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新型陶瓷材料的发展与应用

日期: 2018-10-29
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陶瓷与金属材料、高分子材料是当今社会应用最广泛的三大材料。陶瓷制品分为普通陶瓷与先进陶瓷两大类,先进陶瓷按其特性和用途可分为结构陶瓷与功能陶瓷。其中,结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷,具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、抗热震等特性;功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性的陶瓷。

新型陶瓷材料的发展与应用

新型陶瓷之所以能得到快速发展, 归纳起来有以下几方面原因:

①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 能满足现代科学技术和经济建设的需要。

②产品附加值相当高,应用十分广泛,几乎渗透到各行各业, 而且未来市场仍将持续扩展。

③其原料取于矿土或经合成而得,蕴藏量十分丰富。



新型陶瓷材料的应用


        由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济的各个领域。


01

电子工业领域

        电子工业是先进陶瓷产业最大的终端应用市场。电子陶瓷是指在电子设备中作为安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电元器件的陶瓷材料。目前电子陶瓷材料元器件主要包括:光纤陶瓷插芯、陶瓷封装基座、陶瓷基片、陶瓷基体、接线端子、片式多层陶瓷电容器等,主要材质有氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物等。现代科学技术的高速发展对电子陶瓷材料提出了更加严峻的挑战,也为这一领域的研究和发展创造了新的机会。


新型陶瓷材料的发展与应用


02

汽车工业领域

       随着科学技术飞速发展,更多特种陶瓷、智能陶瓷制品被应用到汽车上,给汽车零部件加工制造带来了一场新的革命。目前应用于汽车上的陶瓷材料主要有:氧化硅陶瓷,碳化硅陶瓷,氮化硅陶瓷,氧化铝陶瓷,未来还将会有氧化锂等更多的新型特种陶瓷材料应用到汽车的制造中。

         目前,汽车发动机的主要零部件,如活塞、气缸盖、气门、排气管、涡轮烟压器、氧传感器及火花塞等都用先进的陶瓷材料来制造,并研制出了无水冷的绝热陶瓷发动机。

表一 陶瓷材料在汽车发动机上的应用

新型陶瓷材料的发展与应用

        汽车用传感器要求能长久适用于特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、废气),并应当具有小型轻量,重复使用性好,输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能,制成的传感器完全能够满足上述要求。

表二 陶瓷材料在汽车传感器上的应用

新型陶瓷材料的发展与应用

        另外,在碳纤维制动器的基础上制造而成陶瓷制动器,其碳硅化合物表面的硬度接近钻石,碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击,耐腐蚀,让碟片极为耐磨。综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器,由于采用高灵敏度陶瓷元件,这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能,可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。


03

航空航天领域

        航天航空领域用材料大多在超高温、强辐照等极端苛刻环境中使用,要求材料具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀等特性。虽然航天航空领域的市场规模有限,但其对材料性能的高要求有力推动了工程陶瓷研制水平的提高和技术进步。

陶瓷材料在航空航天领域的应用主要有:

1、陶瓷基复合材料用于航天器外壳。碳纤维或碳化硅等陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料已成为制造航天器外壳和火箭喷嘴等不可或缺的材料。

2、HfB2、ZrB2、ZrC等用于超高温陶瓷涂层。随着超高声速飞行器的发展,对其表面抗烧蚀和抗大气冲刷的要求也越来越高,HfB2、ZrB2、ZrC等超高温陶瓷作为高温涂层材料对提升飞行器表面的抗烧蚀和抗冲刷能力有着不可替代的作用。

3、氮化物复合材料用于高温透波材料。氮化硅、氮化硼等氮化物陶瓷具有耐高温、介电常数和介电损耗低、抗蠕变和抗氧化等优异性能,可用作新一代透波材料。六方氮化硼陶瓷的导热性好、微波穿透能力强,可用作雷达窗口材料,同时其密度较小,可用作飞行器的高温结构材料。

04

光学陶瓷制品

         所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷。透明陶瓷不仅有良好的透明性和光学特性,同时又保持结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、热导率高及良好的介电性能,因此在新型照明技术、高温高压及腐蚀环境下的观测窗口、红外探测用窗、导弹用防护整流罩、军事用透明装甲等领域得到愈来愈多的应用。

新型陶瓷材料的发展与应用
新型陶瓷材料的发展与应用


05

生物医疗领域

生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料,即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。因其具有良好的生物相容性和稳定的物化性质等特点,被广泛应用于骨科、牙科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼外科等方面。

新型陶瓷材料的发展与应用

表三 常见陶瓷在生物医疗领域的应用

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06

化工领域

        陶瓷材料具有优导的化学稳定性,除氢氟酸及高浓度碱外,几乎对所有浓度的无机酸和盐类以及有机介质具有优异的耐蚀性能。随着结构陶瓷和功能陶瓷材料的问世,其性能不断提高,降低了脆性,提高了强度,陶瓷材料被广泛使用于石油化工、化肥、制药、食品、造纸、治炼、化纤等工业。比如设备用的耐酸衬里,耐酸地坪,用于生产储存、输送腐蚀性介质的塔器,容器和管道,以及陶瓷泵、阀等耐腐蚀设备,也可以用作填料。

新型陶瓷材料的发展与应用

07

纺织工业领域

 陶瓷材料在纺织工业中的应用主要体现在:一是陶瓷纺织零件,二是陶瓷纺织织物。陶瓷纺织零件具有耐磨性高、化学稳定性好等特点,被安装在纺织机设备的关键部位上,大幅度提高合成纤维和纱的速度和质量,比如摩擦盘、切线器具和导丝器。另外,研究人员采用特殊工艺将陶瓷粉末与纺织品相结合,制备了具备各种功能的织物,进一步促进陶瓷材料在纺织工业中的应用。

新型陶瓷材料的发展与应用


08

军事领域

     军事应用中的特种陶瓷主要指的是氧化铝和碳化硼。在现代军事中,无论是海陆空或其他兵种的现代武器中,都有用特种陶瓷制成的部件。如B4C陶瓷可作为飞机、车辆和人员的防弹装甲,用比例纤维和B4C复合材料制成的0.6cm厚的B4C内衬可阻挡小口径的装甲弹的穿透。另外,宇宙飞船外壁的陶瓷隔热瓦是玻璃纤维复合材料,具有轻质、耐热、耐冲击、低热导等优良性能,是理想的军用隔热材料。特种陶瓷在导弹控制系统中也有用途,在雷达天线上加装一个气动天线罩,可协调机械、热力、电气系统、的功能,保证导弹正常运行。还有火箭上需要的特殊高温材料,很多也是用金属陶瓷制成的。

新型陶瓷材料的发展与应用


   新型陶瓷材料不仅是当今科学技术发展的物质基础,还是建立发展新技术产业、改造传统工业、节约能源和保护环境及提高我国国际竞争力所不可缺少的物质条件。新技术的不断进步会对新型陶瓷材料的性能提出更加苛刻的要求,我们必须不断地开拓进取,在新型陶瓷材料制备技术、新的材料体系不断创新,使其对人类社会的进步作出更大的贡献。


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