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陶瓷材料
無機(jī)非金屬材料
陶瓷材料是指用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。它具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)?？捎米鹘Y(jié)構(gòu)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(shì) | 高熔點(diǎn)、高硬度、耐氧化 |
| 用途 | 結(jié)構(gòu)材料、刀具材料 |
| 性能 | 力學(xué)特性，熱特性，電特性 |
產(chǎn)品性能
力學(xué)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(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)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(diǎn)（大多在2000℃以上），且在高溫下具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性；陶瓷的導(dǎo)熱性低于金屬材料，陶瓷還是良好的隔熱材料。同時(shí)陶瓷的線膨脹系數(shù)比金屬低，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。
電特性
大多數(shù)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(shù)，可用于制作電容器，鐵電陶瓷在外電場(chǎng)的作用下，還能改變形狀，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（具有壓電材料的特性），可用作擴(kuò)音機(jī)、電唱機(jī)、超聲波儀、聲納、醫(yī)療用聲譜儀等。少數(shù)陶瓷還具有半導(dǎo)體的特性，可作整流器。
化學(xué)特性
陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對(duì)酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。
光學(xué)特性
工作原理
熱輻射
熱交換的基本途徑為：傳導(dǎo)、對(duì)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(qiáng)對(duì)流系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對(duì)流散熱，散熱器將LED產(chǎn)生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對(duì)流系數(shù)較低，熱量不能及時(shí)地散發(fā)到周圍的空氣中，導(dǎo)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(jìn)行復(fù)雜的后續(xù)處理。
輻射機(jī)理
陶瓷材料的輻射機(jī)理是由隨機(jī)性振動(dòng)的非諧振效應(yīng)的二聲子和多聲子產(chǎn)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(qiáng)的紅外激活極性振動(dòng)，這些極性振動(dòng)由于具有極強(qiáng)的非諧效應(yīng)，其雙頻和頻區(qū)的吸收系數(shù)，一般具有100~100cm-1數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于中等強(qiáng)度吸收區(qū)在這個(gè)區(qū)域剩余反射帶的較低反射率，因此，有利于形成一個(gè)較平坦的強(qiáng)輻射帶。
一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強(qiáng)共振波長(zhǎng)延伸到短波整個(gè)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(shù)高輻射陶瓷材料輻射 帶的共同特點(diǎn)，可以說，強(qiáng)輻射帶主要源于該波段的二聲子組合輻射。除少數(shù)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(duì)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(nèi)躍遷或電子從雜質(zhì)能級(jí)到導(dǎo)帶的直接躍遷，大于5m波段的輻射主要?dú)w于二聲子組合輻射。
劉維良、駱?biāo)劂憣?duì)常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測(cè)試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對(duì)不同表面質(zhì)量的遠(yuǎn)紅外陶瓷釉面也進(jìn)行了測(cè)試，輻射率約0.6~0.88，并從陶瓷斷口SEM照片中得出遠(yuǎn)紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時(shí)的輻射性能、釉面質(zhì)量、顏色和成本較佳，其輻射率達(dá)到了 0.83，其他性能均達(dá)到國(guó)家日用瓷標(biāo)準(zhǔn)要求。崔萬秋、吳春蕓對(duì)低溫遠(yuǎn)紅外陶瓷塊狀樣品進(jìn)行了測(cè)試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，常溫遠(yuǎn)紅外陶瓷輻射率一般可達(dá)0.85，國(guó)外Enecoat釉涂料最高輻射率可達(dá)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(shù)。
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(jié)制成，一般具有某些特殊性能，以適應(yīng)各種需要。根據(jù)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(xué)、光、聲、電、磁、熱等性能。
特種材料分類
結(jié)構(gòu)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(zhǎng)期使用，耐腐蝕，高強(qiáng)度，其強(qiáng)度為普通陶瓷的2~3倍，高者可達(dá)5~6倍。其缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(qiáng)度高、高硬度、耐磨、耐腐蝕并能自潤(rùn)滑的高溫陶瓷，線膨脹系數(shù)在各種陶瓷中最小，使用溫度高達(dá)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(zhì)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(qiáng)度、高硬度的耐高溫陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗彎強(qiáng)度，是目前高溫強(qiáng)度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷還具有良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性、導(dǎo)電性和高的沖擊韌度。是良好的高溫結(jié)構(gòu)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(dǎo)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。
六方氮化硼陶瓷主要成分為BN，晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系，六方氮化硼的結(jié)構(gòu)和性能與石墨相似，故有“白石墨”之稱，硬度較低，可以進(jìn)行切削加工具有自潤(rùn)滑性，可制成自潤(rùn)滑高溫軸承、玻璃成形模具等。
工具陶瓷
硬質(zhì)合金主要成分為碳化物和粘結(jié)劑，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘結(jié)劑主要為鈷（Co）。硬質(zhì)合金與工具鋼相比，硬度高（高達(dá)87~91HRA），熱硬性好（1000℃左右耐磨性優(yōu)良），用作刀具時(shí)，切削速度比高速鋼提高4~7倍，壽命提高5~8倍，其缺點(diǎn)是硬度太高、性脆，很難被機(jī)械加工，因此常制成刀片并鑲焊在刀桿上使用，硬質(zhì)合金主要用于機(jī)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(zhì)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(yīng)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(dǎo)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(jìn)行超精密加工，可達(dá)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(jié)構(gòu)，其硬度高，僅次于金剛石，具熱穩(wěn)定性和化學(xué)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。可制成刀具、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(lǐng)域比較多，常用功能陶瓷的特性及應(yīng)用見表。
常用功能陶瓷
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陶瓷材料中已崛起了精細(xì)陶瓷，它以抗高溫、超強(qiáng)度、多功能等優(yōu)良性能在新材料世界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。精細(xì)陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無機(jī)化合物為原料，采用精密控制工藝燒結(jié)的高性能陶瓷，因此又稱先進(jìn)陶瓷或新型陶瓷。精細(xì)陶瓷有許多種，它們大致可分成三類——結(jié)構(gòu)陶瓷、電子陶瓷以及生物陶瓷。
結(jié)構(gòu)陶瓷
這種陶瓷主要用于制作結(jié)構(gòu)零件。機(jī)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(jīng)受摩擦 而易磨損的零件，用金屬和合金制造有時(shí)也是使用不了多久就會(huì)損壞，而先進(jìn)的結(jié)構(gòu)陶瓷零件就能經(jīng)受住這種“磨難”。
電子陶瓷
指用來生產(chǎn)電子元器件和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學(xué)性能外，對(duì)周圍環(huán)境的變化能“無動(dòng)于衷”，即具有極好的穩(wěn)定性，這對(duì)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(xì)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(xì)陶瓷，有可能在很大的范圍內(nèi)代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛應(yīng)用，達(dá)到節(jié)約能源、提高效率、降低成本的目的；精細(xì)陶瓷和高分子合成材料相結(jié)合．可以使交通運(yùn)輸工具輕量化、小型化和高效化。
精陶材料將成為名副其實(shí)的耐高溫的高強(qiáng)度材料，從而可用作包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種熱機(jī)材料、燃料電池發(fā)電部件材料、核聚變反應(yīng)堆護(hù)壁材料、無公害的外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)材料等。精細(xì)陶瓷與高性能分子材料、新金屬材料、復(fù)合材料并列為四大新材料。有些科學(xué)家預(yù)言．由于精細(xì)陶瓷的出現(xiàn)，人類將從鋼鐵時(shí)代重新進(jìn)入陶瓷時(shí)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?zé)Y(jié)所得到的成型燒結(jié)體。傳統(tǒng)的陶瓷材料主要是指硅鋁酸鹽。剛開始的時(shí)候人們對(duì)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(qiáng)不高。這時(shí)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(qiáng)高，進(jìn)行燒結(jié)得到的燒結(jié)體叫做精細(xì)陶瓷。
接下來的階段，人們研究構(gòu)成陶瓷的陶瓷材料的基礎(chǔ)，使陶瓷的概念發(fā)生了很大的變化。陶瓷內(nèi)部的力學(xué)性能是與構(gòu)成陶瓷的材料的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)，在形成晶體時(shí)能夠形成比較強(qiáng)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)都可以作為陶瓷的材料。這主要包括比較強(qiáng)的離子鍵的離子化合物，能夠形成原子晶體的單質(zhì)和化合物，以及形成金屬晶體的物質(zhì)。他們都可以作為陶瓷材料。其次人們借鑒三維成鍵的特點(diǎn)發(fā)展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。更進(jìn)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?zé)Y(jié)所得到的燒結(jié)體。（這個(gè)概念把玻璃也納入了陶瓷的范圍）
研究陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能的理論也得到了展開：陶瓷材料，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)（微晶晶面作用，多孔多相分布情況）對(duì)力學(xué)性能的影響得到了發(fā)展。材料（光，電，熱，磁）性能和成形關(guān)系，以及粒度分布，膠著界面的關(guān)系也得到發(fā)展，陶瓷應(yīng)當(dāng)成為承載一定性能物質(zhì)存在形態(tài)。這里應(yīng)該和量子力學(xué)，納米技術(shù)，表面化學(xué)等學(xué)科關(guān)聯(lián)起來。陶瓷學(xué)科成為一個(gè)綜合學(xué)科。
這種發(fā)展在一定程度上和高分子成型關(guān)聯(lián)起來。它們應(yīng)當(dāng)相互影響。
參考資料
[1]
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