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陶瓷材料
無機非金屬材料
陶瓷材料是指用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點?？捎米鹘Y構材料、刀具材料，由于陶瓷還具有某些特殊的性能，又可作為功能材料。
基本信息
| 中文名 | 陶瓷材料 |
| 外文名 | ceramic material |
| 優(yōu)勢 | 高熔點、高硬度、耐氧化 |
| 用途 | 結構材料、刀具材料 |
| 性能 | 力學特性，熱特性，電特性 |
產品性能
力學特性
陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗壓強度較高，但抗拉強度較低，塑性和韌性很差。
熱特性
陶瓷材料一般具有高的熔點（大多在2000℃以上），且在高溫下具有極好的化學穩(wěn)定性；陶瓷的導熱性低于金屬材料，陶瓷還是良好的隔熱材料。同時陶瓷的線膨脹系數比金屬低，當溫度發(fā)生變化時，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。
電特性
大多數陶瓷具有良好的電絕緣性，因此大量用于制作各種電壓（1kV~110kV）的絕緣器件。鐵電陶瓷（鈦酸鋇BaTiO3）具有較高的介電常數，可用于制作電容器，鐵電陶瓷在外電場的作用下，還能改變形狀，將電能轉換為機械能（具有壓電材料的特性），可用作擴音機、電唱機、超聲波儀、聲納、醫(yī)療用聲譜儀等。少數陶瓷還具有半導體的特性，可作整流器。
化學特性
陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。
光學特性
工作原理
熱輻射
熱交換的基本途徑為：傳導、對流和輻射。為了有效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強對流系數來實現，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對流散熱，散熱器將LED產生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對流系數較低，熱量不能及時地散發(fā)到周圍的空氣中，導致表面溫度升高，LED的工作環(huán)境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表面的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁制散熱器通過陽極氧化來提高表面輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性，不必進行復雜的后續(xù)處理。
輻射機理
陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二聲子和多聲子產生。高輻射陶瓷材料如碳化硅、金屬氧化物、硼化物等均存在極強的紅外激活極性振動，這些極性振動由于具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區(qū)的吸收系數，一般具有100~100cm-1數量級，相當于中等強度吸收區(qū)在這個區(qū)域剩余反射帶的較低反射率，因此，有利于形成一個較平坦的強輻射帶。
一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強共振波長延伸到短波整個二聲子組合和頻區(qū)域，包括部分多聲子組合區(qū)域，這是多數高輻射陶瓷材料輻射 帶的共同特點，可以說，強輻射帶主要源于該波段的二聲子組合輻射。除少數例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大于5m的二聲子、三聲子區(qū)。因此，對于紅外輻 射陶瓷而言，1~5m波段的輻射主要來自于自由載流子的帶內躍遷或電子從雜質能級到導帶的直接躍遷，大于5m波段的輻射主要歸于二聲子組合輻射。
劉維良、駱素銘對常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表面質量的遠紅外陶瓷釉面也進行了測試，輻射率約0.6~0.88，并從陶瓷斷口SEM照片中得出遠紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時的輻射性能、釉面質量、顏色和成本較佳，其輻射率達到了 0.83，其他性能均達到國家日用瓷標準要求。崔萬秋、吳春蕓對低溫遠紅外陶瓷塊狀樣品進行了測試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學研究發(fā)現，常溫遠紅外陶瓷輻射率一般可達0.85，國外Enecoat釉涂料最高輻射率可達0.93~0.94。眾多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高的紅外輻射率，是其替代傳統(tǒng)鋁制散熱器的一大重要參數。
主要分類
特種材料
采用高純度人工合成的原料，利用精密控制工藝成形燒結制成，一般具有某些特殊性能，以適應各種需要。根據其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金屬陶瓷等；特種陶瓷具有特殊的力學、光、聲、電、磁、熱等性能。
特種材料分類
結構陶瓷
氧化鋁陶瓷主要組成物為Al2O3，一般含量大于45%。氧化鋁陶瓷具有各種優(yōu)良的性能。耐高溫，一般可要1600℃長期使用，耐腐蝕，高強度，其強度為普通陶瓷的2~3倍，高者可達5~6倍。其缺點是脆性大，不能接受突然的環(huán)境溫度變化。用途極為廣泛，可用作坩堝、發(fā)動機火花塞、高溫耐火材料、熱電偶套管、密封環(huán)等，也可作刀具和模具。
氮化硅陶瓷主要組成物是Si3N4，這是一種高溫強度高、高硬度、耐磨、耐腐蝕并能自潤滑的高溫陶瓷，線膨脹系數在各種陶瓷中最小，使用溫度高達1400℃，具有極好的耐腐蝕性，除氫氟酸外，能耐其它各種酸的腐蝕，并能耐堿、各種金屬的腐蝕，并具有優(yōu)良的電絕緣性和耐輻射性?？捎米鞲邷剌S承、在腐蝕介質中使用的密封環(huán)、熱電偶套管、也可用作金屬切削刀具。
碳化硅陶瓷主要組成物是SiC，這是一種高強度、高硬度的耐高溫陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗彎強度，是目前高溫強度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷還具有良好的導熱性、抗氧化性、導電性和高的沖擊韌度。是良好的高溫結構材料，可用于火箭尾噴管噴嘴、熱電偶套管、爐管等高溫下工作的部件；利用它的導熱性可制作高溫下的熱交換器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂輪、磨料等。
工具陶瓷
硬質合金主要成分為碳化物和粘結劑，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘結劑主要為鈷（Co）。硬質合金與工具鋼相比，硬度高（高達87~91HRA），熱硬性好（1000℃左右耐磨性優(yōu)良），用作刀具時，切削速度比高速鋼提高4~7倍，壽命提高5~8倍，其缺點是硬度太高、性脆，很難被機械加工，因此常制成刀片并鑲焊在刀桿上使用，硬質合金主要用于機械加工刀具；各種模具，包括拉伸模、拉拔模、冷鐓模；礦山工具、地質和石油開采用各種鉆頭等。
金剛石天然金剛石（鉆石）作為名貴的裝飾品，而合成金剛石在工業(yè)上廣泛應用，金剛石是自然界最硬的材料，還具備極高的彈性模量；金剛石的導熱率是已知材料中最高的；金剛石的絕緣性能很好。金剛石可用作鉆頭、刀具、磨具、拉絲模、修整工具；金剛石工具進行超精密加工，可達到鏡面光潔度。但金剛石刀具的熱穩(wěn)定性差，與鐵族元素的親和力大，故不能用于加工鐵、鎳基合金，而主要加工非鐵金屬和非金屬，廣泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、寶石、瑪瑙等的加工。
立方氮化硼（CBN）具有立方晶體結構，其硬度高，僅次于金剛石，具熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性比金剛石好，可用于淬火鋼、耐磨鑄鐵、熱噴涂材料和鎳等難加工材料的切削加工?？芍瞥傻毒?、磨具、拉絲模等
功能陶瓷
功能陶瓷通常具的特殊的物理性能，涉及的領域比較多，常用功能陶瓷的特性及應用見表。
常用功能陶瓷
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陶瓷材料中已崛起了精細陶瓷，它以抗高溫、超強度、多功能等優(yōu)良性能在新材料世界獨領風騷。精細陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制工藝燒結的高性能陶瓷，因此又稱先進陶瓷或新型陶瓷。精細陶瓷有許多種，它們大致可分成三類——結構陶瓷、電子陶瓷以及生物陶瓷。
結構陶瓷
這種陶瓷主要用于制作結構零件。機械工業(yè)中的一些密封件、軸承、刀具、球閥、缸套等都是頻繁經受摩擦 而易磨損的零件，用金屬和合金制造有時也是使用不了多久就會損壞，而先進的結構陶瓷零件就能經受住這種“磨難”。
電子陶瓷
指用來生產電子元器件和電子系統(tǒng)結構零部件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學性能外，對周圍環(huán)境的變化能“無動于衷”，即具有極好的穩(wěn)定性，這對電子元件是很重要的性能，另外就是能耐高溫。
生物陶瓷
精細陶瓷是新型材料特別值中得注意的一種，它有廣闊的發(fā)展前途。這種具有優(yōu)良性能的精細陶瓷，有可能在很大的范圍內代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛應用，達到節(jié)約能源、提高效率、降低成本的目的；精細陶瓷和高分子合成材料相結合．可以使交通運輸工具輕量化、小型化和高效化。
精陶材料將成為名副其實的耐高溫的高強度材料，從而可用作包括飛機發(fā)動機在內的各種熱機材料、燃料電池發(fā)電部件材料、核聚變反應堆護壁材料、無公害的外燃式發(fā)動機材料等。精細陶瓷與高性能分子材料、新金屬材料、復合材料并列為四大新材料。有些科學家預言．由于精細陶瓷的出現，人類將從鋼鐵時代重新進入陶瓷時代。
歷史發(fā)展
原來的陶瓷就是指陶器和瓷器的通稱。也就是通過成型和高溫燒結所得到的成型燒結體。傳統(tǒng)的陶瓷材料主要是指硅鋁酸鹽。剛開始的時候人們對硅鋁酸鹽的選擇要求不高，純度不大，顆粒的粒度也不均一，成型壓強不高。這時得到陶瓷稱為傳統(tǒng)陶瓷。后來發(fā)展到純度高，粒度小且均一，成型壓強高，進行燒結得到的燒結體叫做精細陶瓷。
接下來的階段，人們研究構成陶瓷的陶瓷材料的基礎，使陶瓷的概念發(fā)生了很大的變化。陶瓷內部的力學性能是與構成陶瓷的材料的化學鍵結構有關，在形成晶體時能夠形成比較強的三維網狀結構的化學物質都可以作為陶瓷的材料。這主要包括比較強的離子鍵的離子化合物，能夠形成原子晶體的單質和化合物，以及形成金屬晶體的物質。他們都可以作為陶瓷材料。其次人們借鑒三維成鍵的特點發(fā)展了纖維增強復合材料。更進一步拓寬了陶瓷材料的范圍。因此陶瓷材料發(fā)展成了可以借助三維成鍵的材料的通稱。
陶瓷的概念就發(fā)展成為可以借助三維成鍵的材料，通過成型和高溫燒結所得到的燒結體。（這個概念把玻璃也納入了陶瓷的范圍）
研究陶瓷的結構和性能的理論也得到了展開：陶瓷材料，內部微結構（微晶晶面作用，多孔多相分布情況）對力學性能的影響得到了發(fā)展。材料（光，電，熱，磁）性能和成形關系，以及粒度分布，膠著界面的關系也得到發(fā)展，陶瓷應當成為承載一定性能物質存在形態(tài)。這里應該和量子力學，納米技術，表面化學等學科關聯(lián)起來。陶瓷學科成為一個綜合學科。
這種發(fā)展在一定程度上和高分子成型關聯(lián)起來。它們應當相互影響。
參考資料
[1]
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
