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1先進(jìn)陶瓷簡(jiǎn)介
陶瓷與金屬材料、高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料

，在人類(lèi)生活和社會(huì)建設(shè)中不可或缺

。

三大固體材料

按陶瓷的概念和用途分類(lèi)，陶瓷制品分為普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）與先進(jìn)陶瓷（先進(jìn)陶瓷）兩大類(lèi)

。其中

，普通陶瓷是指以黏土及其天然礦物為原料，經(jīng)過(guò)粉碎混合

、成型

、焙燒等工藝過(guò)程所制得的各種制品。

先進(jìn)陶瓷是相對(duì)于普通陶瓷而言

，采用高度精選或合成的原料

，具有精確控制的化學(xué)組成

，按照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

，并且特性?xún)?yōu)異的陶瓷

。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(shù)一幟

，受到人們的高度重視，在未來(lái)的社會(huì)中將發(fā)揮重要的作用

。

普通陶瓷與先進(jìn)陶瓷的主要區(qū)別

2先進(jìn)陶瓷的分類(lèi)
1.按化學(xué)成分分類(lèi)

先進(jìn)陶瓷按化學(xué)成分分為氧化物陶瓷

、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷

、硼化物陶瓷

、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷

、硫化物陶瓷等

。

2.按性能和用途分類(lèi)

先進(jìn)陶瓷按其特性和用途可分為結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷兩大類(lèi)。功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占70%的市場(chǎng)份額

，其余為結(jié)構(gòu)陶瓷

。

先進(jìn)陶瓷應(yīng)用性能分類(lèi)

結(jié)構(gòu)陶瓷
結(jié)構(gòu)陶瓷是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷，具有高強(qiáng)度

、高硬度

、高彈性模量、耐高溫

、耐磨損

、抗熱震等特性，大致分為氧化物系

、非氧化物系和結(jié)構(gòu)用陶瓷基復(fù)合材料

。

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?div id="jfovm50" class="index-wrap">？梢哉f(shuō)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(wàn)噸／年的生產(chǎn)能力

，北美的生產(chǎn)量為10萬(wàn)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(wàn)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(guò)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(lái)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。

功能陶瓷
功能陶瓷是指具有電

、磁

、光、聲

、超導(dǎo)

、化學(xué)、生物等特性

，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類(lèi)陶瓷

。功能陶瓷的品種繁多，這類(lèi)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(lái)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

，頻率為105Hz時(shí)

，介電常數(shù)高達(dá)105的高介材料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)倍甚至數(shù)十倍

。

（3）壓電陶瓷材料

常用的壓電元件：傳感器、氣體點(diǎn)火器

、報(bào)警器

、音響設(shè)備、醫(yī)療診斷設(shè)備及通訊等

。通常的壓電材料是PZT

，新型的壓電陶瓷材料主要有：高靈敏、高穩(wěn)定壓電陶瓷材料

、電致伸縮陶瓷材料

，熱釋電陶瓷材料等。

（4）磁性陶瓷材料

磁性陶瓷材料可分為硬磁性和軟磁性材料兩類(lèi)

，前者不易磁化

，也不易失去磁性。代表性硬磁材料為鐵氧體磁鐵和稀土磁體

，主要用于磁鐵和磁存儲(chǔ)元件

。軟磁性材料易磁化及去磁，磁場(chǎng)方向可以改變

，主要用于交變磁場(chǎng)響應(yīng)的電子部件

。

（5）超導(dǎo)陶瓷材料

從二十世紀(jì)80年代對(duì)超導(dǎo)陶瓷的研究有重大突破以來(lái)，對(duì)高溫超導(dǎo)陶瓷材料的研究及應(yīng)用就倍受關(guān)注

。近十幾年以來(lái)

，我國(guó)在這方面的研究一直處于世界先進(jìn)水平。目前高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用正朝著大電流應(yīng)用

、電子學(xué)應(yīng)用

、抗磁性等方面發(fā)展。

（6）抗殺菌陶瓷材料

抗殺菌陶瓷材料是隨著科學(xué)的發(fā)展及社會(huì)的文明而產(chǎn)生的新一代功能材料

。無(wú)機(jī)抗殺菌劑按作用于微生物的機(jī)理可分為三類(lèi)：一類(lèi)是主要通過(guò)物理吸附或離子交換將銀

、銅、鋅等具有抗殺菌作用的金屬或其離子固定在沸石

、磷灰石

、硅膠、玻璃等無(wú)機(jī)材料載體上而制成

；第二類(lèi)是二氧化鈦粒子光催化抗殺菌劑

，二氧化鈦在光照下能使氧分子變成活性氧

，使水產(chǎn)生活性氧自由基而發(fā)揮抗菌殺菌的作用；第三類(lèi)是具有遠(yuǎn)紅外輻射功能的抗殺菌材料

，遠(yuǎn)紅外線的抗殺菌功能效果有限

，因此這種材料必須與前兩種材料配合使用，才能有更好的應(yīng)用價(jià)值

。

3先進(jìn)陶瓷的工藝
從本質(zhì)上來(lái)講

，陶瓷材料的成型就是通過(guò)某些工藝步驟將一些分離的陶瓷顆粒固結(jié)在一起以形成具有一定尺寸形狀和機(jī)械強(qiáng)度的均勻坯體。隨后

，通過(guò)燒結(jié)工藝使坯體轉(zhuǎn)化為制品

。與其他材料一樣，陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)決定著材料的性能

。

而陶瓷材料的結(jié)構(gòu)受到以下因素的影響：粉末原料的化學(xué)性質(zhì)以及總組成

、粉料的表面化學(xué)、顆粒形貌（表面積

、顆粒尺寸及形狀）

、成型工藝及成型條件、燒結(jié)工藝以及條件等

。從起始粉末原料到最終的陶瓷制品

，原材料的特性和制備工藝過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是影響材料顯微結(jié)構(gòu)以及性能的決定性因素。

先進(jìn)陶瓷材料的制備工藝

4先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用
先進(jìn)陶瓷因其特定的精細(xì)結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)

、高硬

、耐磨、耐腐蝕

、耐高溫

、導(dǎo)電、絕緣

、磁性

、透光、半導(dǎo)體以及壓電

、鐵電

、聲光、超導(dǎo)

、生物相容等一系列優(yōu)良性能

，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、化工

、冶金

、電子、機(jī)械

、航空

、航天

、生物醫(yī)學(xué)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。以下為先進(jìn)陶瓷材料在汽車(chē)上的應(yīng)用示例

。

這輛獨(dú)一無(wú)二的陶瓷版布加迪威龍白金跑車(chē)是法國(guó)超級(jí)跑車(chē)制造商布加迪與柏林皇家瓷器建造廠聯(lián)合推出的

。它采用陶瓷材質(zhì)進(jìn)行整車(chē)制造，油箱蓋

、車(chē)標(biāo)和輪蓋部位由特殊材料制成

。它由一個(gè)8升W16引擎提供動(dòng)力，可產(chǎn)生1000馬力

，由于動(dòng)力十足

，時(shí)速?gòu)?加速到62英里(約100公里)僅需2.5秒，最大時(shí)速可達(dá)253英里(約407公里)

，出廠售價(jià)為160萬(wàn)英鎊。

1.陶瓷在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等無(wú)機(jī)非金屬燒結(jié)而成

，是氧化鋁陶瓷強(qiáng)度的三倍以上

，能耐1000℃以上高溫。要將柴油機(jī)的燃耗費(fèi)降低30%以上

，新型陶瓷是不可缺少的?div id="d48novz" class="flower left">

，F(xiàn)在汽油機(jī)中，燃燒能量中的78%左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的

，柴油機(jī)熱效率為33%

，與汽油機(jī)相比已十分優(yōu)越，然而仍有60%以上的熱能量損失掉

。

因此

，為減少這部分損失，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進(jìn)行隔熱

，進(jìn)而用廢氣渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪來(lái)回收排氣能量

，有試驗(yàn)證明，這樣可把熱效率提高到48%

。同時(shí)由于新型陶瓷的使用

，柴油機(jī)瞬間快速起動(dòng)將變得可能。采用新型陶瓷的渦輪增壓器

，它比當(dāng)今超耐熱合金具有更優(yōu)越的耐熱性

，而比重卻只有金屬渦輪的約三分之一。因此

，新型陶瓷渦輪可以補(bǔ)償金屬渦輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)低的缺點(diǎn)

。

2.特種敏感陶瓷在汽車(chē)傳感器上應(yīng)用
對(duì)汽車(chē)用傳感器的要求是能長(zhǎng)久適用于汽車(chē)特有的惡劣環(huán)境(高溫、低溫

、振動(dòng)

、加速

、潮濕、噪聲

、廢氣)

，并應(yīng)當(dāng)具有小型輕量，重復(fù)使用性好

，輸出范圍廣等特點(diǎn)

。陶瓷耐熱、耐蝕

、耐磨及其潛在的優(yōu)良的電磁

、光學(xué)機(jī)能，近年來(lái)隨著制造技術(shù)的進(jìn)步而得到充分利用

，敏感陶瓷材料制成的傳感器完全能夠滿足上述要求

。

3.陶瓷在汽車(chē)制動(dòng)器上的應(yīng)用

陶瓷制動(dòng)器是在碳纖維制動(dòng)器的基礎(chǔ)上制造而成的。一塊碳纖維制動(dòng)碟最初由碳纖維和樹(shù)脂構(gòu)成

，它被機(jī)器壓制成形

，之后經(jīng)過(guò)加熱、碳化

、加熱

、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動(dòng)器，陶瓷制動(dòng)器的碳硅化合物表面的硬度接近鉆石

，碟片內(nèi)的碳纖維結(jié)構(gòu)使它堅(jiān)固耐沖擊

，耐腐蝕，讓碟片極為耐磨

。目前此類(lèi)技術(shù)除了在F1賽車(chē)中應(yīng)用

，在超級(jí)民用跑車(chē)中也有涉及。

4.陶瓷在汽車(chē)減振器上的應(yīng)用
高級(jí)轎車(chē)的減振裝置是綜合利用敏感陶瓷正壓電效應(yīng)

、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)研制成功的智能減振器

。由于采用高靈敏度陶瓷元件，這種減振器具有識(shí)別路面且能做自我調(diào)節(jié)的功能

，可以將轎車(chē)因粗糙路面引起的振動(dòng)降到最低限度

。

5.陶瓷材料在汽車(chē)噴涂技術(shù)上的應(yīng)用

近年來(lái)，在航天技術(shù)中廣泛應(yīng)用的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于汽車(chē)上

。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是隔熱效果好

、能承受高溫和高壓、工藝成熟

、質(zhì)量穩(wěn)定

。為達(dá)到低散熱的目標(biāo)，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件進(jìn)行陶瓷噴涂

，如活塞頂噴的氧化鋯

，缸套噴的氧化鋯

。經(jīng)過(guò)這種處理的發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低散熱損失、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)自身質(zhì)量

、減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸

、減少燃油消耗量。

總之

，特種陶瓷是一種正在不斷開(kāi)發(fā)中的陶瓷材料產(chǎn)品

，但原料的制取、材料的評(píng)價(jià)和利用技術(shù)等許多方面都有尚待解決的課題

。目前

，特種陶瓷在汽車(chē)的應(yīng)用并不廣泛，其中的主要原因有：制造工藝復(fù)雜

、要求高

；因特種陶瓷對(duì)原材料要求比較嚴(yán)格、工藝難以掌握

，使得各批制品的性能難以保持均勻一致

；成本較高，可加工性差

、脆性大、使用可靠性差

。不過(guò)

，人們有充分理由相信

，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展

，在未來(lái)的汽車(chē)制造業(yè)中將會(huì)有更多的特種陶瓷、智能陶瓷制品被引入和采用到汽車(chē)上

，而且一定會(huì)在汽車(chē)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用

。

不僅如此

，伴隨先進(jìn)陶瓷各種功能的不斷發(fā)掘，其在微電子工業(yè)

、通訊產(chǎn)業(yè)

、自動(dòng)化控制和未來(lái)智能化技術(shù)等方面作為支撐材料的地位將日益顯著，市場(chǎng)容量也將進(jìn)一步提升

。

5先進(jìn)陶瓷的市場(chǎng)規(guī)模
據(jù)估計(jì)

，2015年全球先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)規(guī)模為567億美元，未來(lái)幾年里

，多個(gè)終端行業(yè)的需求量增長(zhǎng)將對(duì)先進(jìn)陶瓷行業(yè)帶來(lái)正面影響

，預(yù)計(jì)到2024年，全球先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1346美元

，2015-2024年復(fù)合增速約為10%

。

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