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先进陶瓷材料知识要点

一、结构陶瓷

结构陶瓷主要有：切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部

件、热交换器和装甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆

(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化钛(TiB2)、氧化铝(A12O3)和赛隆(Sialon)等。

(1)Si3N4基陶瓷材料

C纤维增强Si3N4基陶瓷材料，用ZrO2的变相效应防止由于纤维与基体

的热膨胀系数上的不匹配而产生的裂纹，所获得的复合材料的断裂韧性提高5倍。

氮化硅陶瓷以其优异的综合性能和丰富的资源成为高性能陶瓷中最有应用潜力的一

种切削工具，每年约有140吨氮化硅粉末用于刀具制造，价值约3亿美元。

(2)碳化硅基陶瓷

用热压工艺制得的碳化硅陶瓷，其密度可以接近理论密度，弯曲强度即使

在1400℃左右的高温仍可达到500～600MPa。用CVI法制得的C纤维补强的碳化硅

复合材料，强度为520MPa，而断裂韧性达到16.5MPa·m。加入25vol%TiB的碳化

硅复相陶瓷，如果严格控制起始的颗粒尺寸，可使强度达到888MPa，断裂强度达

到8.8MPa·m。可以说碳化硅是高温空气中强度最高的材料，其热导率仅次于氧化

铍陶瓷材料。中国有很多企业生产碳化硅粉，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砖用的碳化硅粉。东欧有15万吨/年的生产能力，北美的

生产量为10万吨/年。高纯、高活性的碳化硅微细粉价格很高，为14-40美元/公

斤，年需求额约1500万美元，这种粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。

(3)氧化锆增韧陶瓷

氧化锆增韧陶瓷在结构陶瓷研究中取得了重大的进展，经过增韧的陶瓷品

种也很多，目前已经知道的可使氧化锆稳定的添加物有：氧化镁、氧化钙、氧化

镧、氧化钇、氧化铈等单一的氧化物或它们的复合氧化物。被增韧的材料，除了稳

定的氧化锆以外，还有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。在氧化铝

中添加16vol%的氧化锆增韧处理，得到材料的强度为1200MPa，断裂韧性为

15.0MPa.m。氧化锆增韧陶瓷材料在室温下具有最高的强度和断裂韧性，今后将着

重提高其高温的性能。

二、功能陶瓷

功能陶瓷是知识和技术密集型产品。人们先后发现了氧化物导体，固体电

解质，压电、非线性光学材料，铁氧体、记忆材料，太阳能电池，高温氧化物超导

体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发

展，功能材料也有着不断的发展。

功能陶瓷的品种繁多，这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性

能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的

功能，应用十分广泛。

(1)电子绝缘材料

目前国内外常用的电子绝缘材料是Al2O3。近年来出现的新型电子绝缘材

料，如AlN陶瓷，具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热导率等优良的性

能，且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配，主要应用是作为大规模集成电路和电力

模块电路的散热基板。

(2)电介质材料

用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容器介质材料多数为

BaTiO3基材料，此外还有高介的复合钙钛矿材料，以研制出频率为105Hz时，介

电常数高达105的高介材料目前晶界层电容器的出现，使常规瓷介电容器的介电常

数提高数倍甚至数十倍。

(3)压电陶瓷材料

常用的压电元件：传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设

备及通讯等。通常的压电材料是PZT，新型的压电陶瓷材料主要有：高灵敏、高稳

定压电陶瓷材料、电致伸缩陶瓷材料，热释电陶瓷材料等。

(4)磁性陶瓷材料

磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两类，前者不易磁化，也不易失

去磁性。代表性硬磁材料为铁氧体磁铁和稀土磁体，主要用于磁铁和磁存储元件。

软磁性材料易磁化及去磁，磁场方向可以改变，主要用于交变磁场响应的电子部

件。

(5)超导陶瓷材料

从二十世纪80年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来，对高温超导陶瓷

材料的研究及应用就倍受关注。近十几年以来，我国在这方面的研究一直处于世界

先进水平