新型结构陶瓷材料及其运用与发展趋势分析

新型结构陶瓷材料及其运用与发展趋势分析

新型结构陶瓷材料是一种近几年出现的材料，具有诸多优势，在节约能源、环保、提升生产效率、延长机器设备寿命等方面具有重要作用。新型结构陶瓷材料被广泛的应用在工业领域，为工业的发展提供了重要基础保障。文章对这种全新结构陶瓷材料进行了多方面的分析，首先，对新型结构陶瓷材料的概念、组成、特点进行了阐述；其次，对新型结构陶瓷材料的应用范畴进行了总结；再次，对新型结构陶瓷材料的产品开发方向进行了分析；最后，分析了新型结构陶瓷材料的发展趋势。经由文章的分析与总结，统计当前新型结构陶瓷材料的应用状况，以及其优势，为这种材料在相关领域的进一步推广应用提供理论参考。

标签：新型；陶瓷；发展趋势

前言

现代信息化时代中，高新科技在不断的发展，在这种发展趋势下，对各种材料也提出了更高的要求，尤其是对具有特殊性质的新型材料具有较高的关注。近几年，结构与性能优势较强的结构陶瓷材料成为材料应用领域的重点关注对象，其应用广泛性也随之提升。新型结构陶瓷材料的出现，对环保事业以及节能事业的开展具有重要意义，为此，也引起了政府方面的关注，经由政策、科技等众多领域的支持下，在理论基础以及产品开发等方面均取得了显著的成效。为进一步对结构陶瓷材料进行开发与推广，开展其性能以及应用范畴的研究具有必要性，而在下文中也将从这几个方向展开论述。

1 新型结构陶瓷概述

1.1 结构陶瓷概念

结构陶瓷是一种发挥机械、热、化学等性能的全新材料，能够在诸多较为恶劣的环境下应用，成为现代高新科技实现的关键因素。结构陶瓷与其他金属材料进行对比，陶瓷材料的优势主要表现为，优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损等，也正是由于这些性能优势，在多种领域中逐渐取代了昂贵金属资源的地位，对节约稀缺资源事业的开展具有重要价值[1]。结构陶瓷在工业材料中属于刚度与硬度最为适合的材料之一。常规结构陶瓷材料具有较高的熔点，在高温下能够维持较好的化学稳定性，而陶瓷材料的导热性又低于其他金属材料，为此也是一种较好的隔热材料。同时，多数结构陶瓷都具有较为良好的电绝缘性，为此，多被作为各种电压下的绝缘电器件使用。另外，陶瓷材料具有着较为特殊的化学性能，能够作为固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等应用，而在录音次磁带、唱片、计算机记忆元件等众多方面也具有着较高的应用价值。

1.2 结构陶瓷组成

就氧化铝陶瓷而言，其主要构成物为A12O3，常规含量大于45%，氧化铝陶瓷材料具有着多种性能优势，包括耐高温、耐腐蚀、强度高等。缺点在于脆性较大，不能够承受突然的环境温度变化。此类型的陶瓷材料应用范畴较为广泛，包括发动机的火花塞、高温耐火材料、密封环等[2]。就氮化硅陶瓷材料而言，其主要构成物为SI3N4，其优势主要表现在高温强度高、硬度高、耐磨、耐腐蚀等，使用温度最高能够达到1400℃。此类型的陶瓷材料多作为高温轴承、腐蚀介质密封环、金属切削工具等应用。就碳化硅陶瓷而言，其主要构成物为SIC，其优势主要包括高强度、硬度高、耐高温等，能够在1400℃温度环境中保持良好的物理性能。此类型的陶瓷材料可作为热电偶套管、炉管等高温下工作的部件。

1.3 结构陶瓷特性

结构陶瓷的特性主要受到化学键晶体结构以及晶体缺陷等因素的影响。就晶体结构方面来看，陶瓷材料的原子间结合力为离子键、共价键等，这些化学键具有着结构强度高、方向性较强等性能优势。陶瓷材料结构的一个显著特性是显微结构的不均匀性与复杂性。金属材料常规下是从较为均匀的金属熔体状态凝固而成的，后可经由冷热加工等手段改善材料的显微结构，促使其均匀化[3]。金属材料不存在或极少存在气孔，但陶瓷材料多是有粉狀材料制成的，不能够避免的存在不同数量的气孔，不同成分与粒度的粉料虽然经过球磨混料，但还是较难达到较为均匀的程度。另外，陶瓷晶界上还存在着与基础成分以及结构不同的玻璃相。

2 新型结构陶瓷应用范畴

结构陶瓷材料主要被应用在工业领域中，因其自身的性能优势以及稳定性，被汽车制造业广泛的应用。在近几年发展中，结构陶瓷在高新技术领域也逐渐占据了一席之地，其重要性也在不断的提升。现阶段，国内外各领域发展过程中，对高精密度、高耐磨性、可靠性机械零组件或电子元件的要求更为严格，为此，陶瓷产品的需求也逐渐受到关注，市场成长率也成为一个主要关注问题。按照应用途径的不同，特殊陶瓷可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷等，而其中结构陶瓷多被应用在结构零件的制作领域中。机械工业中的部分密封件、轴承等都会频繁的进行摩擦，进而对材料的耐磨性要求较高，而结构陶瓷材料的出现有效的改善了这一领域材料不足的问题。性能优势较强的结构陶瓷材料，包括碳化氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等被广泛的应用在泥浆泵叶轮、护套、煤粉输送管道等领域中。

3 新型结构陶瓷材料新产品开发

3.1 空间技术开发应用材料

在空间技术开发领域中，制造宇宙飞船需要能够承受高温与温度急变、强度高、使用寿命长的结构材料以及防护材料，在此方面，结构陶瓷材料具有着绝对的应用优势。从第一艘宇宙飞船研发开始，便已经使用了高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已经成功的应用在发生与回收人造地球卫星中。未来空间

技术的发展需要更加依赖新型结构材料的使用，在此方面，结构陶瓷材料的应用价值远超于其他金属材料。

3.2 高新科技应用材料

现代战争的优势主要体现在高新技术的利用率上，也就是军事工业领域对高新技术的应用。就军事工业发展方面来看，性能优势较强的结构陶瓷材料具有重要应用价值。例如，先进的亚音速飞机，其是否能够成功，在很大程度上受到了高韧性以及高可靠性结构陶瓷等材料的应用效果影响。就光通信产业而言，属于现阶段世界范围内发展速度最快的高新技术产业之一，在其发展过程中，很大程度的依赖于光纤耗损机理的研究以及光纤接头结构材料的应用。将氧化锆增韧陶瓷材料合理的应用在光纤接头与套管开发中，很好的满足了国内光纤通信产业的发展需求。3.3 绝缘性产品

在半导体器件的高密度化与大功率化发展进程中，集成电路制造业的发展继续开发出一种绝缘性较强且导热较快的全新基片材料。早在80年代中后期高导热性氮化硅基板材料就已经逐渐的取代了传统的氧化铝基板，而在此领域中，我国所研发的高热导氮化铝陶瓷性能位居于世界前列。氮化铝-玻璃复合材料，逐渐成为现代电子封装材料领域的研究重点，其热导率是氧化铝-玻璃的5-10倍左右，烧结温度在1000℃之内，能够与银、铜等布线材料进行共烧，从而制造出导热性能较高、电性能多层配线板，满足大规模集成电路小型化、密集化的发展需求。

4 新型结构陶瓷材料发展趋势

4.1 美国结构陶瓷材料发展

在美国，新型结构陶瓷的收益呈现出每年递增的发展趋势，且增速较快，主要增长行业为电子行业。结构陶瓷绝缘体、基板、电容等陶瓷元件不只是在传统地位中增长明显，结构陶瓷在半导体制造领域中也发挥了重要优势。此种发展模式的主要推动力为碳化硅材料、氮化硅材料、氧化铝等，在腐蚀环境下所显示出的抗腐蚀性能优势。在越来越多行业向环保概念靠拢的发展进程中，将会有更多的耐磨损、抗腐蚀性陶瓷材料应用在工业领域中。美国结构陶瓷的主要发展方向为高温结构陶瓷，现阶段在航天技术、核工程、医疗设备等众多方面的利用率均有增加。将氮化硅、碳化硅陶瓷作为基础的精密材料陶瓷制成品产量占据全球范围内总量的60%左右。

4.2 我国结构陶瓷材料发展

在我国经济水平迅猛发展下，基础设施建设有所加强，结构陶瓷作为机械行业的主要应用材料，在快速发展的过程中也面临着日渐激烈的市场竞争力。现阶段，国内各领域最为常见的应用材料为金属，金属材料具有数百年的发展历史，虽然经过反复的改进，但由于金属材料的自身条件限制，逐渐不能够再符合耐磨性、抗腐蚀性的需求标准，严重的影响到各种应用系统的运行稳定性。而作为性