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第55章 传统陶瓷与先进陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的总称。许多科学工作者将陶瓷、玻璃、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等凡是经原料配制、坯料成型和高温烧结而制成的固体无机非金属材料都叫做陶瓷。

陶瓷可粗略地分为传统陶瓷和先进陶瓷。其中,传统陶瓷是利用天然硅酸盐矿物(如黏土、石英、长石等)为原料制成的陶瓷,又称普通陶瓷。先进陶瓷是采用高纯度的人工合成原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等)制成的具有各种独特而优异的力学、物理或化学性能的陶瓷,又称特种陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷或精细陶瓷。

1.陶瓷的性能

陶瓷的性能与多种因素有关,波动范围很大,但还是存在一些共同的特性。

(1)力学性能

陶瓷有很高的弹性模量,一般高于金属2~4个数量级。陶瓷的硬度很高,一般远高于金属和高聚物。例如,各种陶瓷的硬度多为1000~5000HV(HV 是硬度单位),淬火钢为500~800HV,高聚物一般不超过20HV。

陶瓷材料的理论强度很高,然而陶瓷存在大量气孔、缺陷,致密度小,致使它的实际强度远低于理论强度。金属材料的实际抗拉强度和理论强度的比值为1/3~1/50,而陶瓷常常低于1/100。陶瓷的强度对应力状态特别敏感,它的抗拉强度虽低,但抗压强度高,因此要充分考虑与设计陶瓷应用的场合。

陶瓷一般具有优于金属的高温强度,高温抗蠕变能力强,且有很高的抗氧化性,适宜用做高温材料。

陶瓷在室温下几乎没有塑性,但在高温慢速加载的条件下,特别是组织中存在玻璃相时,陶瓷也能表现出一定的塑性。陶瓷的韧性低、脆性大,是陶瓷结构材料应用的主要障碍。

(2)物理性能

陶瓷的热膨胀系数比高聚物和金属低得多。陶瓷的导热性比金属差,多为较好的绝热材料。

抗热震性是指材料在温度急剧变化时抵抗破坏的能力,一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温差来表达。多数陶瓷的抗热震性差,例如,日用陶瓷的抗热震性为220℃。

陶瓷的导电性能变化范围很大。多数陶瓷具有良好的绝缘性,是传统的绝缘材料。但有些陶瓷具有一定的导电性,甚至出现陶瓷超导。

(3)化学性能

陶瓷的结构非常稳定,常温下很难同环境中的氧发生作用。陶瓷对酸、碱、盐等的腐蚀有较强的抵抗能力,也能抵抗熔融的有色金属(如铝、铜等)的侵蚀。但在有些情况下,例如,高温熔盐和氧化渣等会使某些陶瓷材料受到腐蚀破坏。

2.传统陶瓷

传统陶瓷成本低,加工成型性好,质地坚硬,不氧化,耐腐蚀,不导电,能耐一定高温。但强度较低,高温性能也不及先进陶瓷。

普通陶瓷广泛用于日用、电气、化工、建筑、纺织中对强度和耐温性要求不高的领域,例如铺设地面、输水管道和隔电绝缘器件等。

3.先进陶瓷

(1)氧化铝陶瓷

一般所说的氧化铝陶瓷是指含Al2O3在95%以上的氧化铝陶瓷,又称为刚玉瓷。刚玉瓷的玻璃相和气孔都很少。

氧化铝陶瓷的强度大大高于普通陶瓷。硬度很高,仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼和碳化硅,居第五位。

耐高温性能好,含Al2O3高的刚玉瓷能在1600℃的高温下长期使用,蠕变很小,也不存在氧化的问题。具有优良的电绝缘性能。由于铝氧之间键合力很大,氧化铝又具有酸碱两重性,所以氧化铝陶瓷特别能耐酸碱的侵蚀,高纯度的氧化铝陶瓷也非常能抵抗金属或玻璃熔体的侵蚀,广泛用来制备耐磨、抗蚀、绝缘和耐高温材料。

(2)氧化镁陶瓷

氧化镁陶瓷在高温下抗压强度较高,能承受较大负重,但抗热震性差。能抵抗熔融金属及碱性渣的腐蚀。

可制作坩埚、炉衬和高温装置等。

(3)氧化锆陶瓷

氧化锆陶瓷呈弱酸性或惰性,耐侵蚀,耐高温,但抗热震性差。主要用作坩埚、炉子和反应堆的隔热材料、金属表面的防护涂层等,也常常是陶瓷增韧的材料。

(4)碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷具有高硬度和高的高温强度,在1600℃高温仍可保持相当高的抗弯强度,而其他的陶瓷材料在1200~1400℃时强度就要明显下降。碳化硅有很高的热传导能力,抗热震性高,抗蠕变性能好,化学稳定性好。

碳化硅主要用做高温结构材料,应用十分广泛。例如,火箭尾喷管的喷嘴、热电偶套管等高温零件。还可用做高温下热交换器的材料、核燃料的包装材料等。此外,碳化硅还常作为耐磨材料,用于制作砂轮、磨料等。

(5)氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷具有优异的化学稳定性和良好的电绝缘性能。强度、硬度高,摩擦系数小,是一种优良的耐磨材料;热膨胀系数小,抗热震性高。氮化硅常用于耐高温、耐磨、耐蚀和绝缘的零件。例如高温轴承、燃气轮机叶片等。

近年来,在氮化硅中添加一定数量的Al2O3构成Si -Al -O -N 系统的新型陶瓷材料,称为赛隆(sialon)陶瓷。这类陶瓷的最大突破在于制备工艺简单。

(6)氮化硼陶瓷

氮化硼通常为六方BN,六方BN 在高温高压下可以转变为立方BN。

六方BN 导热性好,热膨胀系数小,抗热震性高,是优良的耐热材料;具有高温绝缘性,是一种优质电绝缘体;硬度低,有自润滑性,可进行机械加工;化学稳定性好,能抵抗许多熔融金属和玻璃熔体的侵蚀。因此,它可做耐高温、耐腐蚀的润滑剂、耐热涂料和坩埚等。

立方BN 的硬度极高,接近金刚石,是优良的耐磨材料。