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新村料系列之一 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷及應(yīng)用
摘要 本文簡述現(xiàn)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(yīng)用，其中包括結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合和功能陶瓷三個(gè)部分。此外對(duì)廈門大學(xué)材料系在現(xiàn)代技術(shù)陶瓷方面的研究和進(jìn)展作了簡介。
陶瓷材料一般分為傳統(tǒng)陶瓷和現(xiàn)代技術(shù)陶瓷兩大類。傳統(tǒng)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?yàn)樵系某煞只祀s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(xiàn)代技術(shù)陶瓷是根據(jù)所要求的產(chǎn)品性能，通過嚴(yán)格的成份和生產(chǎn)工藝控制而制造出來的高性能材料，主要用于高溫和腐蝕介質(zhì)，是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。下面對(duì)現(xiàn)代技術(shù)陶瓷三個(gè)主要領(lǐng)域:結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和功能陶瓷作一簡單介紹。
一、結(jié)構(gòu)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)，因而在許多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料根本無法勝任的場合，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結(jié)構(gòu)陶瓷可分為三大類;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(cuò)、莫來石和欽酸鋁。氧化物陶瓷最突出優(yōu)點(diǎn)是不存在氧化問題，原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡單。氧化鋁和氧化錯(cuò)具有優(yōu)異的室溫機(jī)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(jī)械性能顯著降低。氧化鋁和氧化錯(cuò)主要應(yīng)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(nèi)襯等。莫來石室溫強(qiáng)度屬中等水平，但它在1400℃仍能保持這一強(qiáng)度水平，并且高溫蠕變速率極低，因此被認(rèn)為是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)存在廣泛的微裂紋，因而具有極低的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率。它的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，無法單獨(dú)作為受力元件，所以一般用它加工內(nèi)襯用作保溫、耐熱沖擊元件，并已在陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)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(jié)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，這是氧化物陶瓷無法比擬的。但它們的燒結(jié)非常困難，必須在極高溫度（1500～2500℃)并有燒結(jié)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(jié)法才能達(dá)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(jī)的最重要材料，目前已經(jīng)取代了許多超高合金鋼部件�，F(xiàn)有最佳超高合金鋼的使用溫度低于1100℃，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的溫度在1300℃以上，因而普遍采用高壓水強(qiáng)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(tǒng)，這在能源利用和環(huán)保方面具有重要的戰(zhàn)略意義。
非氧化物陶瓷也廣泛應(yīng)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(qiáng)度、硬度、蠕變抗力優(yōu)異得多，并且刀具壽命長、允許切削速度高，因而在刀具占有日益重要地位。它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括輕質(zhì)無潤滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。
3、玻璃陶瓷
玻璃和陶瓷的主要區(qū)別在于結(jié)晶度，玻璃是非晶態(tài)而陶瓷是多晶材料。玻璃在遠(yuǎn)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(jī)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，工藝簡單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機(jī)械性能，它利用玻璃成型技術(shù)制造產(chǎn)品，然后高溫結(jié)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越廣泛的應(yīng)用，如地板、裝飾玻璃。
二、陶瓷基復(fù)合材料
復(fù)合材料是為了達(dá)到某些性能指標(biāo)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(yù)測(cè)的突然性斷裂，陶瓷基復(fù)合材料主要是為了改善陶瓷韌性�；谔岣唔g性的陶瓷基復(fù)合材料主要有兩類:氧化錯(cuò)相變?cè)鲰g和陶瓷纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。
氧化鋯相變?cè)鲰g復(fù)合材料是把部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末同其它陶瓷粉末(如氧化鋁、氮化硅或莫來石)混合后制成的高韌性材料，其斷裂韌性可以達(dá)到10Mpa，以上，而一般陶瓷的韌性僅有3Mpa左右。這類材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。
纖維強(qiáng)化被認(rèn)為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強(qiáng)度一般比基體高得多.所以它對(duì)基體具有強(qiáng)化作用;同時(shí)纖維具有顯著阻礙裂紋擴(kuò)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(qiáng)化的復(fù)合材料，例如碳化硅長纖維強(qiáng)化的碳化硅基復(fù)合材料韌性高達(dá)30 Mpa以上，比燒結(jié)碳化硅的韌性提高十
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倍.但因?yàn)檫@類價(jià)格昂貴，目前僅在軍械和航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。另一引人注目的增強(qiáng)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(qiáng)度和模量接近材料的理論值，極適用于陶瓷的強(qiáng)化。目前這類材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)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。下面簡介幾類主要功能陶瓷的性能。
1、導(dǎo)電性能
陶瓷材料具有非常廣泛的導(dǎo)電區(qū)間，從絕緣體到半導(dǎo)體、超導(dǎo)體。大多數(shù)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(dǎo)體分為型和離子型半導(dǎo)體，以晶體管集成電路為代表的是電子型半導(dǎo)體。離子型半導(dǎo)體僅對(duì)某些特殊的帶電離子具有傳導(dǎo)作用，最具有代表性的是穩(wěn)定氧化鋯和β一氧化鋁。穩(wěn)定氧化鉆僅對(duì)氧離子具有傳導(dǎo)作用，主要產(chǎn)品有氧傳感器(主要用來測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)鈉離子具有傳導(dǎo)作用，主要用來制造鈉一硫電池，其特點(diǎn)是高效率、對(duì)無危害和可以反復(fù)充電。陶瓷超導(dǎo)體是近10年才發(fā)展起來的.它的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度在所有類超導(dǎo)體中最高，已經(jīng)達(dá)到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導(dǎo)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(yīng)用。
2、介電性能
大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的介電性能，表現(xiàn)在其較高的介電常數(shù)和低介電損耗。介電陶瓷的主要應(yīng)用之一是陶瓷電容器。現(xiàn)代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當(dāng)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(rèn)酸鈦基電介質(zhì)的介電常數(shù)高達(dá)l000以上，而過去使用的云母小于10，所以用鈦酸鋇制成的電容器具有體積小、電儲(chǔ)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(yīng)。當(dāng)溫度低于某一臨界值時(shí)呈半導(dǎo)體鐘電狀態(tài)，但當(dāng)溫度超過這一臨界值時(shí)，電阻率突然增加到倍成為絕緣體。利用這一效應(yīng)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(cuò)鈦酸錯(cuò)，具有顯著壓電效應(yīng)。當(dāng)在陶瓷上施加外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)能和電能的相互轉(zhuǎn)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(yīng)用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號(hào)發(fā)生器和光導(dǎo)纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見.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(yīng)用非常廣泛。陶瓷也可被制造用來透過不同波長的光線，其中最重要的就是紅外線透射陶瓷，它僅允許紅外光線透過，被用來制造紅外窗口，在武器、航空航天領(lǐng)域和高技術(shù)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。這類材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來石等.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(dǎo)纖維是現(xiàn)代通訊信號(hào)的主要傳輸媒介，它是用高純二氧化硅制成的，具有信號(hào)損耗低、高保真性、容量大等特性，是金屬信號(hào)傳愉線無法比擬的。
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)無法滿足現(xiàn)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(fù)合氧化物。通過對(duì)成份的嚴(yán)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(dǎo)率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，磁損耗低.主要用于電感線圈、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(yīng)用為永久磁體，代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度非常接近于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度.它是因磁滯回線呈矩形而得名，主要應(yīng)用于現(xiàn)代大型計(jì)算機(jī)元件和開關(guān)元件，代表材料為鎂一錳鐵氧體。
四、廈門大學(xué)材料系現(xiàn)代技術(shù)陶瓷研究現(xiàn)狀
廈門大學(xué)材料系前身為廈門大學(xué)化學(xué)系材料化學(xué)專業(yè)，1997年從化學(xué)系獨(dú)立出來�，F(xiàn)代陶瓷的研究開始于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(yīng)用方面的研究工作。現(xiàn)將主要研究領(lǐng)域及進(jìn)展簡介如下:
1、結(jié)構(gòu)陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料
主要從事碳化硅晶須強(qiáng)化陶瓷叢復(fù)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(biāo)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(fù)合材料的強(qiáng)度、模量和韌性顯著提高。目前這一成果已經(jīng)申報(bào)國家專利。
此外，將上述晶須可控定向技術(shù)應(yīng)用到陶瓷晶須強(qiáng)化的聚合物基復(fù)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(tǒng)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料相比，產(chǎn)品的強(qiáng)度和模量大幅度提高，并可用現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)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，通過成份優(yōu)化和制造工藝的嚴(yán)格控制，制造出介電常數(shù)高、擊穿電壓高、溫度系數(shù)小的陶瓷電容器。該產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，獲福建省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并形成中批量生產(chǎn)能力，銷路較好。目前正在研究和開發(fā)微波陶瓷等材料。
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