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先进陶瓷材料技术发展方向

供稿人:ISTIS  供稿时间:2006-8-15   关键字:先进陶瓷材料  
结构陶瓷材料
高性能结构陶瓷具有高强、高韧、低密度、高硬和耐高温抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异的性能,已逐步成为尖端技术不可缺少的关键材料。氮化硅基复相陶瓷及碳化硅表面梯度复相陶瓷都是陶瓷发动机的最佳选材。氧化锆复相陶瓷具有高的室温强度和断裂韧性,可以用它来制作陶瓷发动机的活塞顶。而在耐磨部件的研制中,已有不少金属部件被陶瓷部件取代并有良好的效果。用作耐磨部件的陶瓷要求具有高硬度、高耐磨性、耐高温和对金属的不粘和性即自润滑性,因此高性能结构陶瓷被用做高速切削和精密切削的刀具、各种阀类及球磨机内衬、研钵等。
 
此外高性能结构陶瓷还广泛应用于其它行业,在军事上用陶瓷作装甲材料;利用陶瓷良好的抗腐蚀和抗热震性,使其成为高温热交换器的理想材料;由于高性能结构陶瓷的耐磨、耐腐蚀、高强度、低摩擦系数以及其生物相容性,在生物医学领域有了广阔的发展空间;在涂层方面和隔热方面,高性能结构陶瓷也充分显示了它的功效。
 
结构陶瓷主要有:切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器和装甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化钛(TiB2)、氧化铝(A12O3)和塞隆(Sialon)等。
 
(1)Si3N4基陶瓷材料
 
C纤维补强Si3N4基陶瓷材料,用ZrO2的变相效应防止由于纤维与基体的热膨胀系数上的不匹配而产生的裂纹,所获得的复合材料的断裂韧性提高5倍。氮化硅陶瓷以其优异的综合性能和丰富的资源成为高性能陶瓷中最有应用潜力的一种用作切削工具,每年约有140吨氮化硅粉末用于刀具制造,价值约3亿美元。
 
(2)碳化硅基陶瓷
 
用热压工艺制得的碳化硅陶瓷,其密度可以接近理论密度,弯曲强度即使在1400℃左右的高温仍可达到500~600MPa。用CVI法制得的C纤维补强的碳化硅复合材料,强度为520MPa,而断裂韧性达到16.5MPa·m。加入25vo1%TiB的碳化硅复相陶瓷,如果严格控制起始的颗粒尺寸,可使强度达到888MPa,断裂强度达到8.8MPa·m。可以说碳化硅是高温空气中强度最高的材料,其热导率仅次于氧化铍陶瓷材料。中国有很多企业生产碳化硅粉,其中很大一部分出口,但是主要都是低品味的用于制造耐火砖用的碳化硅粉。东欧有15万吨/年的生产能力,北美的生产量为10万吨/年。高纯、高活性的碳化硅微细粉价格很高,为14-40美元/公斤,年需求额约1500万美元,这种粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。
 
(3)氧化锆增韧陶瓷
 
氧化锆增韧陶瓷在结构陶瓷研究中取得了重大的进展,经过增韧的陶瓷品种也很多,目前已经知道的可使氧化锆稳定的添加物有:氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化钇、氧化铈等单一的氧化物或它们的复合氧化物。被增韧的材料,除了稳定的氧化锆以外,还有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。在氧化铝中添加16vo1%的氧化锆增韧处理,得到材料的强度为1200MPa,断裂韧性为15.OMPa.m。氧化锆增韧陶瓷材料在室温下具有最高的强度和断裂韧性,今后将着重提高其高温的性能。
功能陶瓷材料
功能陶瓷是知识和技术密集型产品。人们先后发现了氧化物导体,固体电解质,压电、非线性光学材料,铁氧体、记忆材料,太阳能电池,高温氧化物超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发展,功能材料也有着不断的发展。
 
功能陶瓷的品种繁多,这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能,应用十分广泛。
 
(1)电子绝缘材料
 
目前国内外常用的电子绝缘材料是A1203。近年来出现的新型电子绝缘材料,如A1N陶瓷,具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热导率等优良的性能,且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配,主要应用是作为大规模集成电路和电力模块电路的散热基板。
 
(2)电介质材料
 
用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容器介质材料多数为BaTi03基材料,此外还有高介的复合钙钛矿材料,以研制出频率为105Hz时,介电常数高达1O5的高介材料目前晶界层电容器的出现,使常规瓷介电容器的介电常数提高数倍甚至数十倍。
 
(3)压电陶瓷材料
 
常用的压电元件:传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常的压电材料是PZT,新型的压电陶瓷材料主要有:高灵敏、高稳定压电陶瓷材料、电致伸缩陶瓷材料,热释电陶瓷材料等。
 
(4)磁性陶瓷材料
 
磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两类,前者不易磁化,也不易失去磁性。代表性硬磁材料为铁氧体磁铁和稀土磁体,主要用于磁铁和磁存储元件。软磁性材料易磁化及去磁,磁场方向可以改变,主要用于交变磁场响应的电子部件。
 
(5)超导陶瓷材料
 
从二十世纪8O年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来,对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。近十几年以来,我国在这方面的研究一直处于世界先进水平。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。
 
(6)抗杀菌陶瓷材料
 
抗杀菌陶瓷材料是随着科学的发展及社会的文明而产生的新一代功能材料。无机抗杀菌剂按作用于微生物的机理可分为三类:一类是主要通过物理吸附或离子交换将银、铜、锌等具有抗杀菌作用的金属或其离子固定在沸石、磷灰石、硅胶、玻璃等无机材料载体上而制成;第二类是二氧化钛粒子光催化抗杀菌剂,二氧化钛在光照下能使氧分子变成活性氧,使水产生活性氧自由基而发挥抗菌杀菌的作用;第三类是具有远红外辐射功能的抗杀菌材料,远红外线的抗杀菌功能效果有限,因此这种材料必须与前两种材料配合使用,才能有更好的应用价值。

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