陶瓷材料的应用与前景
作者：***
单位：辽宁工程技术大学
  一、陶瓷材料发展历史及其概念的内涵
陶瓷是人类生活和生产中不可缺少的一种材料。陶瓷产品的应用范围遍及国民经济各个领域。它的发展经历了从简单列复杂、从粗糙到精细、从无油到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平的提高．各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也随之发生变化。
原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。
  接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。
陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围）
现代陶瓷材料具有高新技术内涵。与传统材料相比．主要具有以下三个特点：
(1)以现代科技发展的要求为背景．是现代科技发展的产物，为高新技术产品。
(2)制造工艺复杂，需要现代科技成果的指导．因而为技术知识密集型产品。
(3)具有优异的威特殊的性能，能满足商新技术产业的要求。
二、陶瓷材料的分类
研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。这里应该和量子力学，纳米技术，表面化学等学科关联起来。陶瓷学科成为一个综合学科。
　陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷，它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。
  随着生产与科学技术的发展．陶瓷材料及产品种类日益增多．为了便于掌握各种材例或产品的特征，通常以不同的角度加以分类。
1.按化学成分分类
(1)氧化物陶瓷。氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位。最常用的氧化物陶瓷是用Al2O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2，CaO．Cr2O3及莫莱石(3Al2O3.2SiO4)
和尖晶石(MgAl2O3)等。陶瓷中的Al2O3和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样被广泛应用，表11.1中列出了一些氧化物陶瓷．硅酸盐亦属氧化物系列。如ZrsiO4。Call已等，还有复合氧化物如BaT吗、CgyiO；等。
    (2)碳化物陶瓷。碳化物陶瓷～般具有比氧化物更高的熔点。最常用的是SIC、SC，凤C．TIC等。碳化物陶瓷在制备过程中应有气氛保护。
(3)氨化物陶瓷。氯化物中应用最广泛的是a几，它具有优良的综合力学性能和耐高温性能。另外，TZN、BN、AI问筹氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚刚出现的C3N4，可望其性能超过Si3O4。
(4)四化物陶瓷。硼化物陶瓷的应用并不很广泛，主要是作为深加剂或第二相加入其它陶瓷基体中，以达到改善性能的目的。常用的有Ti已、Zr＆等。
2.按性能和用途分类
(1)结构陶瓷。结构陶瓷作为结构材料用来制造结构零部件．主要使用其力学性能。加强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性能(高温强度、抗热震性、耐烧蚀性)等。上面
讲到的核化学成分分类的四种陶瓷大多数均为结构陶瓷。如 AjZQ石．3N4、Z戏都是力学性能优越的代表性结构陶瓷材料。
(2)功能陶瓷。功能陶瓷作为功能材料用来制造功能器件，主要使用其物理性队如电磁性能、热性能、光性能、生物性能等。例如铁氧体．铁电陶瓷主要使用其电磁性能．用来制造电磁元件，介电陶瓷用来制造电容器，压电陶瓷用来制作位移或压力传感器．固体电解质陶瓷利用其离子传身特性可以制作氧探测器．生物陶瓷用来制造人工骨骼和人工牙齿等。超导材料和光导纤维也属于功能陶瓷的范畴。
值得提出的是，上述分类也是相对的．而不是绝对的，结构陶瓷和功能陶瓷有时并无严格界限，对于某些陶瓷材林二者兼而有之。加压电陶瓷。虽然可将它划分为功能陶瓷之列，但对其力学性能，如杭区强度、韧性、硬度、弹性模量亦有一定的要求。首先必须有足够的强度，在承受E力时不致破坏，才能实现共压电特性。另外如高温结构陶瓷或航天器防热部件用抗热震耐烧依陶瓷，虽属结构陶瓷之列．但抗热展性不但决定于它本身的强度、韧性、模量，而且导热系数、热膨胀系数也与力学性能一样，对抗热震性有着十分重要的影响。耐腐蚀性是化工陶瓷(如耐酸泵)的重要性能，但要求必须具有～定的力学性能，才
能满足承我要求。超导材料就是因为脂性大，做成导线困难．因而目前尚不能进入实际应用阶段。综上所述，不论是结构陶瓷还是功能陶瓷，力学性能是陶瓷材料的最基本性能．只不过是不同用途对力学性能要求的高低不同而已。
本章讨论的对象主要是结构陶瓷。
三、陶瓷材料的特点
1.陶瓷材料的性能特点
众所周知，金属材料(纯金日或合金)的化学健大都是金属但，是由金属正高于和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性．因此金属有很好的塑性变形性能。而作为无视非金属化合物的陶瓷来讲，其化学定是高于健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此，陶瓷材料很难产生塑性变形．脆性大，裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。但也正是由于它具有这种化学健类型，使结构陶瓷具有一系列比金属材料优异的特殊性能。
①高硬度，决定了它具有优异的耐磨性；
②高焰点。决定了它具有杰出的耐热性；
③高化学稳定性．决定了它具有良好的耐蚀性。
尽管陶瓷材料有如此优异的特殊性能．但由于其致命的缺点——脆性，因而限制了其特性的发挥和实际应用。因此，陶瓷的韧化使成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题(详见陶瓷的韧化一节)。
2.现代(先进)陶瓷与传统陶瓷的比较
现代陶瓷与传统陶瓷相比．从原料组成、制备工艺、组织结构及性能均有显著的区别。
四、陶瓷材料的应用与前景
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。
参考文献：
1.Bi0.5(Na0.96-xKxLi0.04)0.5TiO3(x=0.05,0.10)系无铅压电陶瓷的制备及性能研究 
全部作者：张帅
第一作者单位：中国矿业大学材料科学与工程学院
关键词：钛酸铋钠；无铅；压电性能
摘要：本文的工作是采用传统固相合成法对Bi0.5(Na0.96-xKxLi0.04)0.5TiO3（x=0.05，x=0.10）系统进行了制备，并利用D8 Advance X射线衍射仪、JSM6380LV型扫描电镜对所制备的陶瓷进行了结构分析、形貌分析，利用介电、铁电测量方法对所制备的压电陶瓷的电学性能进行了...[查看全部]
论文摘要：本文的工作是采用传统固相合成法对Bi0.5(Na0.96-xKxLi0.04)0.5TiO3（x=0.05，x=0.10）系统进行了制备，并利用D8 Advance X射线衍射仪、JSM6380LV型扫描电镜对所制备的陶瓷进行了结构分析、形貌分析，利用介电、铁电测量方法对所制备的压电陶瓷的电学性能进行了初步的研究。研究结果表明，Bi0.5(Na0.96-xKxLi0.04)0.5TiO3压电陶瓷是纯的钙钛矿结构；扫描电镜结果表明，K+可以促进晶粒细化；随着K+含量的增加压电常数d33、介电损耗tan?呈增大趋势，而相对介电常数?r、Qm随K+含量的增加呈下降趋势。[返回]
发布时间 ：2010.09.10 11:49:31
学科：材料科学
2.LiTaO3/Al2O3陶瓷复合材料的韧化机理 
全部作者：
第一作者单位：
关键词：LiTaO3/Al2O3；断裂行为；增韧机理；电畴结构
摘要：LiTaO3/Al2O3 陶瓷复合材料具有广阔的发展和应用前景。本文通过对其第二相LiTaO3断裂行为及增韧机理进行了探讨, 对LiTaO3/Al2O3 陶瓷复合材料不同制备工艺的韧化分析。结果表明 LiTaO3压电陶瓷颗粒能够与Al2O3 陶瓷基体稳定共存，并能较好的起到增韧作用。...[查看全部]
论文摘要：LiTaO3/Al2O3 陶瓷复合材料具有广阔的发展和应用前景。本文通过对其第二相LiTaO3断裂行为及增韧机理进行了探讨, 对LiTaO3/Al2O3 陶瓷复合材料不同制备工艺的韧化分析。结果表明 LiTaO3压电陶瓷颗粒能够与Al2O3 陶瓷基体稳定共存，并能较好的起到增韧作用。获得最佳性能的合适的制备工艺是目前的研究趋势。[返回]
发布时间 ：2010.09.08 11:13:1
同行评议：      修改意见如下：1、文中应讨论不同LiTaO3 / Al2O3混合比例对复合微观结构、材料力学、电畴结构的影响，这点对工程应用和复合陶瓷的理论研究也非常重要。2、注意修改文中表达错误：如将压电陶瓷作为第二相加人结构陶瓷，达到强韧化目的等文字表达...[查看全部]
同行评议：      修改意见如下：1、文中应讨论不同LiTaO3 / Al2O3混合比例对复合微观结构、材料力学、电畴结构的影响，这点对工程应用和复合陶瓷的理论研究也非常重要。2、注意修改文中表达错误：如将压电陶瓷作为第二相加人结构陶瓷，达到强韧化目的等文字表达错误。3、对实验结果的分析最好能有图片和测量曲线等证据加以支持和说明，这才是科学研究的价值所在。4、英文摘要要重写。[返回]
学科：物理学

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