陶瓷材料及其应用

陶瓷材料及其应用

【摘要】

陶瓷材料在我们的生活中早已应用到了各个方面，比如塑料、木材、水泥三大传统基本材料，陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。随着社会的进步，人们对材料的要求也越来越高，这种表现不仅表现在对科学研究领域，也表现在人们的日常生活当中。材料的进步很大程度上推动了社会的进步，而社会的需求反过来也有力的推进了材料科学的发展。拿陶瓷材料来说，陶瓷材料已经贯穿了人类的历史，并且随着历史不停的发展，在材料科学领域崭露头角。

【关键字】陶瓷材料应用发展

一、陶瓷材料概述

陶瓷材料分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料，普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。其特点有力学性能、热性能、电性能、化学性能、光学性能，根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。

二、陶瓷材料的分类

随着生产与科学技术的发展．陶瓷材料及产品种类日益增多．为了便于掌握各种材例或产品的特征，通常以不同的角度加以分类。

1.按化学成分分类

(1)氧化物陶瓷。氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最

常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2，CaO．Cr2O3及莫莱石(3Al2O3.2SiO4)和尖晶石(MgAl2O3)等。陶瓷中的Al2O3和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样被广泛应用，表11.1中列出了一些氧化物陶瓷．硅酸盐亦属氧化物系列。如ZrsiO4。Call已等，还有复合氧化物如BaT吗、CgyiO；等。

(2)碳化物陶瓷。碳化物陶瓷～般具有比氧化物更高的熔点。最常用的是SIC、SC，凤C．TIC等。碳化物陶瓷在制备过程中应有气氛保护。

(3)氨化物陶瓷。氯化物中应用最广泛的是a几，它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。另外，TZN、BN、AI问筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚刚出现的C3N4，可望其性能超过Si3O4。

(4)四化物陶瓷。硼化物陶瓷的应用并不很广泛，主要是作为深加剂或第二相加入其它陶瓷基体中，以达到改善性能的目的。常用的有Ti已、Zr＆等。

2.按性能和用途分类

(1)结构陶瓷。结构陶瓷作为结构材料用来制造结构零部件．主要使用其力学性能。加强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性能(高温强度、抗热震性、耐烧蚀性)等。上面讲到的核化学成分分类的四种陶瓷大多数均为结构陶瓷。如 AjZQ 石．3N4、Z戏都是力学性能优越的代表性结构陶瓷材料。

(2)功能陶瓷。功能陶瓷作为功能材料用来制造功能器件，主要使用其物理性队如电磁性能、热性能、光性能、生物性能等。例如铁氧体．铁电陶瓷主要使用其电磁性能．用来制造电磁元件，介电陶瓷用来制造电容器，压电陶瓷用来制作位移或压力传感器．固体电解质陶瓷利用其离子传身特性可以制作氧探测器．生物陶瓷用来制造人工骨骼和人工牙齿等。超导材料和光导纤维也属于功能陶瓷的范畴。

值得提出的是，上述分类也是相对的．而不是绝对的，结构陶瓷和功能陶瓷有时并无严格界限，对于某些陶瓷材林二者兼而有之。加压电陶瓷。虽然可将它划分为功能陶瓷之列，但对其力学性能，如杭区强度、韧性、硬度、弹性模量亦有一定的要求。首先必须有足够的强度，在承受E力时不致破坏，才能实现共压电特性。另外如高温结构陶瓷或航天器防热部件用抗热震耐烧依陶瓷，虽属结构陶瓷之列．但抗热展性不但决定于它本身的强度、韧性、模量，而且导热系数、热膨胀系数也与

力学性能一样，对抗热震性有着十分重要的影响。耐腐蚀性是化工陶瓷(如耐酸泵)的重要性能，但要求必须具有～定的力学性能，才能满足承我要求。超导材料就是因为脂性大，做成导线困难．因而目前尚不能进入实际应用阶段。综上所述，不论是结构陶瓷还是功能陶瓷，力学性能是陶瓷材料的最基本性能．只不过是不同用途对力学性能要求的高低不同而已。

三、陶瓷材料的特点

1.陶瓷材料的性能特点

众所周知，金属材料(纯金日或合金)的化学健大都是金属但，是由金属正高于和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性．因此金属有很好的塑性变形性能。而作为无视非金属化合物的陶瓷来讲，其化学定是高于健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此，陶瓷材料很难产生塑性变形．脆性大，裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。但也正是由于它具有这种化学健类型，使结构陶瓷具有一系列比金属材料优异的特殊性能。

①高硬度，决定了它具有优异的耐磨性；

②高焰点。决定了它具有杰出的耐热性；

③高化学稳定性．决定了它具有良好的耐蚀性。

尽管陶瓷材料有如此优异的特殊性能．但由于其致命的缺点——脆性，因而限制了其特性的发挥和实际应用。因此，陶瓷的韧化使成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题(详见陶瓷的韧化一节)。

2.现代(先进)陶瓷与传统陶瓷的比较

现代陶瓷与传统陶瓷相比．从原料组成、制备工艺、组织结构及性能均有显著的区别，采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等，具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。其特点有力学性能、热性能、电性能、化学性能、光学性能，根据用途不同又可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。

四、陶瓷材料的应用与前景

陶瓷材料特性使其能够在材料工程、电子工程、化学工程以及机械工程中得到很多应用。由于通常陶瓷非常耐热，他们可以用于很多金属和聚合物无法胜任的地方，再加上陶瓷在电性能、化学性能、光学性能上的特性，使陶瓷材料在工业中有广泛的应用。

在航空航天方面,美国航空航天局的航天飞机上就使用了陶瓷隔热瓦，它可以保护航天飞机以及未来的超音速空天飞机免受重入地球大气层时与空气摩擦产生的高热的伤害。

在生物医学方面，新型陶瓷材料可以用来制造人工骨骼，比如牙科中应用的假牙。羟基磷灰石是一种天然的骨骼矿物成分，这种物质可以通过一些生物和化学原料合成，而且可以制成陶瓷材料。使用这些材料制成的骨科植入物可以更好地与骨骼和身体里的其他组织结合，而不会产生排异反应和炎症。大多数的羟基磷灰石陶瓷都是多孔的，缺少足够的机械强度，因此经常被用于作为金属涂层，以使其与骨骼结合的更紧密，或者作为骨骼的填充物。他们也可以用作骨科的塑料螺丝的填充物，以减轻炎症，同时使塑料的骨科材料更容易吸收。目前的工作是通过生产致密的纳米级结晶羟基磷灰石陶瓷材料使它们更加结实，达到能够应用于骨科的需要承受重量的设备的标准，这样就可以使用虽然是合成的但是天然存在于骨骼中的矿物质来替代外来的金属和塑料骨科制品了。对这些陶瓷进行研究的终极目标是让他们可以替代骨骼，或者让它们结合胶原蛋白来合成骨骼。

在电子行业方面，新型陶瓷材料可以用来制造电容器，换能器。同时还可以用于集成电路的封装。

在光学行业，新型陶瓷材料可以用于制造光纤，光交换机，激光放大器，透镜，红外热追踪设备等。

在汽车行业，新型陶瓷可以用于制造汽车的发动机。二十世纪八十年代早期，丰田对一种绝热的陶瓷发动机进行了研究。这种发动机可以在超过3300 °C的温度下工作。陶瓷发动机不需要冷却系统，因此可以减轻很大一部分重量，从而提高了

燃料使用效率。而且根据卡诺热机定理，燃料效率也会随着温度的升高而升高。

陶瓷材料的发展随着人类的发展不停的进行着，尤其是在近几年，陶瓷材料对社会的各个方面都有着深远的影响。陶瓷材料的潜力是巨大的，相信陶瓷材料在未来会给我们带来更多的惊喜。

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