新型陶瓷

新型陶瓷

[摘要]从陶瓷的不同分类方法来阐述新型陶瓷的功能，并例举实际应用例子来说明新型陶瓷在社会生产生活中所拥有的重要意义，最后对新型陶瓷材料进行展望。

[关键词]新型陶瓷应用实例

材料、能源和信息并称为现代文明的三大支柱，能源和信息的发展在一定程度上依赖于材料的进步。在人类历史上，材料一直是人类进化的重要里程碑。同时，材料的突破往往成为技术进步的先导与标志。随着经济的发展，社会的日新月异，陶瓷材料在材料中的地位越显突出。作为材料业的三大支柱之一的陶瓷材料，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。然而现今陶瓷材料的概念也远远超出了传统陶瓷的概念的范畴，出现了新型的陶瓷材料（也可称为特种陶瓷材料）。

1传统陶瓷和新型陶瓷的区别

传统的陶瓷材料是人类应用最早的材料之一，主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料，以煤、油、气为主的燃料，在1350℃以下的高温注浆可塑成型。而新型陶瓷材料是由一种天然或人工合成的粉状化合物，经过成型或高温烧结，由金属元素和非金属的无机化合物构成的多相固体材料。

2 新型陶瓷的分类

按化学成分划分主要分为两类：一类是纯氧化物陶瓷，它是发展的比

较早的高温结构陶瓷材料，具有许多特点，各方面等到广泛应用，如Al

2O

3、

ZrO

2、MgO、CaO、BeO、ThO

2

等。其中Al

2

O

3

陶瓷由于其优越的性能成为氧化

物陶瓷中用途最广，产量最大的陶瓷材料；另一类是非氧化物系陶瓷，它是由金属碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷总称，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。高温下抗变形能力强，同时为在高温情况下无法使用氧化陶瓷和金属陶瓷提供了其他的可能性。

按性能与特征划分可分为：高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。随着成分、结构和工艺的不断改进，新型陶瓷层出不穷。

按其应用不同划分又可将它们分为工程陶瓷和功能陶瓷两类。其中将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷称作为工程陶瓷，它具有耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高导热性和质轻等优点，被广泛的应用于能源、空间技术、石油化工等领域。

功能陶瓷是具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转化功能的陶瓷的总称。功能陶瓷具有电学性质、光学性质、表征磁学性质等等，这些性质与功能陶瓷的组成、结构和工艺有着密切的关系。功能陶瓷电学性质可以用电导率、介电常数、击穿电场强度和介质损耗来表示, 是功能陶瓷材料很重要的基本性质之一。光学性质指其在可见光、红外光、紫外光及各种射线作用时表现出的一些性质。表征磁学性质的参数有磁导率、磁化率、磁化强度、磁感应强度等。材料在外力作用下都会发生相应的形变甚至破坏, 有必要研究材料的力学性能,功能陶瓷材料也具有弹性模量、机械强度、断裂韧度等表征力学性能的参数。

3 发展中的新型陶瓷—纳米陶瓷

所谓的纳米陶瓷是指在陶瓷的显微结构下中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都达到纳米水平（<100nm），使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。

它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。

纳米陶瓷主要分为单相纳米陶瓷（纳米TiO

2、纳米ZrO

2

、Y-TZP、纳米SiC、

纳米Si

3N

4

等）和复相纳米陶瓷(Al

2

O

3

/ ZrO

2

、Al

2

O

3

/SiC、Si

3

N

4

/SiC等)。制作工

艺均为先对纳米级粉体加压成型，然后通过一定的烧结过程使之致密化。除常规成型方法外，国际上正研究一些新的塑型方法以提高素坯密度。

纳米颗粒具有巨大的表面和界面，因而对外界环境如温度、光、气等十分敏感，可以用来制造温度传感器、氧敏传感器等。并且利用纳米材料巨大的表面和尺寸效应，可以制造各种过滤器、热交换器。同时，在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，可大幅度提高其断裂强度、断裂韧性，改善其耐高温性等等纳米陶瓷材料研究的起步尚晚，有许多问题需要深入研究和探索、许多工艺技术问题有待解决。同时，纳米陶瓷的应用前景也十分广泛，将推动社会的发展。

4 新型陶瓷的实例应用

4.1新型工程陶瓷材料在锅炉燃烧器上的应用

由于炉膛温度偏高、火焰中心偏斜以及运行控制（包括（1）煤粉着火距离太近；（2）煤种变化的影响；（3）煤粉太细；（4）低负荷运行时上层一次风喷口冷却不够）等原因导致锅炉燃烧器磨损，缩短燃烧器的寿命周期，并且磨损后煤粉不能按正常设计要求分布，影响燃烧效率。为了解决这个问题，采用以碳化硅为主要原料，添加微量元素在2500℃高温下再次结晶的工程陶瓷制作燃烧器。此材料具有良好的高温强度，并随温度的提高而增大，同时具有良好的导热性、抗热震稳定性、抗氧化性和抗酸碱腐蚀性，具有高硬度、超耐磨等特点。因而这种材料可根据不同用途制成各种几何形状的产品，特别适用于高温条件。主要技术参数有：体积质量大于2.65g/cm3;气孔率小与14.8％、20℃时抗折强度大于108MPa；1400℃时抗折强度大于120MPa；最高使用温度1600℃、热膨胀系数 4.3*10-6（20-1000℃）

4.2无机陶瓷涂料在地铁车辆上的应用

由于传统的车辆材料耐火性不良，一旦发生火灾，在燃烧情况下会产生的无氧、高热的烟气和毒气，将直接危及乘客的生命安全。因此，为了克服上述困难，韩国地铁车辆新材料中出现了一种新型的无机陶瓷材料。此无机陶瓷涂料是一种采用凝胶法工艺生产的纯无机水溶性硅酸盐涂料，原料中采用的是无机溶剂及无机颜料，具有良好的防火性能、耐腐蚀性和超高的硬度。采用纯无机材料，即使受到高温，因其内部不含有可燃成份，所以也不会燃烧。而且在火灾发生时，该涂料不会产生烟雾，阻燃效果非常显著。除此以外，无机陶瓷涂料还具有耐污染性、耐气候性、稳定的结构及环保性等特点。

从2004年起，无机陶瓷涂料的防火性能被轨道交通行业认可，并在车辆及轨道交通车站建筑中广泛采用。韩国在地铁车辆中率先采用无机陶瓷涂料。首先，在首尔、釜山等城市启动旧车改造工程，2004到2006年间，共完成2958节车厢的改装。与此同时韩国政府要求新建车辆全部使用无机陶瓷涂料，仅2005年就制造出1744节采用新涂料的车厢。

我国于2006年起也开始引进应用该项技术。在上海轨道交通4号线、9号线的部分车站装饰材料中，先后使用了无机陶瓷涂料铝板。深圳地铁2