新型陶瓷材料簡(jiǎn)述

新型陶瓷材料簡(jiǎn)述一、新型陶瓷材料的出現(xiàn)本世紀(jì)二三十年代以來(lái),由于科學(xué)的高速發(fā)展,對(duì)傳統(tǒng)陶瓷提出了新的挑戰(zhàn).如電力的普及與大規(guī)模的應(yīng)用,需要使用大量強(qiáng)度很高,絕緣性能很好的絕緣子;電子通信技術(shù)的發(fā)展迫切需要在高頻下絕緣性能良好的陶瓷材料;特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間,為了解決用于制作高質(zhì)量電容器的天然云母的匱乏,希望能夠用介電常數(shù)高的陶瓷來(lái)代替天然云母.現(xiàn)實(shí)的需要推動(dòng)了對(duì)陶瓷材料進(jìn)行廣泛而深入的研究.人們發(fā)現(xiàn),雖然陶瓷中的玻璃相,使陶變得堅(jiān)硬,致密,但是,也正是陶瓷中的玻璃相,妨礙了陶瓷強(qiáng)度的進(jìn)一步提高.同時(shí),玻璃相也是陶瓷絕緣性能,特別是高頻絕緣性能不好的根源.于是,在傳統(tǒng)陶瓷的基礎(chǔ)上,一些強(qiáng)度高,性能好的材料不斷涌現(xiàn),它們的玻璃相含量都比傳統(tǒng)陶瓷低.目前,由于陶瓷制備工藝的不斷進(jìn)步,特別是對(duì)陶瓷燒結(jié)過(guò)程,顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的結(jié)果表明,制備出玻璃相含量非常低,甚至幾乎不含玻璃相的,由許多微小晶粒結(jié)合而成的結(jié)晶陶瓷是可能的.這種材料的各種性能有可能與相應(yīng)單晶體的性能相近.現(xiàn)在,許多高性能陶瓷,幾乎都是不含有玻璃相的結(jié)晶態(tài)陶瓷.為了有別于傳統(tǒng)陶瓷,人們稱(chēng)之為先進(jìn)陶瓷或高技術(shù)陶瓷學(xué)學(xué)于是新型陶瓷材料便應(yīng)運(yùn)而生了。二、新型陶瓷材料與傳統(tǒng)陶瓷材料的區(qū)別新型陶瓷材料屬于新型材料的一種。傳統(tǒng)陶瓷主要采用天然的巖石、礦物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷則采用人工合成的高純度無(wú)機(jī)化合物為原料，在嚴(yán)格控制的條件下經(jīng)成型、燒結(jié)和其他處理而制成具有微細(xì)結(jié)晶組織的無(wú)機(jī)材料。它具有一系列優(yōu)越的物理、化學(xué)和生物性能，其應(yīng)用范圍是傳統(tǒng)陶瓷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的。新型陶瓷由于其化學(xué)組成，顯微結(jié)構(gòu)及性能不同于普通陶瓷，故被稱(chēng)為新型陶瓷或特種陶瓷。新型陶瓷不同的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定了它不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強(qiáng)度，高硬度，高韌性，耐腐蝕，導(dǎo)電，絕緣，磁性，透光，半導(dǎo)體以及壓電，光電，電光，聲光，磁光等。由于性能特殊，這類(lèi)陶瓷可作為工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用于機(jī)械，電子，化工，冶煉，能源，醫(yī)學(xué)，激光，核反應(yīng)，宇航等方面。三、新型陶瓷材料的優(yōu)缺點(diǎn)新型陶瓷材料在性能上有其獨(dú)特的優(yōu)越性。在熱和機(jī)械性能方面，有耐高溫、隔熱、高硬度、耐磨耗等；在電性能方面有絕緣性、壓電性、半導(dǎo)體性、磁性等；在化學(xué)方面有催化、耐腐蝕、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作為生物結(jié)構(gòu)材料等。但也有它的缺點(diǎn)，如脆性。因此研究開(kāi)發(fā)新型功能陶瓷是材料科學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。四、新型陶瓷材料的分類(lèi)（一）按化學(xué)成分劃分主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是純氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一類(lèi)是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。（二）按性能與特征劃分可分為：高溫陶瓷、超硬質(zhì)陶瓷、高韌陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷。電解質(zhì)陶瓷、磁性陶瓷、導(dǎo)電性陶瓷等。隨著成分、結(jié)構(gòu)和工藝的不斷改進(jìn)，新型陶瓷層出不窮。（三）按其應(yīng)用不同劃分可將它們分又為工程結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類(lèi)。在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱(chēng)為工程陶瓷，它主要在高溫下使用，也稱(chēng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這類(lèi)陶瓷以氧化鋁為主要原料，具有在高溫下強(qiáng)度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點(diǎn)，在空氣中可以耐受1980℃的高溫，是空間技術(shù)、軍事技術(shù)、原子能、業(yè)及化工設(shè)備等領(lǐng)域中的重要材料。工程陶瓷有許多種類(lèi)，但目前世界上研究最多，認(rèn)為最有發(fā)展前途的是氯化硅、碳化硅和增韌氧化物三類(lèi)材料。壓電陶瓷是一種能將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓δ芴沾?，哪怕是像聲波震?dòng)產(chǎn)生的微小的壓力也能夠使它們發(fā)生形變，從而使陶瓷表面帶電。用壓電陶瓷柱代替普通火石制成的氣體電子打火機(jī)，能夠連續(xù)打火幾萬(wàn)次。透明陶瓷的主要成分有氧化鎂、氧化鈣、氟化鈣等。透明陶瓷不但能透過(guò)光線，還具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。透明陶瓷是一種很好的透明防彈材料，還可以用來(lái)制造車(chē)床上的高速切削刀、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的零件等，甚至可以代替不銹鋼。氮化硅高強(qiáng)度陶瓷以強(qiáng)度高著稱(chēng)，可用于制造燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器、葉片、渦輪等。精密陶瓷氨化硅代替金屬制造發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱部件，能大幅度提高工件溫度，從而提高熱效率，降低燃料消耗，節(jié)約能源，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量，而且又代替了如鎳、鉻、鈉等重要金屬材料，所以，被人們認(rèn)為是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一場(chǎng)革命。氮化硅可用多種方法制備，工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1600K反應(yīng)后獲得：3Si+2N2=Si3N4（條件1600K）也可用化學(xué)氣相沉積法，使SiCl4和N2在H2氣氛保護(hù)下反應(yīng)，產(chǎn)物Si3N4積在石墨基體上，形成一層致密的Si3N4層。此法得到的氮化硅純度較高，其反應(yīng)如下：SiCl4+2N2+6H2-Si3N4+l2HCl氮化硅、碳化硅等新型陶瓷還可用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、切削刀具、機(jī)械密封件、軸承、火箭噴嘴、爐子管道等，具有非常廣泛的用途。利用陶瓷對(duì)聲、光、電、磁、熱等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料稱(chēng)為功能陶瓷。功能陶瓷種類(lèi)繁多，用途各異。例如，根據(jù)陶瓷電學(xué)性質(zhì)的差異可制成導(dǎo)電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、介電陶瓷、絕緣陶瓷等電子材料，用于制作電容器、電阻器、電子工業(yè)中的高溫高頻器件，變壓器等形形色色的電子零件。利用陶瓷的光學(xué)性能可制造固體激光材料、光導(dǎo)纖維、光儲(chǔ)存材料及各種陶瓷傳感器。此外，陶瓷還用作壓電材料、磁性材料、基底材料等。新型陶瓷材料發(fā)展較快，超導(dǎo)材料實(shí)際上也是一種新型陶瓷,當(dāng)然由于陶瓷材料的特殊性能，在研究和開(kāi)發(fā)其應(yīng)用前景時(shí)，需要不同學(xué)科交叉，共同來(lái)研究和探索出新的功能材料?？傊?，新劑陶瓷材料幾乎遍及現(xiàn)代科技的每一個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。五、新型陶瓷材料的應(yīng)用現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，新型陶瓷已逐步成為高技術(shù)發(fā)展的重要關(guān)鍵，已引起各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注，日本近年一直處于世界前沿，美國(guó)每年用材料研究的費(fèi)用高達(dá)20-25億美元，歐共體包括德、法、英等國(guó)家也在發(fā)展一些新型材料方面給予了高度重視，現(xiàn)已取得了一些重大成果。許多國(guó)家為了加速新技術(shù)革命，為新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，投入大量人力，物力和財(cái)力研究開(kāi)發(fā)特種陶瓷，因此新型陶瓷的發(fā)展十分迅速，在技術(shù)上也有很大突破。新型陶瓷品種繁多、日新月異，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有特殊地位，其用途多種多樣，例如結(jié)構(gòu)陶瓷具有超高耐熱性、高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性等綜合特性；功能陶瓷具有電、磁、光學(xué)、機(jī)械、生物及化學(xué)等各種卓越功能，因此新型陶瓷材料已成為解決能源、資源等問(wèn)題的重要材料，同時(shí)也是微電子、激光、光纖、生物、海洋、宇航、新能源、仿人機(jī)等尖端科學(xué)技術(shù)發(fā)展不可缺少的材料，新型陶瓷不同于傳統(tǒng)陶瓷，是知識(shí)和技術(shù)密集型產(chǎn)品，一般具有投資少、產(chǎn)值高、能源消耗少，經(jīng)濟(jì)效益高，并具有廣闊的市場(chǎng)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，新型陶瓷第年以10%~20%的速率增長(zhǎng)，因此新型陶瓷的研究與開(kāi)發(fā)已引起世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，特別是近幾年出現(xiàn)的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，陶瓷高溫超導(dǎo)體、陶瓷敏感元件這三股熱潮，將給新型陶瓷材料更強(qiáng)的生命力?？傊?，新型陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，特別是在高技術(shù)，新技術(shù)領(lǐng)域中的地位日趨重要，預(yù)示著它的廣闊發(fā)展前景。六、我國(guó)在新型材料方面的成就與不足中國(guó)科學(xué)院在先進(jìn)功能陶瓷領(lǐng)域的研究在國(guó)內(nèi)具有一定的優(yōu)勢(shì)。上海硅酸鹽所和清華大學(xué)聯(lián)合主持了科技報(bào)“973”項(xiàng)目“信息功能陶瓷的若干基礎(chǔ)問(wèn)題的研究”。中國(guó)科學(xué)院對(duì)弛豫鐵電單晶研究方面的最新進(jìn)展及其應(yīng)用前景非常關(guān)注，支持了聲學(xué)所和上海硅酸鹽所共同承擔(dān)的知識(shí)創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目“新型弛豫鐵電單晶聲納換能器研究。上海硅酸鹽所在國(guó)際上率先用Bridgeman方法直接從熔體中生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的PMNPT單晶，目前尺寸已達(dá)到50mmX80mm,處于國(guó)際領(lǐng)先水平；AlN基板材料的熱導(dǎo)率已高達(dá)228w/mK,尺寸為50mmx50mm,并實(shí)現(xiàn)了原料的低成本化；研制出居里溫度達(dá)到914℃的Bi。NbTiO鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，在高溫速度計(jì)和高溫流量計(jì)上具有重要的應(yīng)用前景。上海技術(shù)物理研究所在鐵電薄膜非制冷技紅外焦平面研究方面承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家和上海市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，近年來(lái)。在APPIPhys.Lett.,JAPP1.Lett..J.AmCeramSoc等刊物上連續(xù)發(fā)表了20多篇論文，部分工作得到國(guó)內(nèi)外的高度評(píng)價(jià)。聲學(xué)研究所在壓電復(fù)合材料研究及換能器制造方面居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。新疆理化技術(shù)研究所自主開(kāi)發(fā)的高溫、低溫和常溫高精度負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器在所控股的公司已經(jīng)形成年產(chǎn)上千萬(wàn)的產(chǎn)值，也為我國(guó)航天、國(guó)防等事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。西北工業(yè)大學(xué)建成我國(guó)第一個(gè)超高溫復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。使我國(guó)成為繼法國(guó)、美國(guó)之后，全面掌握碳化硅陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)及其設(shè)備的第三個(gè)國(guó)家！采用該技術(shù)制備的多種碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件在不同發(fā)動(dòng)機(jī)上均一次試車(chē)成功，在材料界引起轟動(dòng)。以清華大學(xué)為代表的高校在先進(jìn)陶瓷材料的研究方面起到了帶頭作用。雖然我國(guó)在先進(jìn)陶瓷研究的某些方面做出了國(guó)際領(lǐng)先或者先進(jìn)水平的成果，但我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，從整體上看，我們與先進(jìn)國(guó)家相比仍然有較大的