高性能結構陶瓷具有高強、高韌、低密度、高硬和 耐高溫抗蠕變、耐磨損、耐腐蝕和化學穩定性好等優異的性能，已逐步成為尖端技 術不可缺少的關鍵材料,如氮化硅基復相陶瓷及碳化硅表面梯度復相陶瓷都是陶 瓷發動機的最佳選材；氧化錯復相陶瓷具有高的室溫強度和斷裂韌性，可以用它來 制作陶瓷發動機的活塞頂。在耐磨部件的研制中，人們已經逐漸認識到陶瓷耐磨 部件的優點，已有不少金屬部件被陶瓷部件取代并有良好的效果。此外高性能結 構陶瓷還廣泛應用于其它行業，在軍事上用陶瓷作裝甲材料;利用陶瓷良好的抗腐 蝕和抗熱震性，使其成為高溫熱交換器的理想材料；由于高性能結構陶瓷的耐磨、 耐腐蝕、高強度、低磨擦系數以及生物相容性，在生物醫學領域有了廣闊的發展空 間；在涂層方面和隔熱方面,高性能結構陶瓷也充分顯示了它的功效。

高性能結構陶瓷主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷，如氧化鋁 ）、二氧化鋯、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼等，為了提高陶瓷材料的韌性、抗切削等性能，也研究并制備了許多增韌陶瓷、復相陶瓷等。

氧化鋁（AI2O3）陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子通常以離子鍵結合為主，存在部分共價鍵，可以是一種元素的氧化物（如Al2O3.ZrO2）,也可以是包含幾種陽離子的氧化物（如莫來石 3A12O3 - 2SiO2）o由于大部分氧化物陶瓷具有高硬度、高熔點，優異的化學穩定 性和抗氧化性，良好的電絕緣性，在工業生產中得到了較廣泛的應用。

1.陶瓷的晶體結構

氧化鋁有許多同質異晶體，但主要的有三種 α- Al₂O₃、β- Al₂O₃、γ- Al₂O₃ 。以α- Al₂O₃為主晶相的陶瓷材料具有很高的硬度和機械強度，良好的抗磨性，熱導性，耐電強度和絕緣電阻高，介質損耗小，電性能隨溫度和頻率的變化較穩定等優良性能，而且制造方便,表面均勻平整，被廣泛用作電絕緣材料。

到目前為止，已發現的氧化鋁晶體結構有十余種，但主要的有三種，即α- Al₂O₃、β- Al₂O₃和γ- Al₂O₃,在1300℃以上的溫度時其它兩種氧化鋁幾乎完全轉變為α- Al₂O₃。

α- Al₂O₃,屬三方晶系，也稱剛玉型結構，是Al₂O₃晶型中最穩定的結構。其結構為氧離子呈密排六方結構，鋁離子則占據八面體空隙的三分之二。在一個密排六方晶胞中每層有六個氧離子，其中四個八面體空隙中填充了鋁離子，形成了具有剛玉結構的α- Al₂O₃。

 Al₂O₃陶瓷通常是指以α- Al₂O₃為主晶相的陶瓷材料。根據Al₂O₃含量的不同，有75瓷、85瓷、90瓷、95瓷和99瓷等牌號。

2.氧化鋁陶瓷的耐磨性

Al₂O₃陶瓷材料由于來源廣，價格便宜，抗磨性好，所以在工業中得到的應用最廣。研究表明,95% Al₂O₃陶瓷材料的抗沖蝕磨損性能為高鉻鑄鐵的5倍多,試驗結果如表1所示。對于摩擦磨損，氧化鋁含量較低時，氧化鋁含量對氧化鋁陶瓷的耐磨性產生影響，隨Al₂O₃含量提高，其耐磨性提高，并且在濕 磨時效果更顯著，如表2所示。

表1 95% Al2O3陶瓷與高鉻鑄鐵抗沖蝕磨損性能對比

表2 不同條件下気化鋁厲瓷的磨損性能

碳化硅(SiC)陶瓷

1.SiC陶瓷的晶體結構

SiC主要有兩種結晶形態，即α-SiC和β-SiC。α-SiC屬六方結構，是高溫穩定的晶型；β-SiC屬面心立方結構，是低溫穩定的晶型。碳化硅是共價鍵很強的化合物，離子鍵約占12%,其晶體結構的基本單元是碳硅四面體，面心體中心有一個硅原子，周圍環繞著四個碳原子。

α-SiC是高溫穩定型，β-SiC是低溫穩定型，在2100℃ ，β-SiC轉變為α- SiC。通常2000℃以下合成的SiC主要是β-SiC,而2200℃以上合成的主要是α-SiC。不同晶型SiC的晶格常數如表3所示。

表3 幾種SiC晶型的晶格常數

2.SiC陶瓷的耐磨性

SiC陶瓷高溫強度高、抗蠕變、硬度高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、優異的熱穩定性,1 400°C以上是最有價值的高溫結構陶瓷，具有十分廣泛的應用領域。

（1）摩擦磨損性能

碳化硅陶瓷材料的摩擦學性能除了受載荷、滑動速度、空氣濕度、潤滑條件、環 境溫度、氣氛及對磨件的影響外，還受其制備工藝、元素或化合物摻雜、第二相粒 子、氣孔率、顆粒尺寸等影響。

熱壓碳化硅和燒結碳化硅陶瓷自配副在較干燥環境摩擦時，其摩擦系數一般 較高,為0.8左右。隨著空氣相對濕度的增大，摩擦表面生成的SiO₂與H₂O反應生成硅凝膠，由此使其摩擦系數降到0.25左右。在干燥環境下摻雜元素對摩擦系數影響較大，但相對濕度增大后，摻雜元素對摩擦系數的影響就很小，

（2）磨料磨損性能

盡管碳化硅陶瓷具有較高的硬度和強度，但對其磨料磨損特性的研究僅集中 在沖蝕磨損和少量三體磨料磨損試驗中。碳化硅陶瓷的磨料磨損也受其顯微結構和外界條件所影響。

在ASTM B-611型磨損試驗機上，無壓燒結碳化硅與45鋼磨輪以不同磨料 進行的三體磨料磨損中，隨磨料硬度的提高，碳化硅陶瓷的磨損量增大，而隨碳化硅陶瓷密度增大,其磨損量降低，如下圖所示。

磨料對無壓燒結碳化硅耐磨性能的影響

氮化硅陶瓷

氮化硅（Si₃N₄）有兩種晶型，即α—Si₃N₄和β—Si₃N₄,均屬六方晶系，兩者都是由[SiO₄]四面體共用頂角構成的三維空間網絡,α相在高溫下可轉變為β相，但一般認為兩相在結構上只有對稱性的差別（β相對稱性較高），而無高低溫相之分。

表4 氮化硅晶格常數和密度

在不同SiC磨粒粒徑沖蝕磨損條件下Si₃N₄陶瓷的抗沖蝕磨損性能均為高鉻鑄鐵的19?21倍，如下圖所示，且金屬材料失去主要以腐蝕、切 削，沖擊坑及晶粒剝落等為主，有一定方向性。Si₃N₄在各沖蝕磨損條件下其磨損表面都比較光滑，只是在粗磨粒沖蝕磨損時表面有少量粘接相失去，表現出優越的抗沖蝕磨損性能。Si₃N₄陶瓷的韌性高、結構致密、晶粒細小并有細小柱狀晶存在是其抗沖蝕磨損性能優越的主要原因。

粉體圈 整理

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