新型陶瓷材料的特性与应用

新型陶瓷材料的特性与应用

摘要：综述了新型陶瓷材料的分类、特性及需求，阐述了其在航空航天、汽车、轴承、军事等方面的应用，探讨了新型陶瓷材料研究近况与发展趋势。

关键词：新型陶瓷；特性；应用；发展

前言

材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。长期以来曾被作为划分历史时期的标志。正是材料的使用、发现和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。当今世界，能源、信息、材料己成为人类现代文明进步的标志，继金属、有机高分子材料以后，无机非金属材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业，大有后来者居上之势，被称21世纪的材料。新型陶瓷材料作为无机非金属材料的重要组成部分，发展之快，作用之大，令世人瞩目。新型陶瓷材料已引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，纷纷投入巨资进行研究开发，把新型陶瓷作为本国高技术发展的一个重要领域。

陶瓷有着悠久的历史，人类的文明史从一定程度讲又是一部陶瓷的发展史。新型陶瓷是相对于传统陶瓷而言的，是采用人工精制的无机粉末原料，通过结构设计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达到特定的性能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精度的无机非金属材料。新型陶瓷无论从原料的选用、制备工艺，还是结构性能、应用领域等方面均突破传统陶瓷的范畴，原料从天然矿物到人工合成的高纯的原料；制作工艺从手工作业到高自动化成型；烧成从柴、煤窑到自动化的油、电、气窑进而发展为气相、微波、等离子等现代烧结技术；研究测试方法更是从经验、外观到科学、微观，这些重大的质的变化使其应用从传统的满足生活需要发展到广泛应用于电子、信息、航天、能源、军事、生物医学等领域中。

1 新型陶瓷材料特性与应用

1．1 新型陶瓷材料分类与特性

新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷(或工程陶瓷)和功能陶瓷，将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷，而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展，各种超微技术和复合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已逐渐模糊和淡化。根据现代科学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。

1．2 新型陶瓷材料应用发展

1．2．1 市场需求

据美国陶瓷工业部门统计，1993年全球陶瓷总产值约900亿美元，其中先进陶瓷为183亿美元，占20％，比1992年增长23％，精细结构陶瓷为48亿美元，占先进陶瓷的24％。全球精细陶瓷超亿美元的生产厂有22家，超过2000万美元的生产厂有54家，超过1000万美元的生产厂有66家，超过100万美元的生产厂有102家。其中前10家的总产值达146亿美元，占80％。.

1，2．2 应用领域

1)航空航天材料

当前，耐高温材料已经成为航天先进材料中的优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展，气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，固体火箭的工作环境十分恶劣，加上燃烧室喷管、喉衬、涡轮叶片、导向叶片等部件都需用高温材料，均已超过金属和超合金的耐热极限而必须采用冷却系统，这势必降低了发动机的热效率。对固体火箭发动机喷管喉部和其它热端部件提高效率的追求，已经对未来高温材料提出了更高、更迫切的要求，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、质量轻等优异性能，是最有希望替代金属材料而用于热机部件的候选材料。

2)陶瓷轴承

陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于具有金属轴承所无法比拟的优异性能，近十多年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。在航空航天、核工业、石油工业、化学工业、轻纺工业、食品工业、高速机床等高温、高速、耐腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦的特殊环境下，陶瓷轴承的作用正在被人们逐渐地认识。随着加工技术的不断进步，工艺水平的日益提高，陶瓷轴承的成本不断下降，已经从过去只在一些高、尖领域小范围内应用，逐步推广到可以接受的程度，陶瓷轴承全面应用的时代已经到来。当今世界上著名的轴承企业无一不在开发、生产陶瓷轴承，而产品质量的高低，已成为衡量其企业实力的一个重要标志。

3)军事应用

由于特种陶瓷集许多优点于一身，因此它在军事领域也有许多用途。在现代军事中，无论是海陆空或其它兵种的现代武器中，都有用特种陶瓷制成的部件。如B4C陶瓷可作为飞机、车辆和人员的防弹装甲，用玻璃纤维和B4C复合材料制成的0．6cm厚的BC内衬可阻挡小口径的装甲弹的穿透作用。另外，宇宙飞船外壁的陶瓷隔热瓦即为玻璃纤维复合材料，具有轻质、耐热、耐冲击、低热导等优良性能，是理想的军用隔热材料。9．11事件发生后，配合全世界的反恐怖主义活动，防弹服的需求成倍增长。

2 新型陶瓷材料研究近况与发展

2．1 陶瓷膜材料

近年来，陶瓷分离膜的研究开发已得到了人们的高度重视，并在液相分离与净化、气体分离与净化和膜反应器方面有着广泛的应用，涉及到环保、食品、化工、生物技术等诸多领域。陶瓷分离膜具有高分子材料等无法比拟的一些优异性能：化学稳定性好，耐酸、耐碱、耐有机溶剂；机械强度高，可承受几十个大气压的外压，并可反向冲洗；耐高温，使用温度可达800℃以上；孔径易控，孔径分布窄，亲水性能好，渗透率高；抗维生物侵蚀能力强，可用于生物工程和医学领域。

2．2金属---陶瓷

金属陶瓷(Cermet)具有优良的机械力学性能高温性能正如其名称所寓意的那样，既具有陶瓷(Ceramics)材料的高硬度，又具有金属(Meta1)材料的强韧性，而且价格相对较为低廉。这种材料具有高硬度、耐磨性能强、抗弯强度高的特点，特别是抗韧性值好，能抗氧化、抗粘刀性能强，其功能已覆盖了硬质合

金WC基的大部分使用范围。

2．3 纳米陶瓷

纳米陶瓷是近1O年发展起来的新型超结构陶瓷材料。它由纳米级水平(O．1-100nm)显微结构组成。其中包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等只限于纳米量级的水平。纳米陶瓷的研究是当前先进陶瓷发展的三大课题之一。

2．4 仿生层状复合陶瓷材料

仿生通常指模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程的技术，把这种技术用到陶瓷材料设计中，获得接近或超过生物材料优异性能的陶瓷新材料。为了改变陶瓷材料的脆性，人们已注意到贝类的外壳具有特殊的强韧性，如蜗牛等软体动物的外壳实质上是一种由碳酸钙层和薄的蛋白质层交替地组成的层状结构。

3 结语

新型陶瓷材料是当今科学技术发展的物质基础，除了作为高强、耐磨、耐腐的结构陶瓷而广泛应用，在微电子技术、激光技术、光电子技术、光纤技术、传感技术、超导技术和空间技术的发展中也占有十分重要的地位。国防工业和军用技术历来是新材料、新技术的主要推动者和应用者，在武器和军用技术的发展上，新型陶瓷材料及以其为基础的新技术具有举足轻重的作用。新型陶瓷材料还是建立与发展新技术产业、改造传统工业、节约能源和保护环境及提高我国国际竞争力所不可缺少的物质条件。随着新世纪的到来和科学技术的不断进步，会对新型陶瓷材料的性能提出更加苛刻的要求，我们必须不断地开拓进取，在新型陶瓷材料制备技术、新的材料体系上不断创新，使其对人类社会的进步作出更大的贡献。参考文献

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齐婉如

化学学院

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