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科技陶瓷调研.docx
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科技陶瓷调研
科技陶瓷调研
特种陶瓷,又称精细陶瓷,按其应用功能分类,大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大类。
在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料,经过1360度左右高温烧结成型,从而获得稳定可靠的防静电性能,成为一种新型特种陶瓷,通常具有一种或多种功能,如:
电、磁、光、热、声、化学、生物等功能;以及耦合功能,如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。
智研咨询显示,特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能,如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。
由于性能特殊,这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。
一些经济发达国家,特别是日本、美国和西欧国家,为了加速新技术革命,为新型产业的发展奠定物质基础,投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷,因此特种陶瓷的发展十分迅速,在技术上也有很大突破。
特种陶瓷在现代工业技术,特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。
本世纪初特种陶瓷的国际市场规模预计将达到500亿美元,因此许多科学家预言:
特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中,必定会占据十分重要的地位。
氧化物陶瓷
氧化物陶瓷:
氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、二氧化钍、三氧化铀等。
氮化物陶瓷
氮化物陶瓷:
氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等。
碳化物陶瓷
碳化物陶瓷:
碳化硅、碳化硼、碳化铀等。
硼化物陶瓷
硼化物陶瓷:
硼化锆、硼化镧等。
硅化物陶瓷
硅化物陶瓷:
二硅化钼等。
氟化物陶瓷
氟化物陶瓷:
氟化镁、氟化钙、三氟化镧等。
硫化物陶瓷
硫化物陶瓷:
硫化锌、硫化铈等。
在陶瓷中添加了金属而生成的金属陶瓷,例如氧化物基金属陶瓷,碳化物基金属陶瓷,硼化物基金属陶瓷等,也是现代陶瓷中的重要品种上。
为了改善陶瓷的脆性,在陶瓷基体中添加了金属纤维和无机纤维,这样构成的纤维补强陶瓷复合材料,是陶瓷家族中最年轻但却是最有发展前途的一个分支。
特种陶瓷
为了生产、研究和学习上的方便,有时不按化学组成,而根据陶瓷的性能,把它们分为高强度陶瓷,高温陶瓷,高韧性陶瓷,铁电陶瓷,压电陶瓷,电解质陶瓷,半导体陶瓷,电介质陶瓷,光学陶瓷(即透明陶瓷),磁性瓷,耐酸陶瓷和生物陶瓷等等。
特种陶瓷成型技术未来的发展将集中于以下几个发面:
a、进一步开发已经提出的各种无模成形技术在制备不同陶瓷材料中的应用;
b、性能更加复杂的结构层以及在层内的穿插、交织、连接结构和成分三维变化的设计;
c、大型异形件的结构设计与制造;
d、陶瓷微结构的制造及实际应用;
e、进一步开发无污染和环境协调的新技术。
在特种陶瓷的精密加工方面:
特种陶瓷属于脆性材料,硬度高、脆性大,其物理机械性能(尤其是韧性和强度)与金属材料有较大差异,加工性能差,加工难度大。
因此,研究特种陶瓷材料的磨削机理,选择最佳的磨削方法是当前要解决的主要问题。
如今兴起的磨削加工方法主要有:
a、超声波振动磨削加工方法;
b、在线电解修整金刚石砂轮磨削加工方法;
c、电解、电火花复合磨削加工工艺;
d、电化学在线控制加工方法。
应用新发展
特种陶瓷由于拥有众多优异性能,因而用途广泛。
现按材料的性能及种类简要说明。
(1)耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于原子能有关的高温结构材料、高温电极材料等;
(2)隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料,用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等;
(3)导热性优良的特种陶瓷极有希望用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片;
(4)耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛,如今的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面;
(5)高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等;在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。
这方面的工作开展得较多,许多国家如美国、日本、德国等都投入了大量的人力和物力,试图取得领先地位。
这类陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化铝、氧化锆等;
(6)具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼极为引人注目,国外正在加紧研究;
(7)生物陶瓷方面正在进行将氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究,这方面的应用引起人们极大关注;
(8)一些具有其他特殊用途的功能性新型陶瓷(如远红外陶瓷等)也已开始在工业及民用领域发挥其独到的作用。
研究开发重点
(1)特种陶瓷基础技术的研究,例如烧结机理、检测技术和粉末制备技术等;
(2)超导陶瓷的研究;
(3)特种陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法,因而许多国家都把它作为一项主要内容而加以研究;
(4)陶瓷的纤维化是研制隔热材料、复合增强材料等的重要基础,如今国外,尤其是日本对陶瓷纤维及晶须增强金属复合材料的研究极为重视,其研究主要集中于碳化硅及氮化硅;
(5)多孔陶瓷由于具有特殊结构,所以引起了各界的重视;
(6)陶瓷与陶瓷或陶瓷与其它材料复合(陶瓷纤维增强陶瓷,陶瓷纤维增强金属)问题也是现阶段的研究重点;
(7)在非氮化物陶瓷中,目前国外研究最多的是陶瓷发动机,高压热交挽器及陶瓷刀具等;
(8)随着生物化学,生物医学这些新兴学科的发展,生物陶瓷的开发研究也变得越来越重要。
发展前景
陶瓷制品生产在中国历史悠久,经过长期的发展,制造工艺得到不断发展。
特别是近二十年来,陶瓷制品结构的合理调整,迎合了国内外消费者的消费需求,并随着社会的发展和生活水平的提高,在生活中的应用范围越来越广。
性能
力学特性
陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上。
陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差。
热特性
陶瓷材料一般具有高的熔点(大多在2000℃以上),且在高温下具有极好的化学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料。
同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性。
电特性
大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压(1kV~110kV)的绝缘器件。
铁电陶瓷(钛酸钡BaTiO3)具有较高的介电常数,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为机械能(具有压电材料的特性),可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。
少数陶瓷还具有半导体的特性,可作整流器。
化学特性
陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。
光学特性
陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等。
磁性陶瓷(铁氧体如:
MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4)在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。
分类
普通材料
采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的90%,普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。
这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。
特种材料
采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要。
根据其主要成分,有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等;特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。
本节主要介绍特种陶瓷。
特种材料分类
根据用途不同,特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。
结构陶瓷
氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3,一般含量大于45%。
氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。
耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍。
其缺点是脆性大,不能接受突然的环境温度变化。
用途极为广泛,可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等,也可作刀具和模具。
氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4,这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷,线膨胀系数在各种陶瓷中最小,使用温度高达1400℃,具有极好的耐腐蚀性,除氢氟酸外,能耐其它各种酸的腐蚀,并能耐碱、各种金属的腐蚀,并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。
可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。
碳化硅陶瓷主要组成物是SiC,这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷,在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度,是目前高温强度最高的陶瓷,碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。
是良好的高温结构材料,可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件;利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料;利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。
六方氮化硼陶瓷主要成分为BN,晶体结构为六方晶系,六方氮化硼的结构和性能与石墨相似,故有“白石墨”之称,硬度较低,可以进行切削加工具有自润滑性,可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。
工具陶瓷
硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂,碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等,粘结剂主要为钴(Co)。
硬质合金与工具钢相比,硬度高(高达87~91HRA),热硬性好(1000℃左右耐磨性优良),用作刀具时,切削速度比高速钢提高4~7倍,寿命提高5~8倍,其缺点是硬度太高、性脆,很难被机械加工,因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用,硬质合金主要用于机械加工刀具;各种模具,包括拉伸模、拉拔模、冷镦模;矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等。
金刚石天然金刚石(钻石)作为名贵的装饰品,而合成金刚石在工业上广泛应用,金刚石是自然界最硬的材料,还具备极高的弹性模量;金刚石的导热率是已知材料中最高的;金刚石的绝缘性能很好。
金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具;金刚石工具进行超精密加工,可达到镜面光洁度。
但金刚石刀具的热稳定性差,与铁族元素的亲和力大,故不能用于加工铁、镍基合金,而主要加工非铁金属和非金属,广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。
立方氮化硼(CBN)具有立方晶体结构,其硬度高,仅次于金刚石,具热稳定性和化学稳定性比金刚石好,可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。
可制成刀具、磨具、拉丝模等
其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷,但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。
功能陶瓷
功能陶瓷通常具的特殊的物理性能,涉及的领域比较多,常用功能陶瓷的特性及应用见表。
常用功能陶瓷
种类
性能特征
主要组成
用途
介电陶瓷
绝缘性
Al2O3、Mg2SiO4
集成电路基板
热电性
PbTiO3、BaTiO3
热敏电阻
压电性
PbTiO3、LiNbO3
振荡器
强介电性
BaTiO3
电容器
光学陶瓷
荧光、发光性
Al2O3CrNd玻璃
激光
红外透过性
CaAs、CdTe
红外线窗口
高透明度
SiO2
光导纤维
电发色效应
WO3
显示器
磁性陶瓷
软磁性
ZnFe2O、γ-Fe2O3
磁带、各种高频磁心
硬磁性
SrO.6Fe2O3
电声器件、仪表及控制器件的磁芯
半导体陶瓷
光电效应
CdS、Ca2Sx
太阳电池
阻抗温度变化效应
VO2、NiO
温度传感器
热电子放射效应
LaB6、BaO
热阴极
精陶瓷
陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷,它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。
精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料,采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷,因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。
精细陶瓷有许多种,它们大致可分成三类。
结构陶瓷
这种陶瓷主要用于制作结构零件。
机械工业中的一些密封件、轴承、
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