新型陶瓷材料的应用与发展

新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。关键字：新型陶瓷材料应用发展引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变陶瓷一词(Ceramics)来源于古希腊Keramos一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vaporprocessing)溶液法(Aqueousprecipitation)溶胶—凝胶技术(Solgel-technology)及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4,A12O3等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷(eliminate-defects),它的易脆性(brittleness)得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。2.新型陶瓷材料特性与分类新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structuralceramics）（或工程陶瓷）和功能陶瓷（Functionalceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷，而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展，各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。3.新型陶瓷的应用与发展新型陶瓷是新型无机非金属材料,也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷,为什么能得到高速发展,归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能,某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料,因而登上新材料革命的主角地位,满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得,蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高,而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛,几乎可以渗透到各行各业。3.1应用领域功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites）当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作航天发动机涡轮转子叶片等高温受力部件。2)陶瓷轴承（CeramicBearing）陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于具有金属轴承所无法比拟的优异性能，近十多年来，在国计民生的各个领域得到日益广泛的应用。在航空航天、核工业、高速机床等高温、高速、耐腐蚀、真空、无磁、无摩擦的特殊环境下，陶瓷轴承的作用正在被人们逐渐地认识。陶瓷轴承突出的效果是大幅度地提高了轴承的使用寿命和极限速度，为发展高速和超高速、高精密机床提供了基础零部件[4]。除此以外，在高温、腐蚀、绝缘、真空等行业的应用也已经取得了良好的效果，可在高温、强酸、强碱等一些高腐蚀性介质中长期稳定地工作。近来，与半导体制造装置和计算机的CD-ROM及其硬盘与信息工业相关的陶瓷轴承需求量不断增加。当今世界上著名的轴承企业无一不在开发、生产陶瓷轴承，而产品质量的高低，已成为衡量其企业实力的一个重要标志。3)生物工程领域：生物陶瓷（BiologicalCeramicMaterial）由于生物陶瓷材料的无毒、无害，具有良好的生物活性和生物相溶性，且硬度高，杨氏模量与人体骨相近，故可作为骨骼、牙床、心脏瓣膜等的修补材料或替代材料使用。生物陶瓷材料又分生物性惰性陶瓷材料和生物性活性陶瓷材料。生物性惰性陶瓷材料：如多晶氧化铝具有耐腐蚀、耐磨、热膨胀系数小等特点，且可通过高温消毒，常用于大块或小块骨的修补或承重骨的缺损修复。单晶氧化铝，除具有多晶氧化铝特性外，还具有生物相溶性好的特点，常用于制成人工骨螺钉，强度比金属材料制成的工骨螺钉更高。同时氧化铝单晶可以加工成各种尺寸小、强度大的牙根，它与人体蛋白质有良好的亲合性能，结合力强。因此有利于牙龈粘膜材料的附着。生物性活性陶瓷材料：将含磷酸和钙的活性玻璃，置入生物体内，使之与生物体内的液体发生反应，然后有生物组织成长起骨原纤维组织，在生物玻璃表面与生物组织之间形成结合层。羟基磷灰石，它具有与人体硬组织（骨和牙）的无机质相同的物质组成，可用于牙槽、骨缺损、脑外科修补、填充等[2]。4)军事应用：特种陶瓷（SpecialCeramics）军事应用中的特种陶瓷主要指的是氧化铝和碳化硼。在现代军事中，无论是海陆空或其他兵种的现代武器中，都有用特种陶瓷制成的部件。如B4C陶瓷可作为飞机、车辆和人员的防弹装甲，用比例纤维和B4C复合材料制成的0.6cm厚的B4C内衬可阻挡小口径的装甲弹的穿透作用[6]。另外，宇宙飞船外壁的陶瓷隔热瓦即为玻璃纤维复合材料，具有轻质、耐热、耐冲击、低热导等优良性能，是理想的军用隔热材料。特种陶瓷实在导弹控制系统中也有用途，在雷达天线上加装一个气动天线罩，可协调机械、热力、电气系统、的功能，保证导弹正常运行。还有，火箭上需要的特殊高温材料，很多也是用金属陶瓷制成的。美国对国防用嵌入式轻质陶瓷装甲的需求近几年有了很大的增长，9.11事件后，配合全世界的反恐怖主义活动，防弹服的需求成倍增长。5)电子工业领域：氮化铝陶瓷（AluminumNitrideCeramic即AIN)氮化铝具有良好的高温抗蚀性，它对许多金属表现良好的抗蚀力，可与铝、铜、镍、钼、钨以及许多铁质合金和超合金在高温下共存，也能在某些化合物，如砷化镓的融盐中稳定存在。它可以应用到电子工业方面，做基片材料，AIN的导热率是Al2O3的5-10倍，更适合大规模集成电路要求[6]。AIN陶瓷的综合性能良好，非常适用于电子工业。同时氮化铝陶瓷材料在高温耐蚀和复合材料方面也有很好的应用。在高温耐蚀方面的应用：AIN陶瓷具有良好的高温耐蚀性，它能与许多金属在高温下共存。因此是优良的坩埚材料，也可用作腐蚀性物质的容器和处理器。在复合材料方面的应用：可以通过复合相陶瓷的途径，拓展它在其它方面的应用。如：加入TICP、SICP颗粒和SICW晶须以提高其强度和韧性。4.新型陶瓷材料研究近况和发展趋势现代各国不仅在新型陶瓷的应用方面取得了一定的成就，但同时也不断大力地开展新陶瓷的研究和开发，下面列举的几个方面是近年来比较著名的研究领域：4.1纳米复合陶瓷（NanocompositeCeramics）Al2O3-Sic纳米复合陶瓷的抗弯强度比三氧化二铝单体提高近三倍。纳米复合材料不仅在常温下具有很高的强度，其高温强度性能也明显提高。近来，双向纳米复合陶瓷和纳米压电复合陶瓷是引人注目的新方向[8]。4.2梯度功能材料（FunctionallyGradedMaterial，FGM）梯度功能材料它不同于传统的复合材料，其成分或结构在材料的一面向另一面逐渐变化。FGM材料的就开发哦在研究和开发热障涂层材料为主的高温耐热材料、刀具材料、热点转换材料等方面取得了进展，在FGM研发工艺中等离子体喷射法（PlasmaSpraying）、气象沉积法（CVD）、粉末冶金法（PM）具有较明显的优势，得到广泛的利用。4.3synergy陶瓷synergy陶瓷是指在同一材料里实现多种性能的共存或互补的高性能复合陶瓷，从广义上来看，synergy陶瓷的概念与结构和功能一体化比较接近。日本名古屋工业技术研究所和日本惊喜陶瓷中心（JFCC）是开展synergy陶瓷开发的基地，并取得了重大研究成果，如兼有高强度（1400MPa）、高韧性（12MPa）和高热传导性（120W/mk）的强韧性Si3N4陶瓷[7]。还有很多新的领域如：陶瓷涂层、金属-陶瓷、陶瓷膜材料、仿生层状复合材料等各国均积极在研究，寻求新的突破。发展趋势：在各种新材料中,新型陶瓷是近年来发展很快的一种,其中功能陶瓷,特别是电子功能陶瓷的发展速度快于结构陶瓷。目前研究与开发的重点已出现向结构陶瓷和复合陶瓷逐步转移的趋势,预测以后,这种转移将有明显增强。21世纪将是一个以各种复合材料为主的时代。当前的研究工作主要是为下世纪的技术突破作准备。无论是氧化物陶瓷,还是非氧化物陶瓷一,都存在向小型化、薄膜化、集体化、高功能、多功能发展的趋势。有逐步重视关键基础技术研究的倾向,目的是实现陶瓷材料性能测试与评价技术的实用化。在材料体系中,成分全新的新品种不多,绝大多数是通过改换元素、添加元素和改善工艺等途径来实现性能的最佳化。因此,技术方面的更新不断出现。由于陶瓷的制造需要系列专门技术,各道生产工序都影响材料的最终性能,因此近几年国外公司有实行从原料准备到成品加工一体化生产的倾向5.结束语新型陶瓷材料是当今科学技术发展的物质基础，除了作为高强、耐磨、耐腐的