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科普丨无机非金属材料之陶瓷材料
无机非金属材料又称硅酸盐材料，主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。他们的主要原料是天然的硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其他少数化合物，他们的生产过程与传统陶瓷生产过程相同，需要经过原料处理——成型——煅烧三个阶段。在这四类材料中，陶瓷是最早使用的无机材料。
工程中应用的陶瓷材料种类很多，范围很广，像玻璃、水泥、混凝土、磨料、瓷器、砖石、高温耐火材料以及电介质的绝缘材料、非金属的磁性材料等等。近十几年来，特别是一些陶瓷材料能用来制作发动机、汽轮机上的一些结构零件和刀具，代替了金属材料，更是令人瞩目。
这些材料假如要用一个定义以概括其基本特性的话．只能说它们是金属（或类金属）和非金属之间形成的化合物。这些化合物之间的结合是离子键或共价键。例如，MgO是金属镁和非金属氧形成的离子键化合物；SiC是类金属硅和非金属碳形成的共价键化合物。这些化合物可以是结晶型的，例如MgO，AI2O3，ZrO2和SiC，Si3N4等，也可以是非晶型的，如玻璃，甚至有些化合物在一定条件下可从非晶型转变为晶型，这就是玻璃陶瓷。
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由于陶瓷材料的原子结合是离子键或共价键，即使是晶体陶瓷，它也和金属晶体有很大的不同。首先是晶体结构复杂，原子排列不紧密，配位数较低；其次是难以变形，变形要破坏离子键或共价键。由于没有大量的自由电子，它们一般是不导电的绝缘体，是透明的，化学稳定性很高。
但是，正因为陶瓷是金属（类金属）和非金属之间的化合物，化合物的结构与性能多变，所以不易像金属或非金属那样好概括。比如上面所说的性能特点，我们也可以看到有半导体的陶瓷，不透明的陶瓷等等。
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陶瓷的晶体结构可分为两大类型：一种是按离子键结合的陶瓷，如MgO，ZrO2，Al2O3等金属氢化物；一种是按共价键结合的陶瓷，如SiC，Si3N4，纯SiO2的高温相等。
1.离子晶体结构
离子晶体陶瓷的结构很多，这里只介绍工程上最常见的几种类型。有几百种化合物都属于NaCl型结构，例如MgO，NiO，FeO和MnS等。NaCl结构可以看成是两个面心立方结构，一个是钠离子的，一个是氯离子的，相互穿插而成，其中每个钠离子被6个氯离子包围，反过来氯离子也被相等数量的钠离子包围。这种结构从空间点阵来说，属于面心立方布拉菲点阵，每一个阵点包含两个离子，一个是钠离子，一个是氯离子。故单胞的离子数为8。在金属的面心立方结构中，曾常谈到八面体间隙和四面体间隙位置，对NaCl结构，钠离子处于八面体间隙中。
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2.硅酸盐晶体结构
许多陶瓷材料是含有硅、氧原子（离子）并以不同方式配置在一起的硅酸盐结构。例如粘土、长石、云母等也是硅酸盐。因为硅和氧是地壳中最丰富的两种元素。许多硅酸盐由于成本低和具有特殊性能而成为有用的工程材料。对于工程建筑材料中的玻璃、硅酸盐水泥、砖等，硅酸盐结构特别重要。许多重要的电绝缘材料也是用硅酸盐制成的。许多成分复杂的硅酸盐，其基本结构的原子排列极为简单，又有规则。与此同时，许多硅酸盐结构的细节却相当复杂。硅酸盐的基本结构单元是硅氧四面体[SiO4]4-，。在这个结构单元中，四个氧原子围绕位于中心的硅原子。硅氧四面体通常以共顶的方式相联结（硅氧四面体[SiO4]4-顶角上的氧与相邻硅氧四面体共用），偶尔共棱（相邻两个硅氧四面体[SiO4]4-有两个顶角上的氧是共用的）。
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按陶瓷的概念和用途分类，陶瓷制品分为普通陶瓷与先进陶瓷两大类。
1.普通陶瓷
指以黏土及其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。例如砖、瓦、瓷器、卫生间马桶和混凝土等制品。
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2.先进陶瓷
相对于普通陶瓷而言，先进陶瓷采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且特性优异的陶瓷，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等领域。
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先进陶瓷按其特性和用途可分为结构陶瓷、工具陶瓷和功能陶瓷。
① 结构陶瓷
具有优良的强度、硬度、绝缘性、导热性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨、高温强度等特性，它可以用于非常恶劣的环境或工程条件，表现出高稳定性和优异的机械性能。
结构陶瓷的主要材料有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、六方氮化硼陶瓷等。
② 工具陶瓷
主要材料有硬质合金、天然金刚石（金刚石）、立方氮化硼（CBN）等，应用于切割工具。
③ 功能陶瓷
主要是基于其电、热、声、光、磁等特性而应用的陶瓷材料。
氧化物陶瓷由金属氧化物制成，例如氧化铝、氧化锆和二氧化硅等，用于切削工具、轴承、电绝缘体和牙科植入物等。
1.氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。氧化铝陶瓷的主要成分是三氧化二铝，一般含量在45%以上，其具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、良好的介电性等各种优异性能，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封圈等。
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2.氧化锆陶瓷
氧化锆陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等优异特性，在航空航天、汽车、工业制造、化工、生物医疗等行业有着广泛的应用。
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3.二氧化硅
二氧化硅是许多工程陶瓷的重要成分，是应用最广泛的陶瓷材料。二氧化硅基材用于隔热、磨料、实验室玻璃器皿、光纤的组成部分；二氧化硅细颗粒还可用于轮胎和油漆等。
4.二氧化钛
二氧化钛主要作为颜料存在于油漆中，它也是某些玻璃陶瓷的一部分，用于制造其他陶瓷，如钛酸钡。
5.氧化铀
氧化铀主要用作核反应堆燃料。它具有出色的尺寸稳定性，因为它的晶体结构可以容纳裂变过程的产物。
6.钇铝石榴石
钇铝石榴石主要应用于激光器（Nd-YAG激光器）。
7.钻石
钻石是已知自然界中最坚硬的材料，它有许多用途，如用于珠宝、工业磨料、切削工具、耐磨涂层等。
8.锆钛酸铅
PZT是应用最广泛的压电材料，可用作气体点火器、超声波成像、水下探测器等。
碳化硅陶瓷的主要成分为SiC，是一种高强度、高硬度的高温陶瓷。当在1200℃～1400℃的高温下使用时，碳化硅陶瓷仍能保持较高的抗弯强度，可用于火箭尾喷管、热电偶套筒、炉管等高温部件。
此外，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性以及较高的冲击韧性，是一种坚固耐用的陶瓷材料，它还具有低密度、低热膨胀率和出色的耐热冲击性，使其适用于各种应用。
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1.氮化硅陶瓷
氮化硅是氮化硅陶瓷的主要成分，是一种高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、自润滑的高温陶瓷，常用于陶瓷轴承的滚动元件，如滚珠和滚柱，也可用作高温轴承、腐蚀介质中使用的密封圈、热电偶套管、金属切削工具等。
2.氮化铝AlN
该材料具有优异的散热性能，可应用于热均衡组件、高温区组件和半导体制造设备组件。
3.六方氮化硼
六方氮化硼陶瓷的主要成分为BN，晶体结构为六方晶系。六方氮化硼陶瓷的结构和性能与石墨相似，故有“白色石墨”之称。六方氮化硼陶瓷硬度低，可进行机械加工，具有自润滑性能，可制成自润滑高温轴承和玻璃成型模具。
生物陶瓷材料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相关的生物、医用、生物化学等陶瓷材料。目前，以羟基磷灰石、β-磷酸三钙和生物活性玻璃为代表的生物陶瓷材料应用最广泛。由于生物陶瓷材料具有良好的生物活性，同时与生物体组织结构和化学组成之间相似，使其在生物医学工程领域具有巨大发展潜力，应用于口腔医学、组织再生、骨修复等。
值得关注的是，“第十八届中国国际先进陶瓷展览会”将于2026年3月24-26日在国家会展中心（上海）隆重举办！
历经十七载精耕细作，已发展成为全球规模最高、产业链覆盖最全的行业期间盛会。展会以55,000㎡的宏大规模，汇聚多个国家及地区的1000余家中外知名企业，打造全球先进陶瓷领域的“创新策源地”与“商贸枢纽站”，专业观众预计突破80,000人次，将打开万亿级市场的战略窗口。展会将搭建起供需精准匹配的高效平台，助力企业链接优质资源，拓展全球市场，推进先进陶瓷产业向高端化、智能化、国际化迈进，书写全球先进陶瓷产业发展的新篇章！
同期举办的第七届先进陶瓷前沿与产业发展论坛与2026第四届电子陶瓷及元器件产业发展论坛围绕先进陶瓷与电子陶瓷材料创新、制备工艺、器件设计、应用开发及产业链协同等前沿议题展开深入探讨，助力行业实现升级创新与可持续发展。
现【观众预登记】正式开启，免费登记通道将于3月23日晚上12:00正式关闭，提前预登记免费领取电子参观证！识别下图了解更多：
提前预登记，免费领取电子参观证
*免费领票通道截止至3月23日晚24时
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