陶瓷材料

现代陶瓷材料是在特种陶瓷的基础上，由传统陶瓷发展起来的、具有明显区别于传统陶瓷特点的新型陶瓷，早已超出了传统陶瓷的概念和范围，是高新技术的产物，因此，陶瓷材料是一门古老而又年轻的学科。

所谓现代陶瓷材料，就是无机非金属材料，是与金属、有机材料并列的现代材料三大类之一，也是对除金属材料、有机材料外所有材料的普遍认可。本章讨论的对象就是现代陶瓷材料或现代无机非金属材料。

现代陶瓷材料具有高科技内涵，与传统材料相比，主要有以下三个特点：

（1）基于现代科技发展的要求。它是现代科技发展的产物，是高科技的产物。

（2）制造工艺复杂，需要借助现代科技成果指导，属于技术知识密集型产品。

（3）具有优良、特殊的性能，能满足商业和新技术产业的要求。

陶瓷材料的分类

随着生产和科学技术的发展，陶瓷材料及制品的种类日益增多，为了便于了解各种材料或制品的特性，通常从不同的角度对其进行分类。

1、按化学成分分类

（1）氧化物陶瓷。氧化物陶瓷种类繁多，在陶瓷家族中占有十分重要的地位。最常用的氧化物陶瓷有Al2O3、SiO2、MgO、ZrO3、CeO2、CaO、Cr2O3、莫来石（3Al2O3.2SiO4）和尖晶石（MgAl2O3）等。陶瓷中的Al2O3和SiO2与金属材料中的钢和铝合金一样用途广泛。表11.1列出了一些氧化物陶瓷。硅酸盐也属于氧化物系列。如ZrsiO4。Call等。还有复合氧化物如BaT、CgyiO；等也属于这一类。

陶瓷材料按化学成分分类

（2）碳化物陶瓷。碳化物陶瓷一般熔点比氧化物高，最常用的有SIC、SC、Phoenix C、TIC等。碳化物陶瓷在制备过程中应有气氛保护。

（3）酰胺陶瓷。应用最广泛的是氯化物A-季胺，其综合力学性能优良，耐高温性能好。此外，TZN、BN、AI氮化物陶瓷的应用也日趋广泛。最近刚出现的C3N4有望具有比Si3O4更好的性能。

（4）四化陶瓷。硼化物陶瓷用途不是很广，主要作为深层添加剂或第二相加入到其他陶瓷基体中提高性能，常用的有Ti、Zr&等。

2.按性能和用途分类

（1）结构陶瓷。结构陶瓷作为结构材料，制造结构件。主要利用其力学性能。提高强度、韧性、硬度、模量、耐磨性、耐高温性（高温强度、抗热震性、耐烧蚀性）等。上述按核化学成分分类的四种陶瓷，大部分都是结构陶瓷。如AjZQ石。3N4、ZX等都是力学性能优越的代表性结构陶瓷材料。

（2）功能陶瓷。功能陶瓷作为功能材料，主要利用其物理性质，如电磁性质、热性质、光学性质、生物性质等，制造功能器件。例如铁氧体。铁电陶瓷主要利用其电磁性质，制作电磁元件，介电陶瓷用来制作电容器，压电陶瓷用来制作位移或压力传感器。固体电解质陶瓷利用其离子迁移性质，可制作氧探测器。生物陶瓷用来制作人工骨、人工牙齿。超导材料、光纤等也属于功能陶瓷的范畴。

值得一提的是，上述分类也是相对的，而非绝对的，有时结构陶瓷与功能陶瓷之间并没有严格的界限，对于有些陶瓷材料来说，既有压电陶瓷，也有压电陶瓷。虽然可以归为功能陶瓷，但对其力学性能也有一定的要求，如强度、韧性、硬度、弹性模量等。首先要有足够的强度，在承受E力时不至于损坏，这样才能发挥常见的压电特性。另外，如航天器防热部件用的高温结构陶瓷或抗热震耐火陶瓷，虽然都属于结构陶瓷的范畴，但抗热膨胀性能不仅由其自身的强度、韧性、模量决定，热导率、热膨胀系数也与力学性能一样，对抗热震性能有很重要的影响。耐腐蚀是化工陶瓷（如耐酸泵）的重要性能，但必须具备一定的力学性能，才能满足工业的要求。超导材料由于油脂含量较高，很难制成导线，因此目前还不能进入实际应用阶段。总结来说，无论是结构陶瓷还是功能陶瓷，力学性能都是陶瓷材料最基本的性能，只是用途不同，对力学性能的要求也不同。

本章主要讨论结构陶瓷。

陶瓷的优点

1、陶瓷材料的性能特点

众所周知，金属材料（纯金或合金）的化学键多为金属键，是由金属正原子与填充其中的电子云所构成，金属键没有方向性，因此金属具有良好的塑性变形性能。至于忽略非金属化合物的陶瓷，其化学性质高于健康、共价键，这种化学性质方向性强，结合能大，因此陶瓷材料难以发生塑性变形，脆性大，裂纹敏感性强，这是陶瓷材料的致命弱点。但正是由于这种化学键类型，才使得结构陶瓷具有一系列优于金属材料的特殊性能。

①较高的硬度决定了其优异的耐磨性；

②燃点高。决定了其具有优异的耐热性；

③化学稳定性高。决定了它具有良好的耐腐蚀性能。

陶瓷材料虽然有着如此优异的优点，但其致命的缺点——脆性，限制了其性能的发挥和实际应用，因此陶瓷的增韧已成为陶瓷材料研究领域中一个备受世界关注的核心课题（详情见陶瓷的增韧部分）。

2. 现代（高级）陶瓷与传统陶瓷的比较

现代陶瓷与传统陶瓷相比，在原料组成、制备工艺、组织结构和性能等方面都有着明显的区别。

传统陶瓷与现代陶瓷的对比