第九章精细陶瓷Word格式.docx
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（4）生物陶瓷
2.功能陶瓷
功能陶瓷以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，在通信电子、自动控制、集成电路、计算机、信息处理等方面的应用日益普及。
功能陶瓷材料大致包括：
（1）导电陶瓷
（2）介电陶瓷
（3）压电陶瓷
（4）半导体陶瓷
另外根据精细陶瓷的特性与用途，可将精细陶瓷分为三类：
（1）电子陶瓷主要应用于制作集成电路基片、点火元件、压电滤波器、热敏电阻、传感器、光导纤维等及磁芯、磁带、磁头等磁性体，例如氧化铁、氧化锆陶瓷等。
（2）工程陶瓷主要应用于切削工具、各种轴承及各种发动机，特别是汽车发动机，热效率可提高40%。
如碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝陶瓷等。
（3）生物陶瓷主要应用于制作人工骨骼、人工牙根及人工关节、固定催化剂载体等。
例如：
氧化铝陶瓷、磷灰石陶瓷等。
二、研究精细陶瓷的意义及方法
精细陶瓷的研究任务主要是：
研究和提高现有材料的性能；
发掘材料的新性能；
探索和开发新材料；
研究与发展材料制备技术与加工工艺。
随着对以上诸多领域研究的深入，陶瓷科学逐渐同冶金学、物理学、化学和数学等学科相互交叉渗透，从而逐步构建其完整的科学体系。
三、精细陶瓷的应用和发展
精细陶瓷按应用角度看，主要包括结构陶瓷和功能陶瓷两大类。
它的发展虽然还不到一个世纪，但是作为结构和功能两大主要应用方面发展极其迅速，各国以热机为目标，投入大量研究经费和人力，以氧化物、氮化物、碳化物以及它们的复合材料为主，开展了材料的组分与结构设计、制备科学研究和材料与部件的可靠研究等。
到90年代，材料的强度和韧性均取得重大突破，目前应用的主要
障碍是在成本和可靠性上。
但是在耐磨、耐腐蚀、耐高温等方面应用已经取得了重大突破，在世界经济各个领域和国防建设中作出了重要贡献。
随着低成本制备技术和均匀可靠性的提高，预计作为热机应用有望在二十一世纪初取得突破。
功能陶瓷是精细陶瓷的最主要组成部分，由于各种功能的不断发现，在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为主要支撑材料的地位将日益明显，特别是随着材料向微型化、集成化、多功能化方向发展，功能陶瓷不仅在品种、质量和数量将有更高要求，而且期待着新的功能陶瓷不断涌现。
此外从环保和节能角度看，材料组成的无铅化、低温烧结、多层复合等新工艺均是重要发展趋势。
近年来，国外精细陶瓷总的发展趋势是：
门类越来越多，品种更加齐全，应用范围愈来愈广阔，成为当前国际上最具活力的陶瓷行业。
精细陶瓷产品已在微电子技术、自动化装置、汽车发动机、敏感传感器、新能源等方面广为采用，形成生产高潮与激烈的市场竞争局面。
第二节精细陶瓷的制备工艺
与金属材料相比，精细陶瓷具有硬度大，耐磨性好，耐热及耐腐蚀性等优异特点，但性脆，耐冲击强度低，故精细陶瓷的加工性能较差，加工难度较大。
精细陶瓷的制造工艺大致如下：
原料粉末调整一成型一烧结一加工一成品
一般首先制备高纯度和高超细原料粉体，然后采用各种成型方法制成各种半成品，再根据不同的组成，不同的要求，采取不同的烧结方法制成所需要的产品。
、精细陶瓷的粉体制备
精细陶瓷的粉体制备方法一般可分为机械法和合成法两种，前一种方法是采
用机械粉碎方式将机械能转化为颗粒的表面能，使粗颗粒破碎为细粉；
后一种方法是由离子、原子、分子通过反应、成核和成长、收集、后处理等手段获得微细粉末。
这种方法的特点是纯度、粒度可控，均匀性好，颗粒细微，并可以实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。
1.机械法
2.合成法
化学合成法包括固相法、液相法和气相法三种。
（1）固相合成法
r?
i?
+2co（isoo-nooic）
十6CO
以固态物质原料制备粉体的方法，包括固-固和固-气反应。
固-固反应的应用如碳化硅粉体的合成，可采用二氧化硅粉末与炭粉在惰性气氛中加热至1500〜
1700E反应生成a-SiC。
氮化硅粉体的合成常采用固-气反应。
利用高纯度SiO2粉末和炭粉通N2气加热可生成Si3N4。
（2）液相合成法
液相法制取粉末主要可分为反应沉淀法和溶胶-凝胶法两大类，后者常常是制取超细陶瓷粉的有效方法。
（3）气相合成法
此种方法可分为蒸发凝聚法（PVD）及气相反应法（CVD）。
前者是将原料加热至高温，使之气化，然后急冷，凝聚成微粒状物料，适用于制备单一氧化物、复合氧化物、碳化物或金属微粉。
后者是用挥发性金属化合物的蒸气，通过化学反应合成的方法。
除适用于制备氧化物外，还适用于制备液相法难于直接合成的氮化物、碳化物、硼化物等非氧化物。
二、精细陶瓷成型方法
1.成型前的原料处理
成型前原料需经一定的处理，如煅烧、粉碎、分级、净化处理等。
原料进行处理的目的是调整和改善其物理、化学性质，使之适应后续工序和产品性能的需要。
（1）原料煅烧
（2）原料的混合
（3）塑化
（4）制粒
2.主要的成型方法
成型的任务是将粉末制成要求形状的半成品。
精细陶瓷的主要成型法有：
（1）粉料成型法：
包括钢模压制，等静压制。
（2）浆料成型方法：
3）可塑成型方法：
4）注射成型方法：
三、精细陶瓷的烧结方法
烧结的实质是粉末坯块在适当环境或气氛中受热，通过一系列物理、化学变化，使粉末颗粒间的粘结发生质的变化，坯块强度和密度迅速增加，其它物理、力学性能也得到明显的改善。
精细陶瓷常用的烧结方法如下：
1.普通烧结
2.热压烧结
3.其它烧结方法
电场烧结超高压烧结活化烧结反应烧结自蔓延高温合成（SHS）致密化
第三节精细陶瓷的性能和应用
一、高温结构陶瓷
常用的高温结构陶瓷有：
1高熔点氧化物，如Al2O3、ZrO2、MgO、BeO等，它们的熔点一般都在2000C以上；
2碳化物，如SiC、WC、TiC、HfC、NbC、TaC、B4C、ZrC等；
3硼化物，如HfB2、ZrB2等，硼化物具有很强的抗氧化能力；
4氮化物，如Si3N4、BN、AlN、ZrN、HfN等，氮化物常具有很高的硬度；
5硅化物，如MoSi2、ZrSi等，在高温使用中由于制品表面生成硅酸盐保护膜，所以抗氧化能力强。
1.氮化物陶瓷
（1）氮化硼：
（2）氮化硅：
氮化硅可用多种方法合成，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300r反应后
获得。
3Si+2N2—Si3N4
也可用化学气相沉积法，使SiCI4和N2在H2气氛保护下反应，产物沉积在石墨基体上。
形成一层致密的层。
此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下：
3SiCl4+2N2+6H2—Si3N4+12HCI
2.碳化物陶瓷
碳化物陶瓷最主要的特性之一，是具有高熔点。
，碳化物陶瓷还具有较高的硬度。
碳化硼硬度仅次于金刚石与立方氮化硼，属于最硬的材料，碳化物陶瓷还具有良好的导电性、导热性及化学稳定性。
鉴于以上各种独特的优良性能，碳化物陶瓷作为耐热材料、超硬材料、耐磨材料、耐腐蚀材料，在尖端科学及工业领域应用前途非常广阔。
其中象碳化硅陶瓷已经实现批量生产，早已运用在各个领域。
3.高熔点氧化物陶瓷
高熔点氧化物陶瓷通常是指熔点超过SiO2熔点（1728E）的氧化物，大致有60多种，其中最常用的有AI2O3、ZrO2、MgO、BeO、CaO和SiO2等六种这些氧化物在高温下具有优良的力学性能，耐化学腐蚀，特别是具有优良的抗氧化性，好的电绝缘性，所以得到广泛的应用。
4.赛隆（SiaIon）
赛隆是以Si-AI-N为主的各类化合物所组成的新型结构材料，是具有氧化物和氮化物中间组成的一类材料的固熔体的统称，是典型运用“化合物的复合化”方法而制得的新材料。
其中有代表性的材料是氮化硅-氮化铝-氧化硅系组成的赛隆。
赛隆具有较好的加工性能，它比氮化硅易烧结，可用各种陶瓷成型方法，然后烧结成接近理论密度，甚至无压烧结也可得到致密陶瓷体。
还可以通过改变组成调节其性能以适应不同需要。
在机械性能方面赛隆保留了氮化硅的强度大、硬度高、耐热冲击性好等优良性能；
而在韧性、化学稳定性和抗氧化性等优于氮化硅。
赛隆的性能决定其用途，可用于切削工具、耐火材料、轴承及其它高温耐磨材料。
用于切削刀具，热硬度化比碳化钨和氧化铝都高，即使刀尖温度高于1000C仍可进行高速切削。
5.高温陶瓷的发展动态
二、光学陶瓷
具有光学性能的陶瓷称为光学陶瓷。
光学陶瓷不仅有透光性还有耐热性、耐腐蚀性、光传输、激光、红外及变色现象等性能。
例如光色陶瓷在光照射下可着色，停止照射又褪色，可用于制造变色片、全息照相存储器和显示器件。
激光陶瓷如红宝石（掺Cr3+的AI2O3）、掺钕的钇锆石榴石（Y3AI5O12:
Nd3+）等可用于制造激光器，导热效率和工作效率都很高。
下面重点介绍透明陶瓷和光导纤维。
1.透明陶瓷
一般陶瓷是不透明的，但光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。
一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。
因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。
早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。
近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等。
这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且能耐高温，一般它们的熔点都在2000r以上，如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100C，比普通硼酸盐玻璃高1500C。
透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。
高压钠灯的工作温度高达1200C，压力大，腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。
透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。
2.光导纤维
从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100卩m的细丝，称为石英玻璃纤维。
玻璃可以透光，但在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称光导纤维，是精细陶瓷中的一种。
利用光导纤维可进行光纤通讯。
激光的方向性强、频率高，是进行光纤通讯的理想光源。
光纤通讯与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多的通讯通路，可满足大容量通讯系统的需要。
三、生物陶瓷
与生命科学、生物工程学相关的陶瓷称生物陶瓷
1.磷灰石陶瓷（羟基磷灰石烧结体）
羟基磷灰石［Ca10（PO4）6（OH）2］是骨组织的主要成分，人工合成的羟基磷灰石与骨的生物相容性非常好，植入身体后不会引起排斥反应，它能直接与活体组织强有力地结合，因为它的分子中含有羟基，可与含有羧基的氨基酸、蛋白质反应。
它与自然人骨、人齿、珐琅等相比，其耐压强度、抗拉强度要大数百倍，弹性模量大两倍。
它是制造人造骨、人造齿的重要原料，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。
另外其粉体还可用于制造牙膏的添加剂，通过磷灰石的吸附性能除去链球菌等产生的细胞外性多糖类，用于预防龋齿。
目前发现用熔融法制得的生物玻璃，如CaO-Na2O-SiO2-P2O5,具有与骨骼键和的能力。
生物玻璃在与骨结合时，先在植入体表面形成富硅凝胶，然后转化成磷灰石晶体，这时在结合面形成有机和无机的复合层，保持很高的结合强度。
2.氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度、高稳定性，与人体组织有良好的结合性，氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，它还可以做人工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。
3.碳素陶瓷
碳素陶瓷可分为石墨、玻璃状碳素、气相热裂碳素和碳素纤维等四种状态。
石墨陶瓷即烧结型碳素材料，其原子配裂为层状结构，层之间以微弱的范德华引力相连接。
玻璃碳素在2000C的高温下机械强度优于石墨。
碳素陶瓷无化学活性，其化学组成与构成人体的基本元素（C）相同，因此它无毒性，无排斥反应，与肌体亲和性好，可用于制造人体的心脏瓣膜，占世界心脏瓣膜材料的60%。
碳素纤维还可制造人造肌腱。
将石墨添入高密度聚乙烯中制作人造关节。
近年来，随着气相热裂碳素制作技术的进步，利用碳素材料的抗血栓性和机体亲和性，以涂膜后的有机物作人造血管、人造咽骨管、人造输尿管、人造胆管等。
四、电子陶瓷
利用电磁反应为应用目的的陶瓷称为电子陶瓷。
不同种类的电子陶瓷对于温度、压力、光、湿度、气体等物理化学性的环境变化而产生不同的特性反应。
1.压敏陶瓷
压敏半导体陶瓷是指材料所具有的电阻值，在一定电流范围内具有非线性可变特性的陶瓷，用这类陶瓷制成的元器件又称非线性电阻器，它在某一临界电压下电阻值非常高，几乎无电流流过，当超过临界电压时，电阻急剧变低，随着电压的少许增加，电流会迅速增大，具有这种特殊非线性特性的材料包括硅、锗等单晶半导体及SiC、TiO2、BaTiO3、SrTiO3、ZnO等半导体陶瓷，其中以ZnO半导体陶瓷的特性最佳。
ZnO压敏电阻器的应用很广，在过电压保护方面是十分重要的。
ZnO避雷器可以用于由雷电引起的过电压和电路工作状态突变造成电压过高，使正常运行状态的过电压线路得到保护和稳压，防止设备遭受损坏。
2.热释电陶瓷
因温度变化引起自发极化值变化的现象称热释电现象。
具有热释电现象的陶瓷称为热释电陶瓷。
当温度恒定时，由自发极化出现在表面的电荷与吸附存在于
空气中相反的电荷产生中和。
若温度发生变化，自发极化的大小产生变化，于是中性状态受到破坏，而产生电荷的不平衡，若将此不平衡的电荷作为电信号取出，则可作为红外传感器。
根据此原理，可作火焰检测器，温度测量仪，此外，还可作光导摄像管，可用于上升、下降快的强脉冲激光输出测量等。
3.湿敏陶瓷
合适的湿度对于生物、生活、生产都非常重要，因此湿度的测量、控制与调节，对于工农业生产、气象环卫、医疗健康、生物食品、货物储运、科技国防等领域均具有十分重要的意义。
17世纪，人们发现随着大气湿度的变化，人的头发会出现伸长或缩短的现象，由此制成毛发湿度计。
18世纪时，人们利用水分向大气蒸发时必须吸收潜热的效应，研制成干湿球湿度计。
上述湿度计的主要缺点是灵敏度、准确性和分辨率都不够高，且难于和现代的指示、记录与控制设备直接相连。
陶瓷湿度传感器测试范围宽、响应速度快、工作温度高、耐污染能力强。
故湿敏陶瓷成为人们主要研制、开发的湿敏材料。
湿敏着重研究水分子的附着，在感湿过程中，既有化学吸附，又有物理吸附；
既要考虑电子过程，也不能忽视离子导电，在某些场合下，离子导电还可能起主导作用。
采用溅射、阳极氧化、溶胶-凝胶等方法可以制作湿敏陶瓷薄膜。
目前常用的方法是阳极氧化，即在磷酸、硫酸、草酸等电解溶液中对铝、钽等金属进行阳极氧化，得到厚度为1〜1000nm的表面氧化膜。
采用阳极氧化时，由于能在较宽范围内选择电解液种类、pH值、温度和生成的电流密度等成膜条件，容易实现对膜层性质的各种控制。
氧化铝（AI2O3）、氧化钽（Ta2O5）是主要的感湿薄膜，它们具有响应快、灵敏度高，线性好等特点。
4.压电陶瓷
压电陶瓷是一类晶体物质，它在受到机械压力时，会产生压缩或伸长等形状变化。
随着形状的变化，这种晶体的两面会产生不同的电荷，这样，当声波作用在压电陶瓷上的时候，电荷就会变成电讯号。
反之，它在交流电压的作用下，又能一会儿伸长，一会儿缩短，变成振动，产生声音。
这种现象在物理学上叫压电效应，具有这样效应的陶瓷叫压电陶瓷。
压电陶瓷是一种神通广大的材料。
今天，压电陶瓷以其独具的特点应用于国防建设、科学研究、工业生产、人民生活等各个领域中，成为一种神通广大的材料。
我国用压电陶瓷制作的压电陀螺，小巧玲珑，灵敏度高，可靠性好，早已驾驭着人造卫星飞上了蓝天。
声纳系统是水下导航、通讯、侦察不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。
在这种声纳系统中，有压电陶瓷水声换能器。
目前，压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料。
工业上，也常用这种压电陶瓷来探测金属材料内部的缺陷。
在医学上，也可以用这种陶瓷制成的仪器来检查某些用普通方法检查不出的疾病。
现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。
一只15英寸的显像管，使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了，这样就使电视机体积变小、重量减轻了。
5.磁性陶瓷
具有磁性能的铁氧化物称铁氧体。
按晶体结构可分成立方晶系铁氧体、六方晶系铁氧体和斜方晶系铁氧体。
氧化物磁性材料在组成上是以氧化铁和其它过渡元素或稀土元素的氧化物为主要成分的复合氧化物。
磁性材料按其特性又可分为软磁、硬磁、矩磁、旋磁和压磁铁氧体。
（1）软磁铁氧体此种铁氧体具有尖晶石结构，属对称性高的立方晶系，在低磁场作用下容易产生磁性，且易反转磁化方向。
主要用于高频磁芯元件、记忆元件和录音、录像机的磁头。
常见的有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体。
（2）硬磁铁氧体又称永磁铁氧体。
可用于电信器材中的录音器、拾音器、电话机中的各种电声元件和各种仪表控制器件的磁芯。
常用的有钡铁氧体
（BaO-xFe2O3,x=5〜6）、锶铁氧体（SrO•6Fe2O3）及钻铁氧体。
（3）旋磁铁氧体可用于制作微波元件如隔离器、相移器、旋转器等。
主要有尖晶石型、磁铁石型和石榴石型三种。
（4）矩磁铁氧体主要应用于记忆元件、逻辑元件、开关元件或磁放大器。
这类铁氧体主要有镁锰铁氧体和锂锰铁氧体。
（5）压磁铁氧体具有磁致伸缩的材料称压磁性材料。
广泛应用于超声波仪的换能器、计算机存储器、水下电视、电讯及测量仪的器件等。
压磁铁氧体与压电陶瓷都具有相同的应用领域,只是两者使用的频段不同。
属于这类陶瓷的有镍铜铁氧体和镍锌铁氧体。
五、其它精细陶瓷简介
1.超导陶瓷
在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。
元素周期表中共有26种金属具有超导电性。
单个金属的超导转变温度都很低,没有应用价值,人们转向研究金属合金的超导电性。
其中Nb3Ge的转变温度为23.1K，它是70年代最高转变温度的超导体。
当超导体显示出超导电性时,表示它处于超导态,否则它处于正常态。
金属及其合金作为超导材料都是在极低温下才能进入超导态。
低温超导材料要用液氦做制冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。
人们迫切希望找到高温超导体，1986年瑞士的Bednorz和Muller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。
接着中、
美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。
目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Sr-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。
美国科学家利用一项新技术，成功地使纯的固态C羟基磷灰石（布基球）材料在绝对温度52K（零下221摄氏度）时产生超导性。
据称，这是迄今获得的有机超导材料临界温度的最高纪录。
C60是由60个碳原子组成的空心笼状分子，由于形状酷似足球而被称为“布基球”。
1990年科学家首次观察到C60材料的超导性，并发现掺杂一些钾金属等物质能够使其超导临界温度有所提高。
但在临界温度达到40K左右之后，有关研究便停滞不前。
此前使C60材料产生导电性的机理，在于其中掺杂的钾金属等释放出了带负电的自由电子。
美国贝尔实验室的科学家在最新一期英国《自然》杂志上报告说，他们发现可以采取其它的办法使C60材料产生导电性。
此前的研究还发现，往C60材料中掺入杂质，把C60分子彼此推得更开，也可以提高材料的超导临界温度。
贝尔实验室的科学家认为，利用类似机理，向含有大量自由空穴的C60材料中掺入适当杂质，有可能将临界温度提高到100K。
超导研究引起各国的重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。
例如：
发电站通过漫长的输电线向用户送电，由于电线存在电阻，使电能产生消耗，一旦用超导材料做成电缆输电，在输电线上的损耗将降为零。
制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。
电阻造成线圈严重发热，如果用超导材料做成超导发电机，可解决冷却难的问题，而且功率损失可减少50%。
另外采用超导磁体可实现磁力悬浮，使列车能悬浮在地面上高速前进。
核聚变时能释放出大量的能量，为了使核聚变反应持续不断，必须在108C下将等离子约束起来，这就需要一个强大的磁场。
而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。
人类只有掌握了超导技术，才有可能把可控热核聚变变为现实，为人类提供无穷的能源。
2.金属陶瓷
金属陶瓷是由金属和陶瓷性非金属组成的烧结材料。
广义的金属陶瓷包括难熔化合物合金、硬质合金、弥散型核燃料元件和控制棒材料、金属粘结的金刚石工具材料等。
狭义的金属陶瓷是指难熔化合物钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钨、钼等和碳、硼、氮、硅等形成的化合物与金属的烧结材料。
金属陶瓷既有陶瓷
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