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新村料系列之一 現代技術(shù)陶瓷及應用
摘要 本文簡(jiǎn)述現代技術(shù)陶瓷最新研究、發(fā)展動(dòng)態(tài)以及在實(shí)際中的應用，其中包括結構陶瓷、陶瓷基復合和功能陶瓷三個(gè)部分。此外對廈門(mén)大學(xué)材料系在現代技術(shù)陶瓷方面的研究和進(jìn)展作了簡(jiǎn)介。
陶瓷材料一般分為傳統陶瓷和現代技術(shù)陶瓷兩大類(lèi)。傳統陶瓷是指用天然硅酸鹽粉末(如黏土、高嶺土等)為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品。因為原料的成分混雜和產(chǎn)品的性能波動(dòng)大，僅用于餐具、日用容器、工藝品以及普通材料(如地磚、水泥等)，而不適用于用途�，F代技術(shù)陶瓷是根據所要求的產(chǎn)品性能，通過(guò)嚴格的成份和生產(chǎn)工藝控制而制造出來(lái)的高性能材料，主要用于高溫和腐蝕介質(zhì)，是現代材料科學(xué)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。下面對現代技術(shù)陶瓷三個(gè)主要領(lǐng)域:結構陶瓷、陶瓷基復合材料和功能陶瓷作一簡(jiǎn)單介紹。
一、結構陶瓷
同金屬材料相比，陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的高溫性能、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3)，因而在許多場(chǎng)合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應用到金屬材料根本無(wú)法勝任的場(chǎng)合，如發(fā)動(dòng)機氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結構陶瓷可分為三大類(lèi);氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。
1、氧化物陶瓷
主要包括氧化鋁、氧化錯、莫來(lái)石和欽酸鋁。氧化物陶瓷最突出優(yōu)點(diǎn)是不存在氧化問(wèn)題，原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。氧化鋁和氧化錯具有優(yōu)異的室溫機械性能，高硬度和耐化學(xué)腐蝕性，主要缺點(diǎn)是在1000℃以上高溫蠕變速率高，機械性能顯著(zhù)降低。氧化鋁和氧化錯主要應用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高溫爐管、密封圈和玻璃熔化池內襯等。莫來(lái)石室溫強度屬中等水平，但它在1400℃仍能保持這一強度水平，并且高溫蠕變速率極低，因此被認為是陶瓷發(fā)動(dòng)機的主要候選材料之一。上述三種氧化物也可制成泡沫或纖維狀用于高溫保溫材料。鈦酸鋁陶瓷體內存在廣泛的微裂紋，因而具有極低的熱膨脹系數和熱傳導率。它的主要缺點(diǎn)是強度低，無(wú)法單獨作為受力元件，所以一般用它加工內襯用作保溫、耐熱沖擊元件，并已在陶瓷發(fā)動(dòng)機上得到應用。
2、非氧化物陶瓷
主要包括碳化硅、氮化硅和賽龍(SIALON)。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷原子間主要是以共價(jià)鍵結合在一起，因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力，并且能把這些性能的大部分保持到高溫，這是氧化物陶瓷無(wú)法比擬的。但它們的燒結非常困難，必須在極高溫度（1500～2500℃)并有燒結助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產(chǎn)品，有時(shí)必須借助熱壓燒結法才能達到希望的密度(＞95%)，所以非氧化物陶瓷的生產(chǎn)一般比氧化物陶瓷高。
這些含硅的非氧化物陶瓷還具有極佳的高溫耐蝕性和抗氧化性，因此一直是陶瓷發(fā)動(dòng)機的最重要材料，目前已經(jīng)取代了許多超高合金鋼部件�，F有最佳超高合金鋼的使用溫度低于1100℃，而發(fā)動(dòng)機燃料燃燒的溫度在1300℃以上，因而普遍采用高壓水強制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金鋼后，燃燒溫度可提高到1400℃以上，并且不需要水冷系統，這在能源利用和環(huán)保方面具有重要的戰略意義。
非氧化物陶瓷也廣泛應用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比，其成本較高，但高溫韌性、強度、硬度、蠕變抗力優(yōu)異得多，并且刀具壽命長(cháng)、允許切削速度高，因而在刀具占有日益重要地位。它的應用領(lǐng)域還包括輕質(zhì)無(wú)潤滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。
3、玻璃陶瓷
玻璃和陶瓷的主要區別在于結晶度，玻璃是非晶態(tài)而陶瓷是多晶材料。玻璃在遠低于熔點(diǎn)以前存在明顯的軟化，而陶瓷的軟化溫度同熔點(diǎn)很接近，因而陶瓷的機械性能和使用溫度要比玻璃高得多。玻璃的突出優(yōu)點(diǎn)是可在玻璃軟化溫度和熔點(diǎn)之間進(jìn)行各種成型，工藝簡(jiǎn)單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機械性能，它利用玻璃成型技術(shù)制造產(chǎn)品，然后高溫結晶化處理獲得陶瓷。工業(yè)玻璃陶瓷體系有鎂一鋁一硅酸鹽、鋰一鎂一鋁一硅酸鹽和鈣一鎂一鋁一硅酸鹽系列，它們常被用來(lái)制造耐高溫和熱沖擊產(chǎn)品，如炊具。此外它們作為建筑裝飾材料正得到越來(lái)越廣泛的應用，如地板、裝飾玻璃。
二、陶瓷基復合材料
復合材料是為了達到某些性能指標將兩種或兩種以上不同材料混合在一起制成的多相材料，它具有其中任何一相所不具備的綜合性能。陶瓷材料的最大缺點(diǎn)是韌性低，使用時(shí)會(huì )產(chǎn)生不可預測的突然性斷裂，陶瓷基復合材料主要是為了改善陶瓷韌性�；谔岣唔g性的陶瓷基復合材料主要有兩類(lèi):氧化錯相變增韌和陶瓷纖維強化復合材料。
氧化鋯相變增韌復合材料是把部分穩定的氧化鋯粉末同其它陶瓷粉末(如氧化鋁、氮化硅或莫來(lái)石)混合后制成的高韌性材料，其斷裂韌性可以達到10Mpa，以上，而一般陶瓷的韌性?xún)H有3Mpa左右。這類(lèi)材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應用。
纖維強化被認為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強度一般比基體高得多.所以它對基體具有強化作用;同時(shí)纖維具有顯著(zhù)阻礙裂紋擴展的能力，從而提高材料的韌性。目前韌性最高的陶瓷就是纖維強化的復合材料，例如碳化硅長(cháng)纖維強化的碳化硅基復合材料韌性高達30 Mpa以上，比燒結碳化硅的韌性提高十
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倍.但因為這類(lèi)價(jià)格昂貴，目前僅在軍械和航空航天領(lǐng)域得到應用。另一引人注目的增強材料是陶瓷晶須。晶須是尺寸非常小但近乎完美的纖維狀單晶體.其強度和模量接近材料的理論值，極適用于陶瓷的強化。目前這類(lèi)材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應用，主要體系有碳化硅晶須一氧化鋁一氧化鉛、碳化硅晶須一氧化鋁和碳化硅晶須一氮化硅。三、功能陶瓷
功能陶瓷是具有光、電、熱或磁特性的陶瓷，已經(jīng)具有極高的產(chǎn)業(yè)化程度。下面簡(jiǎn)介幾類(lèi)主要功能陶瓷的性能。
1、導電性能
陶瓷材料具有非常廣泛的導電區間，從絕緣體到半導體、超導體。大多數陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性，因而被廣泛用于電絕緣體。半導體分為型和離子型半導體，以晶體管集成電路為代表的是電子型半導體。離子型半導體僅對某些特殊的帶電離子具有傳導作用，最具有代表性的是穩定氧化鋯和β一氧化鋁。穩定氧化鉆僅對氧離子具有傳導作用，主要產(chǎn)品有氧傳感器(主要用來(lái)測定發(fā)動(dòng)機的燃燒效率或鋼水中氧濃度)、氧泵(從空氣中獲得純氧)和燃料電池。β一氧化鋁僅對鈉離子具有傳導作用，主要用來(lái)制造鈉一硫電池，其特點(diǎn)是高效率、對無(wú)危害和可以反復充電。陶瓷超導體是近10年才發(fā)展起來(lái)的.它的臨界超導轉化溫度在所有類(lèi)超導體中最高，已經(jīng)達到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導體為釔一鋇一銅一氧系列材料，已經(jīng)在、精密儀器領(lǐng)域得到廣泛應用。
2、介電性能
大多數陶瓷具有優(yōu)異的介電性能，表現在其較高的介電常數和低介電損耗。介電陶瓷的主要應用之一是陶瓷電容器�，F代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當鋇或鈦離子被其它金屬原子置換后，會(huì )得到具有不同介電性能的電介質(zhì)。認酸鈦基電介質(zhì)的介電常數高達l000以上，而過(guò)去使用的云母小于10，所以用鈦酸鋇制成的電容器具有體積小、電儲存能力高等特點(diǎn)。鈦酸鋇基電介質(zhì)還具有優(yōu)異的正電效應。當溫度低于某一臨界值時(shí)呈半導體鐘電狀態(tài)，但當溫度超過(guò)這一臨界值時(shí)，電阻率突然增加到倍成為絕緣體。利用這一效應的產(chǎn)品有電路限流元件和恒溫電阻加熱元件。許多陶瓷，如錯鈦酸錯，具有顯著(zhù)壓電效應。當在陶瓷上施加外力時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)相應的電信號，反之亦然，從而實(shí)現能和電能的相互轉換。壓電陶瓷用途極其廣泛，產(chǎn)品有壓力傳感元件、超聲波發(fā)生器等。
3、光學(xué)性能
陶瓷在光學(xué)方面的應用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號發(fā)生器和光導纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見(jiàn).如涂料、陶瓷釉和琺瑯。核中，利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面應用非常廣泛。陶瓷也可被制造用來(lái)透過(guò)不同波長(cháng)的光線(xiàn)，其中最重要的就是紅外線(xiàn)透射陶瓷，它僅允許紅外光線(xiàn)透過(guò)，被用來(lái)制造紅外窗口，在武器、航空航天領(lǐng)域和高技術(shù)設備上得到廣泛應用。這類(lèi)材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來(lái)石等.陶瓷還是固體激光發(fā)生器的重要材料，典型代表有紅寶石激光器和憶榴石激光器。光導纖維是現代通訊信號的主要傳輸媒介，它是用高純二氧化硅制成的，具有信號損耗低、高保真性、容量大等特性，是金屬信號傳愉線(xiàn)無(wú)法比擬的。
4、磁學(xué)性能
金屬和合金磁性材料具有電阻率低、損耗大的特性，尤其在高頻下更是如此，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現代科技發(fā)展的需要。相比之下，陶瓷磁性材料有電阻率高、損耗低、磁性范圍廣泛等特性.陶瓷磁性材料的代表為鐵氧體一種含鐵的復合氧化物。通過(guò)對成份的嚴格控制，可以制造出軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。軟磁材料的磁導率高，飽和磁感應強度大，磁損耗低.主要用于電感線(xiàn)圈、小型變壓器、錄音磁頭等部件。典型的軟磁材料有鎳一鋅、錳一鋅和鋰一鋅鐵氧體。硬磁材料的特性是剩磁大、矯頑力大、不易退磁，主要應用為永久磁體，代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩余磁感應強度非常接近于飽和磁感應強度.它是因磁滯回線(xiàn)呈矩形而得名，主要應用于現代大型計算機元件和開(kāi)關(guān)元件，代表材料為鎂一錳鐵氧體。
四、廈門(mén)大學(xué)材料系現代技術(shù)陶瓷研究現狀
廈門(mén)大學(xué)材料系前身為廈門(mén)大學(xué)化學(xué)系材料化學(xué)專(zhuān)業(yè)，1997年從化學(xué)系獨立出來(lái)�，F代陶瓷的研究開(kāi)始于1985年.已有多名歸國博士先后加人并從事這一國際前沿性的理論和應用方面的研究工作�，F將主要研究領(lǐng)域及進(jìn)展簡(jiǎn)介如下:
1、結構陶瓷及陶瓷基復合材料
主要從事碳化硅晶須強化陶瓷叢復合材料的研究。選用的基體材料為碳化硅一氧化鋁和氮化硅一氧化鋁.目標產(chǎn)品為陶瓷切削刀具。由于采用晶須可控定向技術(shù).使復合材料的強度、模量和韌性顯著(zhù)提高。目前這一成果已經(jīng)申報國家專(zhuān)利。
此外，將上述晶須可控定向技術(shù)應用到陶瓷晶須強化的聚合物基復合材料中，晶須選用廉價(jià)的欽酸鉀，基體選用聚氯乙烯或聚四氟乙烯等。同傳統纖維強化復合材料相比，產(chǎn)品的強度和模量大幅度提高，并可用現有的工業(yè)設備生產(chǎn)。產(chǎn)品主要用于工業(yè)管道、化工容器等。
2、功能陶瓷
主要研究和開(kāi)發(fā)高性能中、高壓陶瓷電容器。采用鐵酸鋇為基體材料，通過(guò)成份優(yōu)化和制造工藝的嚴格控制，制造出介電常數高、擊穿電壓高、溫度系數小的陶瓷電容器。該產(chǎn)品各項性能指標已經(jīng)達到國際先進(jìn)水平，獲福建省科技進(jìn)步二等獎，并形成中批量生產(chǎn)能力，銷(xiāo)路較好。目前正在研究和開(kāi)發(fā)微波陶瓷等材料。
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