新型陶瓷材料的特性及应用

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新型陶瓷材料作者：肖君培，201244085，化工1202班通讯地址：大连理工大学，化工与环境生命学部email：201244085@mail.dlut.edu.cn摘要新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作为生物结构材料等。但也有它的缺点，如脆性。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。其中工程陶瓷，半导体陶瓷，金属陶瓷，纳米陶瓷，生物陶瓷，压电陶瓷，透明陶瓷，高强度陶瓷，精密陶瓷等在这里进行介绍。简介陶瓷被称为无机材料之母，传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料，具有耐高温，耐腐蚀、高强度、高硬度的优越性能，而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷， 特别是近些年来开发的新型陶瓷材料被广泛应用于半导体、航空航天、仿生学、计算机、生物、汽车、医疗、军事等领域，大大促进了人类社会的发展，世界各国尤其是发达国家高度重视新型陶瓷材料的开发利用。新型陶瓷材料的分类新型陶瓷的主要原料有氧化铝，二氧化硅，氧化镁等，化学键有离子键，共价键，少数陶瓷还有金属键、范德华键。不过目前为止还没有形成公认的陶瓷结构理论，多数情况下是通过显微结构来解释陶瓷具有的特性，其显微结构是由多晶粒组成。按化学成分划分主要分为两类：一类是纯氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一类是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。按性能与特征划分可分为：高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。随着成分、结构和工艺的不断改进，新型陶瓷层出不穷。按其应用不同划分又可将它们分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。 习惯上人们将新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。下表列出了新型功能材料的主要特性： 重点介绍几种新型陶瓷材料。1、工程陶瓷工程陶瓷，它主要在高温下使用，也称高温结构陶瓷。这类陶瓷以氧化铝为主要原料，具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点，在空气中可以耐受1980℃的高温，是空间技术、军事技术、原子能、业及化工设备等领域中的重要材料。工程陶瓷有许多种类，但目前世界上研究最多，认为最有发展前途的是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。 2、半导体陶瓷半导体陶瓷是一类导电性介于导电陶瓷与绝缘体陶瓷之间的一类陶瓷，其电阻率介于之间。一般有一种或数种金属氧化物采用陶瓷制备工艺制成的多晶半导体材料。有热敏陶瓷、压敏陶瓷、气敏陶瓷、光敏陶瓷、湿敏陶瓷等多种类型。金属陶瓷具有优良的机械性能，主要指氮化钛陶瓷。这种金属陶瓷耐磨抗弯，具有金黄色光泽，具有很好的装饰效果。兼具较高的导电性和超导的特性，强度大，其功能已覆盖硬质合金的大部分使用范围，应用于军事领域可以大量节省稀有金属的使用量。由于其独特的性能，使用领域正在不断扩大。 3、纳米陶瓷纳米陶瓷是近十几年发展起来的新型结构陶瓷，是指显微微结构中的物相具有纳米级（0.1-100nm）尺度的陶瓷材料。陶瓷是一种多晶材料，是由晶粒和晶界所组成的烧结体，决定陶瓷性能的主要因素有晶粒、晶界、气孔和裂痕的组合形状，其中最主要的是晶粒尺寸问题。纳米陶瓷材料使晶粒的尺寸提高到纳米级，大大优化了陶瓷材料的性能。纳米陶瓷的特性主要包括：高强度，纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4-5倍；增韧性与低温可塑性，晶粒的细化使材料不易断裂，且有助于提高材料的塑性；扩散及烧结性能，纳米陶瓷的烧结温度约比传统陶瓷低600，烧结过程也大大缩短。此外，纳米陶瓷的高磁化率、低磁耗以及特别的光吸收效应，都为新型陶瓷开拓了一个新的应用领域。 4、生物陶瓷生物陶瓷，是在高温下烧成的，具有离子键、共价键这些很强的原子结合力，所以溶解度一般非常小，化学性质稳定，在体内不会发生溶解或膨润，也不用担心会被巨噬细胞和吞噬细胞吃掉。生物医学陶瓷与人体的生理环境更具生物相容性，不易在人体中发生化学变化，价格便宜，极具吸引力。具有耐腐蚀性、耐磨性、抗血栓、强度匹配性、灭菌性、适应性。一般分为三类：生物惰性陶瓷，包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷和各种碳制品；生物活性陶瓷，可与人体组织结合，包括活性玻璃、活性玻璃陶瓷、羟基磷灰石陶瓷；可被人体组织吸收的陶瓷材料，即生物可吸收性陶瓷，包括硫酸钙、磷酸三钙和钙磷酸盐陶瓷。 5、压电陶瓷压电陶瓷是一种能将压力转变为电能的功能陶瓷，哪怕是像声波震动产生的微小的压力也能够使它们发生形变，从而使陶瓷表面带电。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机，能够连续打火几万次。6、透明陶瓷透明陶瓷的主要成分有氧化镁、氧化钙、氟化钙等。透明陶瓷不但能透过光线，还具有很高的机械强度和硬度。透明陶瓷是一种很好的透明防弹材料，还可以用来制造车床上的高速切削刀、喷气发动机的零件等，甚至可以代替不锈钢。 7、高强度陶瓷氮化硅高强度陶瓷以强度高著称，可用于制造燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮等。8、精密陶瓷精密陶瓷氨化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多种方法制备，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K反应后获得： 主要应用领域航空航天领域，高温结构陶瓷的使用，陶瓷涡轮发动机的研究。机械领域，陶瓷轴承的使用，大幅提高了轴承的使用寿命和极限转速，为发展高速和超高速、超精密机床提供了基础零部件。车辆领域，轿车减震装置，智能陶瓷雨刷，发动机的调控系统都有特种陶瓷的身影。军工领域，由于新型陶瓷材料的特殊性能，因此在军事领域也有许多用途。防弹装甲，陶瓷隔热瓦，导弹控制系统，雷达等军事武器上，导弹上的隔热材料等都大量使用了特种陶瓷。医学领域，可以作为外科矫正手术的假肢（如各种关节），牙齿植入物，中耳骨植入物，人工心脏瓣膜，骨头缺损填料，人工肌腱与韧带材料等等。总结新型陶瓷材料在现代陶瓷中占据主导地位。新型陶瓷材料是当今科学技术发展的重要组成部分，在微电子技术、超导技术、生物技术、激光技术、空间技术、传感技术的发展中占有十分重要的地位。国防工业和军用技术、武器技术也多采用新型陶瓷材料及以其为基础的新技术。随着科技的不断进步，新型陶瓷材料必将为人类社会的进步作出更大的贡献。总之,现代工业技术的快速提高,极大地促进了陶瓷工业的发展。陶瓷产品的应用也日益扩大,因此我们可以相信现代陶瓷必将给我们的生活带来巨大的变化,渗透到我们生活的各个方面。 参考文献[1]曾令可，李秀艳，《纳米陶瓷技术》，华南理工大学出版社，2006年[2]（日）山口桥、柳田博明、牧岛亮男、青木秀希，《生物陶瓷》，化学工业出版社，1992年[3]邱关明，《新型陶瓷》，兵器工业出版社，1993年[4]尹衍升，陈宇刚，李嘉，《先进结构陶瓷及其复合材料》，化学工业出版社，2006年[5]王零森，《特种陶瓷》，中南大学出版社，2005年[6]殷庆瑞，祝炳和，《功能陶瓷的显微结构、性能与制备技术》，冶金工业出版社，2005年