如，根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件，变压器等形形色色的电子零件。利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤维、光储存材料及各种陶瓷传感器。此外，陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。总之，新型陶瓷材料几乎遍及现代科技的每一个领域，应用前景十分广阔5.新型陶瓷材料研究近况现代各国不仅在新型陶瓷的应用方面取得了一定的成就，但同时也不断大力地开展新陶瓷的研究和开发，下面列举的几个方面是近年来比较著名的研究领域：1）纳米复合陶瓷Al2O3-Sic纳米复合陶瓷的抗弯强度比三氧化二铝单体提高近三倍。纳米复合材料不仅在常温下具有很高的强度，其高温强度性能也明显提高。近来，双向纳米复合陶瓷和纳米压电复合陶瓷是引人注目的新方向[8]。2）梯度功能材料梯度功能材料它不同于传统的复合材料，其成分或结构在材料的一面向另一面逐渐变化。FGM材料的就开发哦在研究和开发热障涂层材料为主的高温耐热材料、刀具材料、热点转换材料等方面取得了进展，在FGM研发工艺中等离子体喷射法（PlasmaSpraying）、气象沉积法（CVD）、粉末冶金法（PM）具有较明显的优势，得到广泛的利用。3）synergy陶瓷synergy陶瓷是指在同一材料里实现多种性能的共存或互补的高性能复合陶瓷，从广义上来看，synergy陶瓷的概念与结构和功能一体化比较接近。日本名古屋工业技术研究所和日本惊喜陶瓷中心是开展synergy陶瓷开发的基地，并取得了重大研究成果，如兼有高强度（1400MPa）、高韧性（12MPa）和高热传导性（120W/mk）的强韧性Si3N4陶瓷还有很多新的领域如：陶瓷涂层、金属-陶瓷、陶瓷膜材料、仿生层状复合材料等各国均积极在研究，寻求新的突破。6.学习心得体会新型陶瓷材料是当今科学技术发展的物质基础，除了作为高强、耐磨、耐腐的结构陶瓷而广泛应用，在微电子技术、激光技术、光电子技术、光纤技术、传感技术、超导技术和空间技术的发展中也占有十分重要的地位。国防工业和军用技术历来是新材料、新技术的主要推动和应用者，在武器和军用技术的发展上，新型陶瓷材料及一期为基础的新技术具有举足轻重的作用。新型陶瓷材料还是建立在发展新技术产业、改造传统工业、节约能源和保护环境及提高我国国际竞争力所不可缺少的物质条件。随着新世纪的到来和技术的不断进步，会对新型陶瓷材料的性能提出更加苛刻的要求，我们必须不断地开拓进取，在新型陶瓷材料制备技术、新的材料体系不断创新，使其对人类社会的进步作出更大的贡献。