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陶瓷及先進陶瓷應用的領域 當前位置: 網站首頁 > 新聞資訊 > 行業新聞

1先進陶瓷簡介
陶瓷與金屬材料、高分子材料并列為當代三大固體材料,在人類生活和社會建設中不可或缺。


三大固體材料




按陶瓷的概念和用途分類,陶瓷制品分為普通陶瓷(傳統陶瓷)與先進陶瓷(先進陶瓷)兩大類。其中,普通陶瓷是指以黏土及其天然礦物為原料,經過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品。


先進陶瓷是相對于普通陶瓷而言,采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學組成,按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計,并且特性優異的陶瓷。先進陶瓷廣泛應用于高溫、腐蝕,電子、光學領域,作為一種新興材料,以其優異的性能在材料領域獨樹一幟,受到人們的高度重視,在未來的社會中將發揮重要的作用。


普通陶瓷與先進陶瓷的主要區別

2先進陶瓷的分類
1.按化學成分分類


先進陶瓷按化學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


先進陶瓷按其特性和用途可分為結構陶瓷與功能陶瓷兩大類。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。


先進陶瓷應用性能分類
            
結構陶瓷
結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,具有高強度、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、非氧化物系和結構用陶瓷基復合材料。


結構陶瓷主要有:切削工具、模具、耐磨零件、泵和閥部件、發動機部件、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Si3N4基陶瓷材料,用ZrO2的變相效應防止由于纖維與基體的熱膨脹系數上的不匹配而產生的裂紋,所獲得的復合材料的斷裂韌性提高5倍。氮化硅陶瓷以其優異的綜合性能和豐富的資源成為高性能陶瓷中最有應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,彎曲強度即使在1400℃左右的高溫仍可達到500~600MPa。用CVI法制得的C纖維補強的碳化硅復合材料,強度為520MPa,而斷裂韌性達到16.5MPa·m。加入25vol%TiB的碳化硅復相陶瓷,如果嚴格控制起始的顆粒尺寸,可使強度達到888MPa,斷裂強度達到8.8MPa·m??梢哉f碳化硅是高溫空氣中強度最高的材料,其熱導率僅次于氧化鈹陶瓷材料。中國有很多企業生產碳化硅粉 ,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15萬噸/年的生產能力,北美的生產量為10萬噸/年。高純、高活性的碳化硅微細粉價格很高,為14-40美元/公斤,年需求額約1500萬美元,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構陶瓷研究中取得了重大的進展,經過增韌的陶瓷品種也很多,目前已經知道的可使氧化鋯穩定的添加物有: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合氧化物。被增韌的材料,除了穩定的氧化鋯以外,還有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷。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、化學、生物等特性,且具有相互轉化功能的一類陶瓷。功能陶瓷的品種繁多,這類材料具有微波介電性能、氣敏性能、超導性能、電阻梯度性能、鐵電性能及其相變行為、多層驅動性、弛豫性能等多種優良的功能,應用十分廣泛。


(1)電子絕緣材料


目前國內外常用的電子絕緣材料是Al2O3。近年來出現的新型電子絕緣材料,如AlN陶瓷,具有高強度、高絕緣性、低介電常數、高的熱導率等優良的性能,且其熱膨脹系數能夠與單晶硅相匹配,主要應用是作為大規模集成電路和電力模塊電路的散熱基板。


(2)電介質材料


用于調諧電路、保護邏輯及記憶單元的陶瓷電容器介質材料多數為BaTiO3基材料,此外還有高介的復合鈣鈦礦材料,頻率為105Hz時,介電常數高達105的高介材料晶界層電容器的出現,使常規瓷介電容器的介電常數提高數倍甚至數十倍。


(3)壓電陶瓷材料


常用的壓電元件:傳感器、氣體點火器、報警器、音響設備、醫療診斷設備及通訊等。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,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元件。軟磁性材料易磁化及去磁,磁場方向可以改變,主要用于交變磁場響應的電子部件。


(5)超導陶瓷材料


從二十世紀80年代對超導陶瓷的研究有重大突破以來,對高溫超導陶瓷材料的研究及應用就倍受關注。近十幾年以來,我國在這方面的研究一直處于世界先進水平。目前高溫超導材料的應用正朝著大電流應用、電子學應用、抗磁性等方面發展。


(6)抗殺菌陶瓷材料


抗殺菌陶瓷材料是隨著科學的發展及社會的文明而產生的新一代功能材料。無機抗殺菌劑按作用于微生物的機理可分為三類:一類是主要通過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、玻璃等無機材料載體上而制成;第二類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,使水產生活性氧自由基而發揮抗菌殺菌的作用;第三類是具有遠紅外輻射功能的抗殺菌材料,遠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,才能有更好的應用價值。


3先進陶瓷的工藝
從本質上來講,陶瓷材料的成型就是通過某些工藝步驟將一些分離的陶瓷顆粒固結在一起以形成具有一定尺寸形狀和機械強度的均勻坯體。隨后,通過燒結工藝使坯體轉化為制品。與其他材料一樣,陶瓷材料的顯微結構決定著材料的性能。


而陶瓷材料的結構受到以下因素的影響:粉末原料的化學性質以及總組成、粉料的表面化學、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程的每一個環節都是影響材料顯微結構以及性能的決定性因素。


先進陶瓷材料的制備工藝


4先進陶瓷的應用
先進陶瓷因其特定的精細結構和高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、聲光、超導、生物相容等一系列優良性能,被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫學等國民經濟各個領域。以下為先進陶瓷材料在汽車上的應用示例。

這輛獨一無二的陶瓷版布加迪威龍白金跑車是法國超級跑車制造商布加迪與柏林皇家瓷器建造廠聯合推出的。它采用陶瓷材質進行整車制造,油箱蓋、車標和輪蓋部位由特殊材料制成。它由一個8升W16引擎提供動力,可產生1000馬力,由于動力十足,時速從0加速到62英里(約100公里)僅需2.5秒,最大時速可達253英里(約407公里),出廠售價為160萬英鎊。


1.陶瓷在汽車發動機上的應用


新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等無機非金屬燒結而成,是氧化鋁陶瓷強度的三倍以上,能耐1000℃以上高溫。要將柴油機的燃耗費降低30%以上,新型陶瓷是不可缺少的?,F在汽油機中,燃燒能量中的78%左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的,柴油機熱效率為33%,與汽油機相比已十分優越,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行隔熱,進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量,有試驗證明,這樣可把熱效率提高到48%。同時由于新型陶瓷的使用,柴油機瞬間快速起動將變得可能。采用新型陶瓷的渦輪增壓器,它比當今超耐熱合金具有更優越的耐熱性,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償金屬渦輪動態響應低的缺點。

2.特種敏感陶瓷在汽車傳感器上應用
對汽車用傳感器的要求是能長久適用于汽車特有的惡劣環境(高溫、低溫、振動、加速、潮濕、噪聲、廢氣),并應當具有小型輕量,重復使用性好,輸出范圍廣等特點。陶瓷耐熱、耐蝕、耐磨及其潛在的優良的電磁、光學機能,近年來隨著制造技術的進步而得到充分利用,敏感陶瓷材料制成的傳感器完全能夠滿足上述要求。

3.陶瓷在汽車制動器上的應用


陶瓷制動器是在碳纖維制動器的基礎上制造而成的。一塊碳纖維制動碟最初由碳纖維和樹脂構成,它被機器壓制成形,之后經過加熱、碳化、加熱、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動器,陶瓷制動器的碳硅化合物表面的硬度接近鉆石,碟片內的碳纖維結構使它堅固耐沖擊,耐腐蝕,讓碟片極為耐磨。目前此類技術除了在F1賽車中應用,在超級民用跑車中也有涉及。

4.陶瓷在汽車減振器上的應用
高級轎車的減振裝置是綜合利用敏感陶瓷正壓電效應、逆壓電效應和電致伸縮效應研制成功的智能減振器。由于采用高靈敏度陶瓷元件,這種減振器具有識別路面且能做自我調節的功能,可以將轎車因粗糙路面引起的振動降到最低限度。

5.陶瓷材料在汽車噴涂技術上的應用


近年來,在航天技術中廣泛應用的陶瓷薄膜噴涂技術開始應用于汽車上。這種技術的優點是隔熱效果好、能承受高溫和高壓、工藝成熟、質量穩定。為達到低散熱的目標,可對發動機燃燒室部件進行陶瓷噴涂,如活塞頂噴的氧化鋯,缸套噴的氧化鋯。經過這種處理的發動機可以降低散熱損失、減輕發動機自身質量、減小發動機尺寸、減少燃油消耗量。

總之,特種陶瓷是一種正在不斷開發中的陶瓷材料產品,但原料的制取、材料的評價和利用技術等許多方面都有尚待解決的課題。目前,特種陶瓷在汽車的應用并不廣泛,其中的主要原因有:制造工藝復雜、要求高;因特種陶瓷對原材料要求比較嚴格、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,人們有充分理由相信,隨著科學技術的飛速發展,在未來的汽車制造業中將會有更多的特種陶瓷、智能陶瓷制品被引入和采用到汽車上,而且一定會在汽車生產中得到廣泛的應用。


不僅如此,伴隨先進陶瓷各種功能的不斷發掘,其在微電子工業、通訊產業、自動化控制和未來智能化技術等方面作為支撐材料的地位將日益顯著,市場容量也將進一步提升。


5先進陶瓷的市場規模
據估計,2015年全球先進陶瓷市場規模為567億美元,未來幾年里,多個終端行業的需求量增長將對先進陶瓷行業帶來正面影響,預計到2024年,全球先進陶瓷市場規模將達1346美元,2015-2024年復合增速約為10%。
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