先進(jìn)陶瓷材料

先進(jìn)陶瓷材料陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無機(jī)非金屬材料的通稱。工業(yè)上應(yīng)用的典型傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品有陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等.隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。新型陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是40年代以來逐漸發(fā)展起來的新型無機(jī)材料。近年來由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新技術(shù)的出現(xiàn),新型陶瓷材料有了飛速的發(fā)展。陶瓷件陶器國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀狀國(guó)際上從20世紀(jì)60年代開始重視研究先進(jìn)陶瓷材料，結(jié)構(gòu)陶瓷略早于功能陶瓷。60～70年代伴隨著陶瓷學(xué)研究的新進(jìn)展，一大批具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)和功能陶瓷材料被發(fā)現(xiàn)和合成。80年代以陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)為背景，各國(guó)競(jìng)相加大了對(duì)陶瓷材料研究與開發(fā)的投入，陶瓷材料已經(jīng)能夠基本滿足各種苛刻條件下（包括陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)部件在內(nèi)）使用的耍求。但材料的穩(wěn)定性、可靠性和高成本等問題仍阻礙了先進(jìn)陶瓷材料的應(yīng)用。90年代中后期，對(duì)陶瓷材料的研究轉(zhuǎn)向材料性能穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)與功能性能一體化、低成本制備工藝等方面，各國(guó)仍在繼續(xù)增加對(duì)陶瓷材料的研究與投入。在國(guó)際學(xué)術(shù)界，無機(jī)非金屬材料的重耍性日益突出。很多國(guó)際上著名的原金屬類雜志易名為材料類雜志，大量刊登先進(jìn)陶瓷方面的研究論文。從材料產(chǎn)業(yè)上講，目前全球各類先進(jìn)陶瓷材料及其產(chǎn)品的市湯銷售總額每年達(dá)數(shù)百億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)８％，結(jié)構(gòu)陶瓷占銷售額的30％左右。一.陶瓷材料的工藝特點(diǎn)陶瓷是脆性材料，所以大部分陶瓷是通過粉體成型、燒結(jié)而得到所需要的形狀，即燒結(jié)體。燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，存在的問題是有一定的氣孔率。

粉末燒結(jié)法制備陶瓷材料其制備原理為：粉末原料經(jīng)過成型后，在高溫非液相（主晶相為固態(tài)）溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫，通過原子擴(kuò)散而粘結(jié)，從而形成具有一定密度和強(qiáng)度的制品。

成型方法：模壓成型粉料裝入模具內(nèi)，采用單向或雙向加壓來壓實(shí)成粉胚.單向加壓底部的密度最小。雙向加壓可以使密度更均勻些，但工件的中部密度仍然較低。成型方法：等靜壓成型裝入密閉容器(包套)內(nèi)的粉料在壓力缸中承受流態(tài)介質(zhì)的高壓，整個(gè)包套基本上受到均等的壓力。加壓過程中不加熱，稱為冷等靜壓；加壓過程中同時(shí)加熱使工件燒結(jié)則稱之為熱等靜壓，通常用高純氬氣作為加壓介質(zhì)。經(jīng)熱等靜壓的工件密度可達(dá)到98%以上。燒結(jié)燒結(jié)，是指將陶瓷坯體加熱到高溫，使其發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，然后冷卻至室溫，使坯體具有足夠的密度、強(qiáng)度和物理化學(xué)性能的過程。決定粉體能否致密化、制品能否燒成的關(guān)鍵是溫度和保溫時(shí)間的選擇。溫度過高、保溫時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致坯體變形或晶粒粗大；溫度過低、保溫時(shí)間太短，制品密度和強(qiáng)度不足。二、陶瓷材料的分類1、按使用的原材料分分為傳統(tǒng)陶瓷材料和新型陶瓷材料。傳統(tǒng)陶瓷材料主要用天然的巖石、礦石、黏土等含有較多雜質(zhì)(或雜質(zhì)不定)的材料作原料。新型陶瓷材料采用化學(xué)方法人工合成高純度或純度可控的材料作原料.碳化硅陶瓷密封件2、按性能和應(yīng)用分分為工程結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類。在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱工程陶瓷，因其主要在高溫下使用，又稱高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。工程結(jié)構(gòu)陶瓷有許多種，但目前研究最多、并認(rèn)為最有發(fā)展前途的是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物三類材料。利用陶瓷特有的物理性能制造的陶瓷材料稱功能陶瓷。由于它們具有的物理性能差異往往很大，所以用途很廣泛。陶瓷止回閥陶瓷電容器與傳統(tǒng)陶瓷材料相比，新型陶瓷材料除原料來源不同外，還具有以下特點(diǎn)：1、材料的組成新型陶瓷材料的組成已超出傳統(tǒng)陶瓷材料的以硅酸鹽為主的范圍，除氧化物、復(fù)合氧化物和含氧酸鹽外，還有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他鹽類和單質(zhì)。新型陶瓷材料的特點(diǎn)

2、用途上由原來主要利用材料所固有的靜態(tài)物理性狀發(fā)展到利用各種物理效應(yīng)和微觀現(xiàn)象的功能性,并能在各種極端條件下使用。

3、制備工藝和制品形態(tài)在制備工藝和方法上有了重大革新與改革，制品形態(tài)也有很大變化，由過去以塊狀和粉狀金剛石膜刀具金剛石膜SEM形貌為主向著單晶化、薄膜化、纖維化和復(fù)合化方向發(fā)展.三、新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料㈠氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷.Al2O3密封、氣動(dòng)陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織單相Al2O3SEM形貌根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃,。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴Al2O3化工、耐磨陶瓷配件氧化鋁密封環(huán)㈡氮化硅（Si3N4）陶瓷1、氮化硅的結(jié)構(gòu)氮化硅是由SiN4四面體組成的共價(jià)鍵固體。它有和兩種結(jié)構(gòu)，都是六方晶格。兩者不同之處是原子層的垛堆順序不同。但它們不是同素異構(gòu)體，兩者可在一個(gè)很寬的溫度區(qū)間內(nèi)同時(shí)合成。SiNNNN㈢增韌氧化物陶瓷為了提高陶瓷材料的韌性,進(jìn)行了大量研究,近十幾年在增韌氧化物陶瓷方面有了突破性進(jìn)展.增韌氧化物是一類高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,這類陶瓷中含有一定數(shù)量彌散分布的亞穩(wěn)狀態(tài)物質(zhì)。當(dāng)受到外力作用時(shí),這些物質(zhì)發(fā)生相變而吸收能量，使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提高韌性。目前常用的相變物質(zhì)是四方相的氧化鋯。ZrO2原則上講，許多氧化物甚至非氧化物陶瓷都可用氧化鋯來增韌。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有兩個(gè)系統(tǒng)效果最好，即氧化鋯增韌氧化鋁和氧化鋯增韌氧化鋯,后者又稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ).部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率低(比Si3N4低4/5),絕熱性好;熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的金屬，因而與金屬部件連接比較容易；抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機(jī)的主要侯選材料。

ZrO2韌化Al2O3的組織(白色為ZrO2)四、新型功能陶瓷材料

新型功能陶瓷材料具有特殊的物理化學(xué)性能，種類繁多，這里只能介紹幾種。1、電子陶瓷材料作為電子材料應(yīng)用的陶瓷稱電子陶瓷，主要分裝置瓷、介電陶瓷、敏感性陶瓷幾大類。裝置瓷主要用作絕緣子、電子器件支架等，這里不作介紹。

⑴導(dǎo)電陶瓷一般氧化物陶瓷是不導(dǎo)電的，但如果把某些氧化物加熱，或者用其它的方法激發(fā)，使外層電子獲得足夠的能量，足以克服原子核對(duì)它的吸引力而成為自由電子，這種氧化物陶瓷就成為電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體.導(dǎo)電陶瓷陶瓷加熱器⑵介電陶瓷介電陶瓷主要用于制造電容器，要求具有電阻率高、介電常數(shù)大、介質(zhì)損耗小等特點(diǎn)。金紅石(TiO2)、鈦酸鈣瓷(CaTiO3)、鈦酸鎂瓷(2MgO-TiO2)、鈦鍶鉍瓷(Bi2O3nTiO2溶于SrTiO3的固溶體)用于高頻電容器。鈦酸鋇(BaTiO3)用于鐵電電容器、半導(dǎo)體電容器等。BaTiO3結(jié)構(gòu)多層BaTiO3陶瓷電容器⑶壓電陶瓷當(dāng)晶體受到外力作用產(chǎn)生變形時(shí)，其兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷，顯示極化現(xiàn)象，反之，在晶體上施加電場(chǎng)引起極化時(shí)，晶體產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱作壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的陶瓷即壓電陶瓷。利用壓電效應(yīng)可把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，或把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。壓電效應(yīng)⑸熱敏陶瓷熱敏陶瓷是制造熱敏電阻的材料，熱敏電阻是一種電阻隨溫度變化的元件。阻值隨溫度升高而增加的稱正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)，反之，則稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)。正電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù)⑹光電陶瓷半導(dǎo)體陶瓷受光照射后使導(dǎo)電率增加的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)光強(qiáng)度的元件叫光電導(dǎo)探測(cè)器或光敏電阻。常用光電陶瓷有CdS、SnO2、In