陶瓷材料一般分為傳統(tǒng)陶瓷和現(xiàn)代技術(shù)陶瓷兩大類。傳統(tǒng)陶瓷是指用天然硅酸鹽粉末(如黏土、高嶺土等)為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品。因?yàn)樵系某煞只祀s和產(chǎn)品的性能波動大,僅用于餐具、日用容器、工藝品以及普通建筑材料(如地磚、水泥等),而不適用于工業(yè)用途。現(xiàn)代技術(shù)陶瓷是根據(jù)所要求的產(chǎn)品性能,通過嚴(yán)格的成份和生產(chǎn)工藝控制而制造出來的高性能材料,主要用于高溫和腐蝕介質(zhì)環(huán)境,是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展*活躍的領(lǐng)域之一。下面對現(xiàn)代技術(shù)陶瓷3個主要領(lǐng)域:結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和功能陶瓷作一簡單介紹。
一、結(jié)構(gòu)陶瓷同金屬材料相比,陶瓷的*大優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的高溫機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3),因而在許多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料根本無法勝任的場合,如發(fā)動機(jī)氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結(jié)構(gòu)陶瓷可分為三大類:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。 1、氧化物陶瓷主要包括氧化鋁、氧化鋯、莫來石和鈦酸鋁。氧化物陶瓷*突出優(yōu)點(diǎn)是不存在氧化問題,原料價格低廉,生產(chǎn)工藝簡單。氧化鋁和氧化鋯具有優(yōu)異的室溫機(jī)械性能,高硬度和耐化學(xué)腐蝕性,主要缺點(diǎn)是在1000℃以上高溫蠕變速率高,機(jī)械性能顯著降低。氧化鋁和氧化鋯主要應(yīng)用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高溫爐管、密封圈和玻璃熔化池內(nèi)襯等。莫來石室溫強(qiáng)度屬中等水平,但它在1400℃仍能保持這一強(qiáng)度水平,并且高溫蠕變速率極低,因此被認(rèn)為是陶瓷發(fā)動機(jī)的主要候選材料之一。
上述三種氧化物也可制成泡沫或纖維狀用于高溫保溫材料。鈦酸鋁陶瓷體內(nèi)存在廣泛的微裂紋,因而具有極低的熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率。它的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低,無法單獨(dú)作為受力元件,所以一般用它加工內(nèi)襯用作保溫、耐熱沖擊元件,并已在陶瓷發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用。 2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和賽龍(SIALON)。同氧化物陶瓷不同,非氧化物陶瓷原子間主要是以共價鍵結(jié)合在一起,因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力,并且能把這些性能的大部分保持到高溫,這是氧化物陶瓷無法比擬的。但它們的燒結(jié)非常困難,必須在極高溫度(1500～2500℃)并有燒結(jié)助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產(chǎn)品,有時必須借助熱壓燒結(jié)法才能達(dá)到希望的密度(>95%),所以非氧化物陶瓷的生產(chǎn)成本一般比氧化物陶瓷高。這些含硅的非氧化物陶瓷還具有*的高溫耐蝕性和抗氧化性,因此一直是陶瓷發(fā)動機(jī)的*重要材料,目前已經(jīng)取代了許多超高合金鋼部件。現(xiàn)有*佳超高合金鋼的使用溫度低于1100℃,而發(fā)動機(jī)燃料燃燒的溫度在1300℃以上,因而普遍采用高壓水強(qiáng)制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金鋼后,燃燒溫度可提高到1400℃以上,并且不需要水冷系統(tǒng),這在能源利用和環(huán)保方面具有重要的戰(zhàn)略意義。非氧化物陶瓷也廣泛應(yīng)用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比,其成本較高,但高溫韌性、強(qiáng)度、硬度、蠕變抗力優(yōu)異得多,并且刀具壽命長、允許切削速度高,因而在刀具市場占有日益重要地位。它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括輕質(zhì)無潤滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。 3、玻璃陶瓷玻璃和陶瓷的主要區(qū)別在于結(jié)晶度,玻璃是非晶態(tài)而陶瓷是多晶材料。玻璃在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)以前存在明顯的軟化,而陶瓷的軟化溫度同熔點(diǎn)很接近,因而陶瓷的機(jī)械性能和使用溫度要比玻璃高得多。玻璃的突出優(yōu)點(diǎn)是可在玻璃軟化溫度和熔點(diǎn)之間進(jìn)行各種成型,工藝簡單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機(jī)械性能,它利用玻璃成型技術(shù)制造產(chǎn)品,然后高溫結(jié)晶化處理獲得陶瓷。工業(yè)玻璃陶瓷體系有鎂-鋁-硅酸鹽、鋰-鎂-鋁-硅酸鹽和鈣-鎂-鋁-硅酸鹽系列,它們常被用來制造耐高溫和熱沖擊產(chǎn)品,如炊具。此外它們作為建筑裝飾材料正得到越來越廣泛的應(yīng)用,如地板、裝飾玻璃。
二、陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料是為了達(dá)到某些性能指標(biāo)將兩種或兩種以上不同材料混合在一起制成的多相材料,它具有其中任何一相所不具備的綜合性能。陶瓷材料的*大缺點(diǎn)是韌性低,使用時會產(chǎn)生不可預(yù)測的突然性斷裂,陶瓷基復(fù)合材料主要是為了改善陶瓷韌性。基于提高韌性的陶瓷基復(fù)合材料主要有兩類:氧化鋯相變增韌和陶瓷纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。氧化鋯相變增韌復(fù)合材料是把部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末同其他陶瓷粉末(如氧化鋁、氮化硅或莫來石)混合后制成的高韌性材料,其斷裂韌性可以達(dá)到10Mpam1/2以上,而一般陶瓷的韌性僅有3Mpam1/2左右。這類材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。纖維強(qiáng)化被認(rèn)為是提高陶瓷韌性*有效和*有前途的方法。纖維強(qiáng)度一般比基體高得多,所以它對基體具有強(qiáng)化作用;同時纖維具有顯著阻礙裂紋擴(kuò)展的能力,從而提高材料的韌性。目前韌性*高的陶瓷就是纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料,例如碳化硅長纖維強(qiáng)化的碳化硅基復(fù)合材料韌性高達(dá)30Mpam1/2以上,比燒結(jié)碳化硅的韌性提高十倍。但因?yàn)檫@類材料價格昂貴,目前僅在軍械和航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。另一引人注目的增強(qiáng)材料是陶瓷晶須。晶須是尺寸非常小但近乎*的纖維狀單晶體,其強(qiáng)度和模量接近材料的理論值,極適用于陶瓷的強(qiáng)化。目前這類材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,主要體系有碳化硅晶須-氧化鋁-氧化鋯、碳化硅晶須-氧化鋁和碳化硅晶須-氮化硅。
三、功能陶瓷功能陶瓷是具有光、電、熱或磁特性的陶瓷,已經(jīng)具有極高的產(chǎn)業(yè)化程度。下面根據(jù)性能對幾類主要的功能陶瓷作一簡介。 1、導(dǎo)電性能陶瓷材料具有非常廣泛的導(dǎo)電區(qū)間,從絕緣體到半導(dǎo)體、超導(dǎo)體。大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性,因而被廣泛用于電絕緣體。半導(dǎo)體分為電子型和離子型半導(dǎo)體。以晶體管集成電路為代表的是電子型半導(dǎo)體。離子型半導(dǎo)體僅對某些特殊的帶電離子具有傳導(dǎo)作用,*具有代表性的是穩(wěn)定氧化鋯和β-氧化鋁。穩(wěn)定氧化鋯僅對氧離子具有傳導(dǎo)作用,主要產(chǎn)品有氧傳感器(主要用來測定發(fā)動機(jī)的燃燒效率或鋼水中氧濃度)、氧泵(從空氣中獲得純氧)和燃料電池。β-氧化鋁僅對鈉離子具有傳導(dǎo)作用,主要用來制造鈉-硫電池,其特點(diǎn)是高效率、對環(huán)境無危害和可以反復(fù)充電。陶瓷超導(dǎo)體是近10年才發(fā)展起來的,它的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)化溫度在所有類超導(dǎo)體中*高,已經(jīng)達(dá)到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導(dǎo)體為釔-鋇-銅-氧系列材料,已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、精密儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 2、介電性能大多數(shù)陶瓷具有優(yōu)異的介電性能,表現(xiàn)在其較高的介電常數(shù)和低介電損耗。介電陶瓷的主要應(yīng)用之一是陶瓷電容器。現(xiàn)代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當(dāng)鋇或鈦離子被其他金屬原子置換后,會得到具有不同介電性能的電介質(zhì)。鈦酸鋇基電介質(zhì)的介電常數(shù)高達(dá)10000以上,而過去使用的云母小于10,所以用鈦酸鋇制成的電容器具有體積小、電儲存能力高等特點(diǎn)。鈦酸鋇基電介質(zhì)還具有優(yōu)異的正電效應(yīng)。當(dāng)溫度低于某一臨界值時呈半導(dǎo)體導(dǎo)電狀態(tài),但當(dāng)溫度超過這一臨界值時,電阻率突然增加到103～104倍成為絕緣體。利用這一效應(yīng)的產(chǎn)品有電路限流元件和恒溫電阻加熱元件。許多陶瓷,如鋯鈦酸鉛,具有顯著壓電效應(yīng)。當(dāng)在陶瓷上施加外力時,會產(chǎn)生一個相應(yīng)的電信號,反之亦然,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷用途極其廣泛,產(chǎn)品有壓力傳感元件、超聲波發(fā)生器等。 3、光學(xué)性能陶瓷在光學(xué)方面的應(yīng)用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號發(fā)生器和光導(dǎo)纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見,如涂料、陶瓷釉和琺瑯。核工業(yè)中,利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面應(yīng)用非常廣泛。陶瓷也可被制造用來透過不同波長的光線,其中*重要的就是紅外線透射陶瓷,它僅允許紅外光線透過,被用來制造紅外窗口,在武器、航空航天領(lǐng)域和高技術(shù)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。這類材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來石等。陶瓷還是固體激光發(fā)生器的重要材料,典型代表有紅寶石激光器和釔榴石激光器。光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代通訊信號的主要傳輸媒介,它是用高純二氧化硅制成的,具有信號損耗低、高保真性、容量大等特性,是金屬信號傳輸線無法比擬的。 4、磁學(xué)性能金屬和合金磁性材料具有電阻率低、損耗大的特性,尤其在高頻下更是如此,已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。相比之下,陶瓷磁性材料有電阻率高、損耗低、磁性范圍廣泛等特性。陶瓷磁性材料的代表為鐵氧體,一種含鐵的復(fù)合氧化物。通過對成份的嚴(yán)格控制,可以制造出軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。軟磁材料的磁導(dǎo)率高,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大,磁損耗低,主要用于電感線圈、小型變壓器、錄音磁頭等部件。典型的軟磁材料有鎳-鋅、錳-鋅和鋰-鋅鐵氧體。硬磁材料的特性是剩磁大、矯頑力大、不易退磁,主要應(yīng)用為*磁體,代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度非常接近于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,它是因磁滯回線呈矩形而得名,主要應(yīng)用于現(xiàn)代大型計(jì)算機(jī)邏輯元件和開關(guān)元件,代表材料為鎂-錳鐵氧體。
