2022年陶瓷行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

2022年陶瓷行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

1先進(jìn)陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分

陶瓷是以粘土為主要原料，并與其他天然礦物經(jīng)過(guò)粉碎

混煉、成型和煨燒制得的材料以及各種制品，是陶器和瓷器

的總稱。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以粘土等無(wú)機(jī)非金屬礦物

為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)

混煉、成形、液燒而制成的各種制品。陶瓷的主要原料是取

之于自然界的硅酸鹽礦物，因此它與玻璃、水泥、搪瓷、耐

火材料等工業(yè)同屬于“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。

廣義上的陶瓷材料指的是除有機(jī)和金屬材料以外的其他

所有材料，即無(wú)機(jī)非金屬材料。陶瓷制品的品種繁多，它們

之間的化學(xué)成分、礦物組成、物理性質(zhì)，以及制造方法，常

常互相接近交錯(cuò)，無(wú)明顯的界限，而在應(yīng)用上卻有很大的區(qū)別。

因此，很難硬性地把它們歸納為幾個(gè)系統(tǒng)，詳細(xì)的分類(lèi)法也

說(shuō)法不一，到現(xiàn)在國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類(lèi)方法。按陶

瓷的制備技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)，可分為傳統(tǒng)陶瓷材料和先進(jìn)

陶瓷材料。

傳統(tǒng)陶瓷：傳統(tǒng)意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物

為原料，經(jīng)過(guò)粉碎混合、成型、焙燒等工藝過(guò)程所制得的各

種制品，通常會(huì)被稱為“普通陶瓷”或傳統(tǒng)陶瓷，例如日用陶

瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷。

先進(jìn)陶瓷：按化學(xué)成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、

碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化

物陶瓷等。按性能和用途可分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類(lèi)。

功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有電氣性能、磁性、

生物特性、熱敏性和光學(xué)特性等特點(diǎn)，主要包括絕緣和介質(zhì)陶

瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體及其敏感陶瓷等；結(jié)構(gòu)陶瓷

主要基于材料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)用途，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐

高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)。

圖表1陶亮材料可分為傳統(tǒng)陶瓷和先進(jìn)陶瓷

傳統(tǒng)陶瓷先進(jìn)陶瓷

原料天然礦物原料人工精制化工原料

成分黏土、長(zhǎng)石、石英純化合物、人工配比決定

燒結(jié)1350。以下，無(wú)需精確控溫需精確控溫

性能以外現(xiàn)為主耐溫、耐磨、咐腐蝕及各種聲光熱電磁特性

用途餐具、地磚航空航天、冶金、通相a這絲木米等

1.1結(jié)構(gòu)陶瓷：極端環(huán)境領(lǐng)域最具潛質(zhì)的優(yōu)質(zhì)材料

結(jié)構(gòu)陶瓷憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能及熱學(xué)性能成為陶瓷材

料的重要分支，約占整個(gè)陶瓷市場(chǎng)的30%左右。近二十年來(lái),

國(guó)家重大工程和尖端技術(shù)對(duì)陶瓷材料及其制備技術(shù)也提出了

更高的要求和挑戰(zhàn)：例如航天工業(yè)火箭發(fā)射中液氫液氧渦輪泵

用的氮化硅陶瓷軸承在低溫極端條件下無(wú)滑狀態(tài)下高速運(yùn)轉(zhuǎn),

要求陶瓷抽承強(qiáng)度高、初性好、耐磨損、表面加工精度高;核

電站主泵用的大尺寸陶瓷密封環(huán)需要長(zhǎng)壽命高可靠性，特別

是地球衛(wèi)星拍攝地面目標(biāo)的對(duì)地監(jiān)測(cè)使用的碳化硅陶瓷反射鏡,

除了高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)和輕量化，要求高精度超鏡

面和大尺寸，這對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)陶瓷材料的成型技術(shù)、燒結(jié)技

術(shù)、加工技術(shù)都是一個(gè)挑戰(zhàn);而光通訊中的光纖連接器陶瓷插

芯，其內(nèi)孔為125微米，并且要求極高的表面光潔度與尺寸精

度及同心度。

力學(xué)性能方面，高熔點(diǎn)及使用溫度范圍廣奠定了陶瓷材

料在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用基礎(chǔ)。有機(jī)材料大多是分子鍵結(jié)合，

金屬材料則以金屬鍵結(jié)合為主，陶瓷材料主要以離子鍵及共

價(jià)鍵結(jié)合，因而陶瓷材料熔點(diǎn)相較最高。同時(shí)陶瓷材料在承受

載荷的長(zhǎng)期使用溫度也均穩(wěn)定在1000℃以上，相較金屬材料

中，當(dāng)前使用溫度最高的為高溫合金，其使用溫度為1200C

以下，承受載荷情況時(shí)使用溫度在1000C以上。

圖表3陶瓷耐高溫特性：相比有機(jī)材料及金屬材料，陶瓷材料具有更高的熔點(diǎn)

類(lèi)別大致?熔點(diǎn)/℃

聚苯乙烯65-75

聚甲基丙烯酸甲酯60-90

有機(jī)材料

聚乙炸120

尼龍-6135-150

鋁合金595

鎂合金596

金屬材料

碳鋼1520

高溫合金1320-1450

其來(lái)石1850

氧化鋁2050

陶瓷材料

尖晶石2135

2500-260次定@力二來(lái)/序

氧化倍

此外，高強(qiáng)度及耐磨性能使得陶瓷材料在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域選材

中脫穎而出。相較有機(jī)材料及金屬材料，在相同密度、比剛

度及成本情況下，陶瓷材料的強(qiáng)度最強(qiáng)，因而決定了陶瓷材

料可以更好適用于更加苛刻的環(huán)境中，此外，經(jīng)中南工大粉末

冶金研究所測(cè)定，陶瓷材料耐磨性相當(dāng)于鎰鋼的266倍，高

輅鑄鐵的171.5倍。

熱學(xué)性能方面，良好的導(dǎo)熱性能、熱膨脹性能及抗熱震

性使得陶瓷材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域有著金屬等其它材料不可替

代的地位。相比于有機(jī)材料，陶瓷材料及金屬材料的導(dǎo)熱性

能更好，但在高溫情況下，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)及熱應(yīng)力斷

裂抵抗因子低于金屬材料，意味著陶瓷材料在高溫情況下可

以經(jīng)受住較大的熱沖擊，是極端環(huán)境中最佳材料。

結(jié)構(gòu)陶瓷材料的致命弱點(diǎn)是脆性。目前結(jié)構(gòu)陶瓷材料的

研究及開(kāi)發(fā)已從原先傾向于單相和高純度的特點(diǎn)向多相復(fù)合

的發(fā)向發(fā)展，其中包括纖維（或者晶須）補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合

材料、自補(bǔ)強(qiáng)陶瓷材料及納米復(fù)相陶瓷等等，使得結(jié)構(gòu)陶瓷材

料性能得到了極大的改觀。

圖表5陶亮材料高強(qiáng)度特性：相同密度情況下，陶瓷材料強(qiáng)度最高

10.000

t

1.000

(

S

S

)

1

10

1,0003.00010.00030.000

密度（3加）■/奈@未來(lái)智庫(kù)

1.1.1氧化物陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子結(jié)合以離子鍵為主，存在部分共

價(jià)鍵，因此具有許多優(yōu)良的性能。大部分氧化物具有很高的

熔點(diǎn)，良好的電絕緣性能，特別是具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和

抗氧化性，在工程領(lǐng)域已得到了較廣泛的應(yīng)用。按組分可分為

單一氧化物陶瓷（如氧化鋁、氧化鍍、二氧化鈦陶瓷等）及

復(fù)合氧化物陶瓷（如尖晶石MgOA12O3,莫來(lái)石

3A12O3-2SiO2,錯(cuò)鈦酸鉛PZT陶瓷等）。

氧化鋁陶瓷：發(fā)展最早及應(yīng)用范圍最廣的結(jié)構(gòu)陶瓷

氧化鋁陶瓷制備方面，目前商用的方法有拜耳法、化學(xué)

法、燒結(jié)片狀剛玉法及電熔剛玉法，其中拜耳法應(yīng)用最為廣

泛。拜耳法可制備得到純度為99.5%的氧化鋁粉末，但主要

含有氧化鈉等雜質(zhì)，后化學(xué)法出現(xiàn)，可制備出99.99%純度的

氧化鋁高純細(xì)粉。

應(yīng)用端，氧化鋁陶瓷目前可應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域耐磨器件、

電力領(lǐng)域耐高溫絕緣結(jié)構(gòu)件、半導(dǎo)體領(lǐng)域陶瓷基板等。

氧化錯(cuò)陶瓷：高性能結(jié)構(gòu)陶瓷，增韌是制備的關(guān)鍵

氧化錯(cuò)的傳統(tǒng)應(yīng)用主要是作為耐火材料、涂層和釉料等

的原料，但是隨著對(duì)氧化錯(cuò)陶瓷熱力學(xué)和電學(xué)性能的深入了

解，使它有可能作為高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和固體電介質(zhì)材料而獲

得廣泛應(yīng)用。特別是隨著對(duì)氧化錯(cuò)相變過(guò)程深入了解，在20

世紀(jì)70年代出現(xiàn)了氧化錯(cuò)陶瓷增韌材料，使氧化錯(cuò)陶瓷材料

的力學(xué)性能獲得了大幅度提高，尤其是室溫韌性高居陶瓷材

料榜首。

圖表19氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)及主要應(yīng)用

氧化鋁圖北主賓應(yīng)即

JI化蛤陶瓷機(jī)械時(shí)6片構(gòu)件氯化蛤陶專電其空器件體構(gòu)件我化特陶丈埒場(chǎng)

表化格陶史加熱元件結(jié)構(gòu)件氧化鉆陶液刀具

制備端，增韌是最核心的目標(biāo)，最常見(jiàn)的方式就是添加

穩(wěn)定劑。二氧化錯(cuò)都是由錯(cuò)砂和斜錯(cuò)石礦制得。錯(cuò)砂以硅酸

錯(cuò)(ZrO2-SiO2)為主要成分，斜錯(cuò)石礦的主要成分為ZrO2,含

有少量SiO2、TiO2等雜質(zhì)。氧化錯(cuò)的制備以往全都以上述兩

種天然礦物為原料，而工程陶瓷用的易燒結(jié)性二氧化錯(cuò)微粉

是以這兩種天然礦物制備的錯(cuò)鹽為原料而制造的。氧化鋁有

三種晶型：立方相(c)、四方相(t)和單斜相(m)。熱力學(xué)觀點(diǎn)分

析表明，純氧化錯(cuò)單斜相在1170℃以下是穩(wěn)定的，超過(guò)此溫

度轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵瑴囟鹊竭_(dá)2370℃則轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?，直?/p>

2680-2700C發(fā)生熔化。整個(gè)相變過(guò)程可逆。當(dāng)從高溫冷卻到

四方相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于存在相變滯后現(xiàn)象，故大約要在

1050℃左右，即偏低100C才由t相轉(zhuǎn)變成m相，稱之為馬

氏體相變，與此同時(shí)相變會(huì)產(chǎn)生5%-9%的體積膨脹，這一體

積變化足以超過(guò)ZrO2晶粒的彈性限度，從而導(dǎo)致材料開(kāi)裂。

因此從熱力學(xué)和晶體相變過(guò)程來(lái)看制備純ZrO2材料幾乎是不

可能的。為了避免這一相變，可以來(lái)用二價(jià)氧化物（CaO,

MgO,SrO）和稀土氧化物（Y2O3,CeO2）等的作為穩(wěn)定劑與

ZrO2形成固溶體，生成穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。不過(guò)，這些穩(wěn)定

劑氧化物金屬離子的半徑與Zr4+離子半徑相差小于40%時(shí)，

才能起到穩(wěn)定作用。

應(yīng)用端，氧化錯(cuò)（特別是增韌的）陶瓷由于其優(yōu)良的性能，

已在各工業(yè)及技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。最主要的是，其憑

借優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能作為結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于機(jī)械

工程（做陶瓷刀具、量具、軸承、模具、密封件等）、冶金工業(yè)

（增埸、耐火材料、連鑄注口、抗壓支撐、導(dǎo)輻等）、軍事工業(yè)

（火箭隔熱層、防彈裝甲板）以及化學(xué)工業(yè)、紡織工業(yè)、生物工

程和日常生活等各方面。

圖表21添加氧化鋁增韌效果

z^□

/1

E

.

E

d

w

、I0

裁B

S

郎5

總

0

2345

Y2O3摩爾分?jǐn)?shù)僅

落票@未來(lái)雪庫(kù)

氧化皺陶瓷：導(dǎo)熱系數(shù)最大的氧化物陶瓷，但粉末毒性

限制了其應(yīng)用

BeO是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于

BeO具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，而且相對(duì)分子質(zhì)量很低,

因此，BeO具有極高的熱導(dǎo)率，是氧化鋁的10倍左右，其室

溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)250W/(m?K),與金屬的熱導(dǎo)率相當(dāng)，并且在高

溫、高頻下，其電氣性能、耐熱性、耐熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定

性俱佳。但BeO陶瓷的致命缺點(diǎn)是其劇毒性，長(zhǎng)期吸入BeO

粉塵會(huì)引起中毒甚至危及生命，并會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，這極

大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應(yīng)用。

應(yīng)用端，氧化鍍陶瓷具有高的熱導(dǎo)率、高的耐火度、良

好的核性能以及優(yōu)良的電性能，因而可應(yīng)用于高級(jí)耐火材料、

原子能反應(yīng)堆以及各種大功率電子器件和集成電路等。然而,

氧化鍍的毒性是不可忽略的，隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日趨

重視，氧化鍍陶瓷的使用今后可能會(huì)受到一定的限制和影響。

圖表26添加劑和溫度對(duì)燒結(jié)后氧化鍍陶瓷導(dǎo)熱影響

0100200

溫度/℃4券@未來(lái)管庫(kù)

氧化鎂陶瓷：現(xiàn)代冶金行業(yè)的關(guān)鍵材料

氧化鎂陶瓷是典型的新型陶瓷，也屬于傳統(tǒng)的耐火材料。

氧化鎂本身對(duì)堿性金屬溶液有較強(qiáng)的抗侵蝕能力，制備的氧

化鎂陶瓷卅埸具有優(yōu)異的化學(xué)性能和抵抗金屬侵蝕的穩(wěn)定性,

與鎂、鍥、鈾、鋁、鋁等不起作用。在氧化氣氛或氮?dú)獗Ｗo(hù)下

氧化鎂陶瓷可穩(wěn)定工作到2400℃,因此氧化鎂是現(xiàn)代冶金工

業(yè)先進(jìn)工藝中的關(guān)鍵材料。

制備方面，原材料源于礦物或海水，燒結(jié)過(guò)程需加入添

加劑調(diào)節(jié)性能。自然界中含鎂的化合物很豐富，它以多種礦

物形式存在于地殼和海洋之中，如菱鎂礦、白云石、水鎂石、

滑石等。工業(yè)上主要從上述礦物中提取MgO,近來(lái)發(fā)展從海水

中提取。從礦物或海水中提取MgO,大多先制成氫氧化鎂或

碳酸鎂，然后經(jīng)燃燒分解成MgO,將這種MgO通過(guò)進(jìn)一步

化學(xué)處理或熱處理可得到高純MgOo制備時(shí)對(duì)MgO原料進(jìn)行

處理后，按組成進(jìn)行配料。為了促進(jìn)燒結(jié)以及能使晶粒稍微長(zhǎng)

大些，同時(shí)為了減少制備的水化傾向，可加入一些添加劑，

如TiO2、A12O3、V2O3等。如果要求具有高純度的MgO陶

瓷，就不能采用加入添加劑的方法來(lái)促進(jìn)燒結(jié)和晶粒長(zhǎng)大，而

是采用活化燒結(jié)的方法，即將Mg(OH)2在適當(dāng)溫度下煨燒，

得到具有很多晶格缺陷的活性MgO,用以制造燒結(jié)氧化鎂陶

to

應(yīng)用端，氧化鎂陶瓷理論使用溫度高達(dá)2200℃,可在

1600℃?1800C長(zhǎng)期使用。其高溫穩(wěn)定性及耐腐蝕性能均優(yōu)于

氧化鋁陶瓷，且與Fe、Ni、U、Th、Zn、Al、Mo、Mg、Cu、

Pt等都不起作用，所以其應(yīng)用范圍可包括：鋼鐵、玻璃等冶

煉行業(yè)中腐蝕性條件下的增煙或者其他耐火材料。MgO陶瓷

可用作冶煉金屬的母堀，在原子能工業(yè)中也適于冶煉高純度

的鈾和牡；還可用作熱電偶保護(hù)套管。利用它能使電磁波通過(guò)

的性質(zhì)，作雷達(dá)罩及紅外輻射的投射窗口材料等、冶煉金屬、

合金，如鎂合金、放射性金屬鈾、牡合金、鐵及其合金等的

母煙。壓電、超導(dǎo)材料等的原料，并且無(wú)污染、耐鉛腐蝕等;

亦可做陶瓷燒結(jié)載體，特別是P-A12O3等高溫下有腐蝕性、

揮發(fā)性物質(zhì)的陶瓷產(chǎn)品的燒結(jié)保護(hù)。

莫來(lái)石：鋁硅酸鹽組成的礦物統(tǒng)稱

莫來(lái)石是一種優(yōu)質(zhì)的耐火原料，這一類(lèi)礦物比較稀少。

莫來(lái)石是鋁硅酸鹽在高溫下生成的礦物，人工加熱鋁硅酸鹽

時(shí)會(huì)形成莫來(lái)石。天然的莫來(lái)石晶體為細(xì)長(zhǎng)的針狀且呈放射

簇狀。莫來(lái)石礦被用來(lái)生產(chǎn)高溫耐火材料。在C/C復(fù)合材料

中多作為熱障涂層，應(yīng)用廣泛。莫來(lái)石AI2O3-SiO2元系中常

壓下穩(wěn)定的二元固溶體，化學(xué)式為AI2O3-SiO2的天然莫來(lái)石

非常少，通常燒結(jié)法或電熔法等人工合成。

圖表32莫來(lái)石晶胞投影圖

當(dāng)于@本來(lái)智庫(kù)

高溫工業(yè)大規(guī)模使用的莫來(lái)石按其制備方法分為電熔莫

來(lái)石和燒結(jié)莫來(lái)石兩大類(lèi)。莫來(lái)石是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料。

最早在蘇格蘭的莫爾島被發(fā)現(xiàn)而被命名。莫來(lái)石的鋁和硅的

成分是一個(gè)范圍，其在常溫常壓下能夠穩(wěn)定存在。天然的莫

來(lái)石比較稀少，通常是通過(guò)對(duì)鋁硅系化合物進(jìn)行熱處理后制

備莫來(lái)石。莫來(lái)石的合成可分為固相合成（包括傳統(tǒng)的溶膠-凝

膠(SSG)工藝)，液態(tài)合成和氣態(tài)合成。固態(tài)合成和液態(tài)合成

的莫來(lái)石根據(jù)加熱處理的溫度和鋁硅的組成，可以被分為燒結(jié)

莫來(lái)石和熔融莫來(lái)石。燒結(jié)莫來(lái)石是指將合成莫來(lái)石的原料

加熱到生成少量液相的溫度，促進(jìn)燒結(jié)又不影響其固相燒結(jié),

繼而保溫，使莫來(lái)石結(jié)晶并發(fā)育長(zhǎng)大，形成所需要的莫來(lái)石

形貌和結(jié)構(gòu)。而熔融莫來(lái)石則是將氧化鋁和二氧化硅的混合物

加熱到莫來(lái)石熔點(diǎn)以上，在冷卻過(guò)程中結(jié)晶形成的莫來(lái)石。

溶膠凝膠法制備莫來(lái)石也被稱為化學(xué)莫來(lái)石，是由化學(xué)反應(yīng)、

熱分解和莫來(lái)石化得到的莫來(lái)石，這種方法所制備的莫來(lái)石其

性能高度依賴于化合物的純度、均勻性、結(jié)晶溫度以及致密度

等條件。

應(yīng)用端，莫來(lái)石制備的耐火新材料，目前廣泛應(yīng)用于馬

弗爐、煨燒爐、鍋爐、回轉(zhuǎn)窯等高溫設(shè)備中。由莫來(lái)石制備

耐高溫設(shè)備，不僅僅耐高溫，而且使用壽命長(zhǎng)、耐腐蝕。莫

來(lái)石與其他優(yōu)質(zhì)的材料進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，復(fù)合合成更加優(yōu)良性能

的耐火材料。如采用堇青石-莫來(lái)石復(fù)合合成陶瓷窯具材料，

制備的材料具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性優(yōu)異、耐火度高、

高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，莫來(lái)石在電性能領(lǐng)域的應(yīng)用就體

現(xiàn)在其作為一種優(yōu)秀的基片材料，它具有很低的介電常數(shù)，能

承擔(dān)高的線路密度，莫來(lái)石陶瓷和莫來(lái)石質(zhì)玻璃-陶瓷復(fù)合材

料被用作高性能集成電路的優(yōu)良功能材料。

L1.2氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮與金屬或非金屬元素造成的陶瓷，是一

類(lèi)重要的結(jié)構(gòu)與功能材料。

圖表37典型氮化物陶瓷的主要性能

類(lèi)別熔點(diǎn)/℃密度/g/cm，電阻率/Q-cm熱導(dǎo)率/[W/(m.K)]線膨脹系數(shù)/1X10TC

Si3M.19003.18410”1.67-2.092.5

AIN24503.262.00X10920.10-30.144.03-6.09

BN30002.2710"15.07-28.890.59-10.51

TiN29505.432.17X10'729.309.3

ZrN29807.321.36X10*713.826-7

NbN20507.32.00X1O'63.77-

VN20306.048.59X1O'711.30

CrN15006.1-8.79%K酮采部I

氮化物陶瓷具有良好的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)及高溫

物理性能，在冶金、航空、化工、陶瓷、電子、機(jī)械及半導(dǎo)

體等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。但許多由氮元素和金屬元素構(gòu)成

的氮化物在高溫下不穩(wěn)定，易氧化，因而在自然界不能自由存

在，只能靠人工合成。目前主要合成氮化物可分為氮化硼，

氮化鋁，氮化硅等共價(jià)結(jié)合型。

氮化硅陶瓷：先進(jìn)陶瓷中綜合性能最好的材料之一

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空、航天能源等技術(shù)領(lǐng)域

對(duì)結(jié)構(gòu)材料的要求越來(lái)越高，耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、高

強(qiáng)度、高硬度和綜合力學(xué)性能好的結(jié)構(gòu)材料的開(kāi)發(fā)和研究已

經(jīng)變得十分重要。Si3N4陶瓷是先進(jìn)陶瓷中綜合性能最好的材

料之一，它的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性質(zhì)十分優(yōu)良，在氧化氣氛

中可使用到1400℃,在中性或還原性氣氛中可使用到1850℃。

它既突出了一般陶瓷材料的堅(jiān)硬、耐熱、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)

點(diǎn)，又具備了抗熱震好、耐高溫蠕變、自潤(rùn)滑好、化學(xué)穩(wěn)定性

能佳等優(yōu)勢(shì)，還具有相對(duì)較低的密度以及低的介電常數(shù)、介

電損耗等優(yōu)良的介電性能。

氮化硅分子量140.28,按重量百分比，其中硅占60.28%,

氮占39.94%。兩種元素電負(fù)性相近，氮化硅晶體中Si-N之間

以共價(jià)鍵結(jié)合為主（其中離子鍵僅占30%）,鍵合強(qiáng)度高。氮

化硅沒(méi)有熔點(diǎn)，在常壓下于187（TC升華分解，具有高的蒸汽

壓和很低的擴(kuò)散系數(shù)。Si原子與N原子以鍵強(qiáng)很強(qiáng)的共價(jià)鍵

結(jié)合，導(dǎo)致氮化硅高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、絕緣等性能。

因?yàn)镾i原子與N原子之間強(qiáng)共價(jià)鍵，高溫下原子擴(kuò)散很慢，

所以燒結(jié)過(guò)程中需加入高溫形成液相的添加劑促進(jìn)擴(kuò)散，加快

燒結(jié)致密。

圖表40不同燒結(jié)方法得到氮化硅陶瓷的性能

無(wú)壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)氣氛壓力燒結(jié)

室溫彎曲強(qiáng)度/MPa850-9501000-1300200-300900-1000

斷裂韌性/MPa-m1/25-66-73-46-7

韋伯模量/m10-1815-2015-2012-18

彈性模量/GPa280-300300-320160-200290-320

硬度/HRA90-9192-9383-8591-92

密度/g/cm，3.2-3.43.2-3.32.6-2.83.2-3.3

膨脹系數(shù)/1X10"K'2.8-3.23.0-3.52.5-3.02.8-3.2

抗熱沖擊溫差/K700-900800-1000300-400700-900

X東做i■:米皆庠

熱導(dǎo)率/[W/(m.K)]20-2525-3017

氮化硅陶瓷的性能與燒結(jié)方法密切相關(guān)。氮化硅的高溫

力學(xué)性能在很大程度上取決于晶界玻璃相。為了改善氮化硅

的燒結(jié)性能在原料中加入燒結(jié)助劑，高溫時(shí)燒結(jié)助劑形成玻

璃相，冷卻后玻璃相存在于晶界處，必須經(jīng)過(guò)晶界工程處理才

能保持和發(fā)揮氮化硅的這一高溫特性，否則晶界玻璃相在高

溫下軟化造成晶界滑移，對(duì)高溫強(qiáng)度、蠕變和靜態(tài)疲勞中的

緩慢裂紋擴(kuò)展都有很大的影響，晶界滑移速度同玻璃相的性

質(zhì)(如粘度等)、數(shù)量及分布有關(guān)。

應(yīng)用端，Si3N4陶瓷是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，它是一種

超硬物質(zhì)，本身具有潤(rùn)滑性，并且耐磨損；除氫氟酸外，它

不與其他無(wú)機(jī)酸反應(yīng)，抗腐蝕能力強(qiáng)，高溫時(shí)抗氧化.而且它

還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000C以上，急劇冷卻

再急劇加熱，也不會(huì)碎裂.正是由于Si3N4陶瓷具有如此優(yōu)異

的特性，人們常常利用它來(lái)制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密

封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。其中，利用Si3N4重量輕和

剛度大的特點(diǎn)，可用來(lái)制造滾珠軸承、它比金屬軸承具有更

高的精度，產(chǎn)生熱量少，而且能在較高的溫度和腐蝕性介質(zhì)

中操作。用Si3N4陶瓷制造的蒸汽噴嘴具有耐磨、耐熱等特

性，用于650c鍋爐幾個(gè)月后無(wú)明顯損壞，而其它耐熱耐蝕合

金鋼噴嘴在同樣條件下只能使用1-2個(gè)月。

氮化鋁陶瓷：微電子工業(yè)電路基板及封裝的理想結(jié)構(gòu)材

料

氮化鋁(A1N)作為一種新型陶瓷材料，是近年來(lái)新材料領(lǐng)

域的研究熱點(diǎn)之一。雖然早在一百多年前，A1N粉末便被合

成制得，但由于它固有的難于燒結(jié)的缺點(diǎn)，在隨后的幾十年

中，有關(guān)A1N的研究并不多，本世紀(jì)五十年代，A1N陶瓷才

被第一次制得，但當(dāng)時(shí)強(qiáng)度很低，限制了其工業(yè)應(yīng)用。至七

十年代，致密的氮化鋁陶瓷得以制備，其優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、

可靠的電絕緣性、耐高溫、耐腐蝕、低的介電常數(shù)以及與硅

相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特點(diǎn)才顯現(xiàn)出來(lái)。尤其是近

些年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件日趨多功能、

小型化、高集成度大功率的電子器件工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，

為了避免電子器件因過(guò)熱而失效，需要采用具有高熱導(dǎo)率的基

片將熱量帶帶。A1N具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是新一代基片的

理想材料，在電子工業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊，其優(yōu)良的高

溫耐蝕性、高溫穩(wěn)定性、較高的強(qiáng)度和硬度，使其在高溫結(jié)

構(gòu)材料方面的應(yīng)用也很有潛力。

圖表43碳酸鈣添加劑對(duì)氮化鋁陶瓷致密度影響

CaCO3/%(wt)

豆靛@東來(lái)智庫(kù)

氮化鋁作為共價(jià)鍵化合物，難以進(jìn)行固相燒結(jié)，通常采

用液相燒結(jié)機(jī)制，即向氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相

的燒結(jié)助劑，并通過(guò)溶解產(chǎn)生液相，促進(jìn)燒結(jié)。

作為一種人工合成的材料，氮化鋁陶瓷的制備過(guò)程通常

是先合成氮化鋁粉體，再將得到的粉體燒結(jié)制備成陶瓷。由

于氮化鋁中的鋁-氮鍵(A1-N)具有較高的共價(jià)鍵成分，所以

氮化鋁的熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)活性低，因此是一種難

燒結(jié)的陶瓷材料。據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)編輯了解，當(dāng)?shù)X粉體純

度較高時(shí)，非常難以通過(guò)燒結(jié)達(dá)到完全致密，在陶瓷晶粒中

或晶界處均有氣孔存在，這極大地限制了氮化鋁陶瓷的實(shí)際

應(yīng)用。引入合適的燒結(jié)助劑，一方面可以與A1N表面氧化形

成的A12O3反應(yīng)生成較低熔點(diǎn)的第二相，由于液相表面的張

力作用，促進(jìn)A1N晶粒的重排，加速燒結(jié)體致密化進(jìn)程。另

一方面形成的第二相冷卻后，淀析凝結(jié)在晶界上，減少了高溫

下氧進(jìn)入晶格的可能，起到凈化晶格，提高熱導(dǎo)率的作用。

目前常用的燒結(jié)助劑主要為氧化物和氟化物，氧化物主要為

Y2O3,Sm2O3,La2O3,Dy2O3,CaO；而氟化物有CaF2,

YF3等。其中Y2O3驅(qū)氧能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好等綜合性能優(yōu)越,

成為最常用的燒結(jié)助劑；而CaO由于液相形成溫度較低，在

低溫?zé)Y(jié)中的作用比較明顯。

應(yīng)用端，氮化鋁陶瓷室溫比較強(qiáng)度高，且不易受溫度變

化影響，同時(shí)具有比較高的熱導(dǎo)系數(shù)和比較低的熱膨脹系數(shù),

是一種優(yōu)良的耐熱沖材料及熱交換材料，作為熱交換材料，

可望應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的熱交換器上。此外，氮化鋁陶瓷是一種

高溫耐熱材料，其熱導(dǎo)率高，較氧化鋁陶瓷高5倍以上，膨

脹系數(shù)低，與硅性能一致。使用氮化鋁陶鎏為主要原材料制

造而成的基板，具有高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、耐腐

蝕、電性能優(yōu)、光傳輸性好等優(yōu)異特性，是理想的大規(guī)模集成

電路散熱基板和封裝材料。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷升級(jí),

PCB基板小型化、功能集成化成為趨勢(shì)，市場(chǎng)對(duì)散熱基板與

封裝材料的散熱性與耐高溫性要求不斷提升，性能相對(duì)普通

的基板材料難以滿足市場(chǎng)需求，氮化鋁陶瓷基板行業(yè)發(fā)展迎來(lái)

機(jī)遇。

氮化硼陶瓷：陶瓷材料中的軟質(zhì)陶瓷，機(jī)械加工性能好

氮化硼問(wèn)世于100多年前，最早的應(yīng)用是作為高溫潤(rùn)滑

劑的六方氮化硼[簡(jiǎn)稱：h—BN,或a—BN,或g—BN(即石

墨型氮化硼)],h—BN不僅結(jié)構(gòu)而且其性能也與石墨極為相

似，且自身潔白，所以俗稱白石墨。氮化硼(BN)陶瓷是早

在1842年被人發(fā)現(xiàn)的化合物。國(guó)外對(duì)BN材料從第二次世界

大戰(zhàn)后進(jìn)行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓

方法后才發(fā)展起來(lái)的。美國(guó)金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投

入了生產(chǎn)，1960年已生產(chǎn)10噸以上。1957年RHWentrof率

先試制成功CBN,1969年美國(guó)通用電氣公司以商品Borazon

銷(xiāo)售，1973年美國(guó)宣布制成CBN刀具。1975年日本從美國(guó)

引進(jìn)技術(shù)也制備了CBN刀具。1979年Sokolowski首次成功

采用脈沖等離子體技術(shù)在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。20

世紀(jì)90年代末，人們已能夠運(yùn)用多種物理氣相沉積(PVD)和

化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法制備c—BN薄膜。它有良好的耐

熱性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、高溫介電強(qiáng)度，是理想的散熱材料

和高溫絕緣材料。氮化硼的化學(xué)穩(wěn)定性好，能抵抗大部分熔

融金屬的浸蝕。它也有很好的自潤(rùn)滑性。氮化硼制品的硬度

低，可進(jìn)行機(jī)械加工，精度為l/100mm。

圖表46氮化硼陶瓷加工性能好

熱壓BN

性能石墨氧化鋁陶詢熱壓氮化鋁陶瓷

平行熱壓方向垂直熱壓方向

壓縮強(qiáng)度/MPa31523835-801000-28000

彎曲強(qiáng)度/MPa60-8040-505-25280-420900-1200

拉伸強(qiáng)度/MPa110507-11150-210200-400

彈性模量/GPa843560-1003703后愈場(chǎng)疣駕庠

制備端，共價(jià)鍵化合物一般采取添加燒結(jié)助劑的辦法，

BN常用的燒結(jié)助劑有B2O3、Si3N4、ZrO2、SiO2、BaCO3

等。目前氮化硼粉體的制備方法有很多，根據(jù)其原理大致可

以分為兩大類(lèi)：其中一類(lèi)是合成法，主要有高溫合成法、溶劑

熱合成法、模板法和化學(xué)氣相沉積法(CVD)等；而另一類(lèi)是

剝離法，包括液相超聲剝離法、激光蝕刻剝離法、機(jī)械球磨

法等。隨著對(duì)氮化硼的研究不斷深入，一些納米結(jié)構(gòu)的氮化硼

的性質(zhì)逐漸被發(fā)現(xiàn)。一方面納米粉體比表面能高，燒結(jié)活性

高，可以有效地促進(jìn)h-BN陶瓷的致密化；另一方面，以納米

粉體作為原料，可以降低燒結(jié)溫度，減小陶瓷燒結(jié)體晶粒尺

寸，提高陶瓷的韌性，增強(qiáng)h-BN陶瓷的力學(xué)性能，為h-BN

陶瓷工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

應(yīng)用端，氮化硼可用于制造熔煉半導(dǎo)體的用煙及冶金用

高溫容器、半導(dǎo)體散熱絕緣零件、高溫軸承、熱電偶套管及

玻璃成形模具等。通常制得的氮化硼是石墨型結(jié)構(gòu)，俗稱為

白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍?lèi)

似，石墨型氮化硼在高溫（1800C）、高壓（800Mpa）下可

轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎傂偷稹＿@種氮化硼中B—N鍵長(zhǎng)（156pm）與

金剛石在C—C鍵長(zhǎng)（154pm）相似，密度也和金剛石相近，

它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐

高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

賽隆陶瓷：陶瓷材料中的軟質(zhì)陶瓷，機(jī)械加工性能好

賽?。╯ialon）是由Si、Al、0、N四種元素的合成詞，

音譯為“賽隆賽隆陶瓷是Si3N4-A12O3-AlN-SiO2系列化合

物的總稱，是在Si3N4陶瓷基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的一種Si-N-0-Al致

密多晶氮化物陶瓷，由A12O3中的A1原子和O原子部分置換

Si3N4中的Si原子和N原子形成。賽隆陶瓷由日本的Oyama

和Kamigaito（1971年）及英國(guó)的Jack和Wilson（1972年）

發(fā)現(xiàn)，他們?cè)趯?duì)氮化硅陶瓷各種添加劑的研究中發(fā)現(xiàn)了金屬

氮化物中的固溶體，即在SiO2-AI2O3系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了Si3N4的

固溶體，這能有效地促進(jìn)燒結(jié)，從而發(fā)現(xiàn)了sialon（賽?。?/p>

賽隆陶瓷的主要類(lèi)別有0'-sialon、a'-sialon、O'-sialon三種，

尤其以前兩種最為常見(jiàn)。

圖表49賽隆陶克性能

性能參數(shù)

結(jié)晶形態(tài)(Si,AI)@N“)4四面體與硅氧四面體空間聯(lián)結(jié)

理論密度/g/cnf3.05-3.13

抗彎強(qiáng)度/MPa(四點(diǎn)抗彎)400-450

顯微硬度/GPa13-15

彈性模量/GPa200-280

泊松比(20℃)0.288

熱膨脹系數(shù)/10*一,2.4-3.2(20-100℃)

熱擴(kuò)散系數(shù)(300℃)/cm7s0.0195鴻圣@未來(lái)智

制備端，在制備賽隆陶瓷時(shí)應(yīng)選擇超細(xì)、高a相的

Si3N4粉末，采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┛刂破渚Ы缦嗟慕M成和結(jié)

構(gòu)，才能獲得性能優(yōu)異的材料。由于賽隆陶瓷有很寬的固溶

范圍，可通過(guò)調(diào)整固溶體的組分比例按預(yù)定性能對(duì)賽隆陶瓷進(jìn)

行組成設(shè)計(jì)，通過(guò)添加劑加入量的適當(dāng)調(diào)節(jié)可以得到最佳a(bǔ)-

sialon和p-sialon的比例，獲得最佳強(qiáng)度和硬度配合的材料。

賽隆陶瓷通常采用無(wú)壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)，在1600-1800C的惰

性氣氛中燒結(jié)，可獲得接近理論密度的賽隆陶瓷燒結(jié)體，主要

的添加劑為MgO、A12O3、AIN、SiO2等。同時(shí)，添加

Y2O3、A12O3能獲得強(qiáng)度很高的賽隆陶瓷。此外，加入

Y2O3可降低賽隆陶瓷的燒結(jié)溫度。常壓燒結(jié)賽隆陶瓷的制造

工藝是將Si3N4粉與適量的A12O3粉及A1N粉共同混合，成

型之后在1700C的N2氣氛中燒結(jié)。固溶體的性質(zhì)隨其組成

和處理溫度而異。

應(yīng)用端，賽隆陶瓷作為一種性能優(yōu)異的新型高溫結(jié)構(gòu)陶

瓷，在軍事工業(yè)、航空航天工業(yè)、機(jī)械工業(yè)和電子工業(yè)等方

面都有廣闊的應(yīng)用前景。賽隆陶瓷硬度高、耐磨性能好，已在

機(jī)械工業(yè)上用于制造軸承、密封件、焊接套筒和定位銷(xiāo)及磨損

件等。賽隆陶瓷還可以用作連鑄用的分流換、熱電偶保護(hù)套

管、晶體生長(zhǎng)器、卅埸、高爐下部?jī)?nèi)襯、銅鋁合金管拉拔芯

棒，以及滾軋、擠壓和壓鑄用模具材料。賽隆陶瓷還可以用

來(lái)制作切削工具，其熱硬性優(yōu)于WC-Co硬質(zhì)合金和氧化鋁，

刀尖溫度大于1000℃時(shí)仍可進(jìn)行高速切削。塞隆陶瓷還可制

作透明陶瓷（高壓鈉燈燈管、高溫紅外測(cè)溫儀窗口），以及

用作生物陶瓷、制作人工關(guān)節(jié)等。

圖表52穩(wěn)定劑離子半徑對(duì)賽隆陶瓷的性能影響

&950

45

50

5.4

5.35

4.

4.30%

3..5O8、

25附

到20?-

而

樂(lè)15

部.5O

互10

5

Yb

3.00

0.0850.0900.0950.100

離子半徑/nm豆殺@先來(lái)智庫(kù)

1.1.3碳化物陶瓷

碳化物陶瓷以其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、

耐蝕耐磨性能和特殊的電、熱學(xué)等性能而倍受人們的青睞。

作為一類(lèi)新型工程陶瓷材料，碳化物陶瓷展現(xiàn)了極為廣闊的

應(yīng)用前景，并由此可能推動(dòng)一些相關(guān)科技的進(jìn)步，具有重要的

研究?jī)r(jià)值。然而，碳化物陶瓷的研究進(jìn)展和應(yīng)用并不如人們想

象的那么順利，存在的主要問(wèn)題：一是制造的成本高，二是

制品性能的可靠性和重現(xiàn)性差。為了研制具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值

的高性能和高可靠性產(chǎn)品，必須進(jìn)一步提高它們的綜合性能。

從研究結(jié)果看，碳化物復(fù)相陶瓷或其復(fù)合材料比單一材料具

有更優(yōu)異的性能。另外，以超細(xì)粉末制備的納米材料，同樣

具有很好的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值，這些都有可能成為今后碳化物

陶瓷發(fā)展的主要方向。另外，為了獲得組成和結(jié)構(gòu)更均勻的復(fù)

相陶瓷，已開(kāi)始了“組成一結(jié)構(gòu)一性能”的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

目前，碳化物陶瓷的研究熱點(diǎn)是納米級(jí)復(fù)合材料合成和

高溫自蔓燃（SHS法）納米復(fù)相陶瓷。在粉末的制備技術(shù)方

面，溶膠一凝膠法（Sol-Gel法）、化學(xué)氣相法（CVD法）

和高溫自蔓燃（SHS法）合成三足鼎立；從低成本和實(shí)用化

來(lái)看，無(wú)機(jī)溶膠一凝膠法（Sol—Gel法）和高溫自蔓燃

（SHS法）合成較為優(yōu)勢(shì)；在成形技術(shù)方面，膠態(tài)分散成形、

注漿成形和等靜壓成形引人注目；在燒結(jié)技術(shù)方面，除刀具外,

一般更傾向于常壓燒結(jié)或氣氛燒結(jié)。

圖裊54碳化物陶甕的基本物理特性

密度熱膨脹系數(shù)—Paf

類(lèi)別溶點(diǎn)/℃導(dǎo)熱率/W/（m?K）電阻率/Q-m彈性模量/GPa

/g/cm3/10V1

a-SiC3.2126004.70--400-440-

0-SiC3.2121004.350.418--25.5

TiC4.9331477.7417.101.05X10'446030.0

ZrC6.9035306.7420.5070.00X1O'635529.3

VC5.3628164.2024.701.56X10-443020.9

HfC12.6038905.606.27-35929.1

NbC7.8534806.5014.207.40X1O'434524.7

WC15.5527203.8431.801.20X10*471024.6

TaC14.3038778.3022.2030.00X1O*,2917一一1&Q-F

庫(kù)

B4c2.5124504.508.36-29.300.30X10”380=平'窈

碳化硅陶瓷：既古老又新型的陶瓷材料

碳化硅是一種人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，

才證實(shí)隕石中及地殼上偶然存在碳化硅，碳化硅的分子式為

SiC,分子量為40.07,質(zhì)量百分組成為70.045的硅與29.955

的碳，碳化硅的理論密度為3.16-3.2g/cm3o

SiC是以共價(jià)鍵為主的共價(jià)化合物，由于碳和硅兩元素

在形成SiC晶體時(shí)，它的基本單元是四面體，所有SiC均由

SiC四面體堆積而成，所不同的只是平行結(jié)合和反平行結(jié)合,

從而形成具有金剛石結(jié)構(gòu)的SiC。SiC共有75種變體，如3C-

SiC、4HsiC、15R-SiC等,其中a-SiC、p-SiC最為常見(jiàn)。0-

SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格;

a-SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H

多型體為工業(yè)應(yīng)用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之

間存在著一定的熱穩(wěn)定性關(guān)系，在溫度低于1600℃時(shí)，SiC

以p-SiC形式存在。當(dāng)高于1600℃時(shí)，0-SiC緩慢轉(zhuǎn)變成a-

SiC的各種多型體。4H-SiC在2000℃左右容易生成；15R和

6H多型體均需在2100C以上的高溫才易生成；對(duì)于6H-SiC,

即使溫度超過(guò)2200C,也是非常穩(wěn)定的。SiC中各種多型體

之間的自由能相差很小，因此，微量雜質(zhì)的固溶也會(huì)引起多

型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。

制備端，在工業(yè)生產(chǎn)中，用于合成SiC的石英砂和焦炭

通常含有A1和Fe等金屬雜質(zhì)。其中雜質(zhì)含量少的呈綠色，

被稱為綠色碳化硅；雜質(zhì)含量多的呈黑色，被稱為黑色碳化

硅。一般碳化硅含量愈高、顏色愈淺，高純碳化硅應(yīng)為無(wú)色。

SiC是強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的化合物，燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散速率相當(dāng)?shù)?

即使在2100°C的高溫下，C和Si的自擴(kuò)散系數(shù)也僅為

1.5x10-10cm2/s2.5x10-13cm2/s0所以，很難燒結(jié)SiC,

必須借助添加劑形成特殊的工藝手段促進(jìn)燒結(jié)。目前制備高溫

SiC陶瓷的方法主要有無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、

反應(yīng)燒結(jié)等。

圖表59碳化硅陶陶的應(yīng)用

碳化硅陶比砂輪碳化硅陶無(wú)球碳化硅陶史套管

碳化硅陶光噴嘴碳化硅泡沫陶光過(guò)濾器碳化硅陶無(wú)葉輪

應(yīng)用端，SiC的最初應(yīng)用是由于其超硬性能，可制備成

各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類(lèi)磨料，因而廣泛應(yīng)

用于機(jī)械加工行業(yè)。第二次世界大戰(zhàn)中又發(fā)現(xiàn)它還可以作為

煉鋼時(shí)的還原劑以及加熱元件，從而促進(jìn)了SiC的快速發(fā)展。

SiC陶瓷在石油、化工、微電子、汽車(chē)、航天、航空、造紙、

激光、礦業(yè)及原子能等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，碳化硅

已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及

高溫和高頻范圍的電子設(shè)備零部件等領(lǐng)域。

碳化硼陶瓷：僅次于金剛石、立方氮化硼的超硬材料

碳化硼（B4C）是一種重要的工程陶瓷材料，其最突出的

優(yōu)點(diǎn)就是高硬度和低密度：常溫下其硬度僅次于金剛石和立

方氮化硼，高溫下其恒定的硬度（＞30GPa）甚至優(yōu)于金剛石和

立方氮化硼；而密度僅有2.52g/cm3,遠(yuǎn)小于A12O3,SiC等

其他結(jié)構(gòu)陶瓷。同時(shí)，碳化硼陶瓷還具有高模量、良好的耐

磨性、優(yōu)異的中子吸收性能、高熔點(diǎn)（2450C）、良好的熱

電性、優(yōu)越的抗化學(xué)侵蝕能力等特點(diǎn)。

制備端，無(wú)壓燒結(jié)碳化硼陶瓷材料是一種大批量生產(chǎn)形

狀復(fù)雜零件的工藝方法，但其對(duì)粉末存在過(guò)于苛刻的條件，

燒結(jié)溫度高且燒結(jié)溫度范圍窄，因此在大批量生產(chǎn)中工藝參

數(shù)難以控制，制品的性能也參差不齊。隨著陶瓷燒結(jié)助劑的進(jìn)

一步研究，無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)仍將不斷改善。熱壓燒結(jié)由于將外

界施加的壓力與表面能一同作為碳化硼燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力，因此

具有降低燒結(jié)溫度的作用，在其基礎(chǔ)上利用惰性氣體施加壓

力的熱等靜壓燒結(jié)應(yīng)運(yùn)而生，解決了其無(wú)法顯著降低燒結(jié)溫度

以及難以制作復(fù)雜零件的痛點(diǎn)。液相燒結(jié)作為較新的致密化

燒結(jié)技術(shù)，使得碳化硼的相對(duì)密度甚至達(dá)到100%,但是其內(nèi)

在機(jī)理的研究仍亟待進(jìn)行。

圖表66標(biāo)黃青石成分對(duì)熱膨脹系數(shù)有重要影響

3435363738394041

A1:O3/%-------―工圣@走來(lái)管庫(kù)

應(yīng)用端，碳化硼陶瓷具有優(yōu)秀的性能，而且隨著燒結(jié)技

術(shù)的不斷發(fā)展，其性能還在不斷提升，性能越來(lái)越突出，當(dāng)

前碳化硼陶瓷在高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等條件下具有重要

應(yīng)用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于國(guó)防、核能、耐磨技術(shù)和溫差電偶

等諸多領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是當(dāng)前碳化硼陶瓷還

存在成本較高、燒結(jié)溫度高、斷裂韌性低和對(duì)金屬穩(wěn)定性差

等方面的問(wèn)題，這些問(wèn)題制約了碳化硼陶瓷的進(jìn)一步應(yīng)用，

因此對(duì)碳化硼陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行調(diào)控，改進(jìn)燒結(jié)技術(shù)，對(duì)

其結(jié)構(gòu)性提高其性能的同時(shí)，降低成本，對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍

非常重要。

L1.4低膨脹陶瓷

陶瓷材料有不一樣的膨脹特性，根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)的

大小，可將陶瓷材料分為三類(lèi)，分別是低膨脹類(lèi)、中膨脹類(lèi)

和高膨脹類(lèi)：高膨脹類(lèi)熱膨脹系數(shù)＞8x10-6/°。的BeO、

A12O3、MgO、MgOA12O3,穩(wěn)定ZrO2等;中膨脹類(lèi)熱膨脹系

數(shù)=2'10-6/℃-8X10-6/℃的5g、SnO2、3A12O3-2SiO2.

ZrSiO4等;低膨脹類(lèi)熱膨脹系數(shù)＜2x10-6/℃的

2MgO-2A12O3-5SiO2,A12O3TiO2,2ZrO2P2O5、Nb2O5等。

堇青石陶瓷：僅次于金剛石、立方氮化硼的超硬材料

堇青石的化學(xué)式為2MgO2-A12O3-5SiO2(MgO213.7wt%,

A12O334.9wt%,SiO251.4wt%),其熔點(diǎn)為1460C。堇青石

材料具有低膨脹特性(熱膨脹系數(shù)為210-6/C左右)和低介

電性能，還具有良好的耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性等，因此被廣泛

應(yīng)用在耐火材料、火焰噴嘴、熱交換器和耐熱瓷等高溫領(lǐng)域。

工業(yè)上所使用的堇青石大多為人工合成。

為了滿足各種實(shí)際需求，人們通過(guò)各種途徑合成堇青石。

應(yīng)用最廣泛的是固相合成法，此外還有玻璃反玻化法、溶膠-

凝膠法、水解-沉淀法。通過(guò)這些方法均可以制備出符合實(shí)際

應(yīng)用的堇青石相關(guān)產(chǎn)品，并不斷從實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用中改善工藝、

降低成本、提高產(chǎn)量、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，以滿足堇青石的市場(chǎng)需

求。

堇青石具有較低的熱膨脹系數(shù)，是優(yōu)良的高溫抗熱震材

料，被廣泛用作陶瓷窯棚板、匣缽、電子封裝材料、催化劑

載體、泡沫陶瓷、生物陶瓷和高溫?zé)彷椛洳牧系?。由于堇?/p>

石的低熱膨脹性，可以大大延長(zhǎng)匣體（陶瓷燒成的封裝材料）的

壽命，因此，堇青石最初用于匣缽。隨后又用于隧道窯的棚

板和支架材料，從而可以使生產(chǎn)周期大大縮短。輕質(zhì)堇青石

材料，導(dǎo)熱系數(shù)低，使用溫度高而直接用在火焰上面，達(dá)到

高效節(jié)能的效果。此外，堇青石陶瓷可應(yīng)用于汽車(chē)尾氣凈化方

面，作為催化劑載體。由于堇青石具有較低的膨脹系數(shù)和良

好吸附性等特點(diǎn)，堇青石制成的催化劑載體可使催化劑更好

地吸附和分散到載體上，而且由于其熱導(dǎo)率較低，可以使催化

劑能快速地達(dá)到活化溫度，使用效果較佳。

鈦酸鋁陶瓷：兼具高熔點(diǎn)及熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料

鈦酸鋁陶瓷是一種集高熔點(diǎn)（1860±10℃）和低熱膨脹系

數(shù)（0-1.5x10-6/℃,RT?1000C）于一身的優(yōu)異材料，因

此它具有極其優(yōu)良的抗熱震穩(wěn)定性，耐火度高、隔熱性能好,

并且它還耐腐蝕、耐堿、抗渣，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、陶瓷

等許多工業(yè)領(lǐng)域。但該材料也存在著兩大致命弱點(diǎn)：一是在

750?1300℃溫度區(qū)間易分解成金紅石和剛玉相，失去其優(yōu)良

的低膨脹性能，限制了其應(yīng)用；二是晶體冷卻時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生

大量微裂紋，造成機(jī)械強(qiáng)度低的缺陷。

困表70鈦酸鋁理論組成為56.1%的氧化鋁及43.9%的氧化鈦

2

09<(Kl

oo

oo

1

p8

/

圈1

寤

I700

406080TiO,

AI,O320

TiO:含量/%笈親@先來(lái)智庫(kù)

制備端，粉體的合成方法可以歸納為固相法、金屬或者

金屬醇鹽水解物的液相法和化學(xué)氣相法。但由于鈦酸鋁材料

的特點(diǎn)，為了對(duì)鈦酸鋁改性抑制它的熱分解，改善熱穩(wěn)定性和降

低它的各向異性，減少微裂紋，改善其機(jī)械性能，燒結(jié)過(guò)程通常引

入添加劑。國(guó)內(nèi)外鈦酸鋁改性用到的添加劑有Li2O、B2O、

Cr2O3、La2O3、CeO2、SiC、Si3N4、SiO2、MgO、F2O3、

ZrO2以及FeTiO3+Fe2O3等。

石英陶瓷：玻璃相為主的陶瓷材料

熔融石英陶瓷也稱作石英陶瓷，最早由美國(guó)Georgia理工

學(xué)院在20世紀(jì)60年代研制成功并于1963年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是一

種以熔融石英或者石英玻璃為原料，經(jīng)過(guò)粉碎、成型、燒結(jié)等

工藝而制成的燒結(jié)體。熔融石英陶瓷具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹

系數(shù)小、介電常數(shù)低、耐酸堿腐蝕性好、電絕緣性好、成本低

等一系列優(yōu)異性質(zhì)。

制備端，在國(guó)內(nèi)外石英陶瓷的生產(chǎn)中，一般普遍采用注漿

成型工藝，也有離心澆注成型、蠟澆注成型、等靜壓成型、搗

打成型等工藝。然而采用上述工藝制備的制品中普遍存在著

顯微結(jié)構(gòu)不均勻、難以制作形狀復(fù)雜的制品、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成

本高、效率低等缺點(diǎn)。例如采用壓制成型的石英陶瓷坯體存

在強(qiáng)度不高、易破碎開(kāi)裂、燒成后的坯體變形大、致密度低

等不足，難以適應(yīng)大批量工業(yè)化生產(chǎn)的需要。目前石英陶瓷比

較成熟的成型工藝為振動(dòng)壓力注漿成型工藝和凝膠注模成型工

藝。燒結(jié)方面，石英陶瓷普遍采用常壓燒結(jié)，即在常壓下，石

英陶瓷坯體在高溫的作用下通過(guò)介質(zhì)擴(kuò)散形成致密體。石英

陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中關(guān)鍵要注意防止石英原料的非晶態(tài)遭到破

壞。例如當(dāng)石英陶瓷采用振動(dòng)壓力注漿成型或凝膠注模成型工

藝時(shí)，一般來(lái)說(shuō)在低溫階段要緩慢升溫，這樣有利于硅膠的脫水

及坯體中有機(jī)物的排除。而在高溫階段應(yīng)當(dāng)快速升溫，并在燒

結(jié)完成后進(jìn)行快速冷卻，以避免形成晶態(tài)方石英。此外，由于

石英陶瓷的燒結(jié)溫度不能過(guò)高，所以在燒結(jié)過(guò)程中石英陶瓷收

縮不到5%,通常存在10%左右的氣孔率，因此石英陶瓷存在密

度低和強(qiáng)度差的問(wèn)題，而引入少量的添加劑是改善石英陶瓷的

燒結(jié)性能、提高其密度和強(qiáng)度的常用方法。

圖表75不同溫度和燒結(jié)條件下澆注熔散石英陶瓷的性能

最高燒結(jié)保溫時(shí)密度抗彎強(qiáng)度彈性模量熱膨脹系數(shù)(20-介電常熱導(dǎo)率(20-

氣孔率/%

溫度/℃間/h/g/cm3/MPa/GPa900℃)/10V℃數(shù)900℃)/W/(m*K)

115021.9312.7780.563.310.47

120021.9810.445.7290.533.40.67

1250229.551320.523.411.02

115031.9412.29.312.50.553.330.56

120031.9710.949.6310.583.381.06

導(dǎo)@5巳聲

125032.028.663.8460.543.47當(dāng)庫(kù)

鋰質(zhì)陶瓷：無(wú)膨脹和低膨脹的陶瓷材料

鋰輝石的化學(xué)組成LiAl[Si2O6],其中LiO2的理論含量

為8.03%。熔點(diǎn)1420C,有a和0兩種晶型。鋰輝石的化學(xué)

組成較穩(wěn)定，常有少量Fe3+、Mn代替6次配位的Al,Na代

替Li?？珊邢∮性?、稀土元素和Cs的混入物。以及Ga、

Cr、V、Co、Ni、Cu、Sn等微量元素，部分溶于HC1、

H2so4及HNO3中，抗腐蝕性強(qiáng)。

制備端，鋰質(zhì)低膨脹陶瓷可以是單一的0-鋰輝石固溶體

或者透鋰長(zhǎng)石固溶體為晶相，也可以是p-鋰輝石或者透鋰長(zhǎng)

石與其他晶相構(gòu)成的多項(xiàng)材料，通常根據(jù)相圖，以鋰輝石

（或者碳酸鋰）、高嶺土（或黏土）、石英為原料進(jìn)行配料，

成型后于高溫下固熔燒結(jié)，使其生成隹鋰輝石固溶體。

應(yīng)用端，在抗熱震陶瓷材料體系中，鋰質(zhì)陶瓷材料因隹

鋰輝石具有獨(dú)特的螺旋鏈狀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、極低的膨脹

系數(shù)，廣泛應(yīng)用于窯具、感應(yīng)加熱部件、耐熱微晶陶瓷面板、

高溫夾具、內(nèi)燃機(jī)部件以及要求尺寸很穩(wěn)定的高精度電子元部

件等使用環(huán)境嚴(yán)苛的眾多領(lǐng)域。

圖表77鋰質(zhì)陶瓷類(lèi)型

方石英P=Liq?AIQ3?8SiO2透鋰長(zhǎng)石

gR=Li2O-AI2O,-6SiO:理正長(zhǎng)石

1028C

S=LhO*AI,O3*4SiO,錦輝石

LiQ?2SiO，《代沙。E=Li；O?AI；O3?2SiO；鋒霞石

?1033y

'I線委\\牛P\'。

1201r70

Li2O*SiO2

1024

1255

P-錘霰石（SS）50

2Li2O*SiO2

40

3AI2O)*2SiO2

JI來(lái)石

2O5O*C

工

403010A的剛玉

L，2°A，2°3工奈@堯泰皆摩

1.2功能陶瓷：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)先行領(lǐng)域的關(guān)鍵材料

功能陶瓷是利用光、熱、力、聲、磁、電等直接效應(yīng)及

耦合效應(yīng)的一種先進(jìn)材料。功能陶瓷經(jīng)歷了電介質(zhì)陶瓷、壓電

鐵電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷等一系列的過(guò)程，目

前在微電子技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、光電子

技術(shù)、通信、環(huán)保、能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，

成為推動(dòng)我國(guó)科技發(fā)展的重要功能性材料。當(dāng)前功能陶瓷正

朝著智能化、小型化、復(fù)合化、多功能化和材料、設(shè)計(jì)、工藝

一體化的方向進(jìn)一步的發(fā)展。

1.2.1電介質(zhì)陶瓷

電介質(zhì)陶瓷即是指電阻率大于1086m的陶瓷材料，能

夠承受較強(qiáng)的電場(chǎng)而不被擊穿。在靜電場(chǎng)或者交變電場(chǎng)中使

用時(shí)，通常用體積電阻率、介電常數(shù)和介電損耗等參數(shù)來(lái)對(duì)

其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)參數(shù)的不同，可分為電絕緣陶瓷和電容

器介質(zhì)陶瓷等兩大類(lèi)。

圖表81陶瓷材料極化形式

極化類(lèi)型具有此種極化的介質(zhì)發(fā)生極化的頻率范圍影響因素能量損耗

電子位移極化一切陶瓷介質(zhì)中從直流到光頻無(wú)關(guān)沒(méi)有

離子位移極化離子組成的陶瓷介質(zhì)中從直流到紅外線溫度升高極化增強(qiáng)很微弱

離子組成的陶it介質(zhì)中、

禹子松弛極化結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷從直流到超高頻隨溫度變化有極大值有

中

鈦質(zhì)瓷及高價(jià)金屬氧化物

電子松弛極化從直流到超高頻隨溫度變化有極大值有

基礎(chǔ)的陶瓷中

溫度低于居里點(diǎn)的鐵電材

自發(fā)極化從直流到超高頻隨溫度變化有顯著極大值很大

料

界面極化結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì)從直流到音頻隨溫度變化而減弱有

諧振式極化一切瓷介質(zhì)中光頻無(wú)關(guān)很大

極性分子彈性聯(lián)系

轉(zhuǎn)向極化/極性分有機(jī)材料中從直流到超高頻隨溫度變化有極芻峰g有

子松弛轉(zhuǎn)向極化床柒皆彳

電絕緣陶瓷：在電子設(shè)備中作為安裝、固定、支撐、保

護(hù)、絕緣、隔離及鏈接各種無(wú)線電子元件及器件的陶瓷材料

電絕緣陶瓷也稱之為絕緣裝置瓷，具有優(yōu)良的電絕緣性

能，用于電子設(shè)備和器件中的結(jié)構(gòu)件、基片和外殼等的電子

陶瓷。絕緣裝置瓷件包括各種絕緣子、線圈骨架、電子管座、

波段開(kāi)關(guān)、電容器支柱支架、集成電路基片和封裝外殼等。

瓷介電容器陶瓷：電子設(shè)備中不可缺少的零部件

陶瓷電容器是目前飛速發(fā)展的電子技術(shù)的基礎(chǔ)之一，今

后隨著集成電路、大規(guī)模集成電路的發(fā)展，陶瓷電容器將迎

來(lái)繁榮發(fā)展。陶瓷電容器的用途可以分為低頻高介電容器瓷、

高頻熱補(bǔ)償電容器瓷，高頻熱穩(wěn)定電容器瓷和高壓電容器瓷等,

按照結(jié)構(gòu)及機(jī)理可分為單層和多層（即獨(dú)石電容器）以及內(nèi)

邊界電容器，按照電容器的材料性質(zhì)則可分為非鐵電電容器

陶瓷、鐵電電容器陶瓷、反鐵電電容器陶瓷及半導(dǎo)體電容器

陶瓷。1970年，隨著混合IC、計(jì)算機(jī)、以及便攜電子設(shè)備的

進(jìn)步，陶瓷介質(zhì)電容器也隨之迅速的發(fā)展起來(lái)，成為電子設(shè)

備中不可缺少的零部件。現(xiàn)在的陶瓷介質(zhì)電容器的全部數(shù)量

約占電容器市場(chǎng)的70%左右。

電容器陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)源電子元件。MLCC是

目前用量最大的無(wú)源元件之一，主要用于各類(lèi)電子整機(jī)中的

振蕩、耦合、濾波旁路電路中，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及自動(dòng)儀表、

數(shù)字家電、汽車(chē)電器、通信、計(jì)算機(jī)等行業(yè)。MLCC的主流

發(fā)展趨勢(shì)是小型化、大容量、薄層化、賤金屬化、高可靠性,

其中內(nèi)電極賤金屬化相關(guān)技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展最為迅速，采用

賤金屬內(nèi)電極是降低MLCC成本的最有效途徑，而實(shí)現(xiàn)