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常见工程陶瓷材料及其应用领域简析
2018年05月25日 发布
分类：粉体应用技术 点击量：8404
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工程陶瓷是指应用于工程技术领域的各种陶瓷的总称，包括结构陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基复合材料。工程陶瓷以其耐高温、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好以及独特的电、热、光、磁等功能，在新材料领域占有十分重要的地位。工程陶瓷的简单分类如下图1所示。
图1 工程陶瓷分类 工程陶瓷所涉及的面很广，仅用一篇文章难以很好地进行概括，为了给相关研究人员提供参考，本文仅针对耐高温、耐磨损、耐腐蚀用部分常见工程陶瓷的材料及应用做简单介绍。温馨提示，本文略长，粗略浏览需要大约10分钟阅读时间。 1、氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是研究和应用最广泛的一种工程陶瓷，具有熔点高（2050℃）、硬度高（90-92HRA）、绝缘性能好（体积电阻率高达1015Ω·cm）、化学稳定性好等优点，被广泛用作高温结构材料、耐磨材料、电绝缘材料和耐化学腐蚀材料等，如高温窑具材料、耐磨内衬和研磨体、电真空管壳和陶瓷基片、高温烟气净化陶瓷膜材料、化工陶瓷、透明陶瓷电子产品镜头盖、耐磨涂层等等。
陶瓷金卤灯用半透明氧化铝一体管 制备高性能氧化铝陶瓷的关键在于其原料粉体的纯度、颗粒形貌及粒径分布。近年来，随着透明氧化铝陶瓷和蓝宝石晶体需求的增长，高纯超细或纳米级氧化铝粉的制备技术得到了较快发展。制备透明氧化铝陶瓷的原料为纯度高达4N、粒径小于100nm的高纯超细粉，而蓝宝石晶体生长则要求原料的纯度达到5N。 国内高纯氧化铝粉体虽已进入产业化生产阶段，但因生产工艺和设备的不稳定以及试验研究和生产应用的脱节，在批次稳定性、粉体粒径分布以及微量元素脱除等方面与国外相比依然存在差距。 相关阅读：高纯氧化铝陶瓷的制备及应用简介 2、氧化锆陶瓷 在各类金属氧化物陶瓷中，氧化锆的高温稳定性最好，最适宜用作陶瓷涂层及高温耐火制品；以氧化锆为主要原料的锆英石基陶瓷颜料是高级釉料的重要成分；氧化锆的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近，成为重要的结构陶瓷材料，特殊的晶体结构，使之成为重要的电子材料。氧化锆陶瓷的相变增韧特性，使之成为塑性陶瓷的热点研究对象；良好的机械性能及热物理性能，使它成为金属基复合材料中性能优异的增强相。目前在各种金属氧化物陶瓷中，氧化锆陶瓷的用途仅次于氧化铝陶瓷。 氧化锆陶瓷可通过相变增韧来获得高的强度和韧性，部分稳定氧化锆（PSZ，陶瓷常以3%ω氧化钇稳定的氧化锆纳米粉体为原料）陶瓷是目前强度和韧性最高的陶瓷材料，其抗弯强度可达1500MPa以上，断裂韧度KIC可达15MPa•m1/2以上，与钢的强度和韧性相当，因此被誉为“陶瓷钢”。PSZ陶瓷晶粒细小、强度高、韧性好、耐磨性高（通常比氧化铝陶瓷高出5-10倍），且表现出良好的自润滑性（在使用过程中其表面越磨越光滑，磨损率随时间的延长呈下降的趋势），因此，作为耐磨结构材料在砂磨机和球磨机的内衬和研磨体、轴承材料、柱塞、机械密封件、纺织瓷件、人工关节、表链表壳、圆珠笔的滚珠、日用陶瓷刀具等方面获得了日益广泛的应用。
氧化锆凡尔球及凡尔球座 隔膜泵密封球（图片来源广东东方锆业） 而全稳定的立方相氧化锆陶瓷（通常用8%氧化钇稳定的氧化锆纳米粉制备）虽然强度和韧性不如PSZ陶瓷，但由于具有良好的离子导电性，目前已广泛用作氧传感器、高温发热元件和高温燃料电池的隔膜等。该陶瓷氧传感器的一个重要应用是监控汽车发动机中燃料燃烧状况，另一个重要应用则是在钢铁行业中监测炼钢炉中氧含量。氧化锆陶瓷还是目前唯一能在空气环境中加热到2000℃以上的电热元件，也是高温燃料电池最理想的隔膜材料。 相关阅读：说说热门的氧化锆陶瓷的制造与应用 备注：纯氧化锆在常温下是只有单斜相，为了获得其他室温稳定相系，需在ZrO2中添加某些氧化物作为晶型稳定剂，如：Y2O3、CaO、Al2O3、CeO2、MgO、Sc2O3等，使氧化锆的四方晶型或立方晶型稳定至室温下。 制备高性能氧化锆陶瓷的关键依然是性能稳定的粉体原料，而其中设计的内容也比较多。本篇篇幅较长此处便不展开更多细节描述，后期文章将为大家继续推送相关内容，感兴趣的朋友们可以继续关注我们哦。 3、碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷是非氧化物陶瓷材料中研究和应用最广泛的陶瓷材料。由于硅、碳之间以共价键结合，形成了类似于金刚石的四面体结构，因而具有高强度、高硬度、抗氧化和优异的耐腐蚀性能。碳化硅陶瓷因其制备工艺不同，性能差异较大，应用领域也各异，但主要是利用其耐高温、耐磨、耐腐蚀等特性，用作高温结构材料、耐火材料、机械密封用耐磨材料、抗酸碱的耐腐蚀材料和高温热交换材料等。 相关阅读：碳化硅粉体的制备与应用 碳化硅陶瓷根据结合剂或烧结助剂的种类可分为氧化物结合、氮化物结合、反应结合、液相烧结、固相烧结和再结晶等不同类型，其性能和使用温度也差异较大。 a 氧化物结合碳化硅陶瓷工艺及应用 主要以二氧化硅微粉为结合剂，与碳化硅颗粒表面的氧化层反应形成无定形二氧化硅，将碳化硅颗粒结合为整体，其烧成温度通常为1400-1450℃，可在氧化气氛下烧成。氧化物结合碳化硅陶瓷中碳化硅的质量分数约90%，室温抗弯强度为50-80MPa，由于结合剂为二氧化硅，在800℃以上强度开始下降，最高使用温度不超过1400℃，主要用作耐火材料、窑具材料、高温过滤材料等。 b 氮化物结合碳化硅陶瓷工艺及应用 以碳化硅粉体为主要原料，加入一定量硅粉（一般不超过15%），充分混合后在氮气气氛下烧结，在烧结过程中硅粉与氮气发生反应生成的氮化硅将碳化硅颗粒结合为整体而得到的。氮化物结合碳化硅陶瓷的抗弯强度为100-200MPa，1000℃时其强度开始下降。由于制品中残留有少量硅，最高使用温度不超过1500℃。 c 反应结合碳化硅陶瓷工艺及应用 将碳化硅粉与一定量的碳粉混合均匀后在非氧化性气氛下进行液相渗硅（1400-1450℃），使液相硅与坯体中的碳反应生成碳化硅，将坯体中的碳化硅颗粒结合为整体而得到的。由于反应产物为碳化硅，且渗硅后降低了气孔率，反应结合碳化硅陶瓷的抗弯强度可达300-500MPa，但由于制品中会残留较多的硅，在1000℃时强度开始下降，其最高使用温度不超过1400℃
碳化硅耐火材料（图片来源：北星精陶） d无压烧结碳化硅陶瓷工艺及应用 无压烧结碳化硅陶瓷是一种致密烧结材料，相对密度可达99%，弯强度为400-600MPa。制备方法包括以氧化铝和氧化钇为烧结助剂的液相烧结和以硼和碳为烧结助剂的固相烧结。 液相烧结助剂的添加量为6%-12%，烧结温度在1800-2000℃之间；氧化铝和氧化钇物质的量比一般控制在5：3，以便在烧结过程中能形成钇铝石榴石（Y3Al5O12YAG）晶相，以提高其高温性能。固相烧结碳化硅陶瓷中硼和碳的添加量一般不超过２％，烧结温度为2150-2250℃，通过固相扩散实现致密烧结。 由于烧结助剂用量少，且在烧结过程中不产生液相，因而固相烧结碳化硅陶瓷具有较好的高温性能，其抗弯强度随着温度的升高呈增大趋势，当温度达到1400℃以后才开始下降，该陶瓷可在1600℃下长期使用。 e 再结晶碳化硅(RSiC)陶瓷 一种不添加任何烧结助剂的高纯度碳化硅材料，其纯度可达99.5%它通过将粒径为50-100mm的碳化硅粗颗粒和0.5-2mm的细颗粒按一定比例混合并加入成型助剂成型，然后在氩气气氛中于2300-2400℃高温下烧结而成。 RSiC在空气环境中最高使用温度可达1700℃，广泛应用于高温窑具、喷嘴、太阳能热转换器、柴油车尾气净化装置及金属冶炼设备等对材料性能要求极为苛刻的制品上。此外，因再结晶碳化硅陶瓷具有良好的导热性及半导体性质，还在高温领域作为热交换材料、点火元件等功能材料使用。 相关阅读：碳化硅陶瓷的制备及应用简介 4、氮化硅陶瓷 氮化硅(Si3N4)陶瓷是非氧化物陶瓷中发展较快的一种工程陶瓷，硅、氮之间以共价键结合形成［SiN4］四面体结构单元，使陶瓷具有高强度、高硬度、优良的抗氧化和耐腐蚀性能。氮化硅有两种结晶形态，即细颗粒状的α-Si3N4和针柱状的β-Si3N4，坯体中细颗粒的α-Si3N4，在烧结温度下可转变为针柱状的β-Si3N4，起到自增韧的作用，因此氮化硅陶瓷比碳化硅陶瓷具有更高的强度和韧性，更适合制备研磨介质陶瓷刀具、轴承等需要高强度和高韧性的陶瓷制品。
十年无损超耐磨氮化硅研磨球（陈长明先生素材提供）
大功率风力发电机轴承滚珠（日籍友人大瀧稔先生供图） 相关阅读：氮化硅，最强“轴承滚珠”材料 氮化硅陶瓷具有很好的红硬性，特别适合于在高速数控机床上进行高速切削或磨削加工。
氮化硅刀具（图片来源 无味坊张老师） 氮化硅优异性能很大程度上取决于原料粉体的性能，因此高纯度、高α相含量、粒径分布窄的氮化硅粉体的制备至关重要。氮化硅粉体的合成方法主要有直接氮化法、碳热还原法、硅酰亚胺分解法、等离子法等，其中直接氮化法因工艺简单，生产过程中无毒副产物以及产物可重复性好，是目前工业化生产中最常用的方法。由于氮化硅在1900℃会发生分解，而无压烧结氮化硅陶瓷的烧结温度在1850℃以上，因此，必须采用埋粉或在一定压力的氮气下烧结。 5、石英陶瓷 石英陶瓷也称作熔融石英陶瓷，是以纯度在99.5%以上的熔融石英为原料，经粉碎至一定粒径后成型，然后在1300℃左右烧结而成。热膨胀系数低，具有非常优异的抗热震性。 石英陶瓷工艺概况：石英陶瓷的成型方法除了传统的模压和注浆成型外，近年来发展起来的凝胶注模成型工艺也得到了应用，采用该技术已成功制造了玻璃水平钢化用托辊、浮法玻璃窑用闸板砖等大尺寸石英陶瓷制品。 石英陶瓷应用领域：石英陶瓷的应用领域涉及冶金、电工、玻璃、航空、光伏等行业，此外还广泛用作单晶硅和多晶硅的熔炼坩埚以及导弹用天线罩等。
图 石英陶瓷坩埚（来源：江苏浩特科技） 备注：石英陶瓷坩埚是太阳能电池用多晶硅铸锭炉的关键部件，它作为承载多晶硅原料的容器要在1500℃以上的高温下连续工作50小时以上，使之熔化产生出用来制造太阳能电池的多晶硅硅锭。由于其使用条件极其苛刻，对坩埚的纯度、强度、外观缺陷、内在质量、高温性能、热振稳定性、尺寸精度等都有极其严格的要求。 6、氮化铝陶瓷 氮化铝陶瓷是一种高导热但绝缘的陶瓷材料，具有高强度、高硬度、耐高温等特点，因此用于大功率集成电路和电子元器件的散热基片具有独特优势。高纯度、性能稳定、细粒径和窄粒径分布的氮化铝粉体和少量烧结助剂（纳米级氧化钇），配合热压烧结工艺是制备高导热氮化铝陶瓷理想的技术方案。因此氮化铝粉体的制备工艺成为了一个热点研究对象。
氮化铝基片 氮化铝粉制备工艺：目前，合成氮化铝粉体的方法有铝粉直接氮化法、碳热还原法、气相合成法以及溶胶－凝胶法等。其中，铝粉直接氮化法及碳热还原法是目前工业制备氮化铝粉体的工艺路线。详细介绍可点击如下相关阅读了解本文不再展开描述 相关阅读：高导热氮化铝陶瓷基片制备技术简述 7、氮化硼陶瓷 氮化硼（BN）有两种典型的晶体结构，即六方氮化硼和立方氮化硼。目前六方氮化硼陶瓷主要应用于高温绝缘材料、高级口红填料、润滑材料（如热压模具的脱模剂）以及熔炼金属的坩埚等，立方氮化硼陶瓷则主要用于制作切削刀具、磨具和研磨或抛光材料。
立方氮化硼硬度略低于金刚石，常用做作磨料和刀具材料 六方氮化硼六方氮化硼呈白色，石墨相似的结构，许多性能也与石墨的相近，如低硬度、润滑性等，但不同的是石墨是导电材料，而六方氮化硼是绝缘材料。另外一个非常值得关注的点是六方氮化硼是陶瓷材料中导热非常大的材料之一，导热率为石英的十倍，高导热系数热压制品为33W/M.K和纯铁一样。膨胀系数相当于石英，是陶瓷中非常小的，所以抗热震性能很好。立方氮化硼具有与金刚石相似的结构，也是目前硬度仅次于金刚石的第二种超硬材料。与金刚石和石墨的转变类似，六方氮化硼在高温高压下可转变为立方氮化硼。 氮化硼粉体制备方法：高纯度氮化硼粉体是制备高性能氮化硼陶瓷的前提，主要制备方法有先驱体法、水热法、化学气相合成法以及高温自蔓延合成法等。但这些合成方法均存在一些不足，如先驱体法制备的氮化硼粉体密度较低，水热法的产率低，化学气相合成法需要精准控制的工艺参数多且副产物的回收处理困难等。 相关阅读：一文了解氮化硼（BN）材料 此外，熔点接近或超过3000℃的TiB2、HfB2、ZrB2、ZrC等高温工程陶瓷近年也成为了研究热点，在航天领域潜力无线。本文部分内容摘自如下文献1，如需了解更加详细内容可参考原著。 未完待续》》》》》》》》 参考资料 1、工程陶瓷的技术现状与产业发展，肖汉宁，刘井雄，郭文明，高朋召，湖南大学材料科学与工程学院。 编辑：粉体圈小白 
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