材料系列科普3：先進(jìn)陶瓷材料發(fā)展及應(yīng)用

發(fā)布時間 | 2020-07-29 09:48 分類 | 粉體入門點擊量 | 6819

石英氧化鋅碳化硅氮化硅氮化硼氮化鋁氧化鋯氧化鋁

導(dǎo)讀：

廣義上的陶瓷材料指的是除有機和金屬材料以外的其他所有材料，即無機非金屬材料。主要分為傳統(tǒng)陶瓷材料和先進(jìn)陶瓷材料（也是本文的主要描述對象）。

上一篇帖子《工程材料的“化學(xué)鍵與應(yīng)用特性”》中，小編對四大類材料（金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料及復(fù)合材料）的特點進(jìn)行了簡單表述，這一篇小編將對圈友們比較關(guān)注的陶瓷材料及其應(yīng)有做一個簡單的整理。

圖表1：放一下老掉牙的表述方便吃瓜群眾理解


傳統(tǒng)意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品，通常會被稱為稱為"普通陶瓷"或傳統(tǒng)陶瓷，例如日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷。	先進(jìn)陶瓷則是"采用高度精選或合成的原料，具有精確控制的化學(xué)組成，按照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且有優(yōu)異特性的陶瓷。

一、先進(jìn)陶瓷材料特征

陶瓷材料通常由三種不同的相組成，分別是晶相、玻璃相和氣相（氣孔）。晶相是陶瓷材料中最主要的組成相，它決定了陶瓷材料的物理化學(xué)性質(zhì)；玻璃相的作用是填充晶粒簡析、粘結(jié)晶粒、提高材料致密度、降低燒結(jié)溫度和控制晶粒生長；氣相是在工藝過程中形成并保留下來的，先進(jìn)陶瓷材料中的殘留氣孔往往難以避免。

圖表2：先進(jìn)陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的對比

二、世界范圍內(nèi)的先進(jìn)陶瓷實力對比

目前國外先進(jìn)陶瓷發(fā)展處于領(lǐng)先地位的主要，有美國、日本、歐盟、俄羅斯等。其中，美國對先進(jìn)陶瓷在航空航天、核能等領(lǐng)域的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，日本在先進(jìn)陶瓷材料的產(chǎn)業(yè)化、民用領(lǐng)域方面占據(jù)領(lǐng)先地位，并占有世界先進(jìn)陶瓷約一半的市場份額；歐盟在先進(jìn)陶瓷部分細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域和機械裝備領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位；俄羅斯、烏克蘭在結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料方面實力雄厚。

圖表3：世界各區(qū)域先進(jìn)陶瓷側(cè)重點

美國	美國先進(jìn)陶瓷發(fā)展重點為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，目前在航天技術(shù)、航空器、核工程、汽車、醫(yī)療設(shè)備及機械動力等領(lǐng)域處于大范圍使用階段。從2000年開始，美國先進(jìn)陶瓷協(xié)會和美國國家能源部聯(lián)合資助并實施了為期20年的美國先進(jìn)陶瓷發(fā)展計劃，預(yù)期目標(biāo)是∶到2020年，先進(jìn)陶瓷以其優(yōu)越的高溫性能、可靠性以及其他獨特性能，成為一種經(jīng)濟(jì)適用的首選材料，并廣泛應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物醫(yī)藥、高端裝備制造、新能源和新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，需求者根據(jù)應(yīng)用要求可以選擇使用具有優(yōu)越性價比的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品。
日本	自20世紀(jì)80年代以來，日本在先進(jìn)陶瓷材料科研、制備方面占有領(lǐng)先、突出的地位。近年來，日本將先進(jìn)陶瓷作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，將先進(jìn)陶瓷看作是決定未來國際競爭力的高科技產(chǎn)業(yè)，不斷加大投資力度。在電子陶瓷、光導(dǎo)纖維、高韌性陶瓷等先進(jìn)陶瓷材料方面，日本均處于領(lǐng)先地位。日本生產(chǎn)的先進(jìn)陶瓷敏感元件已占據(jù)國際市場主要份額，包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等在內(nèi)的各種先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品壟斷著大部分市場;在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑膠復(fù)合陶瓷以及各種先進(jìn)陶瓷材料與陶瓷部件研發(fā)，高性能陶瓷電池、陶瓷發(fā)動機等研發(fā)開發(fā)方面，均處于領(lǐng)先地位。
歐盟	歐盟各國以功能陶瓷和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷為主要研究對象，目前研究的重點為發(fā)電設(shè)備中應(yīng)用的新型材料技術(shù)，如陶瓷活塞蓋、排氣管里襯、渦輪增壓轉(zhuǎn)子及燃?xì)廨嗈D(zhuǎn)子等。此外，歐盟部分國家在先進(jìn)陶瓷機械、裝備方面優(yōu)勢明顯。
俄羅斯及烏克蘭	俄羅斯、烏克蘭兩國在先進(jìn)陶瓷的研究開發(fā)和生產(chǎn)方面，基礎(chǔ)扎實，設(shè)施齊全。在結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料方面，不論是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、復(fù)相陶瓷或者是陶瓷基復(fù)合材料，如氧化鋁、莫來石、氮化硅、氮化鋁、氮化硼以及石英-石英復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料、各類晶須、纖維補強增韌的陶瓷基復(fù)合材料，不但在實驗室研制成功，而且已開發(fā)成有明確應(yīng)用目的的制品，相當(dāng)一部分已投人商業(yè)生產(chǎn)。

目前國內(nèi)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)主要集中在山東、江西、廣東、江蘇、浙江、河北、福建等幾個省份，2015年這些省份產(chǎn)值比例約占全國產(chǎn)值的70%。其中，華東地區(qū)較大的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)基地有山東淄博、江蘇宜興，華中地區(qū)較大的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)基地有江西萍鄉(xiāng)，華南地區(qū)較大的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)基地有廣東佛山。國內(nèi)很多先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)已性格比高廣受稱贊，但還是很大一部分產(chǎn)品與國際巨頭門存在較大差距，中低端基本能自給自足或出口海外，但眾多高端領(lǐng)域還需加油努力屢起袖子干。

圖表4：先進(jìn)陶瓷"巨頭"

三、先進(jìn)陶瓷應(yīng)用

先進(jìn)陶瓷包含的材料范疇及應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊，下文將以淺顯易懂的先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用特性為線索，將先進(jìn)陶瓷分為：電子陶瓷、結(jié)構(gòu)材料、涂層/薄膜、復(fù)合材料四大類，進(jìn)行綜述。

1、電子陶瓷

電子陶瓷是先進(jìn)陶瓷中最成熟的，占先進(jìn)陶瓷市場份額一般以上，電子陶瓷主要用作芯片、電容、集成電路的封裝，傳感器，絕緣體，鐵磁體，壓電陶瓷，半導(dǎo)體，超導(dǎo)體等。

常見的材料有鈦酸鋇，氧化鋅，鈦鋯酸鉛、鈮酸鋰、氮化鋁、氧化鋯和氧化鋁等。主要考慮的性能有：相對介電常數(shù)及磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率；用于與金屬封裝的鏈接性能（熱匹配性）也很重要。

圖表5、氮化鋁基板

2、結(jié)構(gòu)陶瓷

結(jié)構(gòu)陶瓷主要有切削工具、模具、耐磨零件、泵和閥部件、發(fā)動機部件、熱交換器、生物部件和裝甲等。主要的材料有：氮化硅、碳化硅、氧化鋯和碳化硼、二硼化鈦、氧化鋁和塞隆等，其典型的特性有：高強度、低密度、耐高溫、抗蠕變、耐磨損、耐腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性好。

這其中氮化硅已優(yōu)異的綜合性能備受關(guān)注，目前商用的氮化硅陶瓷主要用于切削工具，用于大功率風(fēng)力發(fā)電軸承材料也是氮化硅非常值得期待的領(lǐng)域，除此之外，氮化硅基板也是一個備受關(guān)注的應(yīng)用應(yīng)用方向。

圖表6、風(fēng)力發(fā)電機氮化硅滾珠

對于結(jié)構(gòu)陶瓷而言，一直面臨高成本、低可靠性和低重現(xiàn)性等問題，高成本和制造工藝和廢品率高有關(guān)，可靠性與重現(xiàn)性低于韌性有關(guān)，陶瓷作為典型的脆性材料，在低溫是不能通過形變來吸收能量，一旦裂紋尺寸達(dá)到臨界數(shù)值，破壞就會發(fā)生，因此結(jié)構(gòu)陶瓷的增韌手段一直以來都備受關(guān)注，目前增韌的方法有：顆粒增韌、晶須和纖維增韌及由應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌等。

3、涂層/薄膜

涂層可充分利用不同材料的性能并顯著降低成本，例如導(dǎo)電芯片上的絕緣涂層膜對集成電路是比不可少的，在發(fā)動機部件表面涂一層耐磨材料則可大大增加其使用壽命。

涂層中最大的問題是涂層與計提的結(jié)合不牢，這是由于涂層與集體材料性能不餓匹配造成的（例如金屬基體的熱膨脹系數(shù)高、陶瓷涂層的熱膨脹系數(shù)低），涂層和基體間增加一梯度材料使其熱脹系數(shù)平緩過度可緩解這一矛盾，但更好的解決之道有待于對基體/涂層界面的化學(xué)結(jié)構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)結(jié)合有更深入的理解。

圖表7、耐刮防污汽車陶瓷涂層

相關(guān)閱讀：陶瓷涂層的應(yīng)用

4、復(fù)合材料

復(fù)合材料是先進(jìn)陶瓷中重要的組成，也是目前研究比較活躍的領(lǐng)域。纖維或晶須增強的結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料到的問題在過去數(shù)十年建發(fā)展迅速，出現(xiàn)了金屬基復(fù)臺材料(MMCs)和陶瓷基復(fù)臺材科(CMCs)等。

陶瓷基復(fù)合材料包括氧化物基、玻璃基、碳化物基和氮化物基陶瓷等，例如氧化鋁填充由于抗熱震性不好使其應(yīng)用受到限制，加入了碳化硅晶須和碳化硅顆粒增強后，則有許多新用途，例如應(yīng)用于刀具材料。加入30%體積增強的SiC/Al₂O₃復(fù)合材料，斷裂韌性＞20MPa·m^1/2，強度可達(dá)14GPa。