新型陶瓷材料的應(yīng)用與發(fā)展

新型陶瓷材料的應(yīng)用與發(fā)展新型陶瓷材料的應(yīng)用與發(fā)展摘要：本文首先簡(jiǎn)單介紹了傳統(tǒng)陶瓷材料向現(xiàn)代新型陶瓷材料轉(zhuǎn)變的過(guò)程，新型陶瓷材料克服了傳統(tǒng)陶瓷本身內(nèi)部的缺陷，故使其性能大大提高，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。然后論述了新型陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，以及它們耐高溫、生物相容性能、電磁性、質(zhì)量輕等特性及各自的應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)討論了新型陶瓷材料在航空航天、軍事、生物工程、電子工業(yè)等的應(yīng)用，最后簡(jiǎn)單說(shuō)明了新型陶瓷材料的近況和發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：新型陶瓷材料應(yīng)用發(fā)展引言：在當(dāng)今科技高度發(fā)展的工業(yè)社會(huì),每一項(xiàng)工業(yè)化的成就都與材料科學(xué)、材料的制造及實(shí)際使用有著密不可分的關(guān)聯(lián),它使得某些新的科學(xué)設(shè)想、構(gòu)思及生產(chǎn)過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。離開了材料科學(xué)與材料工業(yè),世界上的許多科學(xué)創(chuàng)造和發(fā)明都是難以實(shí)現(xiàn)或達(dá)到的。陶瓷材料是繼金屬材料,非金屬高分子材料之后人們所關(guān)注的無(wú)機(jī)非金屬材料中最重要的一種，因?yàn)樗瑫r(shí)兼有金屬和高分子材料兩者的共同優(yōu)點(diǎn),此外在不斷的改性過(guò)程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的應(yīng)用領(lǐng)域和各類產(chǎn)品都有一個(gè)十分明顯的1.傳統(tǒng)陶瓷材料到新型陶瓷材料的演變陶瓷一詞(Ceramics)來(lái)源于古希臘Keramos一詞,意為地球之神。傳統(tǒng)的陶瓷材料含意很廣泛,它主要指鋁、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸鹽類。雖然傳統(tǒng)陶瓷具有一定的耐化學(xué)腐蝕特性和較高的電阻率、熔點(diǎn)高,可耐高溫,硬度高,耐磨損,化學(xué)穩(wěn)定性高,不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。但它也存在著塑料變形能力差,易發(fā)生脆性破壞和不易加工成型等缺點(diǎn),這些原因大大地限制了在工業(yè)的應(yīng)用范圍，特別是在機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用。而在電器上的應(yīng)用也主要局限在高壓電瓷瓶及其絕緣體部件等少數(shù)幾個(gè)方面。為此人們開展對(duì)傳統(tǒng)的陶瓷材料進(jìn)行改性研究和有關(guān)材料的人工合成開發(fā),現(xiàn)代合成技術(shù)已經(jīng)能夠通過(guò)物理蒸發(fā)濺射(Vaporprocessing)溶液法(Aqueousprecipitation)溶膠—凝膠技術(shù)(Solgel-technology)及其它先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)陶瓷或人工合成極少缺陷的陶瓷材料,其中較為重要的有Si3N4,A12O3等。合成的陶瓷材料與傳統(tǒng)陶瓷材料相比，它的性能大大提高,與其它材料相比,在同樣強(qiáng)度下這些材料具有良好的化學(xué)、熱、機(jī)械及摩擦學(xué)(tribology)特性。它質(zhì)輕,可以耐高溫,硬度高,抗壓強(qiáng)度有時(shí)超過(guò)金屬及合金,具有較強(qiáng)的抗磨性和化學(xué)隋性、電及熱的絕緣性都相當(dāng)好,特別是由于采用純凈材料,消除了缺陷(eliminate-defects),它的易脆性(brittleness)得到了極大的改善,因此其應(yīng)用,特在現(xiàn)代機(jī)械業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工業(yè)高溫抗磨器件、機(jī)械基礎(chǔ)元器件,除此之外,電子及電信行業(yè),生物醫(yī)療器件乃至于陶瓷記憶材料,超導(dǎo)陶瓷等應(yīng)用都與新型陶瓷材料的研制與開發(fā)有關(guān)。2.新型陶瓷材料特性與分類新型陶瓷材料按照人們目前的習(xí)慣可分為兩大類，即結(jié)構(gòu)陶瓷(Structuralceramics)(或工程陶瓷)和功能陶瓷(Functionalceramics)，將具有機(jī)械功能、熱具有相互轉(zhuǎn)換功能的陶瓷列為功能陶瓷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種超為基數(shù)和符合技術(shù)的運(yùn)用，材料性能和功能相互交叉滲透，確切分類已經(jīng)逐漸模糊和淡化。根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，通過(guò)對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)，新型陶瓷材料的各種特性得到了充分的體3.新型陶瓷的應(yīng)用與發(fā)展新型陶瓷是新型無(wú)機(jī)非金屬材料,也稱先進(jìn)陶瓷、高性能陶瓷、高技術(shù)陶瓷、精細(xì)陶瓷,為什么能得到高速發(fā)展,歸納起來(lái)有四方面原因：①具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能、高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗熱震而且在熱、光、聲、電、磁、化學(xué)、生物等方面具有卓越的功能,某些性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)代優(yōu)質(zhì)合金和高分子材料,因而登上新材料革命的主角地位,滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。②其原料取于礦土或經(jīng)合成而得,蘊(yùn)藏量十分豐富。③產(chǎn)品附加值相當(dāng)高,而且未來(lái)市場(chǎng)仍將持續(xù)擴(kuò)展。④應(yīng)用十分廣泛,幾乎可以滲透到各行各業(yè)。3.1應(yīng)用領(lǐng)域功能陶瓷主要在絕緣、電磁、介電以經(jīng)濟(jì)光學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用；結(jié)構(gòu)陶瓷除了耐低膨脹、耐磨、耐腐蝕外，還有重量輕、高彈性、低膨脹、電絕緣性等特性。因而在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用應(yīng)該是以陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)為代表的耐高溫陶瓷部件陶瓷廣泛用于道具及模具等一方面，陶瓷材料具有其他材料所沒有的高剛性、重量輕、耐蝕性等特性，從而被有效地腐蝕性，在生物工程以及醫(yī)療等方面也得到廣泛的應(yīng)用。下面將分幾方面來(lái)介紹新型陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。1)航空航天材料:陶瓷基復(fù)合材料(CeramicMatrixComposites)當(dāng)前耐高溫材料已經(jīng)成為航天先進(jìn)材料中的由此岸優(yōu)先發(fā)展方向，材料在高溫下的應(yīng)用對(duì)航天技術(shù)特別是固體火箭等領(lǐng)域具有極其重要的推動(dòng)作用。隨著航空技術(shù)的發(fā)展氣體渦輪機(jī)燃燒室中燃?xì)獾臏囟纫笤絹?lái)越高，并更緊密地依賴于高溫材料的研究開發(fā)，而先進(jìn)陶瓷及其陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕質(zhì)量輕等優(yōu)異性能，是最具有希望代替金屬材料用于熱端部件的候選材料[4]。為此世界各國(guó)開展對(duì)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作。美、歐、日等越來(lái)越多的人體渦輪機(jī)設(shè)計(jì)者們開始用陶瓷基復(fù)合材料來(lái)制作旋轉(zhuǎn)件和固定件。當(dāng)前對(duì)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高溫結(jié)構(gòu)陶瓷最引人注目。這類陶瓷的綜合性能較突出，它們有良好的高溫強(qiáng)度，已經(jīng)在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等方面得到了應(yīng)用，非常適用于制作航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片等高溫受力部件。2)陶瓷軸承(CeramicBearing)陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，由于具有金屬軸承所無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，近十多年來(lái)，在國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在航空航天、核工業(yè)、高被人們逐漸地認(rèn)識(shí)。陶瓷軸承突出的效果是大幅度地提高了軸承的使用壽命和極限速度，緣、真空等行業(yè)的應(yīng)用也已經(jīng)取得了良好的效果，可在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等一些高腐蝕性介質(zhì)中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。近來(lái)，與半導(dǎo)體制造裝置和計(jì)算機(jī)的CD-ROM及其硬盤與信息工業(yè)相關(guān)的陶瓷軸承需求量不斷增加。當(dāng)今世界上著名的軸承企業(yè)無(wú)一不在開發(fā)、生產(chǎn)陶瓷軸而產(chǎn)品質(zhì)量的高低，已成為衡量其企業(yè)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。3)生物工程領(lǐng)域：生物陶瓷(Material)由于生物陶瓷材料的無(wú)毒、無(wú)害，具有良好的生物活性和生物相溶性，且硬度高，楊氏模量與人體骨相近，故可作為骨骼、牙床、心臟瓣膜等的修補(bǔ)材料或替代材料使用。生物陶瓷材料又分生物性惰性陶瓷材料和生物性活性陶瓷材料。生物性惰性陶瓷材料：如多晶氧化鋁具有耐腐蝕、耐磨、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，且可通過(guò)高溫消毒，常用于大塊或小塊骨的修補(bǔ)或承重骨的缺損修復(fù)。單晶氧化鋁，除具有多晶氧化鋁特性外，還具有生物相溶性好的特點(diǎn)，常用于制成人工骨螺釘，強(qiáng)度比金屬材料制成的工骨螺釘更高。同時(shí)氧化鋁單晶可以加工成各種尺寸小、強(qiáng)度大的牙根，它與人體蛋白質(zhì)有良好的親合性能，結(jié)合力強(qiáng)。因此有利于牙齦粘膜材料的附著。生物性活性陶瓷材料：將含磷酸和鈣的活性玻璃，置入生物體內(nèi)，使之與生物體內(nèi)的液體發(fā)生反應(yīng)，然后有生物組織成長(zhǎng)起骨原纖維組織，在生物玻璃表面與生物組織之間形成結(jié)合層。羥基磷灰石，它具有與人體硬組織(骨和牙)的無(wú)機(jī)質(zhì)相同的物質(zhì)組成，4)軍事應(yīng)用：特種陶瓷(SpecialCeramics)軍事應(yīng)用中的特種陶瓷主要指的是氧化鋁和碳化硼。在現(xiàn)代軍事中，無(wú)論是海陸空或其他兵種的現(xiàn)代武器中，都有用特種陶瓷制成的部件。如B4C陶瓷可作為飛機(jī)、車輛和人員的防彈裝甲，用比例纖維和B4C復(fù)合材料制成的0.6cm厚的B4C內(nèi)襯可阻擋小口徑的裝甲彈的穿透作用[6]。另外，宇宙飛船外壁的陶瓷隔熱瓦即為玻璃纖維復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、耐熱、耐沖擊、低熱導(dǎo)等優(yōu)良性能，是理想的軍用隔熱材料。特種陶瓷實(shí)在導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中也有用途，在雷達(dá)天線上加裝一個(gè)氣動(dòng)天線罩，可協(xié)調(diào)機(jī)械、熱力、電氣系統(tǒng)、的成全世界的反恐怖主義活動(dòng)，防彈服的需求成倍增長(zhǎng)。5)電子工業(yè)領(lǐng)域：氮化鋁陶瓷(AluminumNitrideCeramic即AIN)氮化鋁具有良好的高溫抗蝕性，它對(duì)許多金屬表現(xiàn)良好的抗蝕力，可與鋁、銅、鎳、鉬、鎢以及許多鐵質(zhì)合金和超合金在高溫下共存，也能在某些化合物，如砷化鎵的融IN時(shí)氮化鋁陶瓷材料在高溫耐蝕和復(fù)合材料方面也有很好的應(yīng)用。在高溫耐蝕方面的應(yīng)用：AIN陶瓷具有良好的高溫耐蝕性，它能與許多金屬在高溫下共存。因此是優(yōu)良的坩堝材料，也可用作腐蝕性物質(zhì)的容器和處理器。在復(fù)合材料方面的應(yīng)用：可以通過(guò)復(fù)合相陶瓷的途徑，拓展它在其它方面的應(yīng)用。如：加入TICSIC顆粒和SIC晶須以提高其強(qiáng)度和韌性。4.新型陶瓷材料研究近況和發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代各國(guó)不僅在新型陶瓷的應(yīng)用方面取得了一定的成就，但同時(shí)也不斷大力地開展新研究和開發(fā)，下面列舉的幾個(gè)方面是近年來(lái)比較著名的研究領(lǐng)域：4.1納米復(fù)合陶瓷(NanocompositeCeramics)AlO-Sic納米復(fù)合陶瓷的抗彎強(qiáng)度比三氧化二鋁單體提高近三倍。納米復(fù)合材料23納米壓電復(fù)合陶瓷是引人注目的新方向[8]。4.2梯度功能材料(FunctionallyGradedMaterial，F(xiàn)GM)梯度功能材料它不同于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，其成分或結(jié)構(gòu)在材料的一面向另一面逐料、熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換材料等方面取得了進(jìn)展，在FGM研發(fā)工藝中等離子體噴射法(PlasmaSpraying)、氣象沉積法(CVD)、粉末冶金法(PM)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，得到廣泛的利4.3synergy陶瓷synergy陶瓷是指在同一材料里實(shí)現(xiàn)多種性能的共存或互補(bǔ)的高性能復(fù)合陶瓷，從廣義上來(lái)看，synergy陶瓷的概念與結(jié)構(gòu)和功能一體化比較接近。日本名古屋工業(yè)技術(shù)研究所和日本驚喜陶瓷中心(JFCC)是開展synergy陶瓷開發(fā)的基地，并取得了重大研究成果，如兼有高強(qiáng)度(1400MPa)、高韌性(12MPa)和高熱傳導(dǎo)性(120W/mk)的強(qiáng)韌性34還有很多新的領(lǐng)域如：陶瓷涂層、金屬-陶瓷、陶瓷膜材料、仿生層狀復(fù)合材料等各在研究，尋求新的突破。在各種新材料中,新型陶瓷是近年來(lái)發(fā)展很快的一種,其中功能陶瓷,特別是電子功能陶瓷的發(fā)展速度快于結(jié)構(gòu)陶瓷。目前研究與開發(fā)的重點(diǎn)已出現(xiàn)向結(jié)構(gòu)陶瓷和復(fù)合陶瓷逐步轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),預(yù)測(cè)以后,這種轉(zhuǎn)移將有明顯增強(qiáng)。21世紀(jì)將是一個(gè)以各種復(fù)合材料為主的時(shí)代。當(dāng)前的研究工作主要是為下世紀(jì)的技術(shù)突破作準(zhǔn)備。無(wú)論是氧化物陶瓷,的趨勢(shì)。有逐步重視關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究的傾向,目的是實(shí)現(xiàn)陶瓷材料性能測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)的實(shí)用化。在材料體系中,成分全新的新品種不多,絕大多數(shù)是通過(guò)改換元素、添加元素和改善工藝等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的最佳化。因此,技術(shù)方面的更新不斷出現(xiàn)。由于陶瓷的制造需要系列專門技術(shù),各道生產(chǎn)工序都影響材料的最終性能,因此近幾年國(guó)外公司有實(shí)行從原料準(zhǔn)備到成品加工一體化生產(chǎn)的傾向5.結(jié)