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新型陶瓷材料的应用新型陶瓷材料属于新型材料的一种。传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。最常用的氮化物陶瓷为氮化硅和氰化硼。氮化硅陶瓷具有很高的硬度，有自润滑作用，摩擦系数小，耐磨性好，抗氧化能力强，抗热振性大大高于其他陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸以外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融有色金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能及低的热膨胀性。其中，由热压烧结法制成的氮化硅陶瓷的强度、韧性都高，主要用于制造形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。由反应烧结法制成的氮化硅陶瓷工艺性好，硬度较低，用于制造形状复杂、精度要求高的零件以及用于要求耐磨、耐蚀、耐热、绝缘等场合，如泵密封环、热电偶保护套、高温轴承、增压器转子、缸套、活塞环、电磁泵管道和阀门等。氮化硅陶瓷还是制造新型陶瓷发动机的重要材料。按化学成分划分主要分为两类：一类是纯氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一类是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。按性能与特征划分可分为：高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。随着成分、结构和I：艺的不断改进，新剂陶瓷层出不穷。按其应用不同划分又可将它们分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。在工程结构上使用的陶瓷称为工程陶瓷，它主要在高温下使用，也称高温结构陶瓷。这类陶瓷以氧化铝为主要原料，具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点，在空气中可以耐受1980的高温，是空间技术、军事技术、原子能、业及化工设备等领域中的重要材料。工程陶瓷有许多种类，但目前世界上研究最多，认为最有发展前途的是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。压电陶瓷是一种能将压力转变为电能的功能陶瓷，哪怕是像声波震动产生的微小的压力也能够使它们发生形变，从而使陶瓷表面带电。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机，能够连续打火几万次。透明陶瓷的主要成分有氧化镁、氧化钙、氟化钙等。透明陶瓷不但能透过光线，还具有很高的机械强度和硬度。透明陶瓷是一种很好的透明防弹材料，还可以用来制造车床上的高速切削刀、喷气发动机的零件等，甚至可以代替不锈钢。氮化硅高强度陶瓷以强度高著称，可用于制造燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮等。精密陶瓷氨化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多种方法制备，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K反应后获得：3Si+2N2=Si3N4(条件1600K)也可用化学气相沉积法，使SiCl4和N2在H2气氛保护下反应，产物Si3N4积在石墨基体上，形成一层致密的Si3N4层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl氮化硅、碳化硅等新型陶瓷还可用来制造发动机的叶片、切削刀具、机械密封件、轴承、火箭喷嘴、炉子管道等，具有非常广泛的用途。利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷种类繁多，用途各异。例如，根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料，用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件，变压器等形形色色的电子零件。利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤维、光储存材料及各种陶瓷传感器。此外，陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。总之，新剂陶瓷材料几乎遍及现代科技的每一个领域，应用前景十分广阔。新型氧化铝陶瓷在高温条件下的应用同传统的白炽灯泡相比，同等功率的卤素等离子灯发出的光线更清晰更明亮。如果能增加其内部压力的话，那么它们的效率会更高，寿命也会更长。但是，这一点却由于用来制造电子射线管和灯泡的材料的耐高温性受到限制。常规使用的石英玻璃和陶瓷材料材质太软，不能适应灯泡内部的高压，甚至会使灯发生爆炸。有一种材料能经受如此的高温，那就是氧化铝，亦称矾土或金刚砂。纯的金刚砂同它自然形状的蓝宝石和红宝石一样，在2000以下不会熔化。但是，粉末状的金刚砂很难用传统的玻璃制造工艺进行熔化，并将它吹制及浇铸成一定的形状，因为当熔融液凝固时会形成晶体。所以，目前的生产工艺是将温度控制在低于熔点2000以下，在这个温度下，小颗粒发生烧结，并在表面上混合在一起，同时速度增大。它们之间的小微粒和孔隙就能传播光线。这些被广泛应用的高效陶瓷材料为乳白色，同乳白玻璃一样。目前开发出的新型氧化铝几乎是透明的，而且硬度是以前的两倍。科学家们成功地将氧化铝陶瓷制成各种形状。除了可用于制造中空灯泡外，它还可用作扫描仪上的抗划盘或特殊光学仪器的窗口。获得透明度的关键因素是使原材料的粒度小于1/3微米，在成品中，颗粒的粒度也不能超过1/2微米，因此它们几乎不扩散任何光线。新的制造工艺比传统工艺的温度低600。此外，陶瓷材料的形成和烧结工艺同时也影响颗粒的大小和孔隙率。该材料正在被进一步完善，最后的成品几乎没有任何孔隙，强度很高，可用于制造新型灯具。功能陶瓷是具有电、磁、声、光、热、力、化学或生物功能等的介质材料。功能陶瓷材料种类繁多，用途广泛，主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导体、电光和磁性等功能各异的新型陶瓷材料。它是电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等现代高新技术领域的重要基础材料。功能陶瓷及其新型电子元器件对信息产业的发展和综合国力的增强具有重要的战略意义。电子信息技术的集成化和微型化的发展趋势，推动电子技术产品日益向微型、轻量、薄型、多功能和高可靠的方向发展。功能陶瓷元器件多层化、片式化、集成化、模块化和多功能化以及高性能低成本是其发展的总趋势。本文着重介绍部分功能陶瓷及其片式元器件应用研究的新进展。1铁电陶瓷及其高性能片式元器件多层片式陶瓷电容器(MLCC)是一种量大面广的重要电子元器件，广泛用于电子信息产品的各种表面贴装电路中。大容量、薄层化、低成本、高可靠等是MLCC发展的主要方向。MLCC是陶瓷介质材料、相关辅助材料以及精细制备工艺相结合的高技术产品。陶瓷介质材料是影响MLCC诸多性能的关键因素。钛酸钡铁电陶瓷是MLCC的主流材料。它在居里点附近虽然有较高的介电常数，但其温度变化率也较大。温度稳定型X7R MLCC是一种有广泛而重要用途的片式元件。如何保证高介电常数与低容温变化率兼优是一个技术难题。研究结果表明：通过添加物复合掺杂，控制烧结过程以形成化学成分不均匀的芯(铁电相)-壳(顺电相)结构，所制备的钛酸钡基X7R502 MLCC材料的室温介电常数可达5000左右，室温介电损耗小于1%，电阻率为1011•；m。，击穿场强高于5 kV/mm，容温变化率小于或等于士10%。它为制备军用高可靠大容量X7R MLCC提供了关键新材料。发展新一代超薄型大容量贱金属内电极MLCC对陶瓷材料和制备工艺提出了许多科学与技术方面的问题。MLCC的层厚由原来的几十微米降到几微米，甚至1-3m。这对陶瓷介质材料的晶粒尺寸及微观结构的控制提出更高要求，即需要制备亚微米/纳米晶钛酸钡陶瓷。采用Ni贱金属内电极(base metal electrode,BME)制备MLCC,必须研制抗还原烧结钛酸钡陶瓷介质材料。由于Ni/Ni0的平衡氧分压很低，Ni电极在氧化气氛中烧结极易氧化而失去电极作用。解决钛酸钡陶瓷在低氧分压气氛烧结而不被还原的缺陷化学原理为BME MLCC的实用化和产业化提供了理论与技术指导。近年来，BME MLCC的产业化规模及其在片式多层陶瓷电容器的市场占有率不断增大，应用于高端产品的材料和技术仍是当前BME MLCC的研究热点和难点。采用高品质钛酸钡粉体和受主、施主以及稀土掺杂，通过独特的烧结工艺，制备了高性能亚微米晶钛酸钡X7R(302)抗还原瓷料。陶瓷晶粒100-400nm，室温介电常数2000-3600，击穿场强l0kV/mm，绝缘电阻率为1010•；m，容温变化率小于或等于12%,室温介电损耗小于0.8%。所研制的X7R 302亚微米晶(300nm)贱金属MLCC具有细晶、高介电常数和高的耐压特性，为新一代薄层化BME MLCC提供了关键材料与技术。高温结构陶瓷的应用前景为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度，而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。50至6O年代，发动机热端都部件材料主要是铸造高温合金，其使用温度为800-90O；进人80年代以后，相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等，并且热障涂层技术得到了广泛的应用，使热端部件的使用温度提高到120O-1300，已接近这类合金熔点的80%，虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度，但作为代价降低了热效率，增加了结构复杂性和制造难度，而且对小而薄型的热端部件难以进行冷却，因而再提高的潜力极其有限。由于高温陶瓷的特点耐高温寿命长陶瓷基复合材料预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。碳化硅等特种陶瓷在汽车上的应用氮化硅陶瓷抗温度急变性好，硬度高，其硬度仅次于金刚石、氮化硼等物质，用氮化硅陶瓷材料制造发动机，由于工作温度提高到1370摄氏度，发动机效率可提高30%.同时由于温度提高，可使燃料充分燃烧，排出废气污染成分大幅度下降，不仅降低能耗，并且减少了环境污染。其它一些特种陶瓷材料，种类还非常繁多，它们各有特色，可制成各种功能元件。氧化锂陶瓷为高温材料，滑石陶瓷为高频绝缘材料，氧化钍陶瓷为介电材料，钛酸钡陶瓷为光电材料，硼化物、氮化物、硅化物等金属陶瓷为超高温材料。铁氧体陶瓷为永久磁铁、记忆磁铁、磁头等材料，稀土钴瓷为存贮器材料，半导体瓷为亚敏元件、太阳电池等材料等。许多种类可以用于汽车零部件或检测器件。目前，特种陶瓷材料汽车上应用已经取得重要进展。它们主要有以下几个方面。一、陶瓷汽车发动机上应用新型陶瓷碳化硅氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用氧化铝陶瓷相比，强度其三倍以上，能耐1000摄氏度以上高温，新材料推进了汽车上新用途开发。例如：要将柴油机燃耗费降低30%以上，可以说新型陶瓷不可缺少材料。现汽油机，燃烧能量78%左右热能热传递损失掉，柴油机热效率为33%,与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上热能量损失掉。因此，为减少这部分损失，用热性能好陶瓷材料围住燃烧室进行热，进而用废气涡轮增压器动力涡轮来回收排气能量，有试验证明，这样可把热效率提高到48%.同时，由于新型陶瓷使用，柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越耐热性，而比重却只有金属涡轮约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低缺点。其他正进行研究有：采用新型陶瓷活塞销活塞环等运动部件。由于重量减轻，发动机效率可望得到提高。二、特种敏感陶瓷汽车传感器上应用对汽车用传感器要求能长久适用于汽车特有恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、。声、废气)，并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜优良电磁、光学机能，近年来随着制造技术进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成传感器完全能够满足上述要求。三、陶瓷汽车制动器上应用陶瓷制动器碳纤维制动器基础上制造而成。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维树脂构成，它被机器压制成形，之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器，陶瓷制动器碳硅化合物表面硬度接近钻石，碟片内碳纤维结构使它坚固耐冲击，耐腐蚀，让碟片极为耐磨。目前此类技术除了F1赛车应用，超级民用跑车也有涉及，例如奔驰CL55AMG.四、陶瓷汽车减振器上应用高级轿车减振装置综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应电致伸缩效应研制成功智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件，这种减振器具有识别路面且能做自我调节功能，可以将轿车因粗糙路面引起振动降到最低限度。五、陶瓷材料汽车喷涂技术上应用近年来，航天技术广泛应用陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上新型陶瓷刀具的切削性能在切削过程中，判定刀具切削性能的优劣，往往从刀具切削部分的材料、儿何形状和刀具结构方面进行分析，而刀具材料的分析则以传统的硬质合金为主要的研究对象。随着现代工业技术的不断发展，传统的硬质合金刀具很难胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、红硬性，适干加工高硬材料。即使在12001350的高温下仍能继续切削，且与金属亲和力小，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值小。它还可以进行高速切削，减少换刀次数和由于刀具磨损而引起的尺寸误差，大大提高生产率和产品质量，因而受到人们的重视由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化学稳定性好的性能，因此，适用于干切削加工铸铁和悴火钢，以及适于现代高速切削工艺的要求。制造业是产生环境污染的主要根源，而利用现有刀具材料的优势探索干切削新工艺，是未来金属切削发展的趋势之一。近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环保政第，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。长期以来，应用切削液一直是提高刀具寿命和加工质量的重要工艺因素，但也导致了生态环境的恶化，而且也增加了制造成本。根据美国企业的统计，在冷却加工系统中，切削液占总成本的14%16%，刀具成本占2%4%。因此，美国、德国、日本等经济发达国家都非常重视干式加工的研究。据测，一般情况下，如减少切削液的使用可以节省10%15%的加工成本。欧洲的工业界在大批量生产中，约有1015%的切削加工已经采用了干式切削。因此，未来切削加工的发展方向是尽量少用切削液。干式切削刀具设计时，应该考虑刀具的几何角度、刀具材料、刀片涂层等，而陶瓷和金属陶瓷刀具具有耐热性、高温硬度、化学稳性好的特点，因此，适合于干式切削铸铁和淬硬钢。随着金属切削技术的发展，零件的毛坯制造精度的提高，实现零件的少无切削加工已是现代制造技术的一种发展趋势。采用陶瓷刀具可以实现以车代磨，减