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面向未来的先进超级陶瓷材料

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

面向未来的先进超级陶瓷材料

 

陶瓷是一种古老的制品,它是由粘土或粘土加入石英和长石等的混合物

经成形、干燥和焙烧而成的。在遥远的石器时代,原始人就在篝火上烧制出

第一批陶器。

灿烂的中华文明和陶瓷关系密切。六千多年前的西安半坡村人普遍使用

尖底汲水陶罐;五千多年前的仰韶文化时期出现了陶制纺轮和彩陶;四千多

年前的龙山文化时期已采用了快轮制陶技术,制成了闻名中外的黑陶。有的

黑陶表面光亮,厚度仅 1~2 毫米,称为蛋壳陶;秦始皇陵出土的大批陶兵马

涌,制作之精美,气派之宏伟,被认为举世无双;唐代的“唐三彩”陶瓷至

今还为人们所喜爱。五代时期我国的陶瓷技术已登峰造极了,这时生产的陶

器被誉为“青如天,明如镜,薄如纸,声如磐”。以后的历代名窖产品数不

胜数,在一些国家词汇中,中国和陶瓷是同一个词“China”。中国的陶瓷于

九世纪传至非洲东部和阿拉伯,13 世纪传至日本,15 世纪传至欧洲,对世界

文化有很大的影响。

陶瓷的基本成分是铝硅酸盐,由于天然原料带有杂质,使陶瓷的一些性

质受到损害。后来科学家用不含硅酸盐的天然原料,成功研制了性能更优越

的陶瓷,从而出现了不含硅的崭新一代陶瓷,也叫现代陶瓷。常见的品种有

二氧化物、氮化物、碳化物陶瓷及硼化物陶瓷等等。为了改善陶瓷的脆性和

增加强度,人们又在陶瓷基体中添加金属纤维和无机纤维,组成复合材料,

其中有的强度已经超过每平方厘米可承受一万千克的力,成为陶瓷材料的佼

佼者。

碳化硅和氮化硅又被称为精细陶瓷材料,它们克服了一般陶瓷的致命弱

点——脆性,有很高的韧性、塑性和耐磨性,并在高温下具有较高的耐热性,

经几百次骤冷骤热试验不会产生破裂,抗冲击能力也比一般氧化物陶瓷强。

目前,精细陶瓷材料主要使用在尖端工业上,如微电子、核反应堆、航

天、地热和磁流体发电、人工骨和人工关节等方面,由于工作环境原因,对

其质量要求很严。精细陶瓷材料应满足以下三方面的要求:精选的原料——

为了充分发挥功能,要选用高纯度的原料,颗粒要尽可能细;严格控制的化

学成分——在制造时注意防止杂质混入和成分本身挥发。对烧结件的颗粒粒

度、界面、气孔等要严格控制,以达到质量稳定和具有再现性;精确的形状

和尺寸——精细陶瓷制件一般不经加工,直接使用,特别是陶瓷电子器件要

求精度更高。例如,1982 年日本进行了世界首次陶瓷柴油机的汽车试验,效

果很好。采用精细陶瓷材料制造汽车发动机,可提高效率 45%,节油 30%。

把陶瓷粉与金属末混匀,经高温烧结,就得到了金属陶瓷,它兼有金属

和陶瓷的特点,韧而不脆,硬而耐热。例如含 20%钴粉的金属陶瓷是制造火

箭喷口的材料。在高温中,陶瓷中的金属首先蒸发掉,热量被带走,温度随

着降低,因而能在高温环境里工作。例如,美国“哥伦比亚”号航天飞机的

外壳,便是由 31,000 块金属陶瓷瓦片铺砌而成,经受了返回大气层时所产

生的白热化高温的严竣考验。

高铝陶瓷是有名的“硬骨头”,用它作机器上的耐磨器件,其耐磨性能

比金属高 2~3 倍。至于刚玉瓷、氮化硼陶瓷制成的瓷刀,更能“削铁如泥”。

类似的例子还很多,无怪乎专家们预言:人类将“重返”石器时代,不

过这是一个全新的“石器时代”。在本世纪最后十年和下世纪初,陶瓷科学


将实现从先进陶瓷到纳米陶瓷(晶体颗粒大小为 10~100nm)的飞跃。近些

年来陶瓷科学的飞速发展为这一突破打下了良好的基础,而现代技术的发展

则为这一突破提供了强有力的支持。电子显微镜,包括扫描电子显微镜和透

射电子显微镜的推广应用,特别是近年来高分辨电镜和分析电镜技术的发

展,使人们有可能进入到纳米量级线度上来研究材料的组成和结构。现在人

们已能直接观察到晶粒以及晶粒中的缺陷,从而为纳米结构的形成和控制研

究提供了保证。当然,陶瓷科学家还需要在诸如纳米粉体的制备、成型、烧

结等许多方面进行大量艰苦、细致的攻关,才能最终突破这一难关,实现陶

瓷发展中的新飞跃。

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