特种陶瓷介绍

2.2 功能陶瓷
所谓功能陶瓷是指具有电、 所谓功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超 功能陶瓷是指具有电 化学、生物等特性， 导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的 一类陶瓷。 一类陶瓷。由于这类陶瓷材料拥有许多优异的特 殊性能，因而受到了人们的普遍关注和重视。 殊性能，因而受到了人们的普遍关注和重视。在 功能材料中，陶瓷也占有十分重要的地位。 功能材料中，陶瓷也占有十分重要的地位。功能 陶瓷占整个特种陶瓷产量的80%， 陶瓷占整个特种陶瓷产量的80%，而且每年以 20%的速度增长 功能陶瓷己在能源开发、 20%的速度增长。功能陶瓷己在能源开发、空间 的速度增长。 技术、电子技术、生物技术、 技术、电子技术、生物技术、环境科学等领域得 到了广泛的应用。 到了广泛的应用。
结构陶瓷应用主要有： 结构陶瓷应用主要有：
切削工具、模具、耐磨零件、 切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部 发动机部件、热交换器、 件、发动机部件、热交换器、生物部件和 装甲等。 装甲等。
结构陶瓷主要材料有： 结构陶瓷主要材料有：
氮化硅（ ）、碳化硅 SiC）、 碳化硅（ 氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、 二氧化锆（ ）、碳化硼 碳化硼（ 二氧化锆（ZrO2）、碳化硼（B4C）、 二硼化钛（ 氧化铝（ 二硼化钛（TiB2)、氧化铝（A1203）、 和赛隆（Sialon)等 和赛隆（Sialon)等。
氧化锆，氮化硅陶瓷球
氧化锆球（球磨介质）
基于ZrO 晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的作用， 基于ZrO2晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的作用， 通常稳定剂Y CaO，MgO， 的有效加入量( 通常稳定剂Y2O3，CaO，MgO，CeO2的有效加入量(摩尔分 分别为7%～14%,15%～ 16%一 13%。 数)分别为7%～14%,15%～29% , 16%一26% , > 13%。根据 不同的应用条件，稳定剂可以单独使用，也可以混合使用， 不同的应用条件，稳定剂可以单独使用，也可以混合使用， 从而得到具有不同性能的ZrO 产品，这是当前ZrO 从而得到具有不同性能的ZrO2产品，这是当前ZrO2复合材料 研究、开发和应用的热门课题之一。 研究、开发和应用的热门课题之一。结构陶瓷Fra bibliotek陶瓷轴承
蜂窝陶瓷蓄热体
耐热堇青石陶瓷) 陶瓷坩埚 (耐热堇青石陶瓷 耐热堇青石陶瓷
电子陶瓷
光源陶瓷（插座） 光源陶瓷（插座） 防雷击保护器件－ 防雷击保护器件－陶瓷气 体放电管
2.1 结构陶瓷
所谓结构陶瓷 所谓结构陶瓷，是指能作为工程结构材料 结构陶瓷， 使用的陶瓷。是陶瓷材料的重要分支， 使用的陶瓷。是陶瓷材料的重要分支，约占整 个陶瓷市场的25％左右。结构陶瓷以耐高温、 个陶瓷市场的25％左右。结构陶瓷以耐高温、 高强度、超硬度、耐磨、 高强度、超硬度、耐磨、抗腐蚀等机械力学性 能为主要特征，因此在冶金、宇航、能源、 能为主要特征，因此在冶金、宇航、能源、机 光学等领域有重要的应用。 械、光学等领域有重要的应用。在这些应用领 域用非金属代替金属是总的趋势。 域用非金属代替金属是总的趋势。结构陶瓷大 致分为氧化物系、 致分为氧化物系、非氧化物系和结构用的陶瓷 基复合材料。其分类、特性和应用见下表1 基复合材料。其分类、特性和应用见下表1。
3 应用举例
3.1 氧化锆陶瓷
3.1.1 氧化锆性能介绍
3.1.1.1 物理性质 锆在地壳中的储量为0. 025%，超过Cu，Zn， 锆在地壳中的储量为0. 025%，超过Cu，Zn， Sn，Ni，Pb等金属的储量，资源丰富。自然界中 Sn，Ni，Pb等金属的储量 资源丰富。 等金属的储量， 锆以锆英石、斜锆石和它们的变体形态出现。 锆以锆英石、斜锆石和它们的变体形态出现。 为白色，含杂质时呈黄色或灰色， 纯ZrO2为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般 含有HfO 不易分离。 密度5. 含有HfO2，不易分离。 ZrO2 ：密度5. 6g/Cm ３ ， 熔点2715℃ 二氧化锆具有熔点和沸点高、 熔点2715℃ 。二氧化锆具有熔点和沸点高、硬度 常温下为绝缘体、 大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优 良性质。 良性质。
高性能特种陶瓷在许多方而都突破了传统陶瓷 的概念和范畴， 的概念和范畴，是陶瓷发展史上的一次革命性的变 化。 特种陶瓷(special ceramics)又叫精细陶瓷 又叫精细陶瓷(fine 特种陶瓷(special ceramics)又叫精细陶瓷(fine ceramics)、先进陶瓷( ceramics)、先进陶瓷( advanced ceramics)、现 ceramics)、 代陶瓷( ceramics)、高技术陶瓷( 代陶瓷( modern ceramics)、高技术陶瓷( high 或高性能陶瓷( technology ceramics)或高性能陶瓷( high ceramics)或高性能陶瓷 performance ceramic)。一般认为，特种陶瓷是 ceramic)。一般认为， 采用高度精选的原材料， “采用高度精选的原材料，具有精确控制的化学组 按照便于控制的制造技术加工成的， 成，按照便于控制的制造技术加工成的，便于进行 结构设计，并具有优异特性的陶瓷” 结构设计，并具有优异特性的陶瓷”它的出现与现 代工业和高技术密切相关。 20年来由于冶金 年来由于冶金、 代工业和高技术密切相关。近20年来由于冶金、汽 车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新材 能源、生物、航天、 料的需要， 料的需要，陶瓷材料在国内外已经逐步形成了一个 新兴的产业。 新兴的产业。
特种陶瓷介绍
1 前言
人类进入21世纪 信息、能源、 人类进入21世纪，信息、能源、材料被誉为科 世纪， 学的三大支柱。材料是人类生产和生活的物质基础， 学的三大支柱。材料是人类生产和生活的物质基础， 是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、 是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光 电技术、红外技术、传感技术、 电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术 的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、 的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、 耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。 耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。 传统材料难以满足要求， 传统材料难以满足要求，开发和有效利用高性能材 料己经成为材料利学发展的必然趋势。目前， 料己经成为材料利学发展的必然趋势。目前，在新 材料世界里，陶瓷材料已与金属材料、 材料世界里，陶瓷材料已与金属材料、有机材料并 称为现代三大材料。由于陶瓷材料具有高强度、 称为现代三大材料。由于陶瓷材料具有高强度、高 硬度、耐腐蚀、耐高温等特征， 硬度、耐腐蚀、耐高温等特征，使之成为新材料的 发展中心，受到广泛关注。 发展中心，受到广泛关注。
2 分类及应用
高性能陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷 高性能陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷 两大类。结构陶瓷是以利用力学和热学性能为 两大类。结构陶瓷是以利用力学和热学性能为 主的材料，又可称为高温结构陶瓷； 主的材料，又可称为高温结构陶瓷；功能陶瓷 是以利用电、 铁电、 是以利用电、磁、光、铁电、压电等性能及其 耦合为主的材料。随着利学技术的发展， 耦合为主的材料。随着利学技术的发展，新材 料的不断出现， 料的不断出现，结构陶瓷与功能陶瓷的界限也 逐渐淡化， 逐渐淡化，有些材料同时具备优越的结构性能 与优良的功能。从材料体系来分可以分为： 与优良的功能。从材料体系来分可以分为：机 械材料、电磁材料、半导体材料、光学材料、 械材料、电磁材料、半导体材料、光学材料、 热学材料、生物化学材料。 热学材料、生物化学材料。
3.1.1.2 ZrO2化学性质
氧化锆具有良好的化学性质。它是一种弱酸性氧化物， 氧化锆具有良好的化学性质。它是一种弱酸性氧化物， 对碱溶液以及许多酸性溶液(热浓硫酸、HF及 除外) 对碱溶液以及许多酸性溶液(热浓硫酸、HF及H3PO4除外)都 具有足够的稳定性。 制成的坩锅可熔炼钾、 具有足够的稳定性。用ZrO2制成的坩锅可熔炼钾、钠、铝和 铁等多种金属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。 铁等多种金属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。许多硅 化物的熔融物及矿渣等对烧结ZrO 亦不起作用。 化物的熔融物及矿渣等对烧结ZrO2亦不起作用。熔融碱式硅 酸盐以及含有碱上金属的熔融硅酸盐，在高温下对烧结ZrO 酸盐以及含有碱上金属的熔融硅酸盐，在高温下对烧结ZrO2 有侵蚀作用。强碱与ZrO 在高温下反应生成相应的锆酸盐。 有侵蚀作用。强碱与ZrO2在高温下反应生成相应的锆酸盐。 在高温下( 2220℃以上)的真空中， 和碳作用生成ZrC， 在高温下( 2220℃以上)的真空中， ZrO2和碳作用生成ZrC， 和氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。 和氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。
二氧化锆有3种晶型，属多晶相转化的氧化物。 二氧化锆有3种晶型，属多晶相转化的氧化物。 稳定的低温相为单斜晶结构(m 高于1000℃ 稳定的低温相为单斜晶结构(m - ZrO2)，高于1000℃ 时四方晶相(t 逐渐形成，直至2370℃ 时四方晶相(t - ZrO2)逐渐形成，直至2370℃只存在 四方相，高于2370℃至熔点温度则为立方晶相(e 四方相，高于2370℃至熔点温度则为立方晶相(e ZrO2) 。ZrO2在加热升温过程中伴随着体积收缩，而 在加热升温过程中伴随着体积收缩， 在冷却过程中则体积膨胀。 在冷却过程中则体积膨胀。因此在使用时为使其不发 生体积变化，必须进行晶型稳定化处理。 生体积变化，必须进行晶型稳定化处理。常用的稳定 剂有Y CaO，MgO， 和其它稀上氧化物。 剂有Y2O3，CaO，MgO，CeO2和其它稀上氧化物。 这些氧化物的阳离子半径与Zr4+相近 相差在12%以 相近( 这些氧化物的阳离子半径与Zr4+相近(相差在12%以 它们在ZrO 中的溶解度很大，可以和ZrO 内)，它们在ZrO2中的溶解度很大，可以和ZrO2形成 单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。 单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。这种固溶 体可以通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。 体可以通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。 快冷得到的立方固溶体保持稳定，不再发生相变， 快冷得到的立方固溶体保持稳定，不再发生相变，没 有体积变化，这种ZrO 称为全稳定ZrO 有体积变化，这种ZrO2称为全稳定ZrO2写为 FSZ(Fully Stabilized Zirconia)。 Zirconia)。