陶瓷材料的应用

一、先进陶瓷材料发展现状先进陶瓷材料又称精密陶瓷材料，是新材料的一个重要组成部分，广泛应用于通讯、电子、航空、航天、军事等高技术领域，在信息与通讯技术方面有着重要的应用。电子技术、大规模集成技术电路，离不开压电、铁电和磁性陶瓷；电子计算机的记忆系统需要具有方形磁滞回线的铁磁体陶瓷；高速硬盘转动系统需要陶瓷轴承；在火箭和导弹的发射中，鼻锥和透波陶瓷天线罩是关键部件，它要承受高温气流的摩擦和冲刷，要求材料具有高的高温强度和好的抗氧化性能，只有陶瓷材料才能满足这些要求；作为新能源的磁流体发电机，需要采用陶瓷做电极材料；高温燃料电池、高能量蓄电池，需要采用陶瓷块离子导体做隔膜材料等等。目前，先进陶瓷已形成一个巨大的高新技术产业。全世界先进陶瓷产品的销售总额超过300亿美元，并以每年l0％以上的速度增长。美国与日本在该领域处于领先地位。先进陶瓷材料因其优异的高温力学性能及特有的光、声、电、磁、热或功能复合效应在高新技术产业、传统产业改造和国防军工等领域发挥着越来越大的作用。先进陶瓷今后的重点发展方向是加强工艺-结构-性能的设计与研究，有效地控制工艺过程，使其达到预定的结构（包括薄膜化、纤维化、气孔的含量、非晶态化、晶粒的微细化等），重视粉体标准化、系列化的研究与开发及精密加工技术，降低制造成本，提高制品的重复性、可靠性及使用寿命。（一）纳米级原料制备技术与纳米陶瓷据国外有关资料统计，2000年后，纳米材料结构器件市场容量约为6375亿美元，纳米材料薄膜器件市场容量为340亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷及其复合材料的市场容量为5457亿美元。目前精细陶瓷用纳米粉体制备方法有三大类：物理制备法、气相法、湿化学法。制备的纳米陶瓷粉体有：Al203、Zr02、Si02、Si3N、SiC、BaTi03、Ti02等。纳米陶瓷的研制，带动了一些新的快速烧结设备的开发，如真空烧结工艺、微波烧结工艺和等离子烧结技术（SPS）等。（二）先进陶瓷的复合技术与制品取各种材料性能之长，进行组分设计，使新材料具有多种功能，以满足各种工作条件下对材料和制品的要求。（1）陶瓷基纤维复合材料。利用纤维的柔性来改善结构陶瓷的脆性是行之有效的途径之一。近10年来，用晶须或短纤维来补强陶瓷材料以外的各种连续陶瓷纤维也相继问世。（2）叠层技术的发展。l990年根据仿生学原理提出的叠层陶瓷研究在国际上形成新的热点，其断裂韧性和断裂功比常规的SiC陶瓷提高几十倍，大大扩展了叠层陶瓷和制品的市场。（3）梯度材料设计与膜材料。20世纪90年代日本首先提出一种称为梯度材料的功能材料，为陶瓷新材料的复合提供了另一条工艺途径。在此基础上，将孔径分布梯度化，就可以制成性能优良的陶瓷膜材料。陶瓷膜已在催化反应、过滤与分离技术中发挥了巨大的作用。梯度材料设计与膜材料在化学工业、石油化工、食品工程、环境工程、电子行业中有着广阔的发展前景。（4）介孔材料（孔径在2nm～50nm）是20世纪90年代开发的新材料，最具代表性的MCM-41材料具有孔道大小均匀、六方有序排列、孔径可连续调节、高比表面积和较好的热稳定性和水热稳定性等特性。在大分子催化、吸附分离等领域有广阔的应用前景。（三）廉价高效陶瓷制备工艺的发展先进陶瓷产品推向市场的最大障碍是价格昂贵。降低成本、增加可靠性、提高制备效率是各陶瓷企业关注的焦点。（1）廉价的原料制备技术。除改进固相合成工艺外，自蔓延高温合成技术（SHS），湿化学法制备原料都是十分有效的。如Si3N4原料成本目前为60~350美元／公斤。美国Dowcorning公司已达到10美元／磅的水平。国内采用SHS法制备的粉末价格也大大降低。（2）快速和近净尺寸成型技术。如何减少先进陶瓷部件后加工量，降低烧结收缩和提高成型效率是各陶瓷生产企业改进工艺的重点。随着凝胶注、直接凝固、高压注射成型和压滤成型等技术已从实验室转向产业化，先进陶瓷产品的成本将大幅降低。（3）提高陶瓷后加工的效率，也是降低产品成本的重要方面。先进陶瓷部件的加工成本往往会占总成本的50％～75％。美国曾专门投资4520万美元，研究陶瓷后加工方法。（4）烧成设备的改进。主要朝着节约能源、减少环境污染、提高效率的方向发展。微波烧结、连续烧结或快速烧结等新工艺及装备也应运而生。（四）无损检测和标准化性能保证和产品标准化工作，是先进陶瓷产品推向市场的必要条件。对制品内部缺陷进行无损检测十分必要。目前国际上已有专业的标准化机构，负责先进陶瓷性能、检测方法和产品的标准化工作。二、刚玉质陶瓷机械密封环制造工艺机械密封是一种旋转式轴密封结构。我国在1968年制成块滑石质陶瓷密封环,1970年试制成刚玉质陶瓷机械密封环。该环用95%工业氧化铝,加少量熔剂配成,经过1700一1710℃高温烧成。性能特点研磨加工制得成品具有硬度高,耐磨性好,耐腐蚀及温度急变等特点。某些性能比硬质合金和碳化物密封环还好。一、工艺过程1.原料制备将工业Al级氧化铝外加百分之三的工业硼酸干法混匀,装入耐火钵内股烧至1450℃,保温2~4小时,使丫一Al2O3转化为a一Al203,·以保证产品性能稳定,减少烧成收缩。将石灰石原块清洗、打碎、除去外皮杂质,经石轮碾碾细,过80目时筛,备用。选取较纯的石英,清洗,经石轮碾碾细,过80目/时筛,备用。配方见表一，按配方称料,装入球磨筒,料:球:水=1:1.5:0.8,球磨96小时(球石和瓷衬均为隧石),细度达280目/时筛筛余小于0.02%为合格,倒出,过80目/时筛。将上述泥料烘干至水份小于0.02%,再过40目/时筛,入球磨简。球石和球磨在100~120℃下预先烘干。趁热将干粉料装入球磨,并保持球磨筒附近环境的干燥。球:料:油酸=1.3:1:0.006(m。数)。球磨20小时,倒出,过40目/时筛,放入烘箱,在100一120℃下保温2一4小时。将上述预热,烘干的粉料趁热倒入已熔化好的石蜡内,快速搅拌均匀,然后继续在揽拌机上一边加热一边搅拌,经8小时充分排除气泡后,将料浆倒入搪瓷盘内,冷却成蜡讲备用。饼的粉料:石蜡二1:016。2成型陶瓷环对尺寸公差和光洁度有较高的要求,为保证产品的尺寸形状准确,我们采用热压铸成型。首先把蜡饼熔化,搅拌排除气泡冷却至70℃左右,倒入热压铸机内,在65℃左右成型。成型温度随产品大小,形状和料浆的流动性的好坏灵活掌握。3.排蜡素烧修坯后以氧化铝为吸附剂,埋装在耐火钵内,放入自动恒温鼓风干躁箱,进行第一段排蜡。第一段排蜡升温制度见表2。冷却后出钵,此时半成品为褐黑色,将初步脱蜡的半成品装入马弗电炉,进行第二段排蜡。升温制度见表3采用二段排蜡工艺,主要为了得到一定强度的半成品。由于恒温箱温.度控制稳定,可靠,因此素烧正品率大为提高,解决了因煤窑温度波动而产生的起层、起波、起泡、云块、夹层等疵病。另外,在马弗炉内继续排蜡至750℃这一过程,防止了油窑点火时,由于温度突跃而产生的产品炸裂。4成瓷半成品装于耐火棚架中,在油窑内股烧至1710℃。点火时,用木炭充满棚架间的间隙,点燃木炭,鼓以小风,当木炭已充分燃烧把炉堂烧红时,即喷油点火。油窑的油压,风压和升温制度见表4和表5。5.平面研磨加工将尺寸初检合格的半成品,进行平面研磨加工,粗磨采用80目/时的金刚砂。细磨采用200目/时的金刚砂。研磨后平面光滑油亮。6.检验包装除去有气孔、熔洞、开裂等疵病的瓷件。三、陶瓷材料的特点1生物陶瓷具有良好的生物相容性与骨传导性；2陶瓷能承受高温气流的摩擦和冲刷；3具有抵抗高的高温强度和好的抗氧化性能以及抗辐射的性能；4陶瓷具有强度大、刚度好、耐腐蚀、化学稳定性好；5一些特定的陶瓷还有低活性、能吸收中子的特点（核工业）；6价格低廉，对环境污染很小，符合当前社会发展的趋势等。四、发展趋势先进陶瓷今后的重点发展方向是加强工艺-结构-性能的设计与研究，有效地控制工艺过程，使其达到预定的结构（包括薄膜化、纤维化、气孔的含量、非晶态化、晶粒的微细化等），重视粉体标准化、系列化的研究与开发及精密加工技术，降低制造成本，提高制品的重复性、可靠性及使用寿命。五、陶瓷材料目前的应用领域先进陶瓷材料又称精密陶瓷材料，是新材料的一个重要组成部分，广泛应用于通讯、电子、医疗、生物、机械、航空、航天、军事等高技术领域，在信息与通讯技术方面有着重要的应用。附件：（1）相关陶瓷材料的机械零件（2）在我国陶瓷材料的应用视频（3）陶瓷汽车盘式制动器的制造过程相关视频