陶瓷材料应用及其前景_陶瓷材料的应用前景

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陶瓷材料应用及其前景

摘要：根据陶瓷材料的不同特性及用途对其进行了较为准确的分类，并对各类陶瓷的应用进行了概述。通过对各类陶瓷特性及应用领域的总结，对陶瓷材料未来的发展作出了新的展望，揭示了陶瓷材料的应用方向及发展趋势。一.陶瓷的分类及性质 1.1氧化物陶瓷 1.2非氧化物陶瓷 1.3纳米陶瓷 1.4陶瓷基复合材料 1.5电子陶瓷 1.6热、光学功能陶瓷 1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷 二.陶瓷的生产 三.陶瓷材料的性能特点 四.陶瓷材料的发展趋势和前景 五.结 束 语 六.参考文献

一.陶瓷的分类及性质

陶瓷材料优异的特性在于高强度、高硬度、高的弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗震性、高导热性能、低膨胀系数、质轻等特点，因而在很多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料所不可胜任的的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基复合材料。

1.1氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要包括氧化镁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫来石陶瓷，氧化物陶瓷最突出的优点是不存在氧化问题。

氧化铝陶瓷，利用其机械强度较高，绝缘电阻较大的性能，可用作真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。利用其强度和硬度较大的性能，可用作磨料磨具、纺织瓷件、刀具等。

氧化镁陶瓷具有良好的电绝缘性，属于弱碱性物质，几乎不被碱性物质侵蚀，对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力。不少金属如铁、镍、铀、釷、钼、镁、铜、铂等都不与氧化镁作用。因此，氧化镁陶瓷可用作熔炼金属的坩埚，浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。

氧化铍陶瓷具有与金属相似的良好的导热系数，约为209.34W/（m.k），可用来做散热器件；氧化铍陶瓷还具有良好的核性能，对中子减速能力强，可用作原子反应堆的减速剂和防辐射材料；另外，利用它的高温比体积电阻较大的性质，可用来做高温绝缘材料；利用它的耐碱性，可以用来作冶炼稀有金属和高纯金属铍、铂、钒的坩埚。

1.2非氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷等。非氧化物陶瓷不同于氧化物陶瓷，在自然界中存在的很少，需要人工来合成原料，然后再按陶瓷工艺制成成品。氮化物、碳化物、硫化物的标准生成自由焓一般都大于相应氧化物，说明生成的氧化物更为稳定。所以，在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物。氧化物原子间的化学键主要是离子键，非氧化物之间一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷难熔、难烧结。

碳化硅陶瓷共价键性极强，在高温下仍保持高的键和强度，强度降低不明显，且膨胀系数小，耐蚀性优良，可作高温结构零部件。碳化硅陶瓷由于熔点高、硬度大主要用作超硬材料、工具材料、耐磨材料，以及高温结构材料；利用它导热系数高、膨胀系数低的特点，可作导热材料、发热材料等。碳化硅陶瓷主要应用于石油工业、化学工业、汽车、飞机、火箭、机械矿业、造纸工业、热处理、核工业、微电子工业、激光等行业。

氮化物陶瓷种类很多，它包括氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷等。氮化硅陶瓷具有耐高温、耐磨性，在陶瓷发动机中用于燃气轮机的转子、锭子和涡形管；由于抗震性好、耐腐蚀、摩擦系数小、热膨胀系数小等特点，广泛应用于冶金和热加工工业中。

氮化铝陶瓷可作为熔融金属用坩埚、保护管、真空蒸度用容器，还可用作真空中蒸镀Au的容器、耐热转、耐热夹具等。电绝缘电阻高、优良的介电系数和低的介电损耗，机械性能好，耐腐蚀，透光性强，根据以上特性可用作高温构件、热交换材料、浇注模具材料以及非氧化电炉的炉衬材料等。

氮化硅陶瓷硬度高、熔点高、化学稳定性好且具金黄色金属光泽是一种较好的耐熔耐磨材料，代金装饰材料。在机械加工工业中，在刀具上涂TiN涂层，提高耐磨性。

1.3纳米陶瓷

纳米陶瓷又称纳米结构材料，纳米复合材料是21世纪的新材料。它的研究是从微米复合向纳米复合方向发展，纳米陶瓷材料不仅能在低温条件下象金属材料那样任意弯曲而不产生裂纹，而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷可作防护材料、高温材料、人工器官的制造、临床应用、以碳化硅为吸收剂的吸收材料、以陶瓷粉末为吸收剂的吸收材料、以及压电性能的应用。它的应用领域为微包覆、超级过滤、吸附、除臭、触媒、固定氧、传感器、光学功能元件、电磁功能元件等。

1.4陶瓷基复合材料

复合材料是两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观形式组合而成的材料。基于提高韧性的陶瓷基复合材料可分为两类：氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。

1.5电子陶瓷

电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。根据电容器陶瓷的介电特性将其分为六类：高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。其中微波介电陶瓷，具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点，广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。

1.6热、光学功能陶瓷

耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中，耐热陶瓷主要有Al2O3、ZrO2、MgO、SiC等，由于它们具有高温稳定性、可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。隔热陶瓷具有很好的隔热效果，被广泛应用于各个领域。

陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维，利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见，如涂料、陶瓷釉。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。

1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷

生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用于作生物硬质组织的代用品，可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。

抗菌材料主要应用于家庭用品、家用电器、玩具及其他领域，家用电器是目前应用最广泛，使用量最大的行业之一。近几年来我国的抗菌材料行业发展很快，在无机抗菌剂、有机抗菌剂、光催化型抗菌剂的产业化及应用开发等领域迅速发展。

多孔陶瓷具有透光率高、比表面积大、低密度、低传导率、耐高温、耐腐蚀等优点被应用于汽车尾气处理，工业污水处理，熔融金属过滤，催化剂载体，隔热、隔音材料等。近几年，多孔陶瓷的应用扩展到了航空领域、电子领域、医用材料领域及生物领域等，已引起全球材料界的高度重视，并迅速发展。

二.陶瓷的生产

(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）

普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）

特种陶瓷（人工的化学或化工原料---各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结

三.陶瓷材料的性能特点

众所周知，金属材料(纯金或合金)的化学健大都是金属键，是由金属键和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性．因此金属有很好的塑性变形性能。而作为无视非金属化合物的陶瓷来讲，其化学定是高于健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此，陶瓷材料很难产生塑性变形．脆性大，裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。但也正是由于它具有这种化学健类型，使结构陶瓷具有一系列比金属材料优异的特殊性能。①高硬度，决定了它具有优异的耐磨性； ②高焰点。决定了它具有杰出的耐热性；

③高化学稳定性．决定了它具有良好的耐蚀性。尽管陶瓷材料有如此优异的特殊性能．但由于其致命的缺点——脆性，因而限制了其特性的发挥和实际应用。因此，陶瓷的韧化使成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题。(1)硬度 是各类材料中最高的。（高聚物

(5)韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。

(6)热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）

(8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9)导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低

四.陶瓷材料的发展趋势和前景 4.1纳米陶瓷材料

“纳米”(nm)是一个尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9 m。纳米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷除了保持陶瓷耐磨损、耐腐蚀等优良性能外，还赋予陶瓷高的韧性，将彻底改变陶瓷为“易碎品”的形象。纳米陶瓷的烧结性能极佳，其烧结温度比普通陶瓷粉体的低几百度。不少纳米陶瓷已实现在1000℃以下致密化，而且有可能继续降低。低温烧结可以节省能源，有利于环境的净化，还可以用于陶瓷材料的连接，使陶瓷材料的物理化学性能甚至力学性能都保持一致。纳米陶瓷的显微硬度极高。纳米陶瓷在功能方面也有着重要的应用。如纳米氧化锌陶瓷的非线性伏安特性。

4.2.梯度材料

为适应同一时间内不同的使用环境，在同一材料内从不同方向上由一种功能逐步连续分布为另一种功能的材料称为梯度功能材料，简称梯度材料。

4.3.智能材料

同时具备自检查功能（传感器功能）、信息处理功能以及指令和执行功能的材料。它具有自诊断、自调节、自修复等功能。

4.4纳米材料的发展前景

近几十年来，陶瓷材料的应用及发展是非常迅速的，陶瓷材料作为继金属材料、高分子材料后最有潜力的发展材料之一，它在各方面的综合性能明显优于现在使用的金属材料和高分子材料。陶瓷材料的应用前景还是相当广阔的，尤其是能源、信息、空间技术和计算机技术的快速发展，更加拉动了具有特殊性能材料的应用。先进陶瓷材料的制备技术日新月异，世界科学技术的发展令人瞩目，展望未来，纳米陶瓷材料的发展已经取得惊人的成绩，有了重大突破。相信在不久的将来，陶瓷材料会有更好、更快的发展，展示出其重要的应用价值。

五.结 束 语 通过一个学期对新材料的学习，拓展了我的知识面，使我重新认识了不少东西，陶瓷材料的发展，超导材料的用途，高分子材料在各个方面的应用，纳米材料的好处与发展前景，合金的优越性，汽车材料应用前景、研究现状，还有我国材料学的发展状况。所以以后还得在平时的学习生活中多多了解一些有关材料的知识。

六.参考文献: 1.张里德、牟季美，纳米材料和纳米结构，北京：科学出版社2002 2.高濂，李尉，纳米陶瓷，北京：化学工艺出版社2002 3.李世谱，特种陶瓷工艺学，武汉：武汉理工大学出版社2007 4.郭卫红，汪济奎，现代功能材料及其应用，北京：化学工业出版社2002 5.刘维良，李佑华，先进陶瓷工艺学，武汉：武汉理工大学出版社2004