陶瓷材料一般分為傳統陶瓷和現代技術陶瓷兩大類。傳統陶瓷是指用天然矽酸鹽粉末(如黏土、高嶺土等)為原料生產的產品。因為原料的成分混雜和產品的性能波動大,僅用於餐具、日用容器、工藝品以及普通建築材料(如地磚、水泥等),而不適用於工業用途。現代技術陶瓷是根據所要求的產品性能,通過嚴格的成份和生產工藝控制而製造出來的高性能材料,主要用於高溫和腐蝕介質環境,是現代材料科學發展最活躍的領域之一。下面對現代技術陶瓷3個主要領域:結構陶瓷、陶瓷基複合材料和功能陶瓷作一簡單介紹。
一、結構陶瓷
同金屬材料相比,陶瓷的最大優點是優異的高溫機械性能、耐化學腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3),因而在許多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應用到金屬材料根本無法勝任的場合,如發動機氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結構陶瓷可分為三大類:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。
1、氧化物陶瓷
主要包括氧化鋁、氧化鋯、莫來石和鈦酸鋁。氧化物陶瓷最突出優點是不存在氧化問題,原料價格低廉,生產工藝簡單。氧化鋁和氧化鋯具有優異的室溫機械性能,高硬度和耐化學腐蝕性,主要缺點是在1000℃以上高溫蠕變速率高,機械性能顯著降低。氧化鋁和氧化鋯主要應用於陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高溫爐管、密封圈和玻璃熔化池內襯等。莫來石室溫強度屬中等水平,但它在1400℃仍能保持這一強度水平,並且高溫蠕變速率極低,因此被認為是陶瓷發動機的主要候選材料之一。上述三種氧化物也可製成泡沫或纖維狀用於高溫保溫材料。鈦酸鋁陶瓷體內存在廣泛的微裂紋,因而具有極低的熱膨脹係數和熱傳導率。它的主要缺點是強度低,無法單獨作為受力元件,所以一般用它加工內襯用作保溫、耐熱衝擊元件,並已在陶瓷發動機上得到應用。
2、非氧化物陶瓷
主要包括碳化矽、氮化矽和賽龍(SIALON)。同氧化物陶瓷不同,非氧化物陶瓷原子間主要是以共價鍵結合在一起,因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力,並且能把這些性能的大部分保持到高溫,這是氧化物陶瓷無法比擬的。但它們的燒結非常困難,必須在極高溫度(1500～2500℃)並有燒結助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產品,有時必須藉助熱壓燒結法才能達到希望的密度(>95%),所以非氧化物陶瓷的生產成本一般比氧化物陶瓷高。
這些含矽的非氧化物陶瓷還具有極佳的高溫耐蝕性和抗氧化性,因此一直是陶瓷發動機的最重要材料,目前已經取代了許多超高合金鋼部件。現有最佳超高合金鋼的使用溫度低於1100℃,而發動機燃料燃燒的溫度在1300℃以上,因而普遍採用高壓水強制製冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金鋼後,燃燒溫度可提高到1400℃以上,並且不需要水冷系統,這在能源利用和環保方面具有重要的戰略意義。
非氧化物陶瓷也廣泛應用於陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比,其成本較高,但高溫韌性、強度、硬度、蠕變抗力優異得多,並且刀具壽命長、允許切削速度高,因而在刀具市場佔有日益重要地位。它的應用領域還包括輕質無潤滑陶瓷軸承、密封件、窯具和磨球等。
3、玻璃陶瓷
玻璃和陶瓷的主要區別在於結晶度,玻璃是非晶態而陶瓷是多晶材料。玻璃在遠低於熔點以前存在明顯的軟化,而陶瓷的軟化溫度同熔點很接近,因而陶瓷的機械性能和使用溫度要比玻璃高得多。玻璃的突出優點是可在玻璃軟化溫度和熔點之間進行各種成型,工藝簡單而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工藝性能和陶瓷的機械性能,它利用玻璃成型技術製造產品,然後高溫結晶化處理獲得陶瓷。工業玻璃陶瓷體系有鎂-鋁-矽酸鹽、鋰-鎂-鋁-矽酸鹽和鈣-鎂-鋁-矽酸鹽系列,它們常被用來製造耐高溫和熱衝擊產品,如炊具。此外它們作為建築裝飾材料正得到越來越廣泛的應用,如地板、裝飾玻璃。
二、陶瓷基複合材料
複合材料是為了達到某些性能指標將兩種或兩種以上不同材料混合在一起製成的多相材料,它具有其中任何一相所不具備的綜合性能。陶瓷材料的最大缺點是韌性低,使用時會產生不可預測的突然性斷裂,陶瓷基複合材料主要是為了改善陶瓷韌性。基於提高韌性的陶瓷基複合材料主要有兩類:氧化鋯相變增韌和陶瓷纖維強化複合材料。
氧化鋯相變增韌複合材料是把部分穩定的氧化鋯粉末同其他陶瓷粉末(如氧化鋁、氮化矽或莫來石)混合後製成的高韌性材料,其斷裂韌性可以達到10Mpam1/2以上,而一般陶瓷的韌性僅有3Mpam1/2左右。這類材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應用。
纖維強化被認為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強度一般比基體高得多,所以它對基體具有強化作用;同時纖維具有顯著阻礙裂紋擴展的能力,從而提高材料的韌性。目前韌性最高的陶瓷就是纖維強化的複合材料,例如碳化矽長纖維強化的碳化矽基複合材料韌性高達30Mpam1/2以上,比燒結碳化矽的韌性提高十倍。但因為這類材料價格昂貴,目前僅在軍械和航空航天領域得到應用。另一引人注目的增強材料是陶瓷晶須。晶須是尺寸非常小但近乎完美的纖維狀單晶體,其強度和模量接近材料的理論值,極適用於陶瓷的強化。目前這類材料在陶瓷切削刀具方面已經得到廣泛應用,主要體系有碳化矽晶須-氧化鋁-氧化鋯、碳化矽晶須-氧化鋁和碳化矽晶須-氮化矽。
三、功能陶瓷
功能陶瓷是具有光、電、熱或磁特性的陶瓷,已經具有極高的產業化程度。下面根據性能對幾類主要的功能陶瓷作一簡介。
1、導電性能陶瓷材料具有非常廣泛的導電區間,從絕緣體到半導體、超導體。大多數陶瓷具有優異的電絕緣性,因而被廣泛用於電絕緣體。半導體分為電子型和離子型半導體。以電晶體集成電路為代表的是電子型半導體。離子型半導體僅對某些特殊的帶電離子具有傳導作用,最具有代表性的是穩定氧化鋯和β-氧化鋁。穩定氧化鋯僅對氧離子具有傳導作用,主要產品有氧傳感器(主要用來測定發動機的燃燒效率或鋼水中氧濃度)、氧泵(從空氣中獲得純氧)和燃料電池。β-氧化鋁僅對鈉離子具有傳導作用,主要用來製造鈉-硫電池,其特點是高效率、對環境無危害和可以反覆充電。陶瓷超導體是近10年才發展起來的,它的臨界超導轉化溫度在所有類超導體中最高,已經達到液氮溫度以上。典型的陶瓷超導體為釔-鋇-銅-氧系列材料,已經在計算機、精密儀器領域得到廣泛應用。
2、介電性能
大多數陶瓷具有優異的介電性能,表現在其較高的介電常數和低介電損耗。介電陶瓷的主要應用之一是陶瓷電容器。現代電容器介電陶瓷主要是以鈦酸鋇為基體的材料。當鋇或鈦離子被其他金屬原子置換後,會得到具有不同介電性能的電介質。鈦酸鋇基電介質的介電常數高達10000以上,而過去使用的雲母小於10,所以用鈦酸鋇製成的電容器具有體積小、電儲存能力高等特點。鈦酸鋇基電介質還具有優異的正電效應。當溫度低於某一臨界值時呈半導體導電狀態,但當溫度超過這一臨界值時,電阻率突然增加到103～104倍成為絕緣體。利用這一效應的產品有電路限流元件和恆溫電阻加熱元件。許多陶瓷,如鋯鈦酸鉛,具有顯著壓電效應。當在陶瓷上施加外力時,會產生一個相應的電信號,反之亦然,從而實現機械能和電能的相互轉換。壓電陶瓷用途極其廣泛,產品有壓力傳感元件、超聲波發生器等。
3、光學性能
陶瓷在光學方面的應用主要包括光吸收陶瓷、透光陶瓷、陶瓷光信號發生器和光導纖維。利用陶瓷光吸收特性在日常生活中隨處可見,如塗料、陶瓷釉和琺瑯。核工業中,利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面應用非常廣泛。陶瓷也可被製造用來透過不同波長的光線,其中最重要的就是紅外線透射陶瓷,它僅允許紅外光線透過,被用來製造紅外窗口,在武器、航空航天領域和高技術設備上得到廣泛應用。這類材料的典型代表有硫化鋅陶瓷和莫來石等。陶瓷還是固體雷射發生器的重要材料,典型代表有紅寶石雷射器和釔榴石雷射器。光導纖維是現代通訊信號的主要傳輸媒介,它是用高純二氧化矽製成的,具有信號損耗低、高保真性、容量大等特性,是金屬信號傳輸線無法比擬的。
4、磁學性能
金屬和合金磁性材料具有電阻率低、損耗大的特性,尤其在高頻下更是如此,已經無法滿足現代科技發展的需要。相比之下,陶瓷磁性材料有電阻率高、損耗低、磁性範圍廣泛等特性。陶瓷磁性材料的代表為鐵氧體,一種含鐵的複合氧化物。通過對成份的嚴格控制,可以製造出軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料。軟磁材料的磁導率高,飽和磁感應強度大,磁損耗低,主要用於電感線圈、小型變壓器、錄音磁頭等部件。典型的軟磁材料有鎳-鋅、錳-鋅和鋰-鋅鐵氧體。硬磁材料的特性是剩磁大、矯頑力大、不易退磁,主要應用為永久磁體,代表材料為鐵酸鋇。矩磁材料的剩餘磁感應強度非常接近於飽和磁感應強度,它是因磁滯回線呈矩形而得名,主要應用於現代大型計算機邏輯元件和開關元件,代表材料為鎂-錳鐵氧體。