传统和现代陶瓷在现代工业设计中的新的应用

1、传统和现代陶瓷在工 业设计中的新的应用,按照陶瓷概念和用途分类陶瓷,一、传统陶瓷 传统陶瓷产品如日用陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等是用粘土及其他天然矿物原料经过粉碎加工、成型、烧结等过程而得到的器皿。,二、现代陶瓷 现代陶瓷又叫特种陶瓷特种陶瓷是用于各种现代工业和尖端科学技术所需的陶瓷制品，其所用的原料和所需的生产工艺技术已与普通陶瓷有较大的不同和发展，有的国家称之为“精密陶瓷”。特种陶瓷又可根据其性能及用途的不同细分为结构材料用陶瓷和功能陶瓷。结构材料用陶瓷主要是用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构陶瓷材料功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物一化学功能等陶瓷制品

2、和材料，此外还有核能陶瓷和其它功能材料等。,陶瓷的新的应用,1、高温陶瓷 特种陶瓷的重要组成部分，有时也作为高温耐火材料的组成部分。 按材料主要化学组成可分为高温氧化物陶瓷(如Al2O3、ZrO、MgO、CaO、ThO2、Cr2O3、SiO2、BeO、3Al2O32SiO2等)，碳化物陶瓷，硼化物陶瓷，氮化物陶瓷及硅化物陶瓷等。通常具有耐高温，高强度，高硬度，良好的电性能、热性能和化学稳定性。氧化物高温陶瓷大都在氧化气氛，真空等状态烧结，非氧化物高温陶瓷常用热压或特定气氛下(如氩、氮)烧结。近来也有采用热等静压及微波等方法烧结。对薄膜等，还可采用气相沉积等方法制取。可作为高温结构材料，用于宇航

3、、原子能、电子技术、机械、化工、冶金等许多部门，是现代科学和技术不可缺少的高温工程材料，品种繁多，用途极为广泛。,高温发泡陶瓷及其应用,随着生活水平的提高,现代社会不但对建筑材料的保温性能提出了越来越高的要求,而且还要求材料具有其它特殊功能,如耐火、隔声及装饰效果等。开发一种既具墙地砖装饰特点又具保温等性能的新型墙体材料,无疑有着重大意义。,高温发泡陶瓷材料具有以上各项优点,与目前各类多孔陶瓷在材质及呈孔机理等方面不尽相同。它是经高温烧制,自然发泡生长而成,气孔间不贯通、不吸水,孔径为毫米级。因此,高温发泡陶瓷作为防水、保温等材料具有广泛的应用前景。而将其设计为理想的外观形状,并加以各种色泽装

4、饰又不失为家庭居室装潢的好材料。,高温发泡陶瓷的原理 基本原理在材料组分中,引入适量高温发泡剂,并在材料的软化熔融温度范围内烧成,是制造高温发泡陶瓷的基本原理。高温下材料基体与发泡剂相互共熔,发生化学反应,生成挥发气体。控制烧成温度、时间,保证共熔化学反应生成的挥发气体量在恒定范围内,使共熔反应平缓进行。由于材料熔体的高黏度性质,气体的挥发引起材料整体膨胀,随着烧成温度的降低,熔体中气体挥发后的“熔洞”保存下来,材料内部呈现密集的闭孔气孔,最终获得了多孔性、轻质的材料结构。,下图为高温发泡陶瓷制造的隔热板 其应用了发泡陶瓷的隔热隔音性能,“电鼻子”气敏陶瓷,对空气中的这些有害气体若能做到精确监

5、测、尽早发现、准确预报，将会有效防止事故的发生。为此，科技工作者研制出了专门预报这些有毒、易燃、易爆气体的“电鼻子”。 这种电鼻子学名叫气敏检漏仪。它的“鼻子”是一块“气敏陶瓷”，亦称“气敏半导体”。,气敏陶瓷简介,气敏陶瓷是用二氧化锡等无机材料采用精密的先进工艺压制烧结而成的。它的表面和内部吸附着氧分子，当遇到易燃易爆的还原性气体时，就会与其吸附的氧结合，从而引起陶瓷电阻的变化。在这种情况下，气敏检漏仪就会自动报警。这种气敏陶瓷元件对许多气体反映十分灵敏，如氢气浓度的变化量发生百万分之一的改变即能被准确显示。,气敏陶瓷元件和气敏探测仪,生物陶瓷,生物陶瓷是指具有特殊生理行为的一类陶瓷材料，这

6、种材料可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某些组织、器官，或增进其功能。,生物陶瓷的要求,所谓生物陶瓷的特殊生理行为是指生物陶瓷必须满足下述生物学要求：与生物肌体相容，对生物肌体组织无毒、无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等作用。具有一定的力学要求，不仅要有足够的强度和刚度，不发生灾难性的脆性破裂、疲劳、蠕变和腐蚀破裂等，而且要求刚柔相济，其弹性形变应当和被替换的组织相匹配。能和人体其他组织相互结合，有优良的组织亲和性。 根据生理环境中所发生的生物化学反应，生物陶瓷可分为三种类型：接近于生物惰性的生物陶瓷，如氧化铝、氧化锆及氧化钛陶瓷等；表面活性生物陶

7、瓷，如致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；可吸收生物陶瓷，如类石膏陶瓷、磷酸钙陶瓷及铝酸钙陶瓷等。,生物陶瓷人骨,以羟基磷灰石与磷酸三钙的复合材料是骨的主要矿物成份，具有优良的生物相空性能和临床应用价值。该产品的研究者在国内外的深入研究表明：多孔陶瓷的孔径只有在大于100微米时，只能提供细胞在组织内生长增殖所需要的营养与代谢要求。因此孔径尺寸与形状（是否相通）直接影响材料的生物学特性，并存在着重要作用；同时，人骨结构与成分表明：人体骨既非完整磷石成分（Ca/P=1.67）,亦非磷酸钙（Ca/P=1.50）,而是介于两者之间的物质结构（Ca/P1.62）。基于上述发现和理论基础分析，本产品系

8、人骨结构成分一致的羟基磷灰石和磷酸三钙构成的复合材料，经1200高温处理制成。,人工关节和人工陶瓷牙,经典离子导体的电解质陶瓷,科技工作者对一些已有先进陶瓷材料性能的测试中发现，一类先进陶瓷的电导率可与液体电解质相比拟，将其称为陶瓷离子导体，也称为快离子导体或固体电解质陶瓷。这类电解质陶瓷的电导率比经典离子导体（如碱金属卤化物）高十几个数量级！ 理论上讲，没有缺陷的离子晶体是绝缘体。经典离子晶体具有不高的导电率来源于由晶格中的杂质或热激活引起的晶格结点缺陷的迁移。而电解质陶瓷具有如此之高的电导率，绝非借助于少量点缺陷的迁移所能达到的。 研究结果表明，和普通的金属导体不同（金属导体是靠电子迁移而

9、导电的），快离子导体即固体电解质陶瓷在传输电荷的同时还伴随有离子的迁移，这使它们具有了不同于电子导体的特殊用途。,电解质陶瓷在各方面的应用,首先，在化学电源方面，用作高能燃料电池和高能蓄电池的隔膜材料，固体电解质蓄电池能够突破以水溶液作电解质的传统蓄电池的局限，同时获得高的比能量和比功率。 其次，在化学传感器方面也已显示出其独特的优势。当固体电解质陶瓷两侧存在离子的浓度差时，就会产生浓差电势。电势大小取决于陶瓷两则的浓度差。如果一侧的浓度已知，根据公式可求出另一侧离子的未知浓度。这种通过电势测量直接测定气体、溶液或熔触体中某一元素或离子浓度的方法具有设备简单、操作方便，连续快速等优点，是生产过

10、程自动化的有力帮手。,新旧产品对比,电解质陶瓷电容,透明陶瓷,透明陶瓷也称为光学陶瓷或玻璃陶瓷，是一种既有良好透光性又有优异力学性能的先进陶瓷。它作为一种先进陶瓷材料，以其独具无比的优异性能，已成为航天航空、交通照明、电子仪表等技术领域的基础材料和关键材料。 先进的透明陶瓷是以高纯、超细的人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的先进工艺烧结而成的、比传统陶瓷结构更加精细、性能更加优异的新一代陶瓷。它不仅具有优良的透光性，且在许多力学性能和功能性能上所具有的特异性能是传统陶瓷无可比拟的。,新型的透明陶瓷,在对先进透明陶瓷的光学性能的研究中还发现：它们不仅具有优良的透光性，有些先进透明陶瓷甚至具

11、有光放大功能，如已研制出的一种透明的以亚碲酸盐(TeO2)为主要原料的稀土掺杂玻璃陶瓷可将成为开发“光放大器”的优良基质玻璃陶瓷材料。这种玻璃陶瓷为多晶相陶瓷，与通常的陶瓷制法不同，是通过玻璃体结晶制备的：首先通过令其熔料骤冷并冷却到室温制成玻璃态。然后根据玻璃的成分采取精密的工艺条件把它加热到适当的温度，引起内部发生近程结晶而形成多晶相微晶聚结体（即形成陶瓷体）。这种透明陶瓷虽仍处于实验研究阶段，可望这种产品会对未来的光学通信产生深远的影响作用。,透明陶瓷的技术应用,目前已有几十种先进透明陶瓷投入实用技术中。如氧化钇、氧化铝、氟化钙、铝酸镁等透明陶瓷。它们兼有陶瓷的高强、坚硬、耐温、耐蚀、耐

12、磨等优良性能，在特种照明灯具及许多高技术领域中发挥着特殊的应用价值。例如： 1用作特种灯具的灯管材料 高压钠光灯是一种发光率极高的电光源（发光率比白炽灯高出10倍以上）。但由于灯管内充有高压气体，灯管内钠蒸汽放电时会产生1000以上的高温，且钠的腐蚀性很强，普通玻璃灯管均无法承受。而用透明氧化铝陶瓷制成的灯管在1600时不受钠蚀，且透光性好、耐压、使用寿命长。这种透明陶瓷灯管还用在如：钾灯、高压汞灯、卤钨灯等灯具制造上。 2用作导弹制导器的防护罩 导弹头部的制导器需要有个防护罩，这个防护罩既要能让欲击目标所幅射出的光波信号透过，又要有足够的强度、硬度和耐温性，以保证导弹高速飞行时抵抗气流等强冲

13、击及导弹与气流摩擦产生的高温烧蚀，确保制导装置正常工作。这种防护罩材料唯有透明陶瓷能胜任。故透明陶瓷成为该领域中的关键材料。,透明尖晶石陶瓷和传统透明陶瓷,电压陶瓷,压电陶瓷是一种因其内部的特殊的晶相结构而能产生压电效应的先进功能陶瓷。所谓“压电效应”是指：某些电介质材料由于结晶体的特殊结构，当受到机械力作用 而发生形变时，引起物件的相对两表面产生异种电荷，且电荷密度与应力成正比，此现象称之为“正压电效应”；反之，在这种材料上施加电场时，引起物件发生机械变形，若施加交变电场，材料则随电场频率作伸缩振动，且形变量（或振幅）与施加的电场强度成正比，此称为“电致伸缩效应（或称逆压电效应）”。二者统称

14、为“压电效应”（原理如右图所示）。可见，压电陶瓷具有实现“机械能”与“电能”相互转换的功能，且能量转换（或信号转换）灵敏而精确、频率稳定性好而转换效率高等性能。,电压陶瓷的制备,压电陶瓷的制备是以一些高纯度、超精细的无对称中心的无机化合物晶体粉料，经高温致密烧结制成精密陶瓷（如高纯的钛酸钡陶瓷、钛酸铅陶瓷、锆钛酸铅陶瓷等），并在高压直流电场中进行极化处理（以能形成并强化其特定的功能性能）而成。,电压陶瓷的应用,压电陶瓷的这种奇特的能量转换（或信号转换）功能有着非常广泛的实用价值，主要用作精密仪器及电子技术中的电子元件。 用作压电点火器的发火元件 使压电陶瓷元件接受机械冲击时，即刻产生高压脉冲电

15、流（瞬间电压可达数千伏，瞬间电流可达数万安），并在电极尖端放电而产生电弧。此功能用于电子打火机、燃气灶、导弹引爆器中的点火器的发火元件。由于压电陶瓷具有陶瓷的基本性能，即强度高、硬度大、耐磨损、抗氧化，故用压电陶瓷制作的火石在电子打火机和燃气灶的点火器中使用寿命长，打火次数可达100万次以上。也由于压电陶瓷能量转换灵敏精确且转换效率高，故用在导弹引爆装置中作为点火器元件，其引爆准确率相当高而几乎无失误。 用作电话手机的信号转换器元件 压电陶瓷在电声信号转换中，无论是受机械振动波的作用还是受到交变电场的影响，均会产生机械形变，其形变量尽管很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，

16、它即能够灵敏而精确地实现声波和电频信号的可逆转化，在现代化通信工具中充当着关键性角色。如当手机中的压电陶瓷传感元件接受声波振动冲击时，会通过正压电效应将声音转换成电频信号经调制成微波信号后向外部发射；同时，从外部接受来的微波信号经解调成电频信号后，会通过压电陶瓷传感元件的电致伸缩效应将其转换成机械振动波，以实现通话。由于压电陶瓷信号转换具有极高的灵敏度和精确度，频率稳定性好而适用频率范围宽，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性。故传话几乎不失真。, 用作传感探测器的传感元件 压电陶瓷传感性能（即信号转换性能）非常灵敏而精确，可将极微弱的机械振动波（例如在数十米数百米以外的小昆虫拍打翅膀产生的振动波）和超声波（例如从数百米数千米以外发射或反射回的超声振动）通过其正压电效应转换成电信号而在示波仪或声纳探测仪等电子仪表上显示出来。这种灵敏而高效的传感元件，可装在地震仪、声纳换能器等精密仪器上精确遥测目标的方位、距离、大小及振动的强度。例如：用压电陶瓷制作的“压电地震仪”，能精确地测出