一、按使用領域分類,結構陶瓷可分為:
(1)機械陶瓷,主要利用其高硬度、高耐磨特性,如機械零件、軸。
(2)熱機陶瓷,又稱發動機用陶瓷,主要利用其耐熱、耐磨損及高強、高韌特性,如車用耐磨、輕量陶瓷部件、隔熱、耐熱部件、燃氣輪機葉片、活塞頂、鑲塊等。
(3)生物化工陶瓷,利用耐腐蝕特性以及與生物團接觸化學穩定性好等特性如冶煉有色金屬及稀有金屬的塌、熱交換器、生物陶瓷等。
(4) 核陶瓷及其它,利用其特有的獲和吸收中子特性,可作為各種核反應堆的結構材料使用,以及與人民日常生活相關的如陶瓷剪刀、無磁調試工具、高爾夫球桿以及陶瓷閥片及其組合件等。
(1)氧化物陶瓷:如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、莫來石陶瓷、氧化鈣陶瓷、鍺英石陶瓷等。
(2)氮化物陶瓷:如氮化硅陶瓷、賽龍 (sialon)、氮化鋁陶瓷、氮化硼陶瓷等。
(3)碳化物陶瓷:如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。
(4)硼化物陶瓷,加硼化物陶瓷、硼化鋯陶瓷等。
由此可見,組成結構陶瓷的元素,如硅、硼、碳、氧、氮、鋁均為地殼中含量最多的,這也是結構陶瓷用作發動機部件和取代鎳、鋯、鉻等戰略金屬而顯示其生命力的地方。
與其它新材料一樣,結構陶瓷已成為現代高新技術、新興產業和傳統工業技術改造的物質基礎,也是發展現代軍事技術和生物醫學所不可缺少的材料。其主要作用有以下幾個方面。
(1)對科學技術發展的作用 空間技術中宇飛船所需的熱防護系統要求能承受高溫和溫度急變、隔熱性好、強度高、質量輕、使用壽命長,在這方面,結構陶瓷占有絕對優勢。從第一艘宇宙飛船起即開始使用的耐高溫與低溫的隔熱瓦。發射和回收人造地球衛星用的碳-石英復合燒蝕材料等均為結構陶瓷。未來空間技術的發展將更依賴于新型結構材料的應用,要求其使用溫度高、比強度大,在這方面結構陶瓷,尤其是陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料遠遠優于其它材料,并正在迅速發展中。
(2)對建立發展高新產業的作用通信工業是目前發為的新技術產業之一,它形成于 20 世紀 80 年代,全世界年產值已超過30 多億美元。其發展如此迅速,主要依賴于光纖損耗機理的研究以及光纖接頭處結構材料的使用以微電子技術為基礎的電子工業,隨半導體器件的高密度化和大功率化,單位面積的發熱量也愈來愈大。以高密度組裝的大規模集成電路為例,在一塊1的基板上,容納100個晶體管,而每個晶體管耗電1mW,則10cm的基板就耗電1000W所以散熱是一大問題。80年代中后期研制成的高導熱性的化 (AIN)碳化硅(SiC-101)基板材料,將逐步取代氧化鋁基板。
(3)在節約資源和節能方面的作用能源是國家的命脈,節約資源和節能21 世紀人類面臨的兩大問題之一,在這方面,高性能結構陶瓷正在發揮日益重要的作用。使用先進陶瓷熱交換器,例如碳化硅熱交換器工作溫度可在 1100C以上,與傳統的金屬熱交換相比可降低燃料消耗 40%~50%;陶瓷發動機將可節約燃料10%~20%。目前正努力將先進結構陶瓷部件用于發電用的燃氣輪機的轉子、定子和燃燒室等部位,以求取得更大的節能效果。
(4)在固國防、發用面的用工業、用來新料、新技術的主要推動者和相應用者。在 20 世紀 80 年代末的海灣戰爭中,多國部隊獲勝的一個重要因素就是高技術武器裝備的大量廣泛應用。在武器和軍用技術的發展方面,高性能結構陶瓷占有舉足輕重的作用,往往成為發展軍用技術的支撐材料和先導材料。在無機結構材料方面,馬赫數大于 2 超音速飛機,其成敗將取決于具有高韌性和高可靠性的結構陶瓷和陶瓷纖維補強的陶瓷基復合材料的研制成功和應用。為此美國國防部從 20 世紀 70 年代末起迅速增加陶瓷基復合材料研究發展經費,使其在全部復合材料研究發展經費中所占的比例從以往的 6%猛增至近幾年的42%。以氧化鋁陶瓷為代表的陶瓷裝甲可以抵御穿甲彈的破壞,在美國已用于裝備直升機,現正擴展至軍用車輛和制成防彈衣;另外,各種導彈和飛船用的端頭帽如具有中國特色的碳-石英抗燒蝕用端頭帽是最為成功使用的陶瓷基復合材料之一。
(5) 在生物醫學方面的地位和作用 用于生物醫學方面的結構陶瓷通常稱之為生物陶瓷。一方面須滿足相應人體組織或器官功能的要求,另一方面又須與周圍組織的生理、生化特征相容。碳、氧化鋁、烴基磷酸鈣及其復合材料已應用于牙齒種植、人工膝關節等。日本精細陶瓷聯合調查委員會曾預測,20 世紀90 年代以后日本生物陶瓷市場年增長率為 36%,居各種無機材料之首。這是因為隨著人們生活質量提高,對生物陶瓷的需求將日益增加的緣故。值得注意的是,生物陶瓷另一類很重要的應用是用作藥物載體,或具有某種治療功能的材料,這是 20 世紀 80 年代出現的新型藥物緩釋系統載體,并已在臨床研究中試用。
近年來,全球對于高精密度、高耐磨耗、高可靠度的微小機械零組件或電子元件的要求日漸殷切,陶瓷產品的需求因而相當受到重視。結構陶瓷主要是指發揮其機械、熱、化學等性能的一大類新型陶瓷材料,它可以在許多苛刻的工作環境下服役,因而成為許多新興科學技術得以實現的關鍵。
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