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杂说陶瓷材料(下) 精选

已有 5160 次阅读 2020-7-13 08:19 |个人分类:科学与生活|系统分类:教学心得| 精细陶瓷, 结构, 透明, 压电, 生物

杂说陶瓷材料(下)

上面所说的,大都可以归于传统陶瓷材料,绝大多数都与二氧化硅有关,所以称硅酸盐材料。

精细陶瓷材料则远远超出硅酸盐化合物的范围,它包含了氧化物、氮化物、碳化物、硅化物和硼化物。与传统陶瓷采用天然矿物原料不同,精细陶瓷往往采用高度精选的化工产品为原料,具有能精确控制的化学组成,按照一定的结构设计以及可以控制的制备方法进行制造、加工,所以具有各种优异的特性。实际上,精细陶瓷就是现代无机非金属材料,又称先进陶瓷材料。

精细陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。结构陶瓷是指用于各种结构部件的陶瓷材料;功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷。

一般情况下,氧化物、氮化物、碳化物等都是原子晶体,有着很高的熔点,很大的强度,但是它们很难得到大的晶体。那些天然宝石虽然有很好的性能,那是在自然界,在很偶然的地质条件下,在极其漫长的年代中缓慢的结晶,才能够得到不很大的晶体。这使得这些宝石极为稀有,具有极其昂贵的价格,而尺寸又太小,无法作为工业品大规模应用。

而大多数精细陶瓷产品,就是用化学方法,制成纯度很高的化合物,然后,在高温高压等条件下,得到与那些天然宝石性能相近、而尺寸却大不知多少倍且易于加工的物质。也有许多精细陶瓷产品,具有天然物质所没有的优良性能。

下面对几类精细陶瓷材料做一些简单的介绍。

先说说结构陶瓷。如上所述,许多氧化物、氮化物、硅化物、碳化物和硼化物都是原子晶体,有高熔点、高硬度,所以特别适合做结构材料。

例如刀具。我们一说起古代的宝刀,大多数人立刻会想到一个成语,削铁如泥。要想削铁如泥,那刀的硬度必须比铁大很多。在现代机床上面“削铁如泥”并不是什么麻烦的事情,但是,机床上的刀具硬度必须比钢铁大则仍然是一个不变的原则。这样,过去机床的刀具往往用硬度很大的合金钢来制作。另外,“杀敌一千、自损八百”,在切削时,刀具也在磨损,需要经常打磨。这样,就需要耗费大量宝贵的硬质金属如钨、铬、钽、铌等。对于特别坚硬的工件,加工时还需要先退火(加热然后冷却以减少硬度),然后再切削,非常麻烦。

现在用精细陶瓷刀具,就可以替代那些地壳在含量很少的宝贵的硬质金属元素。氮化硅(Si3N4)陶瓷刀具的硬度可到莫氏硬度9以上(一般的钢铁只有5~6),切削金属时不但刀具不易磨损,而且加工工件的粗糙度很低(就是光洁度很高),有时候切削就可以代替磨光了。也不用对特殊工件进行退火处理,减少步骤、节约能量。

这样硬质的材料,也适合做模具、量具等,它们不易磨损,能够长久地保持原始的精度。

至于如今已经很普及的家用厨房陶瓷刀具,其主要成分是氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3)。它的好处是锋利,不容易磨损因而不用磨刀,由于不是金属材质,不会生锈。缺点是脆,无法砍劈。

像氮化硅、碳化硅(SiC)这样具有耐高温、硬度大、热膨胀系数低等优点的精细陶瓷,还能够做许多产品的高温结构材料,如汽车发动机零件、燃气轮机的叶片、火箭头罩、喷嘴、飞行器表面防热瓦等。

许多精细陶瓷在电磁学、光学、热学、声学、生物学方面有特别优秀的性能,从而被称为各种功能陶瓷。

例如透明陶瓷,普通陶瓷材料是不透明的,原因是普通陶瓷内存在大量的气孔和杂质。气孔和杂质对于光或散射或吸收,致使材料不透明(顺便说一下,玻璃之所以透明,也是因为在熔融的过程中去除了气孔,只剩下氧化物)。

如果使用高纯的各项同性的立方晶系材料作原料,尽可能减少杂质,做到高纯、超细,采用高温、高压等方法基本或完全消除气孔,并使得晶界结构尽可能薄,晶粒大小足够小,就能够得到比玻璃透明度高得多的透明陶瓷材料。

透明陶瓷不仅有良好的透明性(包括可见光和红外光),同时又保持结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、热导率高及良好的介电性能。

过去,人们使用透明材料主要有两类,一类是玻璃,一类是单晶。

与单晶相比,透明陶瓷制造成本低、易于大批量生产,可以制成尺寸较大、形状复杂的制品;而与玻璃相比,透明陶瓷具有强度和硬度高、透明度高、导热性好、耐腐蚀等优点。

透明陶瓷材料主要分为氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷两大类。

氧化物透明陶瓷最常见是氧化铝透明陶瓷,还有氧化钇、氧化镁、钇铝石榴石、铝镁酸透明陶瓷以及透明铁电陶瓷。

非氧化物透明陶瓷包括氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷等。

透明陶瓷最早是使用在灯具上。人们利用透明陶瓷的高温耐腐蚀性,制备了高压钠灯、铯灯、铷灯、钾灯等。这些灯具需要在高达1200℃的环境中使用,而且还要受这些碱金属蒸汽的腐蚀,所以不能用普通玻璃。

透明陶瓷可用作高温炉的观察窗、高温红外探测窗以及其他高温、高压、高强度及腐蚀环境下的观测窗口,如装甲车和空间飞行器的“窗户”等。

在军事方面,透明陶瓷还可以用作导弹防护整流罩、透明装甲等。

在我们身上,透明陶瓷可以做牙齿矫正器,又坚固又不影响美观。

我们都用过电子表,那里面的核心元件是水晶晶片,在水晶晶片上,沿一定的方向施加压力,相应的两个面上就会带电;相反,给晶片上外加电场,晶片就会产生相应的形变。这种机械能和电能相互转换的现象叫做压电效应。具有这种效应的晶体叫做压电晶体。

产生压电效应的原因是受压后的晶体内部的形变使正负电荷的重心发生分离,两端表面就带电了。这种正负电荷重心不重合现象叫做极化。有些晶体在一定温度范围内本身就是极化的,称为自发极化。当给这种晶体施加电场时,其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向。这与铁磁体的性质相类似,晶体的这种性质称为铁电性,具有铁电性的晶体称为铁电晶体或铁电体。

精细陶瓷实际上就是许许多多压得非常紧密的微小晶体。与铁电晶体和压电晶体对应,有铁电陶瓷、有压电陶瓷。铁电陶瓷只是性质上有铁电性,绝不是化学成分与铁有关。

与铁电晶体和压电晶体相比。这些陶瓷材料制备容易,可以做成较大而任意形状的制品,所以得到了极其广泛的应用。

如钛酸钡陶瓷和钛酸锶陶瓷都用来做高压电容器。

又如锆钛酸铅陶瓷和铌酸盐陶瓷都是良好的压电陶瓷,用于超声换能器、水声换能器、变压器、电声器件及热释电探测器等。

锆钛酸铅镧陶瓷作为一种透明铁电体,可用于光开关、图像存储、显示及感光显像等方面。

生物陶瓷是指直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。

生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。

生物惰性陶瓷主要指化学性能稳定、生物相容性好的陶瓷材料,如氧化铝、氧化锆及医用碳素材料等,这类陶瓷材料的结构较稳定,分子中的键合力较强,且都具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。

氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷在人体内稳定,可以制造牙根、骨和关节。

生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷,又叫生物降解陶瓷;有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等。

生物玻璃陶瓷与普通玻璃相比有较多钙和磷,因而能与骨自然牢固的发生化学结合,从而可以用于修复骨头。羟基磷灰石的组成与天然磷灰石矿物相近,与脊椎动物骨的无机成分结构也非常接近,作为骨代替物被用于骨移植。

众所周知,超导对于将来的社会生活是非常重要的。电阻阻碍了大电流,超导则可以实现大电流的输送。有大的电流才能够有大的磁场,这对于大容量的发动机、电动机都非常有益,对今后信息革命、能源利用以及交通都将起重要作用。

20世纪10年代,人们发现某些金属在低于某一温度时,电阻降低为零,这就是超导效应,这个温度称临界温度。对于金属,临界温度很低,直到1973年,人们发现临界温度最高的合金,铌锗合金,其临界超导温度为23.2开(0开就是-273.15℃)。

1986 年IBM 公司报道发现了一种氧化物(镧-钡-铜-氧)具有35开的高温超导性,打破了人们“氧化物陶瓷都是绝缘体”的传统观念。从此,超导材料研究就成为材料和化学界研究的重点之一,并且发现制备出一系列的高温超导陶瓷材料。现在高临界温度(90开以上)的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7,Bi2Sr2Ca2Cu3O10,Tl2Ba2Ca2Cu3O10等。临界温度越高,该超导体就越容易得到应用。 

现在,精细陶瓷已经在结构材料、电磁、光学、热、声、生物等各种各样的功能材料方面得到了极其广泛的应用,但是,绝大多数材料还是有一个共同的缺点:脆。

纳米陶瓷是将纳米级颗粒陶瓷、晶须、纤维等引入陶瓷母体,以改善陶瓷的性能而制造的复合型材料。通过这个途径,可以克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。

在科学家的努力下,相信精细陶瓷产业会得到越来越快的发展。

 




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