陶瓷材料及其应用与影响

陶瓷材料及其应用与影响

简介

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温制成的的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的结构性能，又可作为功能材料。

原本的陶瓷材料是指传统的陶瓷材料，即陶器和瓷器的统称。即为通过成型和高温烧结所得到的高温烧结体。成分主要为硅铝酸盐。开始时，人们对硅铝酸盐的要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均匀，成型的压强也不高，这是得到的陶瓷材料称为传统陶瓷。但后来经过工业发展的精细化和机械化，使陶瓷材料可以发展到纯度高、粒度小且均一，成型压强高，此时进行烧结得到的烧结体为精细陶瓷。

接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的物质都可以作为陶瓷的材料。这其中包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的金属物质。它们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强的复合材料，更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料统称。陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。

研究陶瓷材料的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料内部微结构对力学性能的影响得到了发展。材料（光、电、热、磁）性能和成型关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当承载一定性能物质存在形态。这里和量子力学、纳米技术、表面化学等学科关联起来。

经过陶瓷材料的研究和发展，陶瓷材料已崛起了精细陶瓷（指以精制的高纯度的人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称为先进陶瓷或新型陶瓷），它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。

随着陶瓷材料发展，其材料也经历变化，其应用和前景也更加广泛，例如氮化硅、碳化硅等新型陶瓷可以用来制作发动机的叶片、切削刀具、火箭喷嘴等，具有广泛的用途。利用陶瓷对光、热、电、磁等物理性能所具有的特殊功能所制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。例如根据陶瓷的电学性能差异可制成导体陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等，用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件、变压器等形形色色的电子零件。利用陶瓷的光学性能1可制造固体激光材料、光导纤维、光储存材料及各种陶瓷传感器。此外，陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。

一、陶瓷材料概念的内涵

陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。它的发展经历了从简单列复杂、从粗糙到精细、从无油到施釉、从低温到高温的过程。

随着生产力的发展和技术水平的提高．各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也随之发生变化。

传统的陶瓷和日启陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等是采用粘土类及其它天然矿物原料经过粉碎加工、成型、烧结等过程而得到的器几由于它使用的原料主要是硅酸盐矿物，所以归属于硅酸盐类材料。生产的发展与科学技术的进步要求充分利用陶瓷材料的力学性质和物理化学性质，因而制造出许多斯的品种，使陶瓷从古老的工艺与艺术领域进入现代材料科学的行列中。这些陶瓷新品种，如高温陶瓷(氧化物：Al2O3、SiO2、莫莱石、非氧化物．SiC、Si3N4)、超硬刀具及耐磨陶瓷(CBN、Si3N4。、Al2O3+TiC、B4C等)、介电陶瓷(BaTiO3)、压电陶瓷(PZT)、集成电路板用高导热陶瓷(AlN)、高耐腐蚀性的化工及化学陶瓷等常称为特种陶瓷。特种陶瓷的生产过程虽然基本上还是沿用粉末原料处理一成型一烧结这种传统的工艺方法．但所采用的原料已不单单是天然矿物。而是扩大到经过人工提纯加工或合成的化工原料，组成范围已扩展到无机非金属材料的范围。

现代陶瓷材料是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同时鲜明特点的一类新型陶瓷。它早已超出了传统陶瓷的概念和范畴．是高新技术的产物。因此说陶瓷材料是一门古老而又年轻的学科。

所谓现代陶瓷材料即无机非金属材料．它垦与金属和有机材料相并列的三大类现代材料之一，也是除金属材料和有机材料以外，其它所有材料的统认本章讨论的对象是现代陶瓷材料或称现代无机非金属材料。

现代陶瓷材料具有高新技术内涵。与传统材料相比．主要具有以下三个特点：

(1)以现代科技发展的要求为背景．是现代科技发展的产物，为高新技术产品。

(2)制造工艺复杂，需要现代科技成果的指导．因而为技术知识密集型产品。

(3)具有优异的威特殊的性能，能满足商新技术产业的要求。

二、陶瓷材料的分类

随着生产与科学技术的发展．陶瓷材料及产品种类日益增多．为了便于掌握各种材例或产品的特征，通常以不同的角度加以分类。

1.按化学成分分类

(1)氧化物陶瓷。氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2，CaO．Cr2O3及莫莱石(3Al2O3.2SiO4)和尖晶石(MgAl2O3)等。陶瓷中的Al2O3和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样被广泛应用，表11.1中列出了一些氧化物陶瓷．硅酸盐亦属氧化物系列。如ZrsiO4。Call已等，还有复合氧化物如BaT吗、CgyiO；等亦属此类。

(2)碳化物陶瓷。碳化物陶瓷～般具有比氧化物更高的熔点。最常用的是SIC、SC，凤C．T IC等。碳化物陶瓷在制备过程中应有气氛保护。

(3)氨化物陶瓷。氯化物中应用最广泛的是a几，它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。另外，TZN、BN、AI问筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚刚出现的C3N4，可望其性能超过Si3O4。

(4)四化物陶瓷。硼化物陶瓷的应用并不很广泛，主要是作为深加剂或第二相加入其它陶瓷基体中，以达到改善性能的目的。常用的有Ti已、Zr＆等。

2.按性能和用途分类

普通陶瓷材料

采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。

特种陶瓷材料

采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。本节主要介绍特种陶瓷。

性能特点

力学性能

陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。