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新型陶瓷材料简述

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新型陶瓷材料简述 姓名:毛鹏飞 学号:201004001 一、新型陶瓷材料的出现: 本世纪二三十年代以来,由于科学的高速发展,对传统陶瓷提出了 新的挑战.如电力的普及与大规模的应用,需要使用大量强度很高,绝 缘性能很好的绝缘子;电子通信技术的发展迫切需要在高频下绝缘性 能良好的陶瓷材料;特别是在第二次世界大战期间,为了解决用于制作 高质量电容器的天然云母的匮乏,希望能够用介电常数高的陶瓷来代 替天然云母.现实的需要推动了对陶瓷材料进行广泛而深入的研究.人 们发现,虽然陶瓷中的玻璃相,使陶变得坚硬,致密,但是,也正是陶瓷中 的玻璃相,妨碍了陶瓷强度的进一步提高.同时,玻璃相也是陶瓷绝缘 性能,特别是高频绝缘性能不好的根源.于是,在传统陶瓷的基础上,一 些强度高,性能好的材料不断涌现,它们的玻璃相含量都比传统陶瓷低. 目前,由于陶瓷制备工艺的不断进步,特别是对陶瓷烧结过程,显微结 构进行研究的结果表明,制备出玻璃相含量非常低,甚至几乎不含玻璃 相的,由许多微小晶粒结合而成的结晶陶瓷是可能的.这种材料的各种 性能有可能与相应单晶体的性能相近.现在,许多高性能陶瓷,几乎都 是不含有玻璃相的结晶态陶瓷.为了有别于传统陶瓷,人们称之为先进 陶瓷或高技术陶瓷……于是新型陶瓷材料便应运而生了。

二、新型陶瓷材料与传统陶瓷材料的区别: 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。

新型陶瓷由于 其化学组成,显微结构及性能不同于普通陶瓷,故被称为新型陶瓷或 特种陶瓷。

新型陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊 性质和功能,如高强度,高硬度,高韧性,耐腐蚀,导电,绝缘,磁 性,透光,半导体以及压电,光电,电光,声光,磁光等。

由于性能 特殊,这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械,电子, 化工,冶炼,能源,医学,激光,核反应,宇航等方面。

三、新型陶瓷材料的优缺点: 新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。

在热和机械性能方 面,有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等;在电性能方面有绝缘性、 压电性、半导体性、磁性等;在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功 能;在生物方面,具有一定生物相容性能,可作为生物结构材料等。

但也有它的缺点,如脆性。

因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中 的一个重要领域。

四、新型陶瓷材料的分类: (一)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。

(二)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、 结构和工艺的不断改进, 新型陶瓷层出不穷。

(三)按其应用不同划分 可将它们分又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, 精密陶瓷氨化 可用于制造燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮等。

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+6H2→Si3N4+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。

新型陶瓷材料发展较快, 超导材料实际上也是一种新型陶瓷,当然由于陶瓷材料的特殊性能, 在研究和开发其应用前景时,需要不同学科交叉,共同来研究和探索 出新的功能材料。

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。

五、新型陶瓷材料的应用现状: 随着现代高新技术的发展, 新型陶瓷已逐步成为高技术发展的重 要关键, 已引起各工业发达国家的关注, 日本近年一直处于世界前沿,

美国每年用材料研究的费用高达 20-25 亿美元,欧共体包括德、法、 英等国家也在发展一些新型材料方面给予了高度重视, 现已取得了一 些重大成果。

许多国家为了加速新技术革命,为新型产业的发展奠定 物质基础,投入大量人力,物力和财力研究开发特种陶瓷,因此新型 陶瓷的发展十分迅速,在技术上也有很大突破。

新型陶瓷品种繁多、 日新月异,在现代科学技术及国民经济中具有特殊地位,其用途多种 多样,例如结构陶瓷具有超高耐热性、高强度、高硬度、高耐磨性和 优良的耐腐蚀性等综合特性;功能陶瓷具有电、磁、光学、机械、生 物及化学等各种卓越功能,因此新型陶瓷材料已成为解决能源、资源 等问题的重要材料,同时也是微电子、激光、光纤、生物、海洋、宇 航、新能源、仿人机等尖端科学技术发展不可缺少的材料,新型陶瓷 不同于传统陶瓷,是知识和技术密集型产品,一般具有投资少、产值 高、 能源消耗少, 经济效益高, 并具有广阔的市场。

据有关资料统计, 新型陶瓷第年以 10%~20%的速率增长,因此新型陶瓷的研究与开发 已引起世界各工业发达国家的高度重视, 特别是近几年出现的陶瓷发 动机,陶瓷高温超导体、陶瓷敏感元件这三股热潮,将给新型陶瓷材 料更强的生命力。

总之, 新型陶瓷在现代工业技术, 特别是在高技术, 新技术领域中的地位日趋重要,预示着它的广阔发展前景。

六、我国在新型材料方面的成就与不足: 中国科学院在先进功能陶瓷领域的研究在国内具有一定的优 势。

上海硅酸盐所和清华大学联合主持了科技报“973”项目“信息功能 陶瓷的若干基础问题的研究”。

中国科学院对弛豫铁电单晶研究方面

的最新进展及其应用前景非常关注, 支持了声学所和上海硅酸盐所共 同承担的知识创新工程方向性项目“新型弛豫铁电单晶声纳换能器研 究”。

上海硅酸盐所在国际上率先用 B ridgeman 方法直接从熔体中生 长出了高质量的 PMN—PT 单晶,目前尺寸已达到 50 mm X80mm, 处于国际领先水平;AlN 基板材料的热导率已高达 228w/mK,尺寸 为 50mm × 50mm,并实现了原料的低成本化;研制出居里温度达到 91 4℃ 的 Bi。

NbTiO 铋层状结构压电陶瓷,在高温速度计和高温流 量计上具有重要的应用前景。

上海技术物理研究所在铁电薄膜非制冷 技红外焦平面研究方面承担了多项国家和上海市自然科学基金重点 项目,近年来。

在 APPI Phys.Lett. APP1.Lett. ,J .J.Am Ce ram Soc 等刊物上连续发表了 20 多篇论文,部分工作得到国内外的高度 评价。

声学研究所在压电复合材料研究及换能器制造方面居国内领先 地位。

理化技术研究所自主开发的高温、低温和常温高精度负温 度系数(NTC)热敏电阻器在所控股的公司已经形成年产上千万的产 值,也为我国航天、国防等事业做出了突出贡献。

西北工业大学建成 我国第一个超高温复合材料重点实验室。

使我国成为继法国、美国之 后,全面掌握碳化硅陶瓷基复合材料制造技术及其设备的第三个国 家! 采用该技术制备的多种碳化硅陶瓷基复合材料构件在不同发动机 上均一次试车成功,在材料界引起轰动。

以清华大学为代表的高校在 先进陶瓷材料的研究方面起到了带头作用。

虽然我国在先进陶瓷研究 的某些方面做出了国际领先或者先进水平的成果, 但我们必须清醒地 认识到,从整体上看,我们与先进国家相比仍然有较大的差距,面临

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