先進(jìn)陶瓷應(yīng)用[2]

1、先進(jìn)陶瓷應(yīng)用先進(jìn)陶瓷應(yīng)用引言引言在千姿百態(tài)的物質(zhì)界，大自然所恩賜的天然材料（如礦物、巖石、木材、絲棉等）雖數(shù)量大，品種多，但就其品種遠(yuǎn)不能滿足社會發(fā)展的需求?，F(xiàn)代科技和人類生存所應(yīng)用的材料，絕大多數(shù)品種是以自然資源和傳統(tǒng)材料為基礎(chǔ)，經(jīng)加工改造而成的人工合成材料。正是這些人工材料，支撐著整個社會的科技與文明。故而，對自然資源的開發(fā)、傳統(tǒng)材料的改造和新型材料的研制，已成為當(dāng)今人們獲取新材料的系統(tǒng)工程。材料工程技術(shù)將為科技進(jìn)步不斷開發(fā)出形形色

2、色的具有特殊功能的新型材料和先進(jìn)材料。功能奇異的先進(jìn)陶瓷便是新材料技術(shù)發(fā)展的典范。陶瓷是用無機化合物粉料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的、以多晶聚集體為基本結(jié)構(gòu)的固體物質(zhì)。傳統(tǒng)陶瓷是以天然硅酸鹽礦物（瓷石、粘土、長石、石英砂等）為原料，經(jīng)粉碎、磨細(xì)、調(diào)和、塑形、干燥、鍛燒等傳統(tǒng)工藝制作而成。實際上瓷是在陶的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的比陶白凈、細(xì)膩、質(zhì)地致密且性能更為優(yōu)良的硅酸鹽材料。先進(jìn)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷區(qū)別在于：先進(jìn)陶瓷是以高純、超細(xì)的人工合成的無機化合物（可含或

3、不含硅化物）為原料，采用精密控制的先進(jìn)工藝燒結(jié)而成的、比傳統(tǒng)陶瓷結(jié)構(gòu)更加精細(xì)、性能更加優(yōu)異的新一代陶瓷。先進(jìn)陶瓷又稱為精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷。先進(jìn)陶瓷按使用性能可分為先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷（其使用性能主要指強度、剛度、硬度、彈性、韌性等力學(xué)性能）和先進(jìn)功能陶瓷（其使用性能主要指光、電、磁、熱、聲等功能性能）兩大類；按其化學(xué)成分又可分為：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、氟化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、鋁酸鹽陶瓷等。先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷是指以其優(yōu)異的力

4、學(xué)性能而用于各種機械結(jié)構(gòu)部件的新型陶瓷。應(yīng)用領(lǐng)域如陶瓷質(zhì)密封套管、軸承、缸套、活塞及切削刀具等；先進(jìn)功能陶瓷則是指利用材料的電、磁、光、聲、熱等直接的性能或其耦合效應(yīng)來實現(xiàn)某種使用性能的新型陶瓷。如電容器陶瓷以其極高的抗電擊穿性能用來制作高容抗陶瓷電容器；壓電陶瓷以其能利用機械撞擊或機械振蕩產(chǎn)生電效應(yīng)來制作壓電點火裝置的發(fā)火元件或傳感器元件；熱敏陶瓷可感知微小的溫度變化，用于測溫、控溫；氣敏陶瓷制成的氣敏元件能對易燃、易爆、有害氣體進(jìn)行

5、監(jiān)測、控制和實現(xiàn)自動報警；而用光敏陶瓷制成的電阻器可用作光電控制，自動曝光和自動記數(shù)；磁性陶瓷是重要的信息記錄材料，在計算機中完成記憶功能。此外，先進(jìn)陶瓷材料還有高絕緣陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、介電陶瓷、耐熱透明陶瓷、發(fā)光陶瓷、濾光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推進(jìn)劑陶瓷、太陽能光轉(zhuǎn)換陶瓷、貯能陶瓷、陶瓷固體電池、阻尼陶瓷、生物技術(shù)陶瓷、催化陶瓷、特種功能薄膜陶瓷、纖維補強陶瓷、燒蝕陶瓷等。這些特種陶瓷在自動控制裝置、儀器儀

6、表、精密機械、電子、通訊、能源、交通、冶金、化工、航空航天技術(shù)等部門均發(fā)揮著重要作用。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和制造工藝的改進(jìn)，陶瓷的內(nèi)部組織構(gòu)造漸趨精細(xì)化、致密化而使材料性能大幅度提高，以致出現(xiàn)新的特殊功能。在其發(fā)展過程中，大批的多功能、高性能先進(jìn)陶瓷應(yīng)運而生。壓電陶瓷及其新型壓電元器件壓電陶瓷及其新型壓電元器件基于過渡液相燒結(jié)機制，通過精選材料組成體系和添加物改性，研制了一系列高性能與低溫?zé)Y(jié)兼優(yōu)的壓電陶瓷材料。其中鈮鎂錠鎳鋯鈦酸鉛(pm

7、n一pnn一pzt)四元系壓電陶瓷通過添加適量lico3，和zno，燒結(jié)溫度降至820一960℃，材料仍有很好的壓電性能。例如:當(dāng)燒結(jié)溫度為900℃，壓電常數(shù)(d33)為700pcn，機電耦合系數(shù)kp為0.74，室溫介電常數(shù)(ε33εo)為3590，介電損耗(tanδ)為210x104。該低溫?zé)Y(jié)壓電瓷料用于制備壓電厚膜微泵。適當(dāng)改性的鈮鎂鈮鋅鋯鈦酸鉛(pmn一pzn一pzt)壓電陶瓷為低隔熱罩、陶瓷隔熱板、陶瓷熱交換器及氦氣嘴襯套等。

8、所有這些新型陶瓷材料，均需要耐輻照、耐腐蝕、耐高溫、高強度等特點。可以說，核發(fā)電技術(shù)也與陶瓷材料息息相關(guān)。新一代無機非金屬材料新一代無機非金屬材料——賽倫賽倫賽倫(Sialon)陶瓷叫氧氮化硅鋁陶瓷，是“硅－鋁－氧－氮”系統(tǒng)及其相關(guān)物質(zhì)系統(tǒng)的固溶體，化學(xué)組成上類似于硅鋁酸鹽，但它并非傳統(tǒng)的硅鋁酸鹽陶瓷，而是以人工合成的高純的精細(xì)粉料：Si3N4、Al2O3、AlN經(jīng)先進(jìn)工藝燒結(jié)而成的高性能陶瓷。賽倫的化學(xué)通式可表示為：Si6－xAlxO

9、xN8－x。在不同條件下燒結(jié)成的陶瓷材料的化學(xué)組成會不同，在1700℃時，x的極限值為4.2，在1400℃時，極限值為2.0，制備工藝可以采用常壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)，在氮化硅中添加氧化鋁，用氧原子取代一部分氮，用鋁原子取代一部分硅，燒結(jié)時容易通過液相繞結(jié)達(dá)到致密化，生成均勻的固溶體。賽倫陶瓷中晶相組織的基本結(jié)構(gòu)單元是（Si、Al）（O、N）四面體，其構(gòu)成方式和Al2O32SiO2中的硅氧四面體構(gòu)成硅酸鹽的方式類似。賽倫以耐高溫、高強度、高韌

10、性、超硬度、耐磨損、抗腐蝕等性能為主要特征，在冶金、機械、汽車、光學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。賽倫具有超高硬度、高韌性、熱穩(wěn)定性和低的熱膨脹系數(shù)(好的抗熱沖擊性)，以及對有色金屬無粘合現(xiàn)象等特點，是新型的刀具材料。這種材料制作的刀具沒有冷卻液也可工作，比起硬質(zhì)合金來具有切削速度高、壽命長等特點，被廣泛用作鉆頭、絲錐和滾刀，用于加工鑄鐵、淬火鋼、鎳基高溫合金和鈦合金等。例如，賽倫刀具以1525米／分進(jìn)行高速切削，刀具壽命為硬質(zhì)合金刀具的10

11、～12倍，金屬切除率高于硬質(zhì)合金刀具的18倍。利用賽倫具有非常高的高溫抗氧化性、耐磨損、摩擦系數(shù)小、有自潤滑性(摩擦表面微量分解形成薄的氣膜)的特性，特別當(dāng)賽倫賽倫對磨時，能承受很大的機械應(yīng)力而可在很高速度和壓力下運轉(zhuǎn)，可用做各種機械的耐磨部件。如：①用于制作軸承、滾珠，賽倫軸承的工作溫度可達(dá)1300℃，比普通合金軸承的工作溫度提高2.5倍，而工作速度是普通軸承的10倍，還可免除潤滑系統(tǒng)，大大減少了對鉻、鎳、錳等原料的依賴。②用于制作水

12、泵、砂漿泵、帶腐蝕性的化工泵及有粉塵風(fēng)機中的耐磨、耐腐蝕部件和密封墊圈，其性能優(yōu)越于其他材料。③用于制作定位梢，焊接定位梢在工作時要承受很大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。賽倫定位梢的使用壽命是普通合金定位梢壽命的七百倍。④用于代替金屬制造發(fā)動機部件，用賽倫制的汽車內(nèi)燃機活塞，運行六萬千米，只磨損0.76微米。⑤用于代替特種合金材料制作球磨機的磨球，可研磨多種硬質(zhì)粉料（如陶瓷粉料等）而本身幾乎不會受到磨損。⑥用于制作軋鋼機械的滾軸和拉拔和壓鑄模具，

13、在冷軋和冷撥條件下其使用壽命遠(yuǎn)高于其它材料。此外，賽倫還用作金屬連續(xù)澆鑄的分流環(huán)及噴嘴、熱電偶護(hù)具、晶體生長器具、高爐底部內(nèi)襯和耐熱坩堝等。在銅鋁等合金冶煉和鑄造上也得到了應(yīng)用。利用賽倫具有很好的電絕緣性和優(yōu)良的耐熱沖擊性及其它多種綜合性能，可用來制作電熱塞，用它進(jìn)行汽車點火快速而靈敏，使發(fā)動機起動時間從原來的6～7秒縮短到1～2秒，并可不別擔(dān)心寒冷天氣汽車啟動的困難。賽倫可制成高透光度的透明陶瓷，用作大功率高壓鈉燈的燈管，它在高溫下與

14、鈉蒸氣不發(fā)生作用，又能把95％以上的可見光傳送出來。這種鈉光燈是目前世界上發(fā)光效率最高的燈。相同功率下，一只高壓鈉燈要比兩只水銀燈或十只普通白熾燈發(fā)出的光還要亮，壽命比普通白熾燈高20倍，可使用兩萬小時以上，是目前壽命最長的燈。賽倫可用于人體硬組織的修復(fù)，使其功能得以恢復(fù)。與其他材料相比，賽倫和骨組織的化學(xué)組成比較接近，生物相容性好，在體內(nèi)的化學(xué)穩(wěn)定性、生物力學(xué)相容性和組織親和性等也較好。在臨床醫(yī)學(xué)上，可用來修復(fù)體內(nèi)的某些病變硬組織。如