廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)陶瓷材料
2016/6/21 12:01:17
先進(jìn)陶瓷通常指的是采用高純度、超細(xì)人工合成或精選的無機(jī)化合物為原料,具有精確的化學(xué)組成,精密的制造加工技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并具有優(yōu)異特性的陶瓷。先進(jìn)陶瓷按種類可分為具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)陶瓷,以及具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學(xué)特性等特點(diǎn)的功能陶瓷。先進(jìn)陶瓷廣泛應(yīng)用于高溫、腐蝕,電子、光學(xué)領(lǐng)域,作為一種新興材料,以其優(yōu)異的性能在材料領(lǐng)域獨(dú)樹一幟,受到人們的高度重視,在未來的社會(huì)中將發(fā)揮重要的作用。
一、結(jié)構(gòu)陶瓷
結(jié)構(gòu)陶瓷主要有:切削工具、模具、耐磨零件、泵和閥部件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、熱交換器和裝甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化鋯(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化鈦(TiB2)、氧化鋁(A12O3)和賽隆(Sialon)等。
(1)Si3N4基陶瓷材料
C纖維增強(qiáng)Si3N4基陶瓷材料,用ZrO2的變相效應(yīng)防止由于纖維與基體的熱膨脹系數(shù)上的不匹配而產(chǎn)生的裂紋,所獲得的復(fù)合材料的斷裂韌性提高5倍。氮化硅陶瓷以其優(yōu)異的綜合性能和豐富的資源成為高性能陶瓷中最有應(yīng)用潛力的一種切削工具,每年約有140噸氮化硅粉末用于刀具制造,價(jià)值約3億美元。
(2)碳化硅基陶瓷
用熱壓工藝制得的碳化硅陶瓷,其密度可以接近理論密度,彎曲強(qiáng)度即使在1400℃左右的高溫仍可達(dá)到500~600MPa。用CVI法制得的C纖維補(bǔ)強(qiáng)的碳化硅復(fù)合材料,強(qiáng)度為520MPa,而斷裂韌性達(dá)到16.5MPa·m。加入25vol%TiB的碳化硅復(fù)相陶瓷,如果嚴(yán)格控制起始的顆粒尺寸,可使強(qiáng)度達(dá)到888MPa,斷裂強(qiáng)度達(dá)到8.8MPa·m。可以說碳化硅是高溫空氣中強(qiáng)度最高的材料,其熱導(dǎo)率僅次于氧化鈹陶瓷材料。中國(guó)有很多企業(yè)生產(chǎn)碳化硅粉 ,其中很大一部分出口,但是主要都是低品味的用于制造耐火磚用的碳化硅粉。東歐有15萬噸/年的生產(chǎn)能力,北美的生產(chǎn)量為10萬噸/年。高純、高活性的碳化硅微細(xì)粉價(jià)格很高,為14-40美元/公斤,年需求額約1500萬美元,這種粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。
(3)氧化鋯增韌陶瓷
氧化鋯增韌陶瓷在結(jié)構(gòu)陶瓷研究中取得了重大的進(jìn)展,經(jīng)過增韌的陶瓷品種也很多,目前已經(jīng)知道的可使氧化鋯穩(wěn)定的添加物有:氧化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氧化釔、氧化鈰等單一的氧化物或它們的復(fù)合氧化物。被增韌的材料,除了穩(wěn)定的氧化鋯以外,還有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷。在氧化鋁中添加16vol%的氧化鋯增韌處理,得到材料的強(qiáng)度為1200MPa,斷裂韌性為15.0MPa.m。氧化鋯增韌陶瓷材料在室溫下具有最高的強(qiáng)度和斷裂韌性,今后將著重提高其高溫的性能。
二、功能陶瓷
功能陶瓷是知識(shí)和技術(shù)密集型產(chǎn)品。人們先后發(fā)現(xiàn)了氧化物導(dǎo)體,固體電解質(zhì),壓電、非線性光學(xué)材料,鐵氧體、記憶材料,太陽能電池,高溫氧化物超導(dǎo)體等。隨著電子產(chǎn)品向輕薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的發(fā)展,功能材料也有著不斷的發(fā)展。
功能陶瓷的品種繁多,這類材料具有微波介電性能、氣敏性能、超導(dǎo)性能、電阻梯度性能、鐵電性能及其相變行為、多層驅(qū)動(dòng)性、弛豫性能等多種優(yōu)良的功能,應(yīng)用十分廣泛。
(1)電子絕緣材料
目前國(guó)內(nèi)外常用的電子絕緣材料是Al2O3。近年來出現(xiàn)的新型電子絕緣材料,如AlN陶瓷,具有高強(qiáng)度、高絕緣性、低介電常數(shù)、高的熱導(dǎo)率等優(yōu)良的性能,且其熱膨脹系數(shù)能夠與單晶硅相匹配,主要應(yīng)用是作為大規(guī)模集成電路和電力模塊電路的散熱基板。
(2)電介質(zhì)材料
用于調(diào)諧電路、保護(hù)邏輯及記憶單元的陶瓷電容器介質(zhì)材料多數(shù)為BaTiO3基材料,此外還有高介的復(fù)合鈣鈦礦材料,以研制出頻率為105Hz時(shí),介電常數(shù)高達(dá)105的高介材料目前晶界層電容器的出現(xiàn),使常規(guī)瓷介電容器的介電常數(shù)提高數(shù)
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