什么是特种陶瓷？

         特种陶瓷也叫现代陶瓷、工业陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷，包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两大类，如电子陶瓷、耐磨陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷、纳米陶瓷、金属陶瓷、生物陶瓷等。工程上最重要的是高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。

        特种陶瓷的种类及用途
①氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、二氧化钍、三氧化铀等。
②氮化物陶瓷：氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等。
③碳化物陶瓷：碳化硅、碳化硼、碳化铀等。
④硼化物陶瓷：硼化锆、硼化镧等。
⑤硅化物陶瓷：二硅化钼等。
⑥氟化物陶瓷：氟化镁、氟化钙、三氟化镧等。

一、 氧化物陶瓷
        氧化物陶瓷熔点大多2000 ℃以上, 烧成温度约1800 ℃；单相多晶体结构，有时有少量气相；强度随温度的升高而降低，在1000 ℃以下时一直保持较高强度，随温度变化不大；纯氧化物陶瓷任何高温下都不会氧化。
    （1）、氧化铝（刚玉）陶瓷
    氧化铝的结构是O^2-排成密排六方结构，Al³⁺占据间隙位置。
    根据含杂质的多少, 氧化铝呈红色(如红宝石)或蓝色(如蓝宝石)；实际生产中, 氧化铝陶瓷按Al₂O₃含量可分为75、95和99等几种。
    氧化铝熔点达2050 ℃，抗氧化性好，广泛用于耐火材料；

    较高纯度的Al₂O₃粉末压制成形、高温烧结后得到刚玉耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等；

    微晶刚玉的硬度极高（仅次于金刚石），红硬性达1200 ℃，可作要求高的工具如切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。很高的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。强度和耐热强度均较高（是普通陶瓷的5倍），是很好的高温耐火结构材料，如可作内燃机火花塞、空压机泵零件等。

    单晶体氧化铝可做蓝宝石激光器；

    氧化铝管坯做钠蒸气照明灯泡。

氧化铝热电偶套管	氧化铝陶瓷密封环	氧化铝陶瓷喷咀

    （2）、氧化铍陶瓷
    氧化铍陶瓷具备一般陶瓷的特性，导热性极好，很高的热稳定性，强度低，抗热冲击性较高；消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系数大。
    氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热片和集成电路的基片和外壳等。
    （3）、氧化锆陶瓷
    氧化锆陶瓷的熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温，推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；能抗熔融金属的浸蚀，做铂、锗等金属的冶炼坩埚和1800 ℃以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等；氧化锆作添加剂大大提高陶瓷材料的强度和韧性，氧化锆增韧陶瓷可替代金属制造模具、拉丝模、泵叶轮和汽车零件如凸轮、推杆、连杆等。
   （4）、氧化镁／钙陶瓷
    氧化镁／钙陶瓷通常是通过加热白云石（镁或钙的碳酸盐）矿石除去CO₂而制成的，其特点是能抗各种金属碱性渣的作用，因而常用作炉衬的耐火砖。但这种陶瓷的缺点是热稳定性差，MgO在高温下易挥发，CaO甚至在空气中就易水化。

 

二、 碳化物陶瓷
    碳化物陶瓷有很高的熔点、硬度（近于金刚石）和耐磨性（特别是在浸蚀性介质中），缺点是耐高温氧化能力差（约900℃～1000℃）、脆性极大。
   （1） 、碳化硅陶瓷
   碳化硅陶瓷密度为 3.2×10³ kg/m³，弯曲强度为 200 MPa～250 MPa，抗压强度1000 MPa～1500 MPa，硬度莫氏9.2，热导率很高，热膨胀系数很小，在900 ℃～1300 ℃时慢慢氧化。
    主要用于制造加热元件、石墨表面保护层以及砂轮及磨料等。

碳化硅陶瓷坩埚	碳化硅陶瓷密封件

    （2）、碳化硼陶瓷
    碳化硼陶瓷硬度极高，抗磨粒磨损能力很强；熔点达2450℃，高温下会快速氧化，与热或熔融黑色金属发生反应，使用温度限定在980℃以下。
主要用于作磨料，有时用于制造超硬质工具材料。
    （3）、其它碳化物陶瓷
   碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钨和碳化锆陶瓷的熔点和硬度都很高，在2000 ℃以上的中性或还原气氛作高温材料；碳化铌、碳化钛用于2500 ℃以上的氮气气氛中的高温材料。

三、 硼化物陶瓷
    硼化物陶瓷有硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等。
    硼化物陶瓷具有高硬度, 同时具有较好的耐化学浸蚀能力。熔点范围为1800 ℃～2500 ℃。比起碳化物陶瓷，硼化物陶瓷具有较高的抗高温氧化性能，使用温度达1400 ℃。

    硼化物主要用于高温轴承、内燃机喷嘴、各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等。

    各种硼化物还用作电触点材料。
 

四、 氮化物陶瓷
    （1）、氮化硅陶瓷
    氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体；硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物；1200 ℃以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，可做优良的高温结构材料；耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。

    反应烧结法得到的α-Si₃N₄用于制造各种泵的耐蚀、耐磨密封环等零件。

    热压烧结法得到的β-Si₃N₄, 用于制造高温轴承、转子叶片、静叶片以及加工难切削材料的刀具等。

    在Si₃N₄中加一定量Al₂O₃烧制成陶瓷可制造柴油机的气缸、活塞和燃气轮机的转动叶轮。

氮化硅陶瓷刀具	氮化硅陶瓷滚珠

    （2）、氮化硼陶瓷
    六方氮化硼为六方晶体结构，也叫"白色石墨"；硬度低，可进行各种切削加工；导热和抗热性能高，耐热性好，有自润滑性能；高温下耐腐蚀、绝缘性好。用于高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂等。

    在高压和1360 ℃时六方氮化硼转化为立方β-BN，硬度接近金刚石的硬度，用作金刚石的代用品, 制作耐磨切削刀具、高温模具和磨料等。

 

氮化硼刀具

    （3）、氮化钛陶瓷

    硬度高（1800HV)、耐磨。刃具表面涂层、耐磨零件表面涂层。金黄色，装饰表面。

      特种陶瓷有热压铸、热压、静压及气相沉积等多种成型方法，这些陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷或高技术陶瓷，在日本称为精细陶瓷。特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。由于性能特殊，这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。一些经济发达国家，特别是日本、美国和西欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质基础，投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷，因此特种陶瓷的发展十分迅速，在技术上也有很大突破。特种陶瓷在现代工业技术，特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。本世纪初特种陶瓷的国际市场规模预计将达到500亿美元，因此许多科学家预言：特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。

 

　　生产工艺技术方面的新进展

 

　　（1）在粉末制备方面，目前最引人注目的是超高温技术。利用超高温技术不但可廉价地研制特种陶瓷，还可廉价地研制新型玻璃，如光纤维、磁性玻璃、混合集成电路板、零膨胀结晶玻璃、高强度玻璃、人造骨头和齿棍等。此外，利用超高温技术还可以研制出象钽、钼、钨、钒铁合金和钛等能够应用于太空飞行、海洋、核聚变等尖端领域的材料。例如日本在4000—15000℃和一个大气压以下制造金钢石，其效率比现在普遍采用的低温低压等离子体技术高一百二十倍。

 

　　超高温技术具有如下优点：能生产出用以往方法所不能生产的物质；能够获得纯度极高的物质：生产率会大幅度提高；可使作业程序简化、易行。目前，在超高温技术方面居领先地位的是日本。此外，溶解法制备粉末、化学气相沉积法制备陶瓷粉末、溶胶K凝胶法生产莫来石超细粉末以及等离子体气相反应法等也引起了人们的关注。在这几种方法中，绝大部分是近年开发研究出来的或是在近期得以完善的。

 

　　(2)成型方面：特种陶瓷成型方法大体分为干法成型和湿法成型两大类，干法成型包括钢模压制成型、等静压成型、超高压成型、粉末电磁成型等；湿法成型大致可分为塑性成型和胶态浇注成型两大类。近些年来胶态成型和固体无模成型技术在特种陶瓷的成型研究中也取得了较为快速的发展。

 

　　陶瓷胶态成形是高分散陶瓷浆料的湿法成形，与干法成形相比，可以有效控制团聚，减少缺陷。无模成形实际上是快速原型制造技术(Rapid prototyping manufacturing technology , RP &M) 在制备陶瓷材料中的应用。特种陶瓷材料胶态无模成形过程是通过将含或不含粘结剂的陶瓷浆料在一定的条件下直接从液态转变为固态，然后按照RP &M 的原理逐层制造得到陶瓷生坯的过程。成形后的生坯一般都具备良好的流变学特性，可以保证后处理过程中不变形。

 

　　特种陶瓷成型技术未来的发展将集中于以下几个发面：

 

　　a. 进一步开发已经提出的各种无模成形技术在制备不同陶瓷材料中的应用；

 

　　b. 性能更加复杂的结构层以及在层内的穿插、交织、连接结构和成分三维变化的设计；

 

　　c. 大型异形件的结构设计与制造；

 

　　d. 陶瓷微结构的制造及实际应用；

 

　　e. 进一步开发无污染和环境协调的新技术。

 

　　(3)烧结方面：特种陶瓷制品因其特殊的性能要求，需要用不同于传统陶瓷制品的烧成工艺与烧结技术。随着特种陶瓷工业的发展，其烧成机理、烧结技术及特殊的窑炉设施的研究取得突破性的进展。目前特种陶瓷的主要烧结方法有：常压烧结法、热压烧结/热等静压烧结法、反应烧结法、液相烧结法、微波烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结法、气相沉积法等。

 

　　(4)在特种陶瓷的精密加工方面：特种陶瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大，其物理机械性能(尤其是韧性和强度)与金属材料有较大差异，加工性能差，加工难度大。因此，研究特种陶瓷材料的磨削机理，选择最佳的磨削方法是当前要解决的主要问题。

 

　　近年来兴起的磨削加工方法主要有：

 

　　a. 超声波振动磨削加工方法

 

　　b. 在线电解修整金刚石砂轮磨削加工方法

 

　　c. 电解、电火花复合磨削加工工艺

 

　　d. 电化学在线控制加工方法

 

　　采用刀具加工陶瓷也引起了人们的极大兴趣。目前，这方面的工作仅处于研究实验阶段，由于用超高精度的车床和金刚石单晶车刀进行加工，以微米数量级的微小吃刀深度和微小的走刀量，能获得0.1微米左右的加工精度，因而许多国家把这种加工技术作为超精密加工的一个方面而加以开发研究，在我国，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室在这方面的研究成果已位居世界前列。

 

　　 应用方面的新发展

 

　　特种陶瓷由于拥有众多优异性能，因而用途广泛。现按材料的性能及种类简要说明。

 

　　(1)、耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于原子能有关的高温结构材料、高温电极材料等。

 

　　(2)、隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料，用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等。

 

　　(3)、导热性优良的特种陶瓷极有希望用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片。

 

　　(4)、耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛，目前的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面。

 

　　(5)、高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等；在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。目前，这方面的工作开展得较多，许多国家如美国、日本、德国等都投入了大量的人力和物力，试图取得领先地位。这类陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化铝、氧化锆等。

 

　　(6)、具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼极为引人注目，目前国外正在加紧研究。

 

　　(7)、生物陶瓷方面目前正在进行将氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究，这方面的应用引起人们极大关注。

 

　　(8)、一些具有其他特殊用途的功能性新型陶瓷（如远红外陶瓷等）也已开始在工业及民用领域发挥其独到的作用。

 

　　今后研究与开发的重点

 

　　(1)、特种陶瓷基础技术的研究，例如烧结机理、检测技术和粉末制备技术等；

 

　　(2)、超导陶瓷的研究；

 

　　(3)、特种陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法，因而许多国家都把它作为一项主要内容而加以研究；

 

　　(4)、陶瓷的纤维化是研制隔热材料、复合增强材料等的重要基础，目前国外，尤其是日本对陶瓷纤维及晶须增强金属复合材料的研究极为重视，其研究主要集中于碳化硅及氮化硅；

 

　　(5)、多孔陶瓷由于具有特殊结构，所以引起了各界的重视；

 

　　(6)、陶瓷与陶瓷或陶瓷与其它材料复合(陶瓷纤维增强陶瓷，陶瓷纤维增强金属)问题也是现阶段的研究重点。

 

　　(7)、在非氮化物陶瓷中，目前国外研究最多的是陶瓷发动机，高压热交挽器及陶瓷刀具等；

 

　　(8)、随着生物化学，生物医学这些新兴学科的发展，生物陶瓷的开发研究也变得越来越重要。