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浅谈特种陶瓷材料的性能、应用及其展望
摘要
陶瓷是无机非金属材料，它以其特殊的性能被广泛应用。特种陶瓷是陶瓷材料不断开展的产物，随着人们需求的增长，特种陶瓷材料的类型越来越多。特种陶瓷性能好、应用广、开展快，在各个领域均被广泛应用，在现代工业中有着重要地位。
Summary
Abstract ceramic inorganic non-metallic materials, with special performance was widely used. Special ceramics is the continued development of ceramic products, as demand growth, special types of ceramic materials is increasing. Good special ceramics, wide application, fast development, has been widely applied in various fields, has an important position in the modern industry.
关键词：无机非金属〔non metallic inorganic〕 性能〔highperformance〕
开展〔development〕 重要地位〔Important position〕
一、特种陶瓷的类型
按照化学成分可分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷 、硫化物陶瓷等，此外还有铬酸镧钙陶瓷，金属陶瓷等。
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但是人们为了生产、研究和学习上的方便，有时不按化学组成，而根据陶瓷的性能把它们分为构造陶瓷和功能陶瓷，其中又可以分为高强度陶瓷、高温陶瓷、高韧性陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电解质陶瓷、半导体陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷〔即透明陶瓷〕、磁性瓷、耐酸陶瓷和生物陶瓷等。构造陶瓷有很好的强度、韧度以及硬度；功能陶瓷那么有其特殊的性能，例如绝缘性、介电性、热电性等。
二 几种特种陶瓷的性能极其应用
随着现代电器，无线电、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及电子计算机、空间技术、新能源开发等尖端科学技术的飞跃开展而开展起来的。这些陶瓷所用的主要原料不再是粘土，长石，石英，有的坯休也使用一些粘土或长石，然而更多的是采用纯粹的氧化物和具有特殊性能的原料，制造工艺与性能要求也各不一样。
为了方便更好地了解特种陶瓷，以下以性能分类。 1.介电陶瓷
这类材料主要分为非铁电陶瓷和铁电陶瓷两类。非铁电陶瓷比方二氧化钛、钛酸镁等，高频损耗小，也称为补偿电容器陶瓷。铁电陶瓷比方钛酸钡、锆钛酸铅等，介电常数高，也称为强介电陶瓷。除此以外还有一些比方反铁电陶瓷等等，数量比拟少。陶瓷材料特有的高强度、耐热性、稳定性等特点，被人们普遍看好用作集成电路板的制造材料。目前作为集成电路基板的陶瓷材料主要有氧化铝、氧化铍、碳化硅及
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氮化铝等，其中以氧化铝应用最为普遍。 这类陶瓷的介电损耗低，机械强度高，已被广泛应用于基板材料。介电陶瓷主要用于生产大容量电容器。 2.压电陶瓷
某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端外表出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的外表电荷的密度与所受的机械应力成正比，这就是压电效应。反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比，这就是逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面，压电陶瓷能将机械能转换成电能。
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价〕型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3〕O3和Pb(Co1/3Nb2/3〕O3等组成的三元系。如果在三元系统上再参加第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠〔Na0.5·K0.5·NbO3〕和偏铌酸锶钡〔Bax·Sr1-x·Nb2O5〕等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、
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电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺。另外由于压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等，但是最大的奇功在于它能制造压电地震仪，可以准确指出地震的方位和距离。不仅如此， 压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的准确控制机构－－压电驱动器，对于精细仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。 3.绝缘陶瓷
绝缘材料在电器电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。此外，绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护等作用，一般将具有上述作用的陶瓷称为绝缘陶瓷。
电子技术中首先要求绝缘材料不导电，即要求电阻率尽量高。绝缘陶瓷分为氧化物绝缘陶瓷和非氧化物绝缘陶瓷两大系列，要成为一种优异的绝缘陶瓷，必须具备以下性能： 体积电阻率： (ρ) ≥1012Ω·cm相对介电常数: (εr) ≤30 良好的导热性、与导体材料相近的热膨胀系数、耐热性、高强度和化学稳定性。应用固体能带理论，可以很好的解释固体中的绝缘性、半导性和导电性。固体能带中被电子完全占满的叫满带，未被电子占据的叫导带，满带和导带之间称为禁带。如果禁带宽度足够大〔几个ev以上〕，满带的电子就难以被激发而超越禁带进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体就是典型的
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绝缘体。实际上，这种理想的绝缘体只有在绝对零度时才能获得，如果外界条件有所变化，例如温度升高或受光照，由于热激发，满带中的局部电子就可能被激发而跃迁到导电，从而使导电成为可能，这与高温时半导体的性质相似，只不过绝缘体的禁带宽度比半导体大〔绝缘体的约4-5eV，而半导体约1eV〕。由于绝缘体具有很大的禁带宽度，激发电子需要很大的能量，在室温附近，实际上可以认为电子几乎不迁移。
由于很多绝缘陶瓷是典型的离子晶体或共价晶体，就需要考虑离子扩散出现的电导行为，因此在绝缘陶瓷中应尽可能防止碱金属离子的存在〔尤其是钠离子〕，这些离子可形成强烈的电导，降低陶瓷的绝缘性能 。
总体来说绝缘陶瓷的用途非常广泛，像整流管用陶瓷管壳、陶瓷
管壳、封装材料、陶瓷管保险丝、电子电器用陶瓷绝缘管等。 4.半导体陶瓷
半导体陶瓷具有半导体特性、电导率约在10-6～105S/m的陶瓷。半导体陶瓷的电导率因外界条件〔温度、光照、电场、气氛和温度等〕的变化而发生显著的变化，因此可以将外界环境的物理量变化转变为电信号，制成各种用途的敏感元件。半导体陶瓷生产工艺的共同特点是必须经过半导化过程。半导化过程可通过掺杂不等价离子取代局部主晶相离子(例如，BaTiO3中的Ba2+被La3+取代)，使晶格产生缺陷，形成施主或受主能级，以得到n型或p型的半导体陶瓷。另一种方法是控制烧成气氛、烧结温度和冷却过程。例如氧化气氛可以造成氧过
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剩，复原气氛可以造成氧缺乏，这样可使化合物的组成偏离化学计量而到达半导化。半导体陶瓷敏感材料的生产工艺简单，本钱低廉，体积小，用途广泛。 压敏陶瓷 指伏安特性为非线性的陶瓷。如碳化硅、氧化锌系陶瓷。它们的电阻率相对于电压是可变的，在某一临界电压下电阻值很高，超过这一临界电压那么电阻急剧降低。典型产品是氧化锌压敏陶瓷，主要用于浪涌吸收、高压稳压、电压电流限制和过电压保护等方面。
半导体陶瓷用于制造各种敏感电阻，其用于各种控制系统制造，在生活生产有着重要作用. 5.透明陶瓷
一般陶瓷是不透明的，但是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方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、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。 这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000℃以上。透明陶瓷的制造是有意识地在玻璃原料中参加一些微量的金属或者化合物〔如金、银、铜、铂、二氧化钛等〕作为结晶的核心，在玻璃熔炼、成型之后，再用短波射线〔如紫外线、X射线等〕进展照射，或者进展热处理，使玻璃中的结晶核
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心活泼起来，彼此聚结在一起，发育成长，形成许多微小的结晶 ，这样，就制造出了玻璃陶瓷。
透明陶瓷的机械强度和硬度都很高，能耐受很高的温度，即使在一千度的高温下也不会软化、变形、析晶。电绝缘性能、化学稳定性都很高。光敏型玻璃陶瓷还有一个很有趣的性能，就是它能象照相底片一样感光，由于这种透明陶瓷有这样的感光性能，故又称它为感光玻璃。并且它的抗化学腐蚀的性能也很好，可经受放射性物质的强烈辐射。它不但可以象玻璃那样透过光线，而且还可以透过波长10微米以上的红外线，因此，可用来制造立体工业电视的观察镜，防核爆炸闪光危害的眼镜，新型光源高压钠灯的放电管。
透明陶瓷的用途十分广泛，在机械工业上可以用来制造车床上的高速切削刀，汽轮机叶片，水泵，喷气发动机的零件等，在化学工业上可以用作高温耐腐蚀材料以代替不锈钢等，在国防军事上，透明陶瓷又是一种很好的透明防弹材料，还可以做成导弹等飞行器头部的雷达天线罩和红外线整流罩等；在仪表工业上可用作高硬度材料以代替宝石，在电子工业上可以用来制造印刷线路的基板和镂板，在日用生活中可以用来制作各种器皿，瓶罐，餐具等等。
由于特种陶瓷类型较多，我最后介绍一下生物陶瓷与工程陶瓷。 生物硬组织代用材料有体骨、动物骨，后来开展到采用不锈钢和塑料，由于这些生物材料在生物体中使用，不锈钢存在溶析、腐蚀和疲劳问题，塑料存在稳定性差和强度低的问题。因此生物陶瓷具有广阔的开
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展前景，目前世界各国相继开展了生物陶瓷材料。
生物陶瓷不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物硬组织的代用材料，可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼耳鼻喉科及普通外科等方面。 生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相溶性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的构造都比拟稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度，耐磨性以及化学稳定性，它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。
局部生物惰性陶瓷的性能表
物理特性 质量分数/% 密度/(g·cm-3) 平均粒径/mm-3 外表粗糙度Ra/mm-3 硬度/HV 压缩强度/MPa 抗弯强度/MPa 杨氏模量/GPa 氧化铝陶瓷 氧化铝>99.8 >3.93 3-6 0.02 2300 4500 595 400 ISO标准 6474 氧化铝>99.5 >3.90 <7 >2000 >400 氧化古陶瓷 氧化锆>97 6.05 0.2-0.4 0.008 1300 2000 1000 150 紧质骨 1.6-2.1 100-230 50-150 7-30 松质骨 2-12 0.05-0.5 断裂人性K/(MPa·m1/2) 5-6 15 2-12 生物玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的，无气孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。其结晶相含量一般为50%-90%，玻璃相含量一般为5%-50%，结晶相细小，一般小于1-2/μm，且分布均匀。因此，玻璃陶瓷一般具有机械强度高，热性能好，耐酸、碱性强等特点。国内外
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就SiO2-Na2O-CaO-P2O5系统玻璃陶瓷，Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃陶瓷，SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF系统玻璃陶瓷等进展了生物临床应用。发现它们具有良好的生物相溶性，没有异物反响。此外生物硬组织代用材料还有碳质材料，二氧化钛陶瓷，二氧化锆陶瓷材料等多种。
单晶生物陶瓷是一种新型的生物陶瓷材料，属氧化铝单晶。氧化铝单晶也称宝石，添加剂不同，制得单晶材料颜色不同，如红宝石、蓝宝石等。氧化铝单晶有许多特性，如机械强度、硬度、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷，其生物相溶性、安定性、耐磨性也优于多晶氧 化铝陶瓷，生物陶瓷多用于医学。
工程陶瓷又叫氮化硅陶瓷或高强度陶瓷。这是二十多年前诞生的一种新型的不收缩的陶瓷。人们习惯称之为\"氮化硅陶瓷\"，它是陶瓷这个家族中的后起之秀，在许多性能上都超过了它的老前辈。它一出现，解决了陶瓷方面的许多难题。工程陶瓷几乎具备了现代陶瓷家族中的一切长处，它们的强度都很高，特别是热压氮化硅，室温抗弯强度一般都在8000～10000公斤/厘米2的范围内。如果添参加量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅，室温抗弯强度竟可达15000公斤/厘米2，使陶瓷材料的强度越过了一万公斤的大关，这在陶瓷材料中可以说是名列前茅了。它的硬度也很高，是世界上最坚硬的物质之一。它极耐高温，受热后不熔融成液体，而一直到1900℃方才分解为硅和氮。同时，耐冷热急变的能力也很好，把它们从室温突然加热到千度以上的高温，再突然扔到水里也不决不会开裂，为此，最适宜用来制造高
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温燃气轮机的叶片，高温坩埚等。由于它硬度很高，用它做成切削金属的刀具，即使在快速摩擦而产生高热的情况下也不会软化、氧化，因此很适用于高速切削和切削诸如炮筒、刹车筒之类的硬质钢件。它能做金属不能胜任的事，用氮化硅陶瓷制作燃气轮机涡轮叶片有广泛的用途。因为燃气轮机是一种先进的动力机械，喷气式飞机、火力发电站、机车和载重汽车等都要用到它。
工程陶瓷又有极其优良的耐磨性和耐化学腐蚀的本领，是制造各种易腐蚀部件的好材料。它能耐几乎所有的无机酸〔氢氟酸除外〕和30%以下的烧碱溶液。它也能耐很多有机物质的侵蚀。它还可以耐很多熔融的有色金属的侵蚀，特别是铝液。铝液对氮化硅是不润湿的，所以用它做成接触铝液的构造部件不会有玷污之虞。
氮化硅陶瓷还是一种很好的电绝缘材料，它的电绝缘性能可以和氧化铝陶瓷相比。它还有透微波的性能，可以用作雷达天线罩。它的介电性能随温度的变化甚小，在高温下至少可用到550℃。它的抗热震性能在各类陶瓷中是比拟优越的，这使它有可能在六个马赫〔即六倍于音速〕，甚至于可在七个马赫的飞行速度下使用。
工程陶瓷及其衍生物陶瓷本领高强，素被誉为“陶瓷之王〞的氧化铝陶瓷也不及它，难怪人们赞美工程陶瓷〔氮化硅陶瓷〕为陶瓷家族中的“全能冠军〞。
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三、特种陶瓷的开展展望
陶瓷制品生产在中国历史悠久，经过长期的开展，制造工艺得到不断开展。特别是近二十年来，陶瓷制品构造的合理调整，迎合了国内外消费者的消费需求，并随着社会的开展和生活水平的提高，在生活中的应用范围越来越广。
在全球金融危机的笼罩下，国内各行业普遍受到影响，但国家总共5万亿元的根底建立投资方案对于建筑建材行业在较长一段时间内将极大的推动作用，特别是对于建材行业拉动十清楚显，从行业前景来看，建材行业在此次金融危机拥有较大的优势。目前建材行业景气度持续，未来行业集中度有望提高。由于中国目前固定资产投资依然保持高位运行——虽然投资增速回落较快的可能是房地产投资和工业投资，但是根底设施建立投资对水泥等建材需求的拉动依然很明显。
我国十分重视特种陶瓷的开发应用，起步早，投入大，涉及部门 多。在特陶种类上，我国几乎对所有特种陶瓷材料都进展着研究、开发和生产，目前已形成比拟完整的研发体系，在高温超导陶瓷等尖端高技术陶瓷的理论研究和实验水平处于世界领先地位。近年来，我国已将特种陶瓷作为开展高技术产业的一个重点，在根底和应用根底及产业化方面加大投入，仅“七五〞、“八五〞期间我国就投入1 亿元人民币用于开发特种陶瓷，其中用于汽车陶瓷发动机的研究经费就达人民币3 0 0 0 万元。
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我国特陶企业集中分布在、XX、XX、XX、XX、XX、 XX、XX等沿海城市和地区，XX等华中局部城市地区，西南、西 北等偏远地区以原军工三线企业为主。电子陶瓷材料多集中在北 京、XX、XX和长江三角洲地区等。我国的特种陶瓷是2 0 世纪5 0 ~ 7 0 年代为支撑“两弹一星〞而起步的，主要是为核试验和航空航天配套开发耐高温、耐烧蚀的特种陶瓷材料。现应用重点已转到以民用为主。目前我国能生产大多数特种陶瓷，普通电子陶瓷和构造陶瓷如集成电路基板、瓷介电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣器、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件，中铝瓷、高铝瓷、电真空瓷、ZrO、SiC，纺织瓷件，莫来石- 堇青石窑具，电熔石英、电熔刚玉等已能大批量生产，产品质量稳定，已占领一定的国际市场, 但许多核心电子陶瓷元器件还依赖进口。与2 0 年前相比，目前我国特陶行业构造变化巨大，私营企业、外资企业的数量和比重迅猛增加，特别是外资企业增长势头迅猛，约占我国全部特陶企业的1 0 % 左右。
我国特陶市场的开放和市场规模的潜力，吸引许多国外企业纷 纷进入，投资不断增加，规模逐步扩大，其投资模式已从最初的产 品输入〔经销产品〕到生产输入〔投资设厂〕，再到应用研究输入〔设 立实验室〕，对我国外乡特陶企业带来巨大挑战。
1 9 9 5 年我国特种陶瓷产品销售额8 0 亿元人民币〔约合1 0 亿美 元〕，其中电子陶瓷约占7 0 % ，约5 6 亿元；构造陶瓷占3 0 % ，约为2 4亿元。相当于日本的1 / 9 、美国的1 / 5 ，与欧洲的市场规模相当。2 0 1 5年，特种陶瓷产品产值将到达4 5 0 亿元。2 0 1 0
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年，我国特种陶瓷在无机非金属新材料6 大领域〔玻璃纤维、玻璃钢/ 复合材料、特种玻璃及深加工玻璃、石英玻璃、特种陶瓷、人工晶体〕总需求9 1 9 . 6 4 亿元中以3 2 . 6 2 % 的比例占首位 。 总的来说目前不仅中国对各种特种陶瓷需求量大，世界各国对各类陶瓷材料的需求都很大。特种陶瓷未来的开展应该是多元化的。他的地位也将越来越重要。
但是特种材料的开展重点在哪？我认为应当继续以开展构造陶瓷为主，并且攻克低本钱、高可靠性、高重复性的特种陶瓷规模化制备 技术，近净尺寸成型、烧结及高效冷加工技术。攻克高纯超细陶瓷粉体材料的制备技术，形成具有我国自主知识产权的特种陶瓷生产技术与装备，提高陶瓷的可靠性、重复性，推动学科和新产品的开展。 建议是注重特种陶瓷的实际应用开发和市场培育，进一步利用市场经济手段加强产、学、研的纽带，大力开发具有自主知识产权的 产品。重视培育特陶市场的龙头企业、拳头产品，注重高性能与低 本钱的有机结合；完善特种陶瓷产业基地的建立；完善特种陶瓷产业支持体系的建立。
总之，特种材料的开展将会对社会的生活生产做出巨大奉献。
参考文献
1 X春延主编. 工程材料及应用. XX：XX电子科技大学，2021 2 陶杰，姚正军，薛烽主编.材料科学根底. ：化学工业，2006 3 闫康平主编. 工程材料. 化学工业，2021
4 郭瑞松，蔡舒等编. 工程构造陶瓷. XX：XX大学2002
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5 XX校，姚可夫主编. 工程材料. ：清华大学2021
6俞前?特种陶瓷国内市场现状与展望?. 新材料开展中心2021
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