陶瓷材料

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目录

什么是陶瓷材料[1]

  陶瓷材料从广义上讲,是指除有机和金属材料之外的所有其它材料,即无机非金属材料。从狭义上讲,陶瓷材料主要指多晶的无机非金属材料,即经过高温热处理所合成的无机非金属材料。

现代陶瓷材料的特点[2]

  这里将现代的陶瓷材料冠以“先进”(也可称作“精细”、“高技术”等),是为了与传统的陶瓷材料相区别。现代陶瓷与传统陶瓷材料的差别主要体现在以下几个方面:

  1.原材料不同

  传统陶瓷以天然矿物如粘土、石英和长石等不加处理直接使用,而现代陶瓷则使用经人工合成的高质量的粒体作起始材料。

  2.结构不同

  由于原料的不同导致传统陶瓷材料中化学和相组成的复杂多样,杂质成分和杂质相众多而不易控制,显微结构粗劣而不够均匀,多气孔;先进陶瓷则一般化学和相组成较简单明晰,纯度高,即使是复相材料,也是人为调控设计添加的,所以先进陶瓷材料的显微结构比较均匀而细密。

  3.制备工艺不同

  传统陶瓷所用的矿物经混合可直接用于湿法成型,如泥料的塑性成型和浆料的注浆成型,材料的烧结温度较低,一般为900℃到1 400℃ ,烧成后一般不需加工;而先进陶瓷所用的高纯度粉体必须添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型,材料的烧结温度较高,根据材料不同从l 200℃ 到2 200℃ ,烧成后一般尚需加工。

  4.性能不同

  由于以上各点的不同,导致传统陶瓷和先进陶瓷材料性能的极大差异,后者不仅在性能上远优于前者,而且还发掘出传统陶瓷材料所没有的用途。传统陶瓷材料一般限于日常使用和建筑使用,而先进陶瓷,由于其优异的力学性质特别是高温力学性质和各种光、电、声、磁的功能,因而在各个工业领域如石油化工钢铁、电子、纺织汽车等行业中,以及在很多的尖端技术领域如航天、核工业和军事工业中有着广泛的应用价值和潜力。

陶瓷材料的分类[2]

  现代陶瓷可分为四类:电子陶瓷、结构陶瓷、涂层/薄膜和复合材料。下面按分类对其现状及其进展作一简要综述。

  1.电子陶瓷

  电子陶瓷是先进陶瓷中最成熟的,占先进陶瓷市场份额的65% 。电子陶瓷主要用作芯片电容、集成电路封装、传感器、绝缘体、铁磁体、压电陶瓷、半导体、超导等。主要材料有:酸钡(BaTiO3)、氧化锌(ZnO)、锆酸铅(Pb(zr1 − xTi)03)、铌酸锂(LiNbO3)、氮化铝(AlN)、二氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al203)等。相对介电常数及磁导率,电导率和热导率;用于封装时,与金属的连接性能(热匹配性)也很重要。

  2.结构陶瓷

  结构陶瓷主要有:切削_32具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器、生物部件和装甲等。主要材料有:氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化(TiB2)、氧化铝(Al203)和赛隆(Sialon)等。其典型特性有:高硬度、低密度、耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好。

  3.涂层/薄膜

  涂层可充分利用不同材料的性能并显著降低成本。导电芯片上的绝缘涂层膜对集成电路是必不可少的,在发动机部件表面涂上一层耐磨材料则可大大增加其使用寿命

  涂层可分为物理气相涂层(PVD)和化学气相涂层(CVD)。物理涂层过程中不发生化学反应,靶的成份与涂层成份相同;化学涂层过程中发生化学反应,生成新的化合物涂层材料。金刚石涂层/薄膜市场增长很快,CVD 金刚石涂层正被研究开发作为耐磨材料(如刀具、模具),它的高热导率和低介电常数使得它在电子工业上的用途不可限量(如作为芯片)。美国Norton公司已新修了面积2415.4m2厂房,以满足CVD金刚石涂层的市场需求。涂层已成为现代陶瓷中增长最快,并且很可能发展成一个10亿美元产业

  4.复合材料

  复合材料是现代陶瓷中最新的一个部分,也是目前研究开发最活跃的一部分。纤维与晶须增强的结构陶瓷复合材料在过去20年中发展较快,现在则出现了金属基复合材料(MMCs)和陶瓷基复合材料(CMCs)。

  5.纳米陶瓷

  目前的先进陶瓷无论是选用的原料以及成材后的晶粒尺寸均属于微米尺度,因此也称为微米陶瓷。当所选用的原料以及成材后的晶粒达到纳米尺度时,将为陶瓷材料的制备科学、陶瓷学、陶瓷工艺以及最终的材料性能带来突变,从而开拓陶瓷材料的更广泛的用途。

参考文献

  1. 先进陶瓷材料的制备及设计[J].浙江树人大学学报,2004(6)
  2. 2.0 2.1 叶宏明.现代陶瓷材料的特点及分类[J].浙江树人大学学报,2003(6)
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