硅酸盐陶瓷应用

硅酸盐陶瓷应用

材料化学1班 1005420134周舟

摘要：陶瓷是一种机械强度高、化学稳定性好、硬度高和电绝缘性好的新型无机材料，因

而它作为结构材料、光学材料、电学材料、建筑材料、生物材料等广泛应用于国防尖端技术、工业、建筑及生物医药等各个领域，已成为新材料和新技术研究的热点之一。

关键词：硅酸盐；陶瓷；材料；

1 引言

陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性差。除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。高科技陶瓷领域的早期发展从使用硅酸盐氧化物陶瓷进行电绝缘开始。硅酸盐陶瓷大部分从天然原材料制造。硅酸盐陶瓷元件用于电子和电气工程，保险丝中的电绝缘、断路器、自动调温器和照明技术。硅酸盐陶瓷材料提供热绝缘的能力也用于加热、环保、热工程应用。多孔元件生产用于释放香气和杀虫剂，作为催化剂载体或实验室的各种应用[1]。

2 陶瓷的结构与特性

陶瓷是两种或两种以上的元素合成，与金属相比复杂的多其原子键合可以从离子键到完全共价键，硅酸盐陶瓷是一类主要有硅和氧合成的材料，硅和氧是地表组织中储量最丰富的两种元素土壤，岩石和沙土都是硅酸盐类材料。从化学上讲最简单的硅酸盐材料是二氧化硅。二氧化硅可以以非晶态或称玻璃存在，其中原子有很高的无序度，具有液体的特征[2]。

3 陶瓷的应用

陶瓷应用范围广泛，从牙齿修复到汽车行业都有其应用。是适合广泛研究与开发的实用性材料。陶瓷主要由一些非金属矿物质和氮化硅、氧化硅等组成，它比起钢有更高的抗热和抗化学反应能力，十分适宜于取代各种合金来制造内燃机等耐高温机械设备。普通陶瓷经过高技术复合后，其抗疲劳强度和抗腐蚀性能甚至高于钢或高温合金材料，用它制造豪华车的发动机、宇航器材或潜水设备尤为理想[3-4]。

3.1 电子产业

因其结构特性，特别是耐磨性、硬度、耐热性和耐腐蚀性等，换言之，即应用其热学特性、机械特性和化学特性，此类陶瓷称为结构陶瓷。它可应用于电气工业中的散热片、电极材料，冶金工业中高温熔炉的内衬，核工业中的防辐射元件如核燃料包、控制和阻滞元件以及反应堆内衬等，化学工业中的防腐蚀器件、催化裂化器元件、热交换器和触媒载体等医疗行业中的人工骨骼(为髋骨)、人造牙齿和人造心瓣，机械工业中的金属陶瓷刀具、拉线模、阀门密封垫、阀座、制动元件、导向件、精密仪器零件(如轴承)以及高压清洗设备、计量设备和灌注设备的活塞或柱塞等。此外还可用作研磨材料和固体润滑材料等。尤其值得注意的是此类陶瓷在高温环境中的应用前景，比如航空航天工业中的涡轮叶片，原先是用镍或钛合金制造，现在可用氮化硅等高性能陶瓷来取代。这种陶瓷材料具有高热硬性和高温下良好的化学稳定性等优异机械性。它的应用有可能取消发动机的冷却系统，使发动机能够在较高的温度下工作从而提高热动效率和功率重量比，减轻整体重量。

3.2 化工产业

硅酸盐陶瓷具有极佳的电绝缘性，低线性膨胀，出色的抗热冲击性和低热传导性。低温共烧陶瓷制作的电子元器件及基板材料具有小而轻，并且高频性能好等特点而得到了极大的关注，目前已经应用于便携式电子装置如移动电话、PDA、蓝牙设备及超级电脑等。电子陶瓷包括各类陶瓷基片、陶瓷电容器、陶瓷发热元件、陶瓷振荡器、磁芯和磁记录材料、各类陶瓷传感元件(温度、气敏、湿敏、压敏、光敏)、陶瓷激光元件、偏光元件、光导纤维等。电子陶瓷的主要市场是IT企业和半导体行业。

3.3建筑产业

建材工业是我国重要的基础材料工业，建筑材料是国民经济和社会发展的重要物质基础，是解决和改善人民居住条件、提高生活水平和推进社会进步的基本原材料，也是相关领域发展的重要基础材料。

3.2.1建筑房屋保温

可利用硅酸盐陶瓷制得新型节能保温材料，广泛应用在建筑材料后期的以提高建筑保温目的的实施中，特别是在实验楼及其他有特殊要求的建筑物中。

3.2.2 回收建筑材料产生的固体废料

现代工业的迅速发展产生了数量惊人的废弃物，为人类的生存环境带来了严重的威胁，充分利用工业废渣，保护生态环境已引起了世界各国政府的高度重视。固体废物一般指人类在生产、加工、流通、消费及生活等过程中取用目的成分后弃去的固体物质和泥浆状物质。按管理需要可分为：工业固体废物、有毒有害固体废物和城市垃圾。工业固体废弃物一般是指工业生产、加工和采矿过程中排出的废渣、粉尘、废屑、污泥、废石和尾矿等。可用于硅酸盐材料中的固体废弃物主要包括粉煤灰、煤矸石、各种工业废渣、尾矿、建筑废料、废陶瓷等。

4 硅酸盐陶瓷的改性

陶瓷的韧性普遍较低，断裂往往是突发的，且其强度还难以与氧化铝、碳化硅等工程陶瓷材料媲美。因此，如何改善玻璃陶瓷的机械性能是使该材料获得更广泛应用的关键。微观结构是决定材料性能的基础。对玻璃陶瓷成分的调整以及热处理制度的最优化，可以改善玻璃陶瓷的微观结构，消除缺陷，从而达到增强玻璃陶瓷的目的。因此研究陶瓷复合材料是满足陶瓷应用最普遍的方法。陶瓷基复合材料不是传统意义上的陶瓷，它是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。其主要基体有玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅等，具有高温强度好、高耐磨性、高腐蚀性、低膨胀系数、隔热性好及低密度等特性，而且资源也比较丰富，有广泛的应用前景[5-6]。

2.1纤维增强陶瓷基

陶瓷材料虽然性能优异，但其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷复合材料是在陶瓷基体中引入第二相材料，构成多相复合材料。包括连续纤维补强陶瓷基复合材料，异相颗粒弥散强化多相复合陶瓷材料及梯度功能材料。

2.2 纳米增强陶瓷基

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就