工程陶瓷材料新研究新发现介绍

 1. 2.1  分类与特点
    陶瓷材料是典型的硬脆材料。在20世纪中后期以前，人们认为氧化锆陶瓷材料不可加工或者无法加工，因此只能在制作生坯时，将其加工成所需形状，烧成后就直接使用。其原因除去陶瓷材料本身的硬脆特性，主要是因为当时缺乏加工工具和加工手段。虽然人们很早以前就发现了金刚石、立氮化硼等硬度大大超过陶瓷材料的超硬材料，但是陶瓷材料的机械加工却是最近几十年才发展起来的，人们将金刚石、立方氮化硼制作成加工工具并找到了合适的加工方法，才实现了对硬脆陶瓷材料的磨削加工。进入21世纪后，已经发展到精密加工和微纳加工。

    陶瓷一般是含有玻璃相和气孔相的多晶多相的物质结构。绝大多数陶瓷是一种或几种金属元素与非金属元素组成的化合物。按照性能和用途，陶瓷可分为传统陶瓷和特种陶瓷，后者随着现代技术的发展，氧化铝陶瓷又不断赋予新的命名和定义，如精细陶瓷、高性能陶瓷、先进陶瓷等。传统陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料，经粉碎、成型和烧结制成，主要用作日用陶瓷、建筑陶瓷和卫生陶瓷等，虽然要求烧结后不变形、外观美，但对强度要求不高。工程陶瓷则是以人工合成化合物（如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等）为原料制成，主要应用于技术和工业领域。

氧化锆陶瓷
 

工程陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷，功能陶瓷主要是根据其不同的功能应用开发使用的陶瓷。作为研究的重点，结构陶瓷主要是指应用在承受载荷、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等场合陶瓷材料，氮化硅陶瓷广泛应用于机械、能源、电子、化工、石油、汽车、航天航空等领域。结构陶瓷分为两大类：氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。

氧化物陶瓷是金属元素与氧结合而形成的化合物，原子间化学键主要是离子键型，因此这类化合物熔点不是很高，硬度、强度、韧性也各不相同。有简单氧化物和复合氧化物之分，前者如氧化锆( 2r02)、氧化铝(Al203)等，后者如莫来石(3Al203.2Si02)等。
   
由非金属元素B、C、N与金属元素Al、Si、Zr、Hf等结合而成的化合物被称为非氧化物陶瓷，具有高熔点、强共价键及其他许多优良的力学性能。特别是其中一些典型的陶瓷材料如S13 N4、SiC等应用广泛。非氧化物陶瓷具有如下共同特点：

    (1)非氧化物陶瓷一般是共价键很强、难熔的化合物。
    (2)非氧化物陶瓷的发展历史相对比较短。比如20世纪50年代发现氮化物陶瓷具有很好的力学、热学和电学性能以后，氮化物陶瓷才日益受到人们的广泛关注和重视。
    (3)与氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷的原料在自然界中不存在，需人工合成，然后按照陶瓷工艺来制备成各种陶瓷制品。
    (4)非氧化物陶瓷易氧化。从原料制备、陶瓷烧结直至在使用中，遇到氧气就会发生氧化反应转变成氧化物，

生成氧化物后将会影响材料的高温性能。所以原料合成碳化硅陶瓷及陶瓷烧结都需要在无氧气氛中进行，通常是氮气、氩气或真空气氛。烧成陶瓷后在使用过程中，由于具有一定的抗氧化性，可在较高温度下使用。不同材料氮化铝陶瓷具有不同的抗氧化能力，其最高使用温度也依材料而异。在高温下使用发生氧化反应将影响材料的使用寿命。