陶瓷材料的分類及發(fā)展前景＊

范金嶺

（唐山中陶實(shí)業(yè)有限公司 河北 唐山 063000）

前言

陶瓷材料是人類生活和現(xiàn)代化建設(shè)中不可缺少的一種材料。它是繼金屬材料，非金屬材料之后人們所關(guān)注的無機(jī)非金屬材料中最重要的材料之一。它兼有金屬材料和高分子材料的共同優(yōu)點(diǎn)，在不斷改性的過程中，已經(jīng)使其易碎性得到很大的改善。陶瓷材料以其優(yōu)異的性能在材料領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，受到人們的高度重視，在未來的社會(huì)發(fā)展中將發(fā)揮非常重要的作用。

陶瓷材料按其性能及用途可分為2大類：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷?，F(xiàn)代先進(jìn)陶瓷的性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿、耐磨損、抗氧化以及良好的光學(xué)性能、聲學(xué)性能、電磁性能、敏感性等性能遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料和高分子材料；而且先進(jìn)陶瓷是根據(jù)所要求的產(chǎn)品性能，經(jīng)過嚴(yán)格的成分和生產(chǎn)工藝制造出來的高性能材料，因此可用于高溫和腐蝕介質(zhì)的環(huán)境當(dāng)中，是現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。在此，筆者將對(duì)先進(jìn)陶瓷的種類及其應(yīng)用領(lǐng)域做詳細(xì)的介紹。

1 結(jié)構(gòu)陶瓷

其陶瓷材料優(yōu)異的特性在于高強(qiáng)度、高硬度、高的彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗震性、高導(dǎo)熱性能、低膨脹系數(shù)、質(zhì)輕等特點(diǎn)，因而在很多領(lǐng)域逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料所不可勝任的領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結(jié)構(gòu)陶瓷可分為3大類：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料。

1.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要包括氧化鎂陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化錫陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫來石陶瓷。氧化物陶瓷最突出的優(yōu)點(diǎn)是不存在氧化問題。

氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度較高、絕緣電阻較大的特性，可用作真空器件、裝置瓷、厚膜和薄膜電路基板、可控硅和固體電路外殼、火花塞絕緣體等。其強(qiáng)度和硬度較大，可用作磨料磨具、紡織瓷件、刀具等。

氧化鎂陶瓷具有良好的電絕緣性，屬于弱堿性物質(zhì)，幾乎不被堿性物質(zhì)侵蝕，對(duì)堿性金屬熔渣有較強(qiáng)的抗侵蝕能力。不少金屬如鐵、鎳、鈾、釷、鉬、鎂、銅、鉑等都不與氧化鎂作用。因此，氧化鎂陶瓷可用作熔煉金屬的坩堝，澆注金屬的模具，高溫?zé)犭娕嫉谋Ｗo(hù)管以及高溫爐的爐襯材料等。氧化鎂在空氣中易吸潮并水化生成Mg（OH）2，在制造過程中必須注意。為了減少吸潮，應(yīng)適當(dāng)提高煅燒溫度，增大粒度，也可增加一些添加劑，如TiO2、Al2O3等。

氧化鈹陶瓷具有與金屬相似的良好的導(dǎo)熱系數(shù)，約為209.34W／（m·K），可用來做散熱器件；氧化鈹陶瓷還具有良好的核性能，對(duì)中子減速能力強(qiáng)，可用作原子反應(yīng)堆的減速劑和防輻射材料；另外，利用它的高溫比體積電阻較大的性質(zhì)，可用來做高溫絕緣材料；利用它的耐堿性，可以用來作冶煉稀有金屬和高純金屬鈹、鉑、釩的坩堝。

氧化鋯陶瓷耐火度高，比熱和導(dǎo)熱系數(shù)小，是理想的高溫絕緣材料；化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫時(shí)仍能抗酸性和中性物質(zhì)的腐蝕。氧化鋯坩堝用于冶煉金屬及合金，如鉑、鈀、銣、銠的冶煉和提純。對(duì)鋼水很穩(wěn)定，是連續(xù)鑄錠的耐火材料。

氧化錫陶瓷熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)高，高溫穩(wěn)定性高，可以用來做高溫導(dǎo)熱材料。高溫時(shí)的導(dǎo)電率高，可以用作高溫導(dǎo)電材料。另外，氧化錫陶瓷抵抗玻璃液的侵蝕能力強(qiáng)，可做坩堝和玻璃電熔的電極。

莫來石陶瓷機(jī)械強(qiáng)度較高，高溫荷重下變形小，熱膨脹系數(shù)小，抗沖擊性好。可用來制造熱電偶保護(hù)管、電絕緣管，高溫爐襯，還可以用來制造多晶莫來石纖維，高頻裝置瓷的零件等。

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，在自然界中儲(chǔ)量很少，需要人工合成原料，然后再按陶瓷工藝制成成品。氮化物、碳化物、硫化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓一般都大于相應(yīng)氧化物，說明生成的氧化物更為穩(wěn)定。所以，在原料的合成和陶瓷燒結(jié)時(shí)易生成氧化物。氧化物原子間的化學(xué)鍵主要是離子鍵，非氧化物之間一般是鍵性很強(qiáng)的共價(jià)鍵，因此，非氧化物陶瓷難熔、難燒結(jié)。

1）碳化硅陶瓷共價(jià)鍵性極強(qiáng)，在高溫下仍保持較高的鍵和強(qiáng)度，強(qiáng)度降低不明顯，且膨脹系數(shù)小，耐蝕性優(yōu)良，可用作高溫結(jié)構(gòu)零部件。碳化硅陶瓷由于熔點(diǎn)高、硬度大，主要用作超硬材料、工具材料、耐磨材料以及高溫結(jié)構(gòu)材料；利用它導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)，可用作導(dǎo)熱材料、發(fā)熱材料等。碳化硅陶瓷主要應(yīng)用于石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、汽車、飛機(jī)、火箭、機(jī)械礦業(yè)、造紙工業(yè)、熱處理、核工業(yè)、微電子工業(yè)、激光等行業(yè)。

2）氮化物陶瓷種類很多，它包括氮化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化鈦陶瓷等。氮化硅陶瓷具有耐高溫、耐磨，在陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)中用于燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子、錠子和渦形管；由于具有抗震性好、耐腐蝕、摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金和熱加工工業(yè)中。

氮化鋁陶瓷可作為熔融金屬用坩堝、保護(hù)管、真空蒸鍍用容器，還可用作真空中蒸鍍Au的容器、耐熱轉(zhuǎn)、耐熱夾具等。電絕緣電阻高、優(yōu)良的介電系數(shù)和低的介電損耗，機(jī)械性能好，耐腐蝕，透光性強(qiáng)，根據(jù)以上特性可用作高溫構(gòu)件、熱交換材料、澆注模具材料以及非氧化電爐的爐襯材料等。

氮化硼陶瓷較好的耐高溫性、電絕緣性，可用作電氣工業(yè)部門的絕緣材料。由于導(dǎo)熱性幾乎不隨溫度變化，及對(duì)微波輻射的穿透性能，可用作雷達(dá)的傳遞窗。氮化硼中有硼原子存在，故具較強(qiáng)中子吸收能力用作原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。利用它的熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小及幾乎對(duì)所有熔融金屬都穩(wěn)定的性能，可用作高溫金屬冶煉坩堝、耐火材料、熱片及導(dǎo)熱材料，是制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件的最佳材料。

氮化硅陶瓷硬度高、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好且具有金黃色金屬光澤，是一種較好的耐熔耐磨材料，代金裝飾材料。在機(jī)械加工工業(yè)中，在刀具上涂TiN涂層，可以提高其耐磨性。

1.3 納米陶瓷

納米陶瓷又稱納米結(jié)構(gòu)材料，納米復(fù)合材料是21世紀(jì)開發(fā)的新材料。它的研究是從微米復(fù)合向納米復(fù)合方向發(fā)展，納米陶瓷材料不僅能在低溫條件下像金屬材料那樣任意彎曲而不產(chǎn)生裂紋，而且能夠像金屬材料那樣進(jìn)行機(jī)械切削加工，甚至可以做成陶瓷彈簧。納米陶瓷可作防護(hù)材料、高溫材料、人工器官的制造、臨床應(yīng)用、以碳化硅為吸收劑的吸收材料、以陶瓷粉末為吸收劑的吸收材料以及壓電性能的應(yīng)用。它的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槲?、超?jí)過濾、吸附、除臭、觸媒、固定氧、傳感器、光學(xué)功能元件、電磁功能元件等。

1.4 陶瓷基復(fù)合材料

復(fù)合材料是2種或2種以上不同化學(xué)性質(zhì)或不同組織相的物質(zhì)，以微觀或宏觀形式組合而成的材料?；谔岣唔g性的陶瓷基復(fù)合材料可分為2類：氧化鋯相變?cè)鲰g復(fù)合材料和陶瓷纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。

氧化鋯相變?cè)鲰g復(fù)合材料是把部分的氧化鋯粉末與其他陶瓷粉末混合后制成的高韌性材料，這種材料在陶瓷切削刀具方面得到了廣泛的應(yīng)用。

纖維強(qiáng)化被認(rèn)為是提高陶瓷韌性最有效、最有前途的方法。纖維強(qiáng)度一般比基體高得多，它對(duì)基體具有強(qiáng)化作用；同時(shí)纖維具有顯著阻礙裂紋擴(kuò)展的能力，從而提高材料的韌性。目前韌性最高的陶瓷就是纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料。另一種增強(qiáng)材料是陶瓷晶須，晶須尺寸非常小，但卻是近乎完美的纖維狀單晶體，其強(qiáng)度和模量接近材料的理論值，極適用于陶瓷的強(qiáng)化，目前這類材料在陶瓷切削刀具方面得到廣泛應(yīng)用。

2 功能陶瓷

功能陶瓷是指在應(yīng)用時(shí)主要利用其非力學(xué)性能的材料，這類材料通常具有一種或多種功能。如電、磁、光、熱、化學(xué)、生物等功能，以及耦合功能，如壓電、壓磁、熱電、電光、聲光、磁光等功能。功能陶瓷已在能源開發(fā)、空間技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.1 電子陶瓷

電子陶瓷包括絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及導(dǎo)電、超導(dǎo)陶瓷。根據(jù)電容器陶瓷的介電特性將其分為6類：高頻溫度補(bǔ)償型介電陶瓷、高頻溫度穩(wěn)定型介電陶瓷、低頻高介電系數(shù)型介電陶瓷、半導(dǎo)體型介電陶瓷、疊層電容器陶瓷、微波介電陶瓷。其中微波介電陶瓷具有高介電常數(shù)、低介電損耗、諧振頻率系數(shù)小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、廣播電視、雷達(dá)等領(lǐng)域。

2.2 熱、光學(xué)功能陶瓷

耐熱陶瓷、隔熱陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷是陶瓷在熱學(xué)方面的主要應(yīng)用。其中，耐熱陶瓷主要有Al2O3、ZrO2、MgO、SiC等，由于它們具有高溫穩(wěn)定性好，可作為耐火材料應(yīng)用到冶金行業(yè)及其他行業(yè)。隔熱陶瓷具有很好的隔熱效果，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

陶瓷材料在光學(xué)方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信號(hào)發(fā)生器和光導(dǎo)纖維，利用陶瓷光系數(shù)特性在生活中隨處可見，如涂料、陶瓷釉。核工業(yè)中，利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面廣泛應(yīng)用。陶瓷還是固體激光發(fā)生器的重要材料，有紅寶石激光器和釔榴石激光器。光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代通信信號(hào)的主要傳輸媒介，具有信號(hào)損耗低、高保真性、容量大等特性優(yōu)于金屬信號(hào)運(yùn)輸線。

透明氧化鋁陶瓷是光學(xué)陶瓷的典型代表，在透明氧化鋁的制造過程中，關(guān)鍵是氧化鋁的體積擴(kuò)散為燒結(jié)機(jī)制的晶粒長(zhǎng)大過程，在原料中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┤缪趸V，可抑制晶粒的長(zhǎng)大。其可用作熔制玻璃的坩堝，紅外檢測(cè)窗材料，照明燈具，還可用于制造電子工業(yè)中的集成電路基片等。

2.3 生物、抗菌陶瓷

生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于測(cè)量、診斷、治療外，主要是用作生物硬質(zhì)組織的代用品，可應(yīng)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。

抗菌材料主要應(yīng)用于家庭用品、家用電器、玩具及其他領(lǐng)域，家用電器是目前應(yīng)用最廣泛、使用量最大的行業(yè)之一。近幾年來我國(guó)的抗菌材料行業(yè)發(fā)展很快，在無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑、光催化型抗菌劑的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用開發(fā)等領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。

2.4 多孔陶瓷

多孔陶瓷具有透光率高、比表面積大、密度低、傳導(dǎo)率低、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于汽車尾氣處理、工業(yè)污水處理、熔融金屬過濾、催化劑載體、隔熱、隔音材料等。近幾年，多孔陶瓷的應(yīng)用擴(kuò)展到了航空領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、醫(yī)用材料領(lǐng)域及生物領(lǐng)域等，已引起全球材料界的高度重視，并得到迅速發(fā)展。為了得到不同的多孔陶瓷，各種制備方法相繼提出，如添加造孔劑法、溶膠凝膠法、熱壓法、離子交換法等。

3 結(jié)語(yǔ)

近幾十年來，陶瓷材料的應(yīng)用及發(fā)展是非常迅速的，陶瓷材料作為繼金屬材料、高分子材料后最有潛力的發(fā)展材料之一，它在各方面的綜合性能明顯優(yōu)于目前使用的金屬材料和高分子材料。陶瓷材料的應(yīng)用前景還是相當(dāng)廣闊的，尤其是能源、信息、空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，更加拉動(dòng)了具有特殊性能材料的應(yīng)用。先進(jìn)陶瓷材料的制備技術(shù)日新月異，世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展令人矚目，納米陶瓷材料的發(fā)展已經(jīng)取得驚人的成績(jī)，有了重大突破。相信在不久的將來，陶瓷材料會(huì)有更好、更快的發(fā)展，展示出其重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 張里德，牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu).北京：科學(xué)出版社，2002

2 高濂，李尉.納米陶瓷.北京：化學(xué)工藝出版社，2002

3 李世譜.特種陶瓷工藝學(xué).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2007

4 郭衛(wèi)紅，汪濟(jì)奎.現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

5 劉維良，李佑華.先進(jìn)陶瓷工藝學(xué).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004