第七节_新型陶瓷材料

(2) 性能特点
碳化硅有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，热传导能 力很强，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷。

碳化硅的最大特点是高温强度高，在1400℃时抗弯强度仍
保持在500~ 600MPa的较高水平。
H2SO4 (96%) 40℃
SiC


(3) 主要用途
可用于制造火箭喷嘴、浇注金
属用的喉管、热电偶套管、炉管、
为电能，或把电能转变为机械能。
压 电 效 应

压电陶瓷主要用于动力装置和信息处理器件。 例如，利用压电效应产生的高电压可以爆发火花，制成
各种点火栓。利用压电体在交流电压作用下伸缩的原理，可 制成压电振子，用于超声和水声换能器。利用压电陶瓷的谐 振特性还可制作滤波器和电声器件等.
超声探头 压力传感器
90年代中后期，对陶瓷材料的研究转向材料性能稳 定性、结构与功能性能一体化、低成本制备工艺等方面 目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总 额每年达数百亿美元，年增长率达８％，结构陶瓷占销售 额的30％左右。我国的销售额占1％~2％
我国研制的透明金刚石薄膜
铁电电容器（PTZ薄膜）
二、新型陶瓷材料
燃气轮机叶片及轴承等。

因其良好的耐磨性，可用于制
耐磨耐热及半导体工业用SiC件
造各种泵的密封圈、拉丝成型模具
等。作为陶瓷发动机材料的研究也 在进行。
3 导电陶瓷

一般氧化物陶瓷是不导电的，但如果把某些氧化物加热
，或者用其它的方法激发，使外层电子获得足够的能量， 足以克服原子核对它的吸引力而成为自由电子，这种氧化 物陶瓷就成为电子导体或半导体.
在工程结构上使用的陶瓷称工程陶瓷，因其主要在 高温下使用，又称高温结构陶瓷。目前研究最多、并 认为最有发展前途的是氮化硅、碳化硅和增韧氧化物
三类材料
陶瓷止回阀
1 氮化硅（Si3N4）陶瓷


N
（1）氮化硅的结构
氮化硅是由SiN4 四面体组成 的共价键固体。它有和两 种结构，都是六方晶格。
N N Si N
光 缆
光线在光纤中的全反射
光纤与光缆
光缆与连接器
光在光纤中的传输
光学纤维胃镜
三、 纳米陶瓷
是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶
界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等 都处于纳米水平的一类陶瓷材料。
著名的诺贝尔奖获得者Feynman在1959
年就曾预言：“如果我们对物体微小规模上的
排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到
多层BaTiO3陶瓷电容器
BaTiO3结构

由以上材料制成的电容
器已广泛用于收音机、电
视机、无线电收发报机等
方面。


5 压电陶瓷
源自文库当晶体受到外力作用产生变形时，其两端面出现正负电荷，显示
极化现象，反之，在晶体上施加电场引起极化时，晶体产生变形，
这种现象称作压电效应。

具有压电效应的陶瓷即压电陶瓷。利用压电效应可把机械能转变
(2) 性能特点 A 强度、比强度、比模量(弹性模量/密度)高
B 硬度与耐磨性
氮化硅硬度很高，仅次于金刚石、碳化硼等几种物质,氮 化硅的摩擦系数仅为0.1-0.2
Properties Si3N4 |Reaction sintered 3.14 Si3N4 Hot pressed sintered 3.29 Si3N4 Gas pressure sintered 3.2
压力转换器


6 光学陶瓷材料
900℃下工作的光纤
光学陶瓷材料种类很多
(如激光,光导纤维,光色,
荧光,透光等)。

光导纤维 用光导纤维进行光通讯起始
于七十年代，光波导具有不串 线、无噪声、抗干扰、可多路
通讯、成本低等优点。

在光纤中，光的传送就是利用光的全反射原理，当入射 进光纤芯子中的光与光纤轴线的交角小于一定值时,光线 在界面上发生全反射。这时，光将在光纤的芯子中沿锯 齿状路径曲折前进，但不会穿出包层，这样就完全避免 了光在传输过程中的折射损耗。
轴承
高氮 合化 金硅 铸刀 铁片 切 削 高 硬

反应烧结氮化硅强度、韧性低
氮 化 硅 陶 瓷 件
于热压烧结氮化硅，多用于制造 形状复杂、尺寸精度要求高的零 件。如泵的机械密封环(比其他陶
瓷寿命高6-7倍)、热电偶套管、
泥沙泵零件等。
氮 化 硅 陶 瓷 件
氮 化 硅 陶 瓷 件


2 碳化硅(SiC)陶瓷
大量异于寻常的特性，就会看到材料性能产生
丰富的变化。” 英国著名材料专家Cahn在Nature杂 志上撰文说：纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的 战略途径。
1984年，德国萨尔大学的 G1eiter教授等首次采用情性气体凝 聚法制备出具有清洁表面的纳米粒
子，然后在真空室中原位加压，得
到制成纳米固体。
美国阿贡实验室的Siegel相
300
C 抗热震性能 所谓抗热震性能是指材料 承受温度急剧变化（即热
热膨胀
Si3N4
冲击）而不失效的能力
热冲击
Si3N4
D 化学稳定性高
抗氧化温度达1000℃。分解
温度约1900℃。
( 3 )主要用途

氮化硅刀具
热压烧结氮化硅用于制
造形状简单、精度要求不 高的零件。如切削刀具、 高温轴承等。
氮化硅刀具
新型陶瓷材料 Special Ceramic Materials
主要内容
陶瓷材料的发展 新型陶瓷材料 纳米陶瓷材料
一、陶瓷的发展概述
传统陶瓷 新型陶瓷 纳米陶瓷
陶器
我国研制的胶态原位凝固成型的各 种陶瓷部件
国外研究现状概述
国际上从20世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料，结 构陶瓷略早于功能陶瓷。 60～70年代伴随着陶瓷学研究的新进展，一大批具有优 良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。 80年代以陶瓷发动机为背景，陶瓷材料已经能够基本满 足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）使用的耍 求。但材料的稳定性、可靠性和高成本等问题仍阻碍了先 进陶瓷材料的应用。
从性能上可把新型陶瓷分为工程结构陶瓷(Structral
ceramics)和功能陶瓷(Functional Ceramics)两大类。
功能陶瓷是指那些利用电、磁、 声、光、热、力等直接效应及其 耦合效应所提供的一种或多种性 质来实现某种使用功能的先进陶
陶瓷电容器
瓷(现代陶瓷)。种类繁多,这里
只介绍几种
陶瓷加热器
导电陶瓷

铬酸镧导电陶瓷是新型电热材料，其使用温度可达
1800℃，空气中的使用寿命在1700小时以上，用于15001800℃的高温电炉，是最好的电热材料。
4 介电陶瓷
介电陶瓷主要用于制造电容器，要求具有电阻率高、 介电常数大、介质损耗小等特点。金红石(TiO2)、钛 酸镁瓷(2MgO-TiO2)、钛锶铋瓷(Bi2O3nTiO2溶于 SrTiO3的固溶体)用于高频电容器。钛酸钡(BaTiO3)用 于铁电电容器、半导体电容器等
继以纳米粒子制成了纳米块体材料。
惰性气体蒸发--凝聚原位加压成型法制 纳米材料装置图
我国的吴希俊等也研制出同类型的设备，并成
功地实现了CaF2中掺La的纳米离子晶体的制备。 中国科学院上海硅酸盐研究所高濂等用5000t 六面顶压机实现了高达3GPa的超高压成型，获得相
对密度达60％的3％(摩尔分数)Y2O3--ZrO2陶瓷素坯， 比在450MPa下冷等静压成型所得的素坯密度高出13 ％。
1891年美国人阿奇逊偶然发现了SiC材料。 (1)碳化硅的结构 A 碳化硅有- SiC 和- SiC两种，是由SiC四面体以不同方 式堆垛而成。一种是平行堆积，一种是反平行堆积。SiC为高温稳定相，呈六方结构，-SiC为低温稳定相，呈

立方结构。 C
四 面 体
平 行
反 平 行
Si C C C SiC四面体和六角层状排列中四面体取向
Density (g/cm3)
Hardness (HV) Flexural Strength (Mpa) Fracture Toughness (Mpam1/2) Young’s Modulus (Gpa)
1700 700-750
5-6
1900 800-1000
7-8
1800 750
6-7
270
310