1、先进陶瓷应用引言在千姿百态的物质界，大自然所恩赐的天然材料（如矿物、岩石、木材、丝棉等）虽数量大，品种多，但就其品种远不能满足社会发展的需求。现代科技和人类生存所应用的材 料 ， 绝 大 多 数 品 种 是 以 自 然 资 源 和 传 统 材 料 为 基 础 ， 经 加 工 改 造 而 成 的 人 工 合 成 材 料 。 正是这些人工材料，支撑着整个社会的科技与文明。故而，对自然资源的开发、传统材料的改造和新型材料的研制，已成为当今人们获取新材料的系统工程。材料工程技术将为科技进步不断开发出形形色色的具有特殊功能的新型材料和先进材料。功能奇异的先进陶瓷便是新材料技术发展的典范。陶 瓷 是 用
2、无 机 化 合 物 粉 料 经 高 温 烧 结 而 成 的 、 以 多 晶 聚 集 体 为 基 本 结 构 的 固 体 物 质 。 传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物（瓷石、粘土、长石、石英砂等）为原料，经粉碎、磨细、调和、塑形、干燥、锻烧等传统工艺制作而成。实际上瓷是在陶的基础上发展而成的比陶白净、细腻、质地致密且性能更为优良的硅酸盐材料。先 进 陶 瓷 与 传 统 陶 瓷 区 别 在 于 ： 先 进陶 瓷 是 以 高 纯 、 超 细 的 人 工 合 成 的 无 机 化 合 物 （可含或不含硅化物）为原料，采用精密控制的先进工艺烧结而成的、比传统陶瓷结构更加精细、性能更加优异的新一代陶瓷。先进陶瓷又
3、称为精细陶瓷或高性能陶瓷。先 进 陶 瓷 按 使用性能可分为先进结构陶瓷（其使用性能主要指强度、刚度、硬度、弹性、韧性等力学性能）和先进功能陶瓷（其使用性能主要指光、电、磁、热、声等功能性能）两大类；按其化 学 成 分 又可 分 为 ： 氧 化 物 陶 瓷 、 氮 化 物 陶 瓷 、 氟 化 物 陶 瓷 、 碳 化 物 陶瓷 、 硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、铝酸盐陶瓷等。先进结构陶瓷是指以其优异的力学性能而用于各种机械结构部件的新型陶瓷。应用领域如陶瓷质密封套管、轴承、缸套、活塞及切削刀具等；先进功能陶瓷则是指利用材料的电、磁、光、声、热等直接的性能或其耦合效应来实现某种使用性能的新型陶瓷。如电容
4、器陶瓷以其极高的抗电击穿性能用来制作高容抗陶瓷电容器；压电陶瓷以其能利用机械撞击或机械振荡产生电效应来制作压电点火装置的发火元件或传感器元件；热敏陶瓷可感知微小的温度变化，用于测温、控温；气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有害气体进行监测、控制和实现自动报警；而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，自动曝光和自动记数；磁性陶瓷是重要的信息记录材料，在计算机中完成记忆功能。此外，先进陶瓷材料还有高绝缘陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、介电陶瓷、耐热透明陶瓷、发光陶瓷、滤光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、
5、特种功能薄膜陶瓷、纤维补强陶瓷、烧蚀陶瓷等。这些特种陶瓷在自动控制装置、仪器仪表、精密机械、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、航空航天技术等部门均发挥着重要作用。随着材料科学的发展和制造工艺的改进，陶瓷的内部组织构造渐趋精细化、致密化而使材料性能大幅度提高，以致出现新的特殊功能。在其发展过程中，大批的多功能、高性能先进陶瓷应运而生。压电陶瓷及其新型压电元器件基于过渡液相烧结机制，通过精选材料组成体系和添加物改性，研制了一系列高性能与低温烧结兼优的压电陶瓷材料。其中铌镁-锭镍-锆钛酸铅(pmn 一 pnn 一 pzt)四元系压电陶瓷通过添加适量 lico3，和 zno，烧结温度降至 820 一
6、 960，材料仍有很好的压电性能。例如:当烧结温度为 900，压电常数(d33)为 700pc /n，机电耦合系数 kp 为 0. 74，室温介电常数(33 /o)为 3590，介电损耗(tan)为 210 x 10-4。该低温烧结压电瓷料用于制备压电厚膜微泵。适当改性的铌镁-铌锌-锆钛酸铅(pmn 一 pzn 一 pzt)压电陶瓷为低烧片式多层压电变压器 mpt 提供了关键材料。该材料烧结温度在 1000左右，kp 为 0.60, d33为 300pc/n, tan 小于或等于 50x10-4，t33/ o 为 1050。所制备的 mpt 具有低驱动电压、高升压比、薄型片式化、无燃烧短路隐患
7、、能量转换效率高、适合表面安装、无电磁干扰等诸多优点。mpt 及其液晶显示器(lcd)背光电源的应用研究与产业化已取得新的进展。伴随着数字化信息技术的发展，低功耗、小型化、数字化、多功能的显示技术日益受到重视。液晶显示器(lcd)是片式压电变压器的重要应用领域之一。通过有限元分析和多普勒激光扫描测振仪对 mpt 半波与全波谐振的振动模态与机电谐振特性进行的分析表明，mpt 谐振状态下沿长度方向的质点位移随输入电压的增大呈现规律变化，最大的位移发生在端部。对半波谐振而言，节点位置并非在 mpt 的正中间，为其最佳节点位置。这种非对称的位移分布可能与横-纵向振模 mpt 的结构不对称有关。驱动方式
8、与条件的优化对改进 mpt 的负载特性与能力、提高其转换效率有重要影响。近些年来发展起来的超声波马达是一种基于压电陶瓷的逆压电效应及其超声波振动实现驱动的新型驱动器，由于其具有低速下大力矩输出、功率密度高、响应速度快、无源自锁、无电磁干扰、控制精度高和控制灵活等特点，越来越受到人们的关注。压电微马达的力矩比静电微电机高 3-4 个量级;比电磁微电机高 1-2 个量级。特别是它独有的高功率密度，使其非常适合电机小型化的发展要求。在管状压电微马达的基础上，利用实心压电陶瓷棒制备出性能更好的微型马达，压电陶瓷棒微型化及制备工艺较简单，所制备的直径 3mm 陶瓷棒微型马达最大输出力矩可达 4.1 x
9、10-11?nm，是已见报道的 1.5mm 管状陶瓷微马达输出力矩的 10 倍，且最大转速不低于 300r/ min，质量仅 0.8g。采用降频增幅机构其驱动频率仅为 60khz 左右，驱动频率明显低于其它类型微电机，相当于直径 30mm 的环形行波马达。压电陶瓷棒超声波马达的尺寸可小于 1 mm，甚至可以小到 100m 左右。核能技术的支柱核反应堆陶瓷社会的发展离不开能源。随着化石燃料日趋减少，人类对能源的需求量与日俱增而使世界面临能源危机的今天，核能以其热值巨大且无污染之优势在各种能源中所占比重日益增大。人们为了安全利用核燃料，就必须设法控制核变链式反应的速度，让核燃料按照人们的要求定时定
10、量释放能量。能实现人为控制核变链式反应的装置叫做核反应堆。核反应堆是核电站的心脏。你是否知道，陶瓷在核反应堆中的重要作用？核反应堆对所用陶瓷材料有什么特殊要求？在核反应堆中，陶瓷材料要经受高能粒子和 r 射线的考验。因此，除了耐高温、耐腐蚀之外，核反应堆用的陶瓷还须具有优异的抗辐射特性、大剂量的中子吸收本领和结构稳定性。而这些特殊的性能是传统陶瓷所不具备的。我们把这种专用于核反应堆的先进陶瓷称为核反应堆陶瓷。铀-235 原子俘获中子后发生裂变是核反应的物理基础。陶瓷是反应堆的核心材料。在发生核裂变时，不断有原子的裂变碎片分裂出来，并伴随着裂变气体的释放。因此，要求反应堆的核心材料具有一定的高温
11、强度和孔隙度。它既可以对核裂变的碎片有一定的阻挡作用，又可贮存裂变气体，并可承受高温冲击。此外还需要有特殊的化学稳定性和尺寸稳定性等特点。例如，高温气冷反应堆用的是多层碳包复陶瓷核燃料颗粒，疏松的热解碳包复层可以贮存裂变气体，外面再包复热解碳的致密层，以阻挡裂变碎片的冲击。除了反应堆用的陶瓷材料外，反应堆的控制也需要特种陶瓷材料。反应堆中的核反应过程必须加以人工控制，使反应有序进行，否则，一旦失控后果不堪设想。核反应堆的控制是靠特殊的陶瓷控制棒来实施的。对陶瓷控制棒材料的技术要求是具有大剂量的中子吸收本领和耐高温、耐辐照能力。如一种碳化硼复合烧结体陶瓷能够达到这种技术要求。核反应堆是一项复杂的
12、系统工程，除了反应堆和控制棒用特种陶瓷外，尚需许多陶瓷隔热罩、陶瓷隔热板、陶瓷热交换器及氦气嘴衬套等。所有这些新型陶瓷材料，均需要耐辐照、耐腐蚀、耐高温、高强度等特点。可以说，核发电技术也与陶瓷材料息息相关。新一代无机非金属材料赛伦赛伦(Sialon)陶瓷, 叫氧氮化硅铝陶瓷，是“硅铝氧氮”系统及其相关物质系统的固溶体，化学组成上类似于硅铝酸盐，但它并非传统的硅铝酸盐陶瓷，而是以人工合成的高纯的精细粉料：Si 3N4、Al 2O3、AlN 经先进工艺烧结而成的高性能陶瓷。赛伦的化学通式可表示为：Si 6x AlxOxN8x 。在不同条件下烧结成的陶瓷材料的化学组成会不同，在 1700时，x 的
13、极限值为 4.2，在 1400时，极限值为 2.0，制备工艺可以采用常压烧结或热压烧结，在氮化硅中添加氧化铝，用氧原子取代一部分氮，用铝原子取代一部分硅，烧结时容易通过液相绕结达到致密化，生成均匀的固溶体。赛伦陶瓷中晶相组织的基本结构单元是（Si、Al） （O、N）四面体，其构成方式和 Al2O32SiO2 中的硅氧四面体构成硅酸盐的方式类似。赛伦以耐高温、高强度、高韧性、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等性能为主要特征，在冶金、机械、汽车、光学、医学等领域有重要应用。赛伦具有超高硬度、高韧性、热稳定性和低的热膨胀系数(好的抗热冲击性)，以及对有色金属无粘合现象等特点，是新型的刀具材料。这种材料制作的刀
14、具没有冷却液也可工作，比起硬质合金来具有切削速度高、寿命长等特点，被广泛用作钻头、丝锥和滚刀，用于加工铸铁、淬火钢、镍基高温合金和钛合金等。例如，赛伦刀具以 1525 米分进行高速切削，刀具寿命为硬质合金刀具的 1012 倍，金属切除率高于硬质合金刀具的 18 倍。利用赛伦具有非常高的高温抗氧化性、耐磨损、摩擦系数小、有自润滑性(摩擦表面微量分解形成薄的气膜)的特性，特别当赛伦-赛伦对磨时，能承受很大的机械应力而可在很高速度和压力下运转，可用做各种机械的耐磨部件。如：用于制作轴承、滚珠，赛伦轴承的工作温度可达 1300，比普通合金轴承的工作温度提高 2.5 倍，而工作速度是普通轴承的 10 倍
15、，还可免除润滑系统，大大减少了对铬、镍、锰等原料的依赖。用于制作水泵、砂浆泵、带腐蚀性的化工泵及有粉尘风机中的耐磨、耐腐蚀部件和密封垫圈，其性能优越于其他材料。用于制作定位梢，焊接定位梢在工作时要承受很大的热应力和机械应力。赛伦定位梢的使用寿命是普通合金定位梢寿命的七百倍。用于代替金属制造发动机部件，用赛伦制的汽车内燃机活塞，运行六万千米，只磨损 0.76 微米。用于代替特种合金材料制作球磨机的磨球，可研磨多种硬质粉料（如陶瓷粉料等）而本身几乎不会受到磨损。用于制作轧钢机械的滚轴和拉拔和压铸模具，在冷轧和冷拨条件下其使用寿命远高于其它材料。此外，赛伦还用作金属连续浇铸的分流环及喷嘴、热电偶护具
16、、晶体生长器具、高炉底部内衬和耐热坩埚等。在铜铝等合金冶炼和铸造上也得到了应用。利用赛伦具有很好的电绝缘性和优良的耐热冲击性及其它多种综合性能，可用来制作电热塞，用它进行汽车点火快速而灵敏，使发动机起动时间从原来的 67 秒缩短到 12秒，并可不别担心寒冷天气汽车启动的困难。赛伦可制成高透光度的透明陶瓷，用作大功率高压钠灯的灯管，它在高温下与钠蒸气不发生作用，又能把 95以上的可见光传送出来。这种钠光灯是目前世界上发光效率最高的灯。相同功率下，一只高压钠灯要比两只水银灯或十只普通白炽灯发出的光还要亮，寿命比普通白炽灯高 20 倍，可使用两万小时以上，是目前寿命最长的灯。赛伦可用于人体硬组织的修
17、复，使其功能得以恢复。与其他材料相比，赛伦和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，在体内的化学稳定性、生物力学相容性和组织亲和性等也较好。在临床医学上，可用来修复体内的某些病变硬组织。如，髋骨、膝关节、指关节、牙根、脊椎骨联合等。功能独特的新型无机涂料说起涂料，我们自然会想到油漆、刮墙料等。其实诸如陶搪器皿表面的“釉”也属于涂料。涂料不仅仅是在物品的外表起装饰作用，更主要地是对物品起保护作用和提高物品的 表 面 性 能 作 用 。 在 某 些 情 况 下 ， 涂 料 的 功 能 是 非 常 奇 特 的 。 这 里 介 绍 两 种 功 能 独 特 的 “新型无机非金属涂料” 。1高温陶瓷涂料普
18、通导线的电绝缘层通常多采用有机合成高分子材料（如塑料、聚酯类或聚酰胺类材料等）作套管，其绝缘皮层厚，不宜用作电动机和变压器等电器设备的绕组线圈，为此而开发出漆包线（涂有绝缘漆的导线） 。漆包线的应用使线圈体积缩小而提高了单位体积内线圈的绕线匝数，从而有效提高了电机的功率。但由于其绝缘漆仍属有机高聚物涂料（树脂 ）， 其 耐 热 性 能 差 而 使 线 圈 的 工 作 温 度 受 到 限 制 ， 常 因 机 内 绕 组 线 圈 被 烧 焦 而 使 电 器 报 废 。因而电器工程对用作线圈导线的绝缘层质量提出了“超薄型、高阻抗、耐强热”的高技术指标，高温陶瓷涂料的研制成功向这一高技术指标迈上了一个
19、新台阶。高温陶瓷涂料，实际上是一种能在导线表面形成一层“瓷质薄涂层”的先进无机非金属涂料。这种涂有陶瓷绝缘层的“瓷包线”的制作，是将导线表面先均匀地敷着一薄层高纯超细的无机化合物粉料调制成的浆料，采用精密控制的先进烧结工艺使表面形成结构致密而精细的超薄型陶瓷涂层。目前采用的高温陶瓷涂料及其形成陶瓷涂层后的电绝缘工作温度为：氟化铝涂层（工作温度：400） ，搪瓷涂层（工作温度：700） ，等离子喷涂氧化铝涂层（工作温度：1300） 。这类陶瓷涂层能在其工作温度范围内保持极高的电绝缘性能，且敷着致密而牢固，抗高 温 氧 化 性 能 极 强 ， 涂层极薄 而 耐 磨 ， 导 线 任 意 弯 曲 时
20、也 不 会 脱 落 。 这 种 敷 有 高温陶瓷涂 层 的 瓷化导 线 ， 其 各 项 力 学 性 能 和 功 能 性 能 远 优 于 漆 包 线 。 用 这 种 导 线 绕 制 的 线 圈 可 承受 高 电 压 、 强 电 流 冲 击 ， 能 更 有 效 地 提 高 单位体积内线圈的绕线匝数，从而提高了电 机 的工 作 效 率 ， 并 使 电 机 的 使 用 寿 命 得 到 大 幅 度 提 高 。目前此类陶瓷涂层材料已在电力机械、电子技术、原子能技术、航空航天技术等领域得到广泛应用。在日常生活中用作编织毛衣的“瓷化棒针”的表面也是这类涂层材料。2微波吸收涂料微波是一种波长短、频率高的无线电波
21、。在空间，同时传播着无数种微波。雷达可借助微波进行远程遥控监测，电台（电视台）和电信通信网可借助微波实现无线通讯。微波在现代化信息技术中为信息传输创 造 了 极 大 的 方 便 ， 但 也 会 对 某 些 高 科 技 设 施 、 精 密 仪 表产 生 电 磁 干 扰 而 使 其 不 能 正 常 工 作 。 因而对微波进行反干扰便成为现代技术中急需解决的重大课题。 “微波吸收涂料”即是一种可反微波干扰的新兴无机涂料。微波吸收涂料由微波吸收剂、粘结剂和添加剂组成。其中微波吸收剂对微波具有极强的吸收功能，能将微波转化成别的能量而消耗掉。可做微波吸收剂的材料有铁氧体瓷粉（由 Fe2O3 和一种或几种别的金属氧化物组成的瓷粉）和碳化硅瓷粉等。将微波吸收涂料喷涂在反干扰物表面，会起到防止微波干扰的作用。这种涂料还可用于军事伪装，如侦察机、导弹表面涂上这种涂料层，便会使雷达找不到目标。参考文献张金升 王美婷 许凤秀 ，2007，先进陶瓷导论，化学工业出版社
