生活中的陶瓷材料

生活中的陶瓷材料

姓名：刘逸飞学号：12346064 专业：信科院电子系

【摘要】陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷以优异的物理、化学、力学和工艺性能在很多的行业得到应用。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。陶瓷材料作为现在生活中越来越频繁与广泛使用的材料，其种类和应用方向也被越来越明细的分类。

【关键词】陶瓷，材料，应用，前景

【正文】一、陶瓷材料的概述

首先，我们学要了解的是，什么是陶瓷？什么又是陶瓷材料？所谓陶瓷，就是指陶器和瓷器的总称。而陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。传统的陶瓷材料是粘土、石英、长石等硅酸盐材料 而现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。陶瓷材料是一种天然或人工合成的粉状化合物, 经过成型或高温烧结,由金属元素和非金属的无机化合物构成的多相固体材料。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、原料丰富、成本低廉等诸多优点而被人一直关注。现在,陶瓷材料、金属材料、高分子材料被称为三大主要固体材料。

有关陶瓷的发展几乎可以追溯到14000年以前，万年仙人洞位于江西省万年县大源乡是14000年前新石器时代的古文化遗址。从现有的考古资料来看，是我国首次发现的从旧石器时代向新石器时代过渡的人类活动文化遗迹，其出土的栽培稻和陶器，距今一万年以前，是现今已知世界上年代最早的栽培稻遗存和原始陶器之一。而最早的彩陶发源地在黄河流域，尤其以陕西的泾河、渭河以及甘肃东部比较集中。甘肃东部大地湾一期文化，不仅在器形上比较规整，而且绘有简单的纹饰，是世界上最早出现的彩陶文化之一。

几千年以来，陶瓷材料以各种我们或熟悉，或不熟悉的方式存在于我们的生活中，并逐渐成为不可或缺的一部分，可以说，陶瓷材料已经贯穿了整个人类历史的进程，对人类文明的发展做出了卓越的贡献。

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。

二、陶瓷材料的性能

(1) 力学性能：陶瓷材料具有极高的硬度和优良的耐磨性，弹性模量高，钢度大抗拉强度低抗压强度很高，陶瓷的塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性。

(2) 机械性能:大多数陶瓷的硬度都比金属高的多,特别好, 常用作耐磨零件(如轴承, 刀具).它具有高的弹性模量和高脆性,具有低的抗拉强度和高的抗压强度, 具有较强的耐热功能,具有耐高温的特性, 其熔点一般大于2000℃。此外, 陶瓷材料还具有热膨胀系数较小、导热性较低、热容量较小等机械特性。

(3) 电学性能：大多数陶瓷材料有较高的电阻率、较小的介电常数和介电损耗, 因此它可以用作绝缘材料。少数的陶瓷材料可以用作半导体材料,而且已经成为无线电技术和高新技术领域不可或缺的材料。有的陶瓷材料还具有超导特性,，具有超导特性的陶瓷已经成为高温超导材料中的重要组成部分。

(4) 化学性能：陶瓷材料具有抗高温氧化、抗腐蚀的能力。它不仅对酸、碱、盐具有良好的抵抗作用,而且还对熔融金属具有抗蚀作用。所以陶瓷材料常用作化学反应的发生器、用作离子交换膜。有的陶瓷材料还可以含载体对化学反应有催化作用。

(5) 生物性能：陶瓷材料的生物功能主要表现在可以修复或替换人体的某些组织、器官或增强脏器功能的方面。比如人造腔膜、心脏起搏器用电池板、助听器用振动板等。另外, 有的陶瓷材料还具有人体感知功能。

(6) 光学性能：某些陶瓷材料具有光吸收、光反射及光偏移的特性,还有的具有分光性、感光性及导光性。一些先进光学陶瓷材料还具有良好的透光性。利用陶瓷材料的这些光特性可以制造出许多光学产品, 例如制作特种灯具(比如Na灯) 的灯管材料、陶瓷感光计等等。

三、陶瓷材料的分类

陶瓷材料根据其用途与性质等又可以分为很多种类型，其分类标准多种多样，这里我们可以按照不同的标准将其分类。

普通陶瓷：

(1) 日用陶瓷：包括有细炻餐具、陶质砂锅。产品热稳定性好，基本没有铅、镉溶出，具有多种款式及规格，主要作餐饮、烹饪用具。

(2) 卫生陶瓷及卫浴产品：包括有洗面器、便器、淋浴器、洗涤器、水槽等。该类产品的耐污性、热稳定性和抗腐蚀性良好，具有多种形状、颜色及规格，且配套齐全，主要用作卫生间、厨房、实验室等处的卫生设施。除此之外，还有搪瓷浴缸、压克力浴缸、浴室等卫浴产品。

(3) 美术陶瓷：包括有陶塑人物、陶塑动物、微塑、器皿等。产品造型生动、传神，具有较高的艺术价值，款式及规格繁多。主要用作室内艺术陈设及装饰，并为许多收藏家所珍藏。

(4) 园林陶瓷：包括有中式、西式琉璃制品及花盆等。产品具有良好的耐久性和艺术性，并有多种形状、颜色及规格，特别是中式琉璃的瓦件、脊件、饰件配套齐全，用作园林式建筑的装饰。

(5) 建筑陶瓷：包括有瓷质砖、锦砖、细炻砖、仿石砖、彩釉砖、劈离砖和釉面砖等。产品具有良好的耐久性和抗腐蚀性，其花色品种及规格繁多（边长在5cm～100cm间），主要用作建筑物内、外墙和室内、外地面的装饰。

(6) 陶瓷机械：包括有球磨机、喷雾干燥塔、压砖机、辊道窑等建筑陶瓷生产用成套设备。

(7) 电工陶瓷：绝缘器件等。

(8) 化工陶瓷：试验器皿、耐热容器、管道、设备等。

特种陶瓷：

(1) 氧化物陶瓷：氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2，CaO．Cr2O3及莫莱石(3Al2O3.2SiO4)和尖晶石(MgAl2O3)等。陶瓷中的Al2O3和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样被广泛应用，表11.1中列出了一些氧化物陶瓷．硅酸盐亦属氧化物系列。如ZrsiO4。Call已等，还有复合氧化物如BaT吗、CgyiO；等。

(2) 碳化物陶瓷：碳化物陶瓷～般具有比氧化物更高的熔点。最常用的是碳化硅、碳化硼。碳化物陶瓷在制备过程中应有气氛保护。

(3) 氮化物陶瓷：氮化物中应用最广泛的是氮化硼，它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。另外，AI筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚刚出现的C3N4，可望其性能超过Si3O4。

四、陶瓷材料的应用与前景

陶瓷材料经过长久的发展，由陶器到传统瓷器再到现在的纳米陶瓷，早已脱胎换骨，渗透到生活中的方方面面了。也不再是以往作为器皿，装饰的单一存在了。现在，陶瓷材料正在生物医学、电子、汽车、造船、航空、机械、家电、航天、国防、建筑等方面发挥着巨大的作用。我们以三类新型的陶瓷材料为例，来说其在人类社会中的重要地位。

（1）纳米陶瓷材料：纳米陶瓷是指在纳米技术的基础上研究开发的具有更高更多特性陶瓷材料。在陶瓷材料的显微结构中, 相粒尺寸、第二相分布、气孔尺寸等量纲均在纳米量级( 0.1nm至100nm) 的水平上, 因此使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。我们都知道普通陶瓷材料的显微组织主要由晶体相、玻璃相及气相组成, 各相的组成、结构、

数量、形状与分布都对陶瓷材料的性能有直接的影响, 而玻璃相及气相的含量较大会使陶瓷的强度、硬度和抗热冲击等性能降低。纳米陶瓷材料的出现很好地克服了普通陶瓷材料这些缺点。并且对材料的力学、电学、化学、光学、磁学等性能产生重要影响, 为替代普通陶瓷材料的应用开拓了新的领域。

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面, 包括材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等。在这些方面纳米陶瓷材料都有了很大的提高, 特别是在高温下具有更大的硬度、强度。纳米陶瓷还具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性。在室温压缩时, 纳米颗粒已有很好的结合, 高于500℃就很快致密化, 而晶粒大小只有稍许的增加, 所得的硬度和断裂韧度值更好, 而烧结温度却比工程陶瓷低400℃～600℃, 并且烧结不需要任何的添加剂。纳米陶瓷的硬度和断裂韧度随烧结温度的增加而增加, 故低温烧结能获得更好的力学性能。通常情况下, 普通陶瓷是脆性材料, 经不起热冲击和机械冲击, 但纳米氧化锆陶瓷却变成了韧性材料, 在室温下就可以弯曲, 范性形变高达100%。纳米陶瓷可显示出有重大意义的量子效应, 可以使本来不发光、不透光的陶瓷变成发光陶瓷和透明陶瓷, 并且可以大大改善半导体陶瓷材料的电磁特性。随着高技术的不断出现, 纳米陶瓷的更深入研究必将会再引起整个陶瓷研究领域的扩展。人们对纳米陶瓷寄予非常大的希望, 现在世界上很多国家都投入了大量的资金和人力对纳米陶瓷材料进行更深入的研究。可以预见, 纳米陶瓷材料的明天会更好。

（2）智能陶瓷材料：智能陶瓷材料包括对环境敏感且能对环境变化作灵敏反应的材料, 目前已成为材料科学及工程领域中研究的亮点。智能陶瓷包括功能材料、驱动系统与反馈系统结合的智能材料系统或结构。由于其综合性功能的发挥,它可适时感知与响应外界环境的变化, 实现自我监测、自我诊断、自我保护、自我适应等诸多性能。其中功能陶瓷材料将是智能陶瓷及其器件进行设计与发展使用的主要核心材料。

当前有些功能陶瓷制品已具有智能化的功能, 如半导体钛酸钡正温度系数热能电阻及氧化锌变阻器, 它们对于电压和温度已经具备自身诊断、自身修复与自我保护的功能。在智能陶瓷系统中, 压电陶瓷是重要的一类。由于压电陶瓷具有力、电、声、热、光等多种功能及耦合效应, 可以用作压力、温度、光、声等多方面的传感器。压电驱动器又具有位移控制精度高、响应快、推动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点, 所以常使用压电陶瓷材料用于结构减震、震动控制、结构破坏及有源消声等。现在已经普及使用及正拟开发研制的压电类智能陶瓷制品及材料系统有智能雨刷、陶瓷声纳系统、热释电电压变压器及高级轿车减震装置。在智能陶瓷材料里, 还有对温度变化敏感并能做出一定反应的热敏陶瓷, 能够监测到有毒或易燃气体的气敏陶瓷, 能够在光的照射下产生光导电或伏特效应的光敏陶瓷及能检测出环境湿度的湿敏陶瓷。

智能陶瓷材料的开发研究正处于刚刚兴起时期, 它的应用将会对汽车、造船、航空、

机械、家电、航天、国防、建筑等工业领域产生重要影响, 大大提高其智能与自动化的水平, 使操作更简洁更人性化。可以说智能陶瓷材料的发展前途无量。

（3）生物陶瓷：生物陶瓷是指具有特殊生理行为的一类陶瓷材料,这种材料可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分, 甚至可望部分和整体地修复或替换人体的某些组织、器官,

以增进其功能。

所谓生物陶瓷的特殊生理行为是指生物陶瓷必须满足下述生物学要求: 要与生物肌体相容, 对生物肌体组织没有毒副作用、刺激、过敏反应, 且不会使其突变、畸变和致癌等。生物陶瓷要具有一定的力学要求, 不

仅要有足够的强度和刚度, 不发生灾难性的脆性破裂、

疲劳、蠕变和腐蚀破裂等, 而且要求刚柔并济, 其弹性形变应当和被替换的组织相匹配; 能和人体其他组织相互结合, 有优良的组织亲和性。根据生理环境中所发生的生物化学反应,

生物陶瓷可分为三种类型: 一类是接近于生物惰性的生物陶瓷, 如氧化铝、氧化锆及氧化钛陶瓷等; 另一类是具有表面活性的生物陶瓷, 如致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等;最后一类是可吸收生物的生物陶瓷, 如类石膏陶瓷、磷酸钙陶瓷及铝酸钙陶瓷等。

关于陶瓷材料的发展前景，我想说的是，人类在材料的应用上面的追求是永无止境的，一种现存的材料或早或晚都将被更好的材料取代，就目前的陶瓷材料而言，还有巨大的挖掘空间，一些新生的陶瓷材料才刚刚诞生，还有一些正在研究中。随着生产力的不断进步和科技的迅速发展,陶瓷材料中肯定会出现更先进更完美的产品。在以后的研究和开发中,陶瓷材料将在超导陶瓷、智能陶瓷、纳米陶瓷、光学陶瓷、多孔陶瓷、陶瓷涂料、陶瓷纤维及陶瓷基复合材料等方面有更突出的贡献。