陶瓷材料的分类及发展前景

陶瓷材料的分类及发展前景 学校: 太原理工大学 学院: 材料科学与工程 专业： 无机0801 姓名： ** 摘要：

根据陶瓷材料的不同特性及用途对其进行了较为准确的分类，并对各类陶瓷的应用进行了概述。通过对各类陶瓷特性及应用领域的总结，对陶瓷材料未来的发展作出了新的展望，揭示了陶瓷材料的应用方向及发展趋势。 引言 陶瓷材料在人类生活和现代化建设中是不可缺少的一种材料。它是继金属材料，非金属材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的材料之一。它兼有金属材料和高分子材料的共同优点，在不断改性的过程中，已经使它的易碎性有了很大的改善。陶瓷材料以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会发展中将发挥非常重要的作用。陶瓷材料按其性能及用途可分为两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。现代先进陶瓷的性能稳定、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐酸耐碱、耐磨损、抗氧化以及良好的光学性能、声学性能、电磁性能、敏感性等性能远优于金属材料和高分子材料；而且，先进陶瓷是根据所要求的产品性能，经过严格的成分和生产工艺制造出来的高性能材料，因此可用于高温和腐蚀介质的环境当中，是现代材料科学发展最活跃的领域之一。在此，笔者将对先进陶瓷的种类及应用领域做详细的介绍。 1. 结构陶瓷 陶瓷材料优异的特性在于高强度、高硬度、高的弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗震性、高导热性能、低膨胀系数、质轻等特点，因而在很多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料所不可胜任的的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基复合材料。 1.1氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要包括氧化镁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫来石陶瓷，氧化物陶瓷最突出的优点是不存在氧化问题。 氧化铝陶瓷，利用其机械强度较高，绝缘电阻较大的性能，可用作真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。利用其强度和硬度较大的性能，可用作磨料磨具、纺织瓷件、刀具等。 氧化镁陶瓷具有良好的电绝缘性，属于弱碱性物质，几乎不被碱性物质侵蚀，对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力。不少金属如铁、镍、铀、釷、钼、镁、铜、铂等都不与氧化镁作用。因此，氧化镁陶瓷可用作熔炼金属的坩埚，浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。氧化镁在空气中易吸潮水化生成Mg(OH)2，在制造过程中必须注意。为了减少吸潮，应适当提高煅烧温度，增大粒度，也可增加一些添加剂，如TiO2、Al2O3等。 氧化铍陶瓷具有与金属相似的良好的导热系数，约为209.34W/（m.k），可用来做散热器件；氧化铍陶瓷还具有良好的核性能，对中子减速能力强，可用作原子反应堆的减速剂和防辐射材料；另外，利用它的高温比体积电阻较大的性质，可用来做高温绝缘材料；利用它的耐碱性，可以用来作冶炼稀有金属和高纯金属铍、铂、钒的坩埚。 氧化锆陶瓷耐火度高，比热和导热系数小，是理想的高温绝缘材料；化学稳定性好，高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀。氧化锆坩埚用于冶炼金属及合金，如铂、钯、铷、铑的冶炼和提纯。对钢水很稳，是连续铸锭的耐火材料。 氧化锡陶瓷热膨胀系数小，导热系数高，高温稳定性高，所以可以用来做高温导热材料。高温时的导电率高，可以用作高温导电材料。另外，氧化锡陶瓷抵抗玻璃液的侵蚀能力强，可做坩埚和玻璃电熔的电极。 莫来石陶瓷机械强度较高，高温荷重下变形小，热膨胀系数小，抗冲击性好。可用来制造热电偶保护管、电绝缘管，高温炉衬，还可以用来制造多晶莫来石纤维，高频装置瓷的零件等。 1.2非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷等。非氧化物陶瓷不同于氧化物陶瓷，在自然界中存在的很少，需要人工来合成原料，然后再按陶瓷工艺制成成品。氮化物、碳化物、硫化物的标准生成自由焓一般都大于相应氧化物，说明生成的氧化物更为稳定。所以，在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物。氧化物原子间的化学键主要是离子键，非氧化物之间一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷难熔、难烧结。 碳化硅陶瓷共价键性极强，在高温下仍保持高的键和强度，强度降低不明显，且膨胀系数小，耐蚀性优良，可作高温结构零部件。碳化硅陶瓷由于熔点高、硬度大主要用作超硬材料、工具材料、耐磨材料，以及高温结构材料；利用它导热系数高、膨胀系数低的特点，可作导热材料、发热材料等。碳化硅陶瓷主要应用于石油工业、化学工业、汽车、飞机、火箭、机械矿业、造纸工业、热处理、核工业、微电子工业、激光等行业。 氮化物陶瓷种类很多，它包括氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷等。氮化硅陶瓷具有耐高温、耐磨性，在陶瓷发动机中用于燃气轮机的转子、锭子和涡形管；由于抗震性好、耐腐蚀、摩擦系数小、热膨胀系数小等特点，广泛应用于冶金和热加工工业中。 氮化铝陶瓷可作为熔融金属用坩埚、保护管、真空蒸度用容器，还可用作真空中蒸镀Au的容器、耐热转、耐热夹具等。电绝缘电阻高、优良的介电系数和低的介电损耗，机械性能好，耐腐蚀，透光性强，根据以上特性可用作高温构件、热交换材料、浇注模具材料以及非氧化电炉的炉衬材料等。 氮化硼陶瓷较好的耐高温性、电绝缘性，用作电气工业部门的绝缘材料。由于导热性几乎不随温度变，及对微波辐射的穿透性能，可用作雷达的传递窗。氮化硼中有硼原子存在，故具较强中子吸收能力用作原子反应堆的结构材料。利用它的熔点高、热膨胀系数小及几乎对所有熔融金属都稳定的性能，可用作高温金属冶炼坩埚、耐火材料、热片及导热材料，是制造发动机部件的最佳材料 氮化硅陶瓷硬度高、熔点高、化学稳定性好且具金黄色金属光泽是一种较好的耐熔耐磨材料，代金装饰材料。在机械加工工业中，在刀具上涂TiN涂层，提高耐磨性。 1.3纳米陶瓷 纳米陶瓷又称纳米结构材料，纳米复合材料是21世纪的新材料。它的研究是从微米复合向纳米复合方向发展，纳米陶瓷材料不仅能在低温条件下象金属材料那样任意弯曲而不产生裂纹，而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷可作防护材料、高温材料、人工器官的制造、临床应用、以碳化硅为吸收剂的吸收材料、以陶瓷粉末为吸收剂的吸收材料、以及压电性能的应用。它的应用领域为微包覆、超级过滤、吸附、除臭、触媒、固定氧、传感器、光学功能元件、电磁功能元件等。 1.4陶瓷基复合材料 复合材料是两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观形式组合而成的材料。基于提高韧性的陶瓷基复合材料可分为两类：氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。 氧化锆相变增韧复合材料是把部分的氧化锆粉末与其他陶瓷粉末混合后制成的高韧性材料，这种材料在陶瓷切削刀具方面得到了广泛的应用。 纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效、最有前途的方法。纤维强度一般比基体高的多，它对基体具有强化作用；同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力，从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化的复合材料，另一种增强材料是陶瓷晶须，晶须尺寸非常小但近乎完美的纤维状单晶体，其强度和模量接近材料的理论值，极适用于陶瓷的强化，目前这类材料在陶瓷切削刀具方面得到广泛应用。 2功能陶瓷 功能陶瓷是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能。如电、磁、光、热、化学、生物等功能，以及耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等功能。功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛应用。 2.1电子陶瓷 电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。根据电容器陶瓷的介电特性将其分为六类：高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。其中微波介电陶瓷，具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点，广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。 2.2热、光学功能陶瓷 耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中，耐热陶瓷主要有Al2O3、ZrO2、MgO、SiC等，由于它们具有高温稳定性、可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。隔热陶瓷具有很好的隔热效果，被广泛应用于各个领域。 陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维，利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见，如涂料、陶瓷釉。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。陶瓷还是固体激光发生器的重要材料，有红宝石激光器和钇榴石激光器。光导纤维是现代通信信号的主要传输媒介，具有信号损耗低、高保真性、容量大等特性优于金属信号运输线。 透明氧化铝陶瓷是光学陶瓷的典型代表，在透明氧化铝的制造过程中，关键是氧化铝的体积扩散为烧结机制的晶粒长大过程，在原料中加入适当的添加剂如氧化镁，可抑制剂晶粒的长大。可用作熔制玻璃的坩埚，红外检测窗材料，照明灯具，还可用于制造电子工业中的集成电路基片等。 2.3生物、抗菌陶瓷 生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用于作生物硬质组织的代用品，可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。 抗菌材料主要应用于家庭用品、家用电器、玩具及其他领域，家用电器是目前应用最广泛，使用量最大的行业之一。近几年来我国的抗菌材料行业发展很快，在无机抗菌剂、有机抗菌剂、光催化型抗菌剂的产业化及应用开发等领域迅速发展。 2.4多孔陶瓷 多孔陶瓷具有透光率高、比表面积大、低密度、低传导率、耐高