新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料及其運(yùn)用與發(fā)展趨勢分析

宋居昌

摘 要：新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料是一種近幾年出現(xiàn)的材料，具有諸多優(yōu)勢，在節(jié)約能源、環(huán)保、提升生產(chǎn)效率、延長機(jī)器設(shè)備壽命等方面具有重要作用。新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，為工業(yè)的發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)保障。文章對這種全新結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行了多方面的分析，首先，對新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的概念、組成、特點(diǎn)進(jìn)行了闡述；其次，對新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用范疇進(jìn)行了總結(jié)；再次，對新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的產(chǎn)品開發(fā)方向進(jìn)行了分析；最后，分析了新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的發(fā)展趨勢。經(jīng)由文章的分析與總結(jié)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用狀況，以及其優(yōu)勢，為這種材料在相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：新型；陶瓷；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TQ174.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0019-02

前言

現(xiàn)代信息化時(shí)代中，高新科技在不斷的發(fā)展，在這種發(fā)展趨勢下，對各種材料也提出了更高的要求，尤其是對具有特殊性質(zhì)的新型材料具有較高的關(guān)注。近幾年，結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)陶瓷材料成為材料應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注對象，其應(yīng)用廣泛性也隨之提升。新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的出現(xiàn)，對環(huán)保事業(yè)以及節(jié)能事業(yè)的開展具有重要意義，為此，也引起了政府方面的關(guān)注，經(jīng)由政策、科技等眾多領(lǐng)域的支持下，在理論基礎(chǔ)以及產(chǎn)品開發(fā)等方面均取得了顯著的成效。為進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行開發(fā)與推廣，開展其性能以及應(yīng)用范疇的研究具有必要性，而在下文中也將從這幾個(gè)方向展開論述。

1 新型結(jié)構(gòu)陶瓷概述

1.1 結(jié)構(gòu)陶瓷概念

結(jié)構(gòu)陶瓷是一種發(fā)揮機(jī)械、熱、化學(xué)等性能的全新材料，能夠在諸多較為惡劣的環(huán)境下應(yīng)用，成為現(xiàn)代高新科技實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。結(jié)構(gòu)陶瓷與其他金屬材料進(jìn)行對比，陶瓷材料的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為，優(yōu)異的高溫機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損等，也正是由于這些性能優(yōu)勢，在多種領(lǐng)域中逐漸取代了昂貴金屬資源的地位，對節(jié)約稀缺資源事業(yè)的開展具有重要價(jià)值[1]。結(jié)構(gòu)陶瓷在工業(yè)材料中屬于剛度與硬度最為適合的材料之一。常規(guī)結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有較高的熔點(diǎn)，在高溫下能夠維持較好的化學(xué)穩(wěn)定性，而陶瓷材料的導(dǎo)熱性又低于其他金屬材料，為此也是一種較好的隔熱材料。同時(shí)，多數(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷都具有較為良好的電絕緣性，為此，多被作為各種電壓下的絕緣電器件使用。另外，陶瓷材料具有著較為特殊的化學(xué)性能，能夠作為固體激光器材料、光導(dǎo)纖維材料、光儲存器等應(yīng)用，而在錄音次磁帶、唱片、計(jì)算機(jī)記憶元件等眾多方面也具有著較高的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 結(jié)構(gòu)陶瓷組成

就氧化鋁陶瓷而言，其主要構(gòu)成物為A12O3，常規(guī)含量大于45%，氧化鋁陶瓷材料具有著多種性能優(yōu)勢，包括耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高等。缺點(diǎn)在于脆性較大，不能夠承受突然的環(huán)境溫度變化。此類型的陶瓷材料應(yīng)用范疇較為廣泛，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞、高溫耐火材料、密封環(huán)等[2]。就氮化硅陶瓷材料而言，其主要構(gòu)成物為SI3N4，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在高溫強(qiáng)度高、硬度高、耐磨、耐腐蝕等，使用溫度最高能夠達(dá)到1400℃。此類型的陶瓷材料多作為高溫軸承、腐蝕介質(zhì)密封環(huán)、金屬切削工具等應(yīng)用。就碳化硅陶瓷而言，其主要構(gòu)成物為SIC，其優(yōu)勢主要包括高強(qiáng)度、硬度高、耐高溫等，能夠在1400℃溫度環(huán)境中保持良好的物理性能。此類型的陶瓷材料可作為熱電偶套管、爐管等高溫下工作的部件。

1.3 結(jié)構(gòu)陶瓷特性

結(jié)構(gòu)陶瓷的特性主要受到化學(xué)鍵晶體結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷等因素的影響。就晶體結(jié)構(gòu)方面來看，陶瓷材料的原子間結(jié)合力為離子鍵、共價(jià)鍵等，這些化學(xué)鍵具有著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、方向性較強(qiáng)等性能優(yōu)勢。陶瓷材料結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特性是顯微結(jié)構(gòu)的不均勻性與復(fù)雜性。金屬材料常規(guī)下是從較為均勻的金屬熔體狀態(tài)凝固而成的，后可經(jīng)由冷熱加工等手段改善材料的顯微結(jié)構(gòu)，促使其均勻化[3]。金屬材料不存在或極少存在氣孔，但陶瓷材料多是有粉狀材料制成的，不能夠避免的存在不同數(shù)量的氣孔，不同成分與粒度的粉料雖然經(jīng)過球磨混料，但還是較難達(dá)到較為均勻的程度。另外，陶瓷晶界上還存在著與基礎(chǔ)成分以及結(jié)構(gòu)不同的玻璃相。

2 新型結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用范疇

結(jié)構(gòu)陶瓷材料主要被應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，因其自身的性能優(yōu)勢以及穩(wěn)定性，被汽車制造業(yè)廣泛的應(yīng)用。在近幾年發(fā)展中，結(jié)構(gòu)陶瓷在高新技術(shù)領(lǐng)域也逐漸占據(jù)了一席之地，其重要性也在不斷的提升?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外各領(lǐng)域發(fā)展過程中，對高精密度、高耐磨性、可靠性機(jī)械零組件或電子元件的要求更為嚴(yán)格，為此，陶瓷產(chǎn)品的需求也逐漸受到關(guān)注，市場成長率也成為一個(gè)主要關(guān)注問題。按照應(yīng)用途徑的不同，特殊陶瓷可分為結(jié)構(gòu)陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷等，而其中結(jié)構(gòu)陶瓷多被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)零件的制作領(lǐng)域中。機(jī)械工業(yè)中的部分密封件、軸承等都會頻繁的進(jìn)行摩擦，進(jìn)而對材料的耐磨性要求較高，而結(jié)構(gòu)陶瓷材料的出現(xiàn)有效的改善了這一領(lǐng)域材料不足的問題。性能優(yōu)勢較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，包括碳化氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等被廣泛的應(yīng)用在泥漿泵葉輪、護(hù)套、煤粉輸送管道等領(lǐng)域中。

3 新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料新產(chǎn)品開發(fā)

3.1 空間技術(shù)開發(fā)應(yīng)用材料

在空間技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域中，制造宇宙飛船需要能夠承受高溫與溫度急變、強(qiáng)度高、使用壽命長的結(jié)構(gòu)材料以及防護(hù)材料，在此方面，結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有著絕對的應(yīng)用優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船研發(fā)開始，便已經(jīng)使用了高溫與低溫的隔熱瓦，碳-石英復(fù)合燒蝕材料已經(jīng)成功的應(yīng)用在發(fā)生與回收人造地球衛(wèi)星中。未來空間技術(shù)的發(fā)展需要更加依賴新型結(jié)構(gòu)材料的使用，在此方面，結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)超于其他金屬材料。

3.2 高新科技應(yīng)用材料

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高新技術(shù)的利用率上，也就是軍事工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝录夹g(shù)的應(yīng)用。就軍事工業(yè)發(fā)展方面來看，性能優(yōu)勢較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有重要應(yīng)用價(jià)值。例如，先進(jìn)的亞音速飛機(jī)，其是否能夠成功，在很大程度上受到了高韌性以及高可靠性結(jié)構(gòu)陶瓷等材料的應(yīng)用效果影響。就光通信產(chǎn)業(yè)而言，屬于現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)發(fā)展速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，在其發(fā)展過程中，很大程度的依賴于光纖耗損機(jī)理的研究以及光纖接頭結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。將氧化鋯增韌陶瓷材料合理的應(yīng)用在光纖接頭與套管開發(fā)中，很好的滿足了國內(nèi)光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。endprint

3.3 絕緣性產(chǎn)品

在半導(dǎo)體器件的高密度化與大功率化發(fā)展進(jìn)程中，集成電路制造業(yè)的發(fā)展繼續(xù)開發(fā)出一種絕緣性較強(qiáng)且導(dǎo)熱較快的全新基片材料。早在80年代中后期高導(dǎo)熱性氮化硅基板材料就已經(jīng)逐漸的取代了傳統(tǒng)的氧化鋁基板，而在此領(lǐng)域中，我國所研發(fā)的高熱導(dǎo)氮化鋁陶瓷性能位居于世界前列。氮化鋁-玻璃復(fù)合材料，逐漸成為現(xiàn)代電子封裝材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其熱導(dǎo)率是氧化鋁-玻璃的5-10倍左右，燒結(jié)溫度在1000℃之內(nèi)，能夠與銀、銅等布線材料進(jìn)行共燒，從而制造出導(dǎo)熱性能較高、電性能多層配線板，滿足大規(guī)模集成電路小型化、密集化的發(fā)展需求。

4 新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料發(fā)展趨勢

4.1 美國結(jié)構(gòu)陶瓷材料發(fā)展

在美國，新型結(jié)構(gòu)陶瓷的收益呈現(xiàn)出每年遞增的發(fā)展趨勢，且增速較快，主要增長行業(yè)為電子行業(yè)。結(jié)構(gòu)陶瓷絕緣體、基板、電容等陶瓷元件不只是在傳統(tǒng)地位中增長明顯，結(jié)構(gòu)陶瓷在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中也發(fā)揮了重要優(yōu)勢。此種發(fā)展模式的主要推動(dòng)力為碳化硅材料、氮化硅材料、氧化鋁等，在腐蝕環(huán)境下所顯示出的抗腐蝕性能優(yōu)勢。在越來越多行業(yè)向環(huán)保概念靠攏的發(fā)展進(jìn)程中，將會有更多的耐磨損、抗腐蝕性陶瓷材料應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中。美國結(jié)構(gòu)陶瓷的主要發(fā)展方向?yàn)楦邷亟Y(jié)構(gòu)陶瓷，現(xiàn)階段在航天技術(shù)、核工程、醫(yī)療設(shè)備等眾多方面的利用率均有增加。將氮化硅、碳化硅陶瓷作為基礎(chǔ)的精密材料陶瓷制成品產(chǎn)量占據(jù)全球范圍內(nèi)總量的60%左右。

4.2 我國結(jié)構(gòu)陶瓷材料發(fā)展

在我國經(jīng)濟(jì)水平迅猛發(fā)展下，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有所加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)陶瓷作為機(jī)械行業(yè)的主要應(yīng)用材料，在快速發(fā)展的過程中也面臨著日漸激烈的市場競爭力?，F(xiàn)階段，國內(nèi)各領(lǐng)域最為常見的應(yīng)用材料為金屬，金屬材料具有數(shù)百年的發(fā)展歷史，雖然經(jīng)過反復(fù)的改進(jìn)，但由于金屬材料的自身?xiàng)l件限制，逐漸不能夠再符合耐磨性、抗腐蝕性的需求標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重的影響到各種應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。而作為性能優(yōu)勢較為顯著的結(jié)構(gòu)陶瓷必將會成為未來各領(lǐng)域發(fā)展中的主要應(yīng)用材料，具有著較好的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語

全文對新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的優(yōu)勢、應(yīng)用、發(fā)展趨勢等多個(gè)方面進(jìn)行了論述，從中能夠看出，新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料對現(xiàn)階段各領(lǐng)域發(fā)展均發(fā)揮著重要作用。高新科技的發(fā)展下，對新型材料的要求標(biāo)準(zhǔn)越來越高，包括耐熱性、抗腐蝕性等，以便于其能夠在惡劣的工作環(huán)境中維持穩(wěn)定的物理性能以及化學(xué)性能，而結(jié)構(gòu)陶瓷材料的出現(xiàn)，滿足了這一需求，其高強(qiáng)度、耐腐蝕性、絕緣性等優(yōu)勢日漸凸顯，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。

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