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1.新材料核心之先进陶瓷

广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料,即无机非金属材料。陶瓷制品的品种繁多,它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质,以及制造方法,常常互相接近交错,无明显的界限,而在应用上却有很大的区别。因此,很难硬性地把它们归纳为几个系统,详细的分类法也说法不一,到现在国际上还没有一个统一的分类方法。按陶瓷的制备技术和应用领域分类,可分为传统陶瓷材料和先进陶瓷材料。

1.1 结构陶瓷:极端环境优质材料

结构陶瓷凭借其优异的力学性能及热学性能成为陶瓷材料的重要分支,约占整个陶瓷市场的 30%左右。近二十年来,国家重大工程和尖端技术对陶瓷材料及其制备技术也提出了更高的要求和挑战:例如航天工业火箭发射中液氢液氧涡轮泵用的氮化硅陶瓷轴承在低温极端条件下无滑状态下高速运转,要求陶瓷抽承强度高、初性好、耐磨损、表面加工精度高;核电站主泵用的大尺寸陶瓷密封环需要长寿命高可靠性,特别是地球卫星拍摄地面目标的对地监测使用的碳化硅陶瓷反射镜,除了高弹性模量、低热膨胀系数和轻量化,要求高精度超镜面和大尺寸,这对大尺寸结构陶瓷材料的成型技术、烧结技术、加工技术都是一个挑战;而光通讯中的光纤连接器陶瓷插芯,其内孔为 125 微米,并且要求极高的表面光洁度与尺寸精度及同心度。

(1)氧化物陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主,存在部分共价键,因此具有许多优良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点,良好的电绝缘性能,特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性,在工程领域已得到了较广泛的应用。按组分可分为单一氧化物陶瓷(如氧化铝、氧化铍、二氧化钛陶瓷等)及复合氧化物陶瓷(如尖晶石MgO·Al2O3,莫来石 3Al2O3·2SiO2、锆钛酸铅 PZT 陶瓷等)。

(2)氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮与金属或非金属元素造成的陶瓷,是一类重要的结构与功能材料。

氮化物陶瓷具有良好的力学、化学、电学、热学及高温物理性能,在冶金、航空、化工、陶瓷、电子、机械及半导体等行业具有广泛的应用。但许多由氮元素和金属元素构成的氮化物在高温下不稳定,易氧化,因而在自然界不能自由存在,只能靠人工合成。目前主要合成氮化物可分为氮化硼,氮化铝,氮化硅等共价结合型。

(3)碳化物陶瓷

碳化物陶瓷以其优良的高温力学性能、高温抗氧化性能、耐蚀耐磨性能和特殊的电、热学等性能而倍受人们的青睐。作为一类新型工程陶瓷材料,碳化物陶瓷展现了极为广阔的应用前景,并由此可能推动一些相关科技的进步, 具有重要的研究价值。然而,碳化物陶瓷的研究进展和应用并不如人们想象的那么顺利,存在的主要问题:一是制造的成本高,二是制品性能的可靠性和重现性差。为了研制具有工业应用价值的高性能和高可靠性产品,必须进一步提高它们的综合性能。从研究结果看,碳化物复相陶瓷或其复合材料比单一材料具有更优异的性能。另外,以超细粉末制备的纳米材料,同样具有很好的应用和研究价值,这些都有可能成为今后碳化物陶瓷发展的主要方向。另外,为了获得组成和结构更均匀的复相陶瓷,已开始了“组成-结构-性能”的计算机辅助设计。

目前,碳化物陶瓷的研究热点是纳米级复合材料合成和高温自蔓燃(SHS 法)纳米复相陶瓷。在粉末的制备技术方面,溶胶-凝胶法(Sol-Gel 法)、化学气相法(CVD 法)和高温自蔓燃(SHS 法)合成三足鼎立;从低成本和实用化来看,无机溶胶-凝胶法(Sol-Gel 法)和高温自蔓燃(SHS 法)合成较为优势;在成形技术方面,胶态分散成形、注浆成形和等静压成形引人注目;在烧结技术方面,除刀具外,一般更倾向于常压烧结或气氛烧结。

(4)低膨胀陶瓷

陶瓷材料有不一样的膨胀特性,根据材料热膨胀系数的大小,可将陶瓷材料分为三类,分别是低膨胀类、中膨胀类和高膨胀类:高膨胀类热膨胀系数>8×10-6/℃ 的 BeO、Al2O3、MgO、MgO·Al2O3、稳定 ZrO2等;中膨胀类热膨胀系数=2×10-6/℃-8×10- 6/℃的 SiC、SnO2、3Al2O3·2SiO2、ZrSiO4 等;低膨胀类热膨胀系数<2×10-6/℃的2MgO·2Al2O3·5SiO2、Al2O3·TiO2、2ZrO2·P2O5、Nb2O5等。

投顾姓名:陈定柱;执业编号:A1120120060007

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