新型陶瓷材料
9.3 : 新型陶瓷材料
9.3.1氧化物陶瓷
4 氧化锆陶瓷（ZrO2） ZrO2陶瓷硬度高，莫氏硬度6.5。可以制成冷成型工具、整形模、拉丝模、切削刀具等。ZrO2陶瓷强度高，韧性好，室温抗压强度达2100MPa，1000℃时为1190MPa。最好的韧化陶瓷抗弯强度达2000MPa，断裂韧度达9MPa·m。用来制造发动机构件，如推杆、连杆、轴承、气缸内衬、活塞帽等。
ZrO2陶瓷的耐火度高，比热和导热系数小，是理想的高温绝热材料；化学稳定性好，高温时仍能抗酸性和中性物质的腐蚀。ZrO2坩锅用于冶炼金属及合金，如铂、钯、铷、铑的冶炼和提纯。对钢液很稳定，是连续铸锭用的耐火材料。
ZrO2陶瓷的电性能随稳定剂的种类、含量和测试温度不同而变化。纯ZrO2是良好的绝缘体，室温比电阻高达10Ω·m。加入稳定剂后，其电阻率明显增加。所以稳定ZrO2陶瓷在高温下是离子导电陶瓷。
稳定后的ZrO2陶瓷有氧缺位，可作为气敏元件。氧化锆固体电解质在一定条件下，有传递氧离子的特性，可以制成高温燃料电池固体电解质隔膜，钢液氧的探测头等。
此外利用氧化锆相变特性，将氧化锆加到一系列其它氧化物基体中如莫来石、氧化铝、尖晶石等，可改善这些氧化物的韧性，如氧化锆增韧氧化铝（ZTA），即含有氧化锆的ZTA陶瓷，强度可高达1200MPa，韧性为16MPa∕m。
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5 氧化镁陶瓷（MgO） 氧化镁属立方晶系，MgO的热膨胀系数大，有较高的蒸汽压，熔点为2800℃，但在2300℃以上易挥发；高温下的比体积电阻（35V/mm）大，具有良好的绝缘性。氧化镁陶瓷是典型的碱性陶瓷。氧化镁陶瓷使用温度比氧化铝陶瓷高，其使用温度在氧化气氛下高达2200℃，还原气氛下高达1700℃，在真空中可以达到1600～1700℃。在空气中，特别是在潮湿的空气中，氧化镁陶瓷极易水化成工业Mg(OH)2，氧化镁陶瓷制造时应特别注意。
高纯氧化镁陶瓷对金属和碱性溶液有很强的抗侵蚀能力，作为熔化高纯铁及合金以及镍、钍、铀、锡、铅、锌、铜、钴及其合金等的坩锅；作为盛装熔融氧化铝和铝盐的容器；用氧化镁制造的热电偶保护管用于测量2000℃以上的高温。氧化镁陶瓷还可以作高温炉炉衬。
9.3.2 非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷主要有碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。它们的熔点高，从2000℃几乎到4000℃，硬度大，还有金属的特性，如金属光泽。有很高的高温机械强度、热震稳定性及化学稳定性。典型的非氧化物陶瓷有碳化硅、碳化钛、氮化硅、氮化硼、硼化锆和二硅化钼等。
1 碳化硅陶瓷 碳化硅陶瓷是以SiC为主要成分的陶瓷。SiC通常以石英和碳为原料经过高温烧结而成。碳化硅陶瓷的特点是高温强度大，其抗弯强度在1400℃时仍保持500～600MPa。具有很好的热传导能力，20～1400℃时，其导热系数为16～20W/m·K，仅次于氧化铍陶瓷。它的抗氧化性是碳化物中最好的，碳化硅陶瓷还有良好的化学稳定性、高的机械强度和抗热震性能及高的耐磨性。
碳化硅陶瓷的主要用途是制造高温强度比较高的结构零件：如火箭尾喷管的喷嘴，炉管等高温材料；热传导能力比较强的零件：如高温下工作的热交换器零件，核燃料的包封材料等；耐磨耐蚀的零件：如泵的密封圈等；高温下导电构件：如电热元件等。
2 碳化钛陶瓷 TiC属面心立方晶体，熔点高，强度较高，导热性较好，硬度大，化学稳定性好，抗高温氧化性仅次于碳化硅，且室温下不与酸起反应，但溶于硝酸与氢氟酸的混合物，在1000℃的氮气中能形成氮化物。
碳化钛陶瓷的硬度大，是硬质合金生产的重要原料，具有良好的力学性能，作为耐磨材料、切削刀具材料、机械零件等，可制作熔炼锡、铅、镉等金属的坩锅。透明氧化钛陶瓷还是良好的光学材料。
9.3.2 非氧化物陶瓷
5 氮化硼陶瓷（BN） 氮化硼陶瓷分为低压型和高压型两种。低压型BN晶体是六方晶系，具有石墨结构，又称“白石墨”，硬度低，具有自润滑性，化学稳定性好，能抵抗许多金属熔体和玻璃体的侵蚀，可作为介电体和耐火润滑剂。
氮化硼陶瓷的热导性比BeO陶瓷低得多，但BN无毒性，具有良好的机加工性能，良好的高频介电性能，较高温度下仍相当稳定，中性或还原性气氛中的使用温度达2800℃，热导率随温度升高降低得相当缓慢，且有500～600℃以上BN陶瓷的热导率超过BeO陶瓷，居电绝缘陶瓷材料的首位，所以BN陶瓷是一种大力发展的高热导率陶瓷材料，作为高温散热装置瓷件具有明显的优点。除此之外，在电子工业用作雷达的传递窗；原子能工业中，用作核反应堆的结构材料；高温金属冶炼坩锅、耐热材料等。
立方晶体的氮化硼陶瓷是由六方晶体氮化硼经高温高压处理后转化而成的。
立方晶体的氮化硼陶瓷是耐高温、超硬材料，莫氏硬度接近10，有的性能优于人造金刚石，如表6.2.5所示。
表6.2.5 立方氮化硼陶瓷与人造金刚石性能比较
9.3.2.6 二硅化钼陶瓷（MoSi2） 二硅化钼陶瓷是比较重要的硅化物陶瓷。呈灰色，有金属光泽，熔点较高，达2030℃，有较高的导热系数，高温下具有优良的抗氧化性能，适宜的电阻和小的比电阻温度系数，能溶于硝酸与氢氟酸的混合液及熔融的碱中。
利用MoSi2良好的电性能和热震性用作高温发热元件及高温热电偶；冶炼熔
融金属钠、锂、铅、铋、锡等的坩锅及原子反应堆装置的热交换器；利用其优良的高温抗氧化性，可以制造超高速飞机、火箭、导弹上的某些零部件。
金属陶瓷是金属或合金与一种或多种陶瓷组成的复合材料，其性能特点及要求见本书8.3。
9.4: 陶瓷材料产品制造
9.4.1产品的技术要求
该产品主要用于加工硬质合金，要求磨具的硬度较软为中软级，材料的种类为绿碳化硅（SiC），粒度为F60，粘结剂为陶瓷结合剂。以平行砂轮200×20×23（mm）为例，产品形状示意图如图9.4.1所示。
9.4: 陶瓷材料产品制造
9.4.1产品的技术要求
陶瓷结合剂碳化硅磨具生产过程包括混合料制备、成形、烧成、产品的后加工及检验工序。
1 混合料的制备 制备工艺流程如图9.4.2所示。
图9.4.2 成形料的制备工艺流程
1) 混料前混料设备及容器应清理干净；
2) SiC粒状料加入湿润剂（糊精液）后混料时间在5～10分钟，保证SiC粒状料被均匀
湿润；
3) 加粘结剂后的混料时间为15～20分钟，保证混合料成分、粒度均匀一致； 4) 混合均匀的混合料用比SiC粒度粗3～4号的筛网过筛； 5) 混合均匀的混合料应闷料3～4h。 2 成形 成形工艺流程如图9.4.3所示。
图9.4.3 成形工艺流程
1) 成型时，根据制品的规格尺寸确定正确选择和装配模具，模具结构图9.4.4所示。对选择的模具进行清理、涂润滑油，防止压坯粘模；
2) 校准衡器，要求称量误差在0.5%以下； 3) 投料前启动转盘，并在模具底板上放置隔离材料； 4) 用料斗或料盆将混合料缓慢倒在芯棒上，再使料均匀流入模内；
5) 先用搅料叉把料叉松、摊均，再用刮板将料面刮平整； 6) 料刮平后，在料面上均匀撒一层同样材质的干料，防止压
坯粘模；
7) 通过观察表压，或选择适宜尺寸的压环，将压坯压制到规定的高度；
8) 卸模，取出坯体。
9.4: 陶瓷材料产品制造
9.4.2成形工艺
3 干燥 干燥曲线如表9.4.1所示。
表9.4.1 干燥曲线
4 烧成 烧成曲线如表9.4.1所示。
表9.4.2 烧成曲线
5 加工
1) 用钢质套圈将制品固定在平面磨床上；
2) 加工制品第一面时，磨除量为总余量的1/3～2/5，再加工第二面到成品尺寸。加工时尽量把一些缺陷（凹坑、铁斑等）加工掉；
3) 把制品孔清理干净，用硫化水泥灌孔，灌孔层厚度为3～5mm； 4) 把制品固定在外圆磨床上，加工制品的外径。 6 检查
1) 根据国标GB/T 2485—1997，GB/T4127—1997，对制品的尺寸(外径、孔径及厚度)及外观进行检查；
2) 根据国标GB/T2492—1984规定的方法及要求，检查制品的平衡性； 3) 根据国标GB/T2490—1984规定的方法，检查制品的硬度； 4) 根据国标GB/T2493—1995规定的方法，检查制品的回转强度
9.5: 陶瓷材料的发展趋势
9.5.1纳米陶瓷材料
“纳米”(nm)是一个尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9 m。纳米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷除了保持陶瓷耐磨损、耐腐蚀等优良性能外，还赋予陶瓷高的韧性，将彻底改变陶瓷为“易碎品”的形象。
纳米陶瓷具有高韧性与低温超塑性行为。图9.5.1为纳米CaF2塑性变形示意图。试验中，将平展的方形样品置于两块铝箔之间，沿箭头方向加压力使上下闭合，结果发现，纳米CaF2由于塑性变形导致样品形状发生正弦弯曲，并通过向右侧的塑性流动而成为丝状。纳米陶瓷的室温超塑性使陶瓷在保留其耐化学腐蚀、耐高温高压等优良性能的前提下，有可能像其它材料一样进行锻造、挤压、拉拨、弯曲等特种加工，不需磨削，直接制备精密尺寸的
零件。
纳米陶瓷的烧结性能极佳，其烧结温度比普通陶瓷粉体的低几百度。不少纳米陶瓷已实现在1000℃以下致密化，而且有可能继续降低。低温烧结可以节省能源，有利于环境的净化，还可以用于陶瓷材料的连接，使陶瓷材料的物理化学性能甚至力学性能都保持一致。
纳米陶瓷的显微硬度极高。
纳米陶瓷在功能方面也有着重要的应用。如纳米氧化锌陶瓷的非线性伏安特性。 2.梯度材料
为适应同一时间内不同的使用环境，在同一材料内从不同方向上由一种功能逐步连续分布为另一种功能的材料称为梯度功能材料，简称梯度材料。
3.智能材料
同时具备自检查功能（传感器功能）、信息处理功能以及指令和执行功能的材料。它具有自诊断、自调节、自修复等功能。