摘要:陶瓷材料因組成元素的不同會產生不同的性能，它作為一種結構材料在各行業(yè)得到廣泛的應用
（一）前言
20世紀后期隨著許多新技術(如電子技術、空間技術、激光技術、計算機技術等)的興起，以及基礎理論(如礦物學、冶金學、物理學等)和測試技術(如電子顯微鏡技術、X射線衍射技術和各種頻譜儀等)的發(fā)展，人們對材料結構和性能之間的關系有了深刻認識。通過控制材料的化學成分和微觀組織結構，研制出了許多具有不同性能的陶瓷材料，如各種功能陶瓷(電子材料、光導纖維、敏感陶瓷材料)及高溫結構陶瓷。與傳統(tǒng)陶瓷材料相比其強度得到了成百上千倍的提高，再加上陶瓷材料本身具備的優(yōu)異的耐高溫、耐磨、耐腐蝕、絕緣等特性，使其在許多重要領域得到了越來越廣泛的應用。
常用上程陶瓷材料主要包括:金屬(過渡金屬或與之相近的金屬)與硼、碳、硅、氮、氧等非金屬元素組成的化合物，以及非金屬元素所組成的化合物，如硼和硅的碳化物和氮化物。
根據其元素組成的不同可以分為:氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷。此外，近年來玻璃陶瓷作為結構材料也得到了廣泛的應用。
（二）氧化物陶瓷
氧化物陶瓷材料的原子結合以離子鍵為主，存在部分共價鍵，因此具有許多優(yōu)良的性能。大部分氧化物具有很高的熔點，良好的電絕緣性能，特別是具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和抗氧化性，在上程領域已得到了較廣泛的應用。
(1)氧化鋁陶瓷
氧化鋁陶瓷又稱剛玉瓷，一般以α-A1203為主晶相。根據A1203含量和添加劑的不同，有不同系列。如根據A1203含量不同可分為75瓷，85瓷，95瓷，99瓷等;根據其主晶相的不同可分為莫來石瓷、剛玉-莫來瓷和剛玉瓷;根據添加劑的不同又分為鉻剛玉、鈦剛玉等。
Al203陶瓷是耐火氧化物中化學性質最穩(wěn)定、機械強度最高的一種;A1203陶瓷與大多數熔融金屬不發(fā)生反映，只有Mg, Ca,Zr和Ti在一定溫度以上對其有還原作用;熱的硫酸能溶解A1203，熱的HCl, HF對其也有一定腐蝕作用;A1203陶瓷的蒸汽壓和分解壓都是最小的。由于A1203陶瓷優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，可廣泛地用于耐酸泵葉輪、泵體、泵蓋、軸套，輸送酸的管道內襯和閥門等。
氧化鋁的含量高于95%的Al203陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質損耗等特點，因而在電子、電器方面有十分廣闊的應用領域。
A1203陶瓷的高硬度和耐磨性在機械領域得到了廣泛應用。如制造紡織耐磨零件、刀具。各種發(fā)動機中還大量使用A1203陶瓷火花塞。
透明Al203陶瓷對于可見光和紅外線有良好的透過性，同時具有高溫強度高、耐熱性好、耐腐蝕性強等特點?？捎糜谥圃旄邏衡c燈燈管、紅外檢測窗口材料等。
(2)氧化鋯(Zr02)陶瓷
Zr02有二種鋯同素異形體立方結構(c相)、四方結構(t相)及單斜結構(m相)。根據所含相的成分不同，Zr02陶瓷可分為穩(wěn)定Zr02陶瓷材料、部分穩(wěn)定Zr02陶瓷。
Ⅰ穩(wěn)定Zr02陶瓷
穩(wěn)定Zr02陶瓷主要由立方相組成，其耐火度高、比熱與導熱系數小，是理想的高溫隔熱材料，可以用做高溫爐內襯，也可作為各種耐熱涂層。
穩(wěn)定Zr02陶瓷化學穩(wěn)定性好，高溫時仍能抗酸性和中性物質的腐蝕，但不能抵抗堿性物質的腐蝕。周期表中第V , VI ,VII族金屬元素與其不發(fā)生反應，可以用來作為熔煉這此金屬的坩堝。
純Zr02是良好的絕緣體，由于其明顯的高溫離子導電特性，可作為2000℃使用的發(fā)熱元件，高溫電極材料，還可用作產生紫外線的燈。
此外利用穩(wěn)定Zr02的氧離子傳導特性，可制成氧氣傳感器，進行氧濃度的測量。
Ⅱ部分穩(wěn)定Zr02陶瓷
部分穩(wěn)定Zr02陶瓷由t c雙相組織組成，具有非常高的強度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能，被稱為“陶瓷鋼”。同時其熱傳導系數小，隔熱效果好，而熱膨脹系數又比較大，比較容易與金屬部件匹配，在日前所研制的陶瓷發(fā)動機中用于氣缸內壁、活塞、缸蓋板部件。
部分穩(wěn)定Zr02陶瓷還可作為采礦和礦物工業(yè)的無潤滑軸承，噴砂設備的噴嘴，粉末冶金上業(yè)所用的部件，制藥用的沖壓模等。
另外，部分穩(wěn)定Zr02陶瓷還可用作各種高韌性，高強度工業(yè)與醫(yī)用器械。如紡織工業(yè)落筒機用剪刀、羊毛剪，磁帶生產中的剪刀，微電子工業(yè)用工具，此外由于其不與生物體發(fā)生反應，也可用作生物陶瓷材料。
(3) MgO陶瓷
MgO陶瓷的主晶相為MgO，屬立方晶系氯化鈉結構，熔點2800℃,理論密度3.58 g/cm2，在高溫下比體積電阻高，介質損耗低，介電系數為9.12具有良好的電絕緣性，屬于弱堿性物質。MgO對堿性金屬熔渣有較強的抗侵蝕能力，與鎂、鎳、鈾釷、鋁、鉬等不起作用，可用于制備熔煉金屬的坩鍋、澆注金屬的模子，高溫熱電偶的保護管，高溫爐的爐襯材料等。
（三）氮化物陶瓷
氮化物包括非金屬和金屬元素氮化物，他們是高熔點物質。氮化物陶瓷的種類很多，但都不是天然礦物，而是人工合成的。日前工業(yè)上應用較多的氮化物陶瓷有氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化鈦(TiN)等。
(1)氮化硅(Si3N4)陶瓷
Si3N4陶瓷材料的熱膨脹系數小，因此具有較好的抗熱震性能;在陶瓷材料中，Si3N4的彎曲強度比較高，硬度也很高，同時具有自潤滑性，摩擦系數小，與加油的金屬表明相似，作為機械耐磨材料使用具有較大的潛力;Si3N4陶瓷材料的常溫電阻率比較高，可以作為較好的絕緣材料;Si3N4陶瓷耐氫氟酸以外的所有無機酸和某些堿液的腐蝕，也不被鉛、錫、銀、黃銅、鎳等熔融金屬合金所浸潤與腐蝕;高溫氧化時材料表面形成的氧化硅膜可以阻礙進一步氧化，抗執(zhí)化溫度達1800℃。
Si3N4陶瓷可用作熱機材料、切削工具、高級耐火材料，還可用作抗腐蝕、耐磨損的密封部件等。
(2)氮化鋁(AlN)陶瓷
AIN屬于共價鍵化合物，六方晶系，纖維鋅礦型結構，白色或灰白色，密度3.26g/cm2，無熔點，在2200℃- 2250℃升華分解，熱硬度很高，即使在分解溫度前也不軟化變形。具有優(yōu)異的抗熱震性。AlN對Al和其它熔融金屬、砷化稼等具有良好的耐蝕性，尤其對熔融Al液具有極好的耐侵蝕性，此外，還具有優(yōu)良的電絕緣性和介電性質;但AlN的高溫抗氧化性差，在大氣中易吸潮、水解。
AlN可以用作熔融金屬用坩鍋、熱電偶保護管、真空蒸鍍用容器，也可用作真空中蒸鍍金的容器、耐熱磚等，特別適用于作為2000℃左右氧化性電爐的爐襯材料;AlN的導熱率是A1203的2-3倍，熱壓時強度比Al203還高可用于高強度、高導熱的場合，例如大規(guī)模集成電路的基板等。
(3)氮化硼(BN)陶瓷
氮化硼(BN)陶瓷存在著六方與立方結構兩種BN材料。
Ⅰ六方BN
六方BN具有自潤滑性，可用于機械密封、高溫固體潤滑劑，還可用作金屬和陶瓷的填料制成軸承。其耐熱性非常好，可以在900℃以下的氧化氣氛中和2800℃以下的氮氣和惰性氣氛中使用。六力BN對酸堿和玻璃熔渣有良好的耐侵蝕性，對大多數熔融金屬既不潤濕也不發(fā)生反應，因此可以用作熔煉有色金屬、貴金屬和稀有金屬的坩鍋、器皿等部件。BN既是熱的良導體，又是電的絕緣體。它的擊穿電壓是氧化鋁的4- 5倍，介電常數是氧化鋁的1/2，可用來做超高壓電線的絕緣材料。BN對微波和紅外線是透明的，可用作透紅外和微波的窗口。BN在超高壓下性能穩(wěn)定，可以作為壓力傳遞材料和容器。BN是最輕的陶瓷材料，可以用于飛機和宇宙飛行器的高溫結構材料。此外，利用BN的發(fā)光性，可用作場致發(fā)光材料。涂有BN的無定形碳纖維可用于火箭的噴嘴等。
Ⅱ立力BN
立方BN為閃鋅礦結構，化學穩(wěn)定性高，導熱及耐熱性能好，其硬度與人造金剛石相近，是性能優(yōu)良的研磨材料。與金剛石相比，其最突出的優(yōu)點在于高溫下不與鐵系金屬反應，并且可以在1400℃的溫度使用。
立力BN除了直接用作磨料外，還可以將其與某些金屬或陶瓷混合，經燒結制成塊狀材料，作為各種高性能切削刀具。
（四）碳化物陶瓷
典型碳化物陶瓷材料一有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)碳化鈦(TiC)碳化鋯( ZrC等)、碳化物的共同特點是高熔點，許多碳化物的熔點都在3000℃以上。碳化物在非常高的溫度下均會發(fā)生氧化，但許多碳化物的抗氧化能力都比W，Mo等高熔點金屬好。大多數碳化物都具有良好的電導率和熱導率，許多碳化物都有非常高的硬度，特別是B4C的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，但碳化物的脆性一般較大。
(1)碳化硅(SiC)陶瓷
碳化硅沒有熔點，在常壓下2500℃時發(fā)生分解。碳化硅的硬度很高，莫氏硬度為9.2-9.5,顯微硬度為33400MPa,僅次于金剛石、立力BN和B4C等少數幾種物質。
碳化硅的熱導率很高，大約為Si3N4的2倍;其熱膨脹系數大約相當于A1203的1/2；抗彎強度接近Si3N4材料，但斷裂韌性比Si3N4小;具有優(yōu)異的高溫強度和抗高溫蠕變能力，熱壓碳化硅材料在1600℃的高溫抗彎強度基本和室溫相同;抗熱震性好。其化學穩(wěn)定性高，不溶于一般的酸和混合酸中。
氧化物、氮化物結合碳化硅材料已經大規(guī)模地用于冶金、輕工、機械、建材、環(huán)保、能源等領域地爐膛結構材料、隔焰板、爐管、爐膛等;碳化物材料制備的發(fā)熱元件正逐步1600℃以下氧化氣氛加熱的主要元件;高性能碳化硅材料可以用于高溫、耐磨、耐腐蝕機械部件;碳化硅材料用于制造火箭尾氣噴管高效能熱交換器也取得了良好的效果;此外，碳化硅是各種高溫燃氣輪機高溫部件提高使用性能的重要候選材料。
(2)碳化硼(BC)陶瓷
碳化硼的顯著特點是高熔點(約2450℃);低比重，其密度僅是鋼的1/3;低膨脹系數;高導熱;高硬度和高耐磨性，其硬度僅低于金剛石和立方BN;較高的強度和一定的斷裂韌性，熱壓B4C的抗彎強度為400-600MPa,斷裂韌性為6.0MPa.ml/2;具有較大的熱電動勢(100 μV/k),是高溫P型半導體，隨B4C中碳含量的減少，可從P型半導體轉變?yōu)镹型半導體;具有高的中子吸收截面。
B4C所具有的優(yōu)異性能，除了大量用作磨料之外，還可以制作各種耐磨零件、熱電偶元件、高溫半導體、宇宙飛船上的熱電轉化裝置、防彈裝甲、反應堆控制棒與屏蔽材料等。
（五）玻璃陶瓷材料
將特定組成(含晶核劑)的玻璃進行晶化熱處理，在玻璃內部均勻析出大量微小晶體并進一步長大，形成致密微晶相，玻璃相填充于晶界，得到像陶瓷一樣的多晶固體材料統(tǒng)稱為玻璃陶瓷，也稱之為微晶玻璃。
(1)低膨脹玻璃陶瓷
這類玻璃陶瓷的特點是其顯微組織為架狀硅酸鹽，主晶相分別為β一石英、β一鉀輝石、β一鉀霞石，具有熱膨脹系數低(可為負值)、強度高、熱穩(wěn)定性能好、使用溫度高等特點，并可制成透明和濁白兩種類型。低膨脹系數對于構件尺寸穩(wěn)定性及抗熱震是十分有利的，所以可以用作航天飛機上尺寸穩(wěn)定性要求高的零件。低膨脹玻璃陶瓷是目前生產量最大的玻璃陶瓷，廣泛用來制作各種高級炊具、高溫作業(yè)觀察窗、微波爐蓋、大型天文望遠鏡和激光反射鏡的支撐棒，激光元器件以及航天飛機上的重要零部件。
(2)表面可強化玻璃陶瓷
玻璃陶瓷的強度比一般玻璃要大好幾倍，抗彎強度可達到88-250MPa，但在某些特殊場合仍然不能滿足要求，需要進一步提高強度。由于脆性材料的破壞大多起源于表面微裂紋，可以采用在玻璃陶瓷材料表面引入壓應力薄層的方法，阻止表面微裂紋的擴展，從而提高材料的強度。通常采用的兩種方法有兩種，一是利用表層和內部熱膨脹差引入表面壓應力層，二是采用離子交換引入表面壓應力層。
(3)可加工玻璃陶瓷
可加工玻璃陶瓷容易機械加工的主要原因在于其主晶相為氟云母結構，已發(fā)現可加工玻璃陶瓷中的氟云母主要有3種:氟金云母、四硅氟云母和鋰云母。由于云母片易于解理，這種獨特的顯微結構使得含云母的玻璃陶瓷可以采用普通的鉆、鋸或車削、磨等加工到精密尺寸。以氟云母為主晶相的可加工玻璃陶瓷，具有高熱震抗力、優(yōu)異的絕緣性能、高介電強度;低介電損耗。堿土云母可加工玻璃陶瓷具有較高的強韌性、更高的熱穩(wěn)定性(>1100℃)和絕緣性。因此，可加工玻璃陶瓷，在電絕緣、微波技術以及精密儀器和航空、航天領域具有廣闊的應用前景。
不同元素組成的陶瓷材料有不同的應用領域，總的來說今后陶瓷的發(fā)展趨勢主要是對高延展性、超高強、超高韌、超高硬和耐高溫的材料的探索，具體來說主要有:
1)向多層次、多相復合陶瓷方向發(fā)展;強韌化從纖維增韌晶須增韌、顆粒彌散強化、相變增韌等發(fā)展到協(xié)同增韌;
2)向納米陶瓷方向發(fā)展;
3)加強陶瓷材料的剪裁與設計，如晶界和界面設計、晶粒取向設計、多相之間的復合設計、仿生結構設計等;
4)高性能多孔陶瓷材料;
5)突破低成本、高性能先進陶瓷制備工藝技術。