先进结构陶瓷材料的研究进展

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1、先进结构陶瓷材料的研究进展摘要先进陶瓷材料因其具有高熔点、高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化等优良特性，在许多应用领域有着金属等其它材料不可替代的地位。本文综述了先进结构陶瓷材料的研究应用现状和发展趋势。关键词先进陶瓷，结构陶瓷，研究进展1刖目20世纪60年代以来，新技术革命的浪潮席卷全球，计算机、微电子、通信、激光、新能源、航天、海洋和生物工程等新兴技术的出现和发展，对材料提出了很高的要求，能够满足这些要求的先进陶瓷材料应运而生，并在这些技术革命中发挥着重要的作用［1〜4］,同时也极大地促进了陶瓷科学的发展和应用，使陶瓷材料又一次焕发出了青春，

2、在尖端科学领域得到广泛的应用，如航天、航空、汽车、体育、建筑、医疗等领域［4,5］。先进陶瓷是有别于传统陶瓷而言的，不同国家和不同专业领域对先进陶瓷有不同叫法。先进陶瓷也称高技术陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特种陶瓷、工程陶瓷等［1］。先进陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，但远远超出了传统陶瓷的范畴，是陶瓷发展史上一次革命性的变化。通常认为，先进陶瓷是指采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。先进陶瓷按用途可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷

3、是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷。先进结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环保、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现方面都发挥了积极的作用。本文着重介绍近年来结构陶瓷的研宄进展及发展趋势。2先进结构陶瓷及其应用先进结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它。若按化学成分分类可分为:（1）氧化物陶瓷（A120

4、3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Ti02、ThO2、U02）；（2）氮化物陶瓷（Si3N4、赛龙陶瓷、AIN、BN、TiN）；（3）碳化物陶瓷（SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2）；（4）硼化物陶瓷（ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等）；（5）其它结构陶瓷（莫来石陶瓷、MoSi陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等）［1］。由于先进结构陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀和抗氧化等一系列优异性能［4］，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，己成为许多新兴科学技术得以实现的关键，在能源、航空航天、

5、机械、交通、冶金、化工、电子和生物医学等方面有着广泛的应用前景。2.1耐高温、高强度、耐磨损陶瓷2.1.1氮化物陶瓷[6〜8]氮化物陶瓷是近20多年來迅速发展起来的新型工程结构陶瓷。氮化硅陶瓷和一般硅酸盐陶瓷不同之处在丁其屮氮和硅的结合属于共价键性质的键合，因而有结合力强、绝缘性好的特点。氮化硅的烧结与一般陶瓷的烧结工艺不同，采用的是反应烧结法，此法制造的氮化硅陶瓷，不能达到很高的致密度，一般只能达到理论密度的79%左右，不能制造厚壁部件。提高氮化硅陶瓷致密度的有效方法之一就是在高温下进行加压烧结，由此可得到热压氮化硅陶瓷，其室温抗弯强度一般都在80

6、0〜lOOOMPa。如果在其中添加少量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅，室温抗弯强度可达到1500MPa,在陶瓷材料中名列前茅，硬度很高，是世界上最坚硬的物质之一；极耐高温，强度一直可以维持到1200°C的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900QC才会分解；冇惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸（氢氟酸除外）和30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀，同时又是一种高性能电绝缘材料。由于其热膨胀系数小，抗温度急变能力很强，因此氮化硅陶瓷具有优良的力学性能，在工程技术的应用上己占有重要地位。氮化硅陶瓷制品的种类很多，应用也日益广泛，例如可做

7、燃气轮机的燃烧室、晶体管的模具、液体或气体输送泵屮的机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道和阀门、铸铝用永久性模具、钢水分离环等。利用氮化硅摩擦系数小的特点用作轴承材料，特别适合作为高温轴承使用，其工作温度可达120（TC,比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍；使用陶瓷轴承还可以免除润滑系统，大大减少对铬、镍、锰等原料的依赖。氮化硅作为高温结构陶瓷最引人注目的就是在发动机制造上获得了突破性进展。美国用热压氮化硅制成的发动机转子成功地在5000转/min的转速下运转很长时间。2.1.2碳化硅陶瓷[9,10]工业化生产碳化硅的方

8、法是将石英、碳素（煤焦）、木屑和食盐混合，在电炉中加热到2200〜250CTC下制成。碳化硅陶瓷和许多陶瓷的