第七節(jié)新型陶瓷材料

1、新型陶瓷材料新型陶瓷材料Special Ceramic Materials主要內(nèi)容主要內(nèi)容n陶瓷材料的發(fā)展n新型陶瓷材料n納米陶瓷材料一、陶瓷的發(fā)展概述一、陶瓷的發(fā)展概述傳統(tǒng)陶瓷新型陶瓷納米陶瓷陶器我國(guó)研制的膠態(tài)原位凝固成型的各種陶瓷部件國(guó)外研究現(xiàn)狀概述國(guó)外研究現(xiàn)狀概述 國(guó)際上從20世紀(jì)60年代開(kāi)始重視研究先進(jìn)陶瓷材料，結(jié)構(gòu)陶瓷略早于功能陶瓷。 6070年代伴隨著陶瓷學(xué)研究的新進(jìn)展，一大批具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)和功能陶瓷材料被發(fā)現(xiàn)和合成。 80年代以陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)為背景，陶瓷材料已經(jīng)能夠基本滿足各種苛刻條件下（包括陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)部件在內(nèi)）使用的耍求。但材料的穩(wěn)定性、可靠性和高成本等問(wèn)題仍阻礙了先進(jìn)陶瓷材料

2、的應(yīng)用。 90年代中后期，對(duì)陶瓷材料的研究轉(zhuǎn)向材料性能穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)與功能性能一體化、低成本制備工藝等方面 目前全球各類先進(jìn)陶瓷材料及其產(chǎn)品的市場(chǎng)銷售總額每年達(dá)數(shù)百億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)，結(jié)構(gòu)陶瓷占銷售額的30左右。我國(guó)的銷售額占12我國(guó)研制的透明金剛石薄膜鐵電電容器（PTZ薄膜）二、新型陶瓷材料二、新型陶瓷材料 從性能上可把分為工程(Structral ceramics)和(Functional Ceramics)兩大類。功能陶瓷是指那些利用、等直接效應(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)某種的先進(jìn)陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)。種類繁多,這里只介紹幾種陶瓷電容器 在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱工程陶瓷，因其主要

3、在高溫下使用，又稱高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。目前研究最多、并認(rèn)為最有發(fā)展前途的是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物三類材料陶瓷止回閥1 氮化硅（Si3N4）陶瓷 n（1）氮化硅的結(jié)構(gòu)n氮化硅是由SiN4四面體組成的共價(jià)鍵固體。它有和兩種結(jié)構(gòu)，都是六方晶格。SiNNNN(2) 性能特點(diǎn)A 強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量(彈性模量/密度)高B B 硬度與耐磨性氮化硅硬度很高，僅次于金剛石、碳化硼等幾種物質(zhì),氮化硅的摩擦系數(shù)僅為0.1-0.2 PropertiesSi3N4 |ReactionsinteredSi3N4 Hot pressedsinteredSi3N4Gas pressuresintered Density (g

4、/cm3)3.143.293.2 Hardness (HV)170019001800 Flexural Strength (Mpa)700-750800-1000750 Fracture Toughness (Mpam1/2)5-67-86-7 Youngs Modulus (Gpa)270310300C 抗熱震性能所謂抗熱震性能是指材料承受溫度急劇變化（即熱沖擊）而不失效的能力熱膨脹Si3N4熱沖擊Si3N4D 化學(xué)穩(wěn)定性高抗氧化溫度達(dá)1000。分解溫度約1900。 ( 3 )主要用途n熱壓燒結(jié)氮化硅用于制造形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件。如切削刀具、高溫軸承等。軸承氮化硅刀具氮化硅刀具氮化硅

5、刀片切削高硬高合金鑄鐵n反應(yīng)燒結(jié)氮化硅強(qiáng)度、韌性低于熱壓燒結(jié)氮化硅，多用于制造形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件。如泵的機(jī)械密封環(huán)(比其他陶瓷壽命高6-7倍)、熱電偶套管、泥沙泵零件等。氮化硅陶瓷件氮化硅陶瓷件氮化硅陶瓷件n2 碳化硅(SiC)陶瓷 n1891年美國(guó)人阿奇遜偶然發(fā)現(xiàn)了SiC材料。SiC四面體和六角層狀排列中四面體取向 平行反平行四面體SiCCCCl(1)碳化硅的結(jié)構(gòu)lA 碳化硅有- SiC 和- SiC兩種，是由SiC四面體以不同方式堆垛而成。一種是平行堆積，一種是反平行堆積。- SiC為高溫穩(wěn)定相，呈六方結(jié)構(gòu)，-SiC為低溫穩(wěn)定相，呈立方結(jié)構(gòu)。 n(2) 性能特點(diǎn)n碳化硅有很好的

6、耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，在陶瓷中僅次于氧化鈹陶瓷。 n碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，在1400時(shí)抗彎強(qiáng)度仍保持在500 600MPa的較高水平。H2SO4 (96%) 40SiCn(3) 主要用途n可用于制造火箭噴嘴、澆注金屬用的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承等。n因其良好的耐磨性，可用于制造各種泵的密封圈、拉絲成型模具等。作為陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)材料的研究也在進(jìn)行。 耐磨耐熱及半導(dǎo)體工業(yè)用SiC件3 導(dǎo)電陶瓷n一般氧化物陶瓷是不導(dǎo)電的，但如果把某些氧化物加熱，或者用其它的方法激發(fā)，使外層電子獲得足夠的能量，足以克服原子核對(duì)它的吸引力而成為自由電子，這種氧化物陶瓷就成為電

7、子導(dǎo)體或半導(dǎo)體.導(dǎo)電陶瓷陶瓷加熱器l鉻酸鑭導(dǎo)電陶瓷是新型電熱材料，其使用溫度可達(dá)1800，空氣中的使用壽命在1700小時(shí)以上，用于1500- 1800的高溫電爐，是最好的電熱材料。4 介電陶瓷介電陶瓷主要用于制造電容器，要求具有電阻率高、介電常數(shù)大、介質(zhì)損耗小等特點(diǎn)。金紅石(TiO2)、鈦酸鎂瓷(2MgO-TiO2)、鈦鍶鉍瓷(Bi2O3nTiO2溶于SrTiO3的固溶體)用于高頻電容器。鈦酸鋇(BaTiO3)用于鐵電電容器、半導(dǎo)體電容器等BaTiO3結(jié)構(gòu)多層BaTiO3陶瓷電容器l由以上材料制成的電容器已廣泛用于收音機(jī)、電視機(jī)、無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)等方面。n5 壓電陶瓷n當(dāng)晶體受到外力作用產(chǎn)生變形

8、時(shí)，其兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷，顯示 極化現(xiàn)象，反之，在晶體上施加電場(chǎng)引起極化時(shí)，晶體產(chǎn)生變形， 這種現(xiàn)象稱作壓電效應(yīng)。n具有壓電效應(yīng)的陶瓷即壓電陶瓷。利用壓電效應(yīng)可把機(jī)械能轉(zhuǎn)變 為電能，或把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。壓電效應(yīng)n壓電陶瓷主要用于動(dòng)力裝置和信息處理器件。n例如，利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的高電壓可以爆發(fā)火花，制成各種點(diǎn)火栓。利用壓電體在交流電壓作用下伸縮的原理，可制成壓電振子，用于超聲和水聲換能器。利用壓電陶瓷的諧振特性還可制作濾波器和電聲器件等. 壓力轉(zhuǎn)換器超聲探頭壓力傳感器n6 光學(xué)陶瓷材料n光學(xué)陶瓷材料種類很多(如激光,光導(dǎo)纖維,光色,熒光,透光等)。n光導(dǎo)纖維900下工作的光纖用光導(dǎo)纖維進(jìn)行光通

9、訊起始于七十年代，光波導(dǎo)具有不串線、無(wú)噪聲、抗干擾、可多路通訊、成本低等優(yōu)點(diǎn)。n在光纖中，光的傳送就是利用光的全反射原理，當(dāng)入射進(jìn)光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時(shí),光線在界面上發(fā)生全反射。這時(shí)，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，但不會(huì)穿出包層，這樣就完全避免了光在傳輸過(guò)程中的折射損耗。 光線在光纖中的全反射光纜光纖與光纜光纜與連接器光學(xué)纖維胃鏡光在光纖中的傳輸是指在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，、等都處于納米水平的一類陶瓷材料。三、三、 納米陶瓷納米陶瓷 英國(guó)著名材料專家Cahn在Nature雜志上撰文說(shuō)：是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。 著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feynman在1959年就曾預(yù)言：“如果我們對(duì)物體加以某種控制的話，我們就能使物體得到異于尋常的特性，就會(huì)看到材料性能產(chǎn)生豐富的變化。”1984年，德國(guó)薩爾大學(xué)的G1eiter教授等首次采用情性氣體凝聚制備出具有清潔表面的納米粒子，然后在真空室中原位加壓，得到制成納米固體。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegel相繼