工程陶瓷材料新研究新發(fā)現(xiàn)介紹

 1. 2.1  分類與特點
    陶瓷材料是典型的硬脆材料。在20世紀中后期以前，人們認為氧化鋯陶瓷材料不可加工或者無法加工，因此只能在制作生坯時，將其加工成所需形狀，燒成后就直接使用。其原因除去陶瓷材料本身的硬脆特性，主要是因為當(dāng)時缺乏加工工具和加工手段。雖然人們很早以前就發(fā)現(xiàn)了金剛石、立氮化硼等硬度大大超過陶瓷材料的超硬材料，但是陶瓷材料的機械加工卻是最近幾十年才發(fā)展起來的，人們將金剛石、立方氮化硼制作成加工工具并找到了合適的加工方法，才實現(xiàn)了對硬脆陶瓷材料的磨削加工。進入21世紀后，已經(jīng)發(fā)展到精密加工和微納加工。

    陶瓷一般是含有玻璃相和氣孔相的多晶多相的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)陶瓷是一種或幾種金屬元素與非金屬元素組成的化合物。按照性能和用途，陶瓷可分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷，后者隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，氧化鋁陶瓷又不斷賦予新的命名和定義，如精細陶瓷、高性能陶瓷、先進陶瓷等。傳統(tǒng)陶瓷以天然硅酸鹽礦物為原料，經(jīng)粉碎、成型和燒結(jié)制成，主要用作日用陶瓷、建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷等，雖然要求燒結(jié)后不變形、外觀美，但對強度要求不高。工程陶瓷則是以人工合成化合物（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等）為原料制成，主要應(yīng)用于技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域。

氧化鋯陶瓷
 

工程陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，功能陶瓷主要是根據(jù)其不同的功能應(yīng)用開發(fā)使用的陶瓷。作為研究的重點，結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指應(yīng)用在承受載荷、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等場合陶瓷材料，氮化硅陶瓷廣泛應(yīng)用于機械、能源、電子、化工、石油、汽車、航天航空等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)陶瓷分為兩大類：氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。

氧化物陶瓷是金屬元素與氧結(jié)合而形成的化合物，原子間化學(xué)鍵主要是離子鍵型，因此這類化合物熔點不是很高，硬度、強度、韌性也各不相同。有簡單氧化物和復(fù)合氧化物之分，前者如氧化鋯( 2r02)、氧化鋁(Al203)等，后者如莫來石(3Al203.2Si02)等。
   
由非金屬元素B、C、N與金屬元素Al、Si、Zr、Hf等結(jié)合而成的化合物被稱為非氧化物陶瓷，具有高熔點、強共價鍵及其他許多優(yōu)良的力學(xué)性能。特別是其中一些典型的陶瓷材料如S13 N4、SiC等應(yīng)用廣泛。非氧化物陶瓷具有如下共同特點：

    (1)非氧化物陶瓷一般是共價鍵很強、難熔的化合物。
    (2)非氧化物陶瓷的發(fā)展歷史相對比較短。比如20世紀50年代發(fā)現(xiàn)氮化物陶瓷具有很好的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能以后，氮化物陶瓷才日益受到人們的廣泛關(guān)注和重視。
    (3)與氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷的原料在自然界中不存在，需人工合成，然后按照陶瓷工藝來制備成各種陶瓷制品。
    (4)非氧化物陶瓷易氧化。從原料制備、陶瓷燒結(jié)直至在使用中，遇到氧氣就會發(fā)生氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成氧化物，

生成氧化物后將會影響材料的高溫性能。所以原料合成碳化硅陶瓷及陶瓷燒結(jié)都需要在無氧氣氛中進行，通常是氮氣、氬氣或真空氣氛。燒成陶瓷后在使用過程中，由于具有一定的抗氧化性，可在較高溫度下使用。不同材料氮化鋁陶瓷具有不同的抗氧化能力，其最高使用溫度也依材料而異。在高溫下使用發(fā)生氧化反應(yīng)將影響材料的使用壽命。