新型陶瓷材料

1、特种陶瓷材料，是除金属和聚合物以外的无机非金属材料的总称。工业上使用的典型传统陶瓷产品包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。随着现代科学技术的发展，出现了许多性能优异的新型陶瓷。新陶瓷又称精细陶瓷，是20世纪40年代以来逐渐发展起来的一种新型无机材料。近年来，由于科学技术的进步和新技术的出现，新陶瓷材料发展迅速。国外发展现状在世界范围内，自20世纪60年代以来，先进陶瓷材料的研究受到重视，结构陶瓷略早于功能陶瓷。20世纪60年代和70年代，随着陶瓷研究的新进展，大量具有优异性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。20世纪80年代，以陶瓷发动机为背景，各国加大了对陶瓷材料研发的投入，陶瓷材料基本能满足

2、各种恶劣条件下的使用要求(包括陶瓷发动机部件)。然而，材料的稳定性、可靠性和高成本仍然阻碍着先进陶瓷材料的应用。20世纪90年代中后期，陶瓷材料的研究转向材料性能的稳定性、结构与功能性能的一体化、低成本制备技术等。各国继续增加对陶瓷材料的研究和投资。在国际学术界，无机非金属材料的再利用日益突出。许多国际著名的原始金属杂志已更名为材料杂志，并发表了大量关于先进陶瓷的研究论文。从材料行业来看，世界先进陶瓷材料及其产品的市场总销售额每年高达数百亿美元，年增长率约为30%。中国从20世纪70年代开始重视先进陶瓷材料的研究，并取得了一系列创新成果。纤维增强陶瓷基复合材料已被用于中国的战略导弹，并已被列为

3、最终产品。这是纤维增强陶瓷基复合材料在世界上的首次实际应用。近十年来，中国以开发发动机陶瓷部件为契机，成功开发了一系列新型陶瓷材料。氮化硅和碳化硅基陶瓷材料用于机械密封、金属加工和切割、金属冶炼等行业，已批量生产，年产值1000万元。氧化铝和氧化铬基增韧陶瓷元件被用于许多领域，例如集成电路基板、光纤连接器的关键元件、汽车工业和石油工业。中国在许多新的研究领域也取得了显著进展。例如，多氮陶瓷相图的研究在国际上享有很高的声誉和相当大的影响，多相复合陶瓷的概念促进了大量综合性能优异的新材料的诞生。不断的研究进展对促进陶瓷材料的制备起到了关键作用。对我国纳米陶瓷粉体的制备和团聚的研究表明，我国先进陶瓷

4、材料的发展大多与国防和国民经济的需要相结合，并具有自身的技术特点。然而，纵观中国先进陶瓷领域的发展现状，我国先进陶瓷材料在各个领域的应用一般只是刚刚开始。与发达国家相比，我国在科研、技术、产业化和水平上存在明显差距，不能满足国民经济快速发展的要求。例如，在全球数百亿美元的高级陶瓷年销售额中，中国的销售额仅占12。我国采用胶体原位凝固法生产的各种陶瓷零件，1。陶瓷材料的特性和分类，1。陶瓷材料的相组成特征陶瓷材料的基本相及其结构比金属复杂得多，金属通常由三种不同的相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)。晶相是陶瓷材料的主要组成相，它决定了陶瓷材料的物理和化学性质。玻璃相是低熔点固体陶瓷材

5、料的结合键陶瓷材料的结合键是离子键(如氧化镁和氧化铝)、共价键(如氮化硅和氮化硼)以及离子键和共价键的混合键。离子键或共价键的形成主要取决于两个原子之间的电负性。3.陶瓷材料的结构特征陶瓷材料的晶体结构比金属材料复杂得多，但仍以立方、四方和六方晶体系统为主。离子键晶体的配位数取决于离子半径。对于共价键合的晶体，配位数符合8-N法则(N是族数)。陶瓷材料的性能特点由于键合键是共价键或离子键，陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、耐高温、抗氧化和耐腐蚀等特性。它还具有密度小、弹性模量大、耐磨、强度高等特点。功能陶瓷还具有电学、磁学和光学特性。35%盐酸40，陶瓷拉伸曲线，5。陶瓷材料的工艺特性

6、陶瓷是脆性材料，因此大多数陶瓷都是通过粉末成型和烧结来获得所需的形状，即烧结体。烧结体也是晶粒的集合体，具有晶粒和晶界，问题是它具有一定的孔隙率。粉末烧结法陶瓷材料的制备原理是：粉末原料成型后，长期保持高温非液相(主晶相为固体)，通过原子扩散结合，形成具有一定密度和强度的产品。成型方法：成型，将粉末装入模具，通过单向或双向压制成型为粉末坯料。单向压制底部的密度最低。双向压制可以使密度更均匀，但工件中间的密度仍然很低。成型方法：等静压成型，将装在密闭容器(夹套)中的粉末置于压力缸中的高压流体介质中，整个夹套基本上处于等压状态。加压过程中不加热称为冷等静压。当工件在压制过程中同时加热烧结时，这种方

7、法称为热等静压。通常，高纯度氩气被用作压制介质。热等静压工件的密度可达98%以上。烧结是指将陶瓷体加热至高温，使其经历一系列物理和化学反应，然后冷却至室温，使其具有足够的密度、强度和物理化学性能的过程。决定粉末能否致密化以及产品能否烧制的关键是温度和保温时间的选择。温度过高和保温时间过长会导致坯体或粗粒变形；温度太低，保温时间太短，产品密度和强度不够。陶瓷材料分类1。根据所用的原料，可分为传统陶瓷材料和新型陶瓷材料。传统陶瓷材料主要使用含有较多杂质(或不确定杂质)的材料，如天然岩石、矿石和粘土作为原料。新型陶瓷材料是以高纯度或可控纯度的化学方法为原料合成的。2.根据其性能和应用，可分为工程结构

8、陶瓷和功能陶瓷。工程结构中使用的陶瓷称为工程陶瓷，因为它们主要用于高温，也称为高温结构陶瓷。工程结构陶瓷种类繁多，但氮化硅、碳化硅和增韧氧化物是目前研究最多、被认为最有前途的材料。利用陶瓷独特的物理特性制成的陶瓷材料称为功能陶瓷。由于它们不同的物理性质，它们被广泛使用。与传统陶瓷材料相比，新型陶瓷材料除了原料来源不同外，还具有以下特点：1 .新陶瓷材料的组成已经超过了传统陶瓷材料的硅酸盐基范围，包括碳化物、氮化物、硼化物、硫化物和其他盐以及除氧化物、复合氧化物和含氧酸盐之外的简单物质。2.使用已经从材料固有的静态物理特性发展到使用各种物理效应和微观ph的功能3.制备工艺和产品形态在制备工艺和方

9、法上有了很大的创新和改革，产品形态也发生了很大的变化，从块状和粉末到单晶、薄膜、纤维化和复合。3.新的结构陶瓷材料，氧化铝陶瓷，以氧化铝为主要成分的氧化铝陶瓷和少量二氧化硅，也称为高铝陶瓷，根据不同的氧化铝含量分为75瓷(含75%)。氧化铝陶瓷具有良好的耐高温性能，可以使用到1950年。良好的电绝缘性、耐磨性和性能。微晶刚玉具有极高的硬度(仅次于金刚石)。氮化硅(Si3N4)陶瓷1、氮化硅结构氮化硅是由SiN4四面体构成的共价键固体。它有两种结构：和，两者都是六角形晶格。它们之间的区别在于原子层的堆叠顺序不同。然而，它们不是同分异构体，它们可以在很宽的温度范围内同时合成。2.制备技术高强度、高

10、韧性氮化硅产品的合成和制造要求粉末原料中-Si3N4相含量高，粒度细。为了避免过多的晶界相对高温性能的损害，要求粉末具有高纯度。氮化硅粉体的主要合成方法有：工业硅的直接氮化、二氧化硅的还原氮化、二氧化硅的还原氮化、硅亚胺和氨基硅的热分解或硅烷与氨的气相反应是制备氮化硅粉体的方法与该方法相比，该方法反应速度快，纯度可控，生产工艺廉价，已用于生产高强度氮化硅陶瓷。当需要相对高纯度的氮化硅膜时，通常使用该方法和该方法，并且不能用于大规模生产。烧结技术、烧结技术和氮化硅的特性氮化硅必须完全致密才能用作高质量的工程材料，因此必须先烧结才能致密。为了实现致密化，通常加入一定量的烧结添加剂来起到填充作用，常

11、用的添加剂是氧化镁和氧化钇。烧结压力低，需要的烧结添加剂量大。Si3N4、3的烧结结构、性能、特征、高强度、比强度和比模量(弹性模量/密度)。室温反应烧结氮化硅的抗弯强度为200兆帕，可保持在12001350。Si3N4轴承，热压氮化硅的孔隙率接近于零，室温弯曲强度可达800-1000兆帕，比模量为11.9104兆帕，而钢的比模量仅为2.8104兆帕。氮化硅的硬度和耐磨性非常高，仅次于金刚石、碳化硼和其他物质。氮化硅的摩擦系数仅为0.10.2，相当于油润滑的金属表面。抗热震性所谓的抗热震性是指材料承受温度急剧变化(即热震)而不失效的能力(抗热震性通常用公式R K/E表示)。其中：是抗拉强度，k

12、是热导率，热膨胀系数，e是弹性模量)。反应烧结氮化硅的热膨胀系数仅为2.5310-6/，其抗热震性远远高于其他陶瓷材料。化学稳定性高，能抗除熔融氢氧化钠和氢氟酸以外的所有无机酸和一些碱溶液的腐蚀。抗氧化温度达到1000。分解温度约为1900。好的电绝缘体的室温电阻率为1.11014厘米。反应烧结氮化硅产品的精度很高，烧结过程中尺寸变化仅为0.10.3%。轴承材料用Si3N4和钢；4.主要用途热压烧结氮化硅用于制造形状简单、精度要求低的零件。如刀具和高温轴承。反应烧结氮化硅的强度和韧性低于热压氮化硅，主要用于制造形状复杂、尺寸精度要求高的零件。如泵的机械密封环(长67倍-SiC是六方结构的高温稳

13、定相，而-SiC是立方结构的低温稳定相。SiC结构，(1000)平面，2。碳化硅的生产工艺是将石英砂(二氧化硅)和焦炭直接加热到高温进行还原：二氧化硅3C碳化硅。颜色为绿色和黑色，碳化硅含量越高，颜色越浅，高纯度无色。其他包括气体冷凝二氧化硅碳还原过程和气相合成。由于晶界能与表面能的比值很高，而且碳化硅表面有一层薄的氧化膜，碳化硅很难烧结。通常采用一些特殊的工艺和烧结助剂来促进烧结。常用的添加剂包括硼、碳、铝等。加入硼和碳可以降低晶界能，常压烧结或热压烧结可以获得高密度的产品。铝对致密化过程的影响与硼相似，但硼的加入容易导致晶粒异常长大，而铝能抑制晶粒长大。除了常压烧结和热压烧结，碳化硅也可以

14、通过反应烧结来制造。这种方法的特点是烧结温度低，收缩率几乎为零。反应烧结是将碳化硅粉末与石墨粉混合成型，然后放入装有硅粉的炉中加热至16001700，使硅蒸汽渗入生坯，与碳反应形成碳化硅，生坯中的原碳化硅紧密结合在一起。2.性能特征碳化硅的最大特点是其在高温下的高强度，在1400下其弯曲强度保持在500-600兆帕的高水平。碳化硅具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、抗蠕变性和较强的导热能力，在陶瓷中仅次于氧化铍陶瓷。主要用途碳化硅陶瓷可用于制造火箭喷嘴、金属浇注喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片和轴承等。由于其良好的耐磨性，可用于制造各种泵的密封圈和拉伸模。陶瓷发动机材料的研究也在进行中。为了提高陶

15、瓷材料的韧性，半导体工业中使用的耐磨耐热碳化硅零件、碳化硅制品和结构、碳化硅密封和增韧氧化物陶瓷都进行了大量的研究，近十年来在增韧氧化物陶瓷方面取得了突破性进展。氧化锆和增韧氧化物是一种高温结构陶瓷，其中分散有一定量的亚稳态物质。当受到外力时，这些物质经历相变并吸收能量，这放松了裂纹尖端的应力场并增加了裂纹扩展阻力，从而大大提高了韧性。目前，常用的相变材料是四方氧化锆。原则上，许多氧化物甚至非氧化物陶瓷都可以被氧化锆增韧。然而，实验结果表明，只有两种体系效果最好，即氧化锆增韧氧化铝和氧化锆增韧氧化锆，也称为部分稳定氧化锆(PSZ)。部分稳定的氧化锆具有低热导率(比Si3N4低4/5)和良好的绝

16、热性；热膨胀系数大，接近发动机中使用的金属，因此易于与金属零件连接；由于其高抗弯强度和断裂韧性，除了在室温下使用外，它已成为绝热柴油机的主要候选材料。氧化锆(白色氧化锆)增韧氧化铝的微观结构很快由四方相转变为单斜相，导致体积变化大(5%)、热收缩和冷膨胀，产品容易开裂。单斜结构，立方相，向氧化锆中加入与其结构相似的氧化物(如CaO、MgO、Y2O3、CeO、Se2O3等稀土氧化物)，在高温下形成立方固溶体，并迅速保持在室温。这种固溶体不再经历相变。具有这种结构的氧化锆被称为完全稳定的氧化锆(FSZ)，其具有低机械性能和差的抗热震性，并且可以用作介电装置或耐火材料。完全稳定的氧化锆耐火材料，如果添加的氧化物的量减少，所有的氧化物将不会处于稳定的立方相，但是一些将存在于四方相。这样，含有四方相的材料只能稳定一部分氧化锆，因此部分稳定的氧化锆被