基本介紹
- 中文名：常溫燒結法
- 機理：強化增韌機理
- 條件：較小的粒徑
- 條件二：快速的擴散途徑
強化增韌機理,新型陶瓷材料,磁性材料,耐磨耐高溫材料,超導材料,
強化增韌機理
一般認為陶瓷具有超塑性應該具有兩個條件：(1)較小的粒徑；(2)快速的擴散途徑(增強的晶格、晶界擴散能力)。目前已知的強化增韌機理大致可分為5種類型:彌散增韌、裂紋增韌、延性相增韌、陶瓷顯微(晶須)增韌及相變增韌。根據新原皓一的研究[14]，認為納米複合陶瓷的強化增韌主要通過以下幾種效應得以實現：1）彌散相可有效抑制基質晶粒的生長及異常長大；2）存在於彌散相或彌散相周圍的局部應力，是由基體與彌散相之間膨脹失配而產生，並在冷卻階段產生位錯，納米粒子釘扎或進入位錯區使基體晶粒內產生潛晶界，晶粒發生細化而減弱了主晶界的作用；3）納米級粒子周圍的局部拉伸應力誘發穿晶斷裂，並由於A12O3硬粒子對裂紋尖端的反射作用而產生韌化；4）納米粒子高溫牽制位錯運動，使高溫力學性能如硬度、強度及抗蠕變性能得到改善。研究[15]通過對A12O3/SiC納米複合材料熱壓合成實驗後認為：晶內粒子對裂紋的偏析和微裂紋及加工引起的壓縮表面應力都不是強化增韌的主要機理;斷裂模式的改變，即從純基體的沿晶斷裂至複合材料的穿晶斷裂，可能是使材料韌性增強的主要原因，穿晶斷裂的發生與結構中存在的納米化效應有關。
材料是人類生產活動和生活必需的物質基礎，與人類文明和技術進步密切相關。隨著科學技術的發展，材料的種類日新月異，各種新型材料層出不窮，在高新技術領域中占有重要的地位。材料科學是研究材料的成分、結構、加工和材料性能及套用之間相互關係的科學。本講主要介紹幾種新型的無機非金屬材料。
新型陶瓷材料
傳統陶瓷主要採用天然的岩石、礦物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷則採用人工合成的高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經成型、燒結和其他處理而製成具有微細結晶組織的無機材料。它具有一系列優越的物理、化學和生物性能，其套用範圍是傳統陶瓷遠遠不能相比的，這類陶瓷又稱為特種陶瓷或精細陶瓷。
新型陶瓷控化學成分主要分為兩類：一類是純氧化物陶瓷，
如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一類是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和矽化物等。按照其性能與特徵又可分為：高溫陶瓷、超硬質陶瓷、高韌陶瓷、半導體陶瓷。電解質陶瓷、磁性陶瓷、導電性陶瓷等。隨著成分、結構和工藝的不斷改進，新型陶瓷層出不窮。按其套用不同又可將它們分為工程結構陶瓷和功能陶瓷兩類。
在工程結構上使用的陶瓷稱為工程陶瓷，它主要在高溫下使用，也稱高溫結構陶瓷。這類陶瓷具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優點，是空間技術、軍事技術、原子能、業及化工設備等領域中的重要材料。工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究最多，認為最有發展前途的是氯化矽、碳化矽和增韌氧化物三類材料。
精密陶瓷氨化矽代替金屬製造發動機的耐熱部件，能大幅度提高工件溫度，從而提高熱效率，降低燃料消耗，節約能源，減少發動機的體積和重量，而且又代替了如鎳、鉻、鈉等重要金屬材料，所以，被人們認為是對發動機的一場革命。氮化矽可用多種方法製備，工業上普遍採用高純矽與純氮在1600K反應後獲得：
3Si+2N2→Si3N4
也可用化學氣相沉積法，使SiCl4和N2在H2氣氛保護下反應，產物Si3N4積在石墨基體上，形成一層緻密的Si3N4層。此法得到的氮化矽純度較高，其反應如下：
SiCl4+2N2+6H2→Si3N4+12HCl
氯化矽、碳化矽等新型陶瓷還可用來製造發動機的葉片、切削刀具、機械密封件、軸承、火箭噴嘴、爐子管道等，具有非常廣泛的用途。
利用陶瓷對聲、光、電、磁、熱等物理性能所具有的特殊功能而製造的陶瓷材料稱為功能陶瓷。功能陶瓷種類繁多，用途各異。例如，根據陶瓷電學性質的差異可製成導電陶瓷、半導體陶瓷、介電陶瓷、絕緣陶瓷等電子材料，用於製作電容器、電阻器、電子工業中的高溫高頻器件，變壓器等形形色色的電子零件。利用陶瓷的光學性能可製造固體雷射材料、光導纖維、光儲存材料及各種陶瓷感測器。此外，陶瓷還用作壓電材料、磁性材料、基底材料等。總之，新劑陶瓷材料幾乎遍及現代科技的每一個領域，套用前景十分廣闊。
磁性材料
磁性材料是一種重要的電子材料。早期的磁性材料主要採用金屬及合金系統，隨著生產的發展，在電力工業、電訊工程及高頻無線電技術等方面，迫切要求提供一種具有很高電阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁鐵礦及其他具有磁性的氧化物的基礎上，研製出了一種新型磁性材料——鐵氧體。鐵氧體屬於氧化物系統的磁性材料，是以氧化鐵和其他鐵族元素或稀土元素氧化物為主要成分的複合氧化物，可用於製造能量轉換、傳輸和信息存儲的各種功能器件。
鐵氧體磁性材料按其晶體結構可分為：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁鉛石型（MFe12O19）；鈣鈦礦型（MFeO3）。其中M指離子半徑與Fe2+相近的二價金屬離子，R為稀土元素。按鐵氧體的用途不同，又可分為軟磁、硬磁、矩磁和壓磁等幾類。
軟磁材料是指在較弱的磁場下，易磁化也易退磁的一種鐵氧體材料。有實用價值的軟磁鐵氧體主要是錳鋅鐵氧體Mn－ZnFe2O4和鎳鋅鐵氧體Ni－ZnFeO4。軟磁鐵氧體的晶體結構一般都是立方晶系尖晶石型，這是目前各種鐵氧體中用途較廣，數量較大，品種較多，產值較高的一種材料。主要用作各種電感元件，如濾波器、變壓器及天線的磁性和磁帶錄音、錄像的磁頭。
硬磁材料是指磁化後不易退磁而能長期保留磁性的一種鐵氧體材料，也稱為永磁材料或恆磁材料。硬磁鐵氧體的晶體結構大致是六角晶系磁鉛石型，其典型代表是鋇鐵氧體BaFe12O19。這種材料性能較好，成本較低，不僅可用作電訊器件如錄音器、電話機及各種儀表的磁鐵，而已在醫學、生物和印刷顯示等方面也得到了套用。
鎂錳鐵氧體Mg－MnFe3O4，鎳鋼鐵氧體Ni－CuFe2O4及稀土石榴型鐵氧體3Me2O3·5Fe2O3（Me為三價稀土金屬離子，如Y3+、Sm3+、Gd3+等）是主要的旋磁鐵氧體材料。磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的直流磁場和電磁波磁場的作用下，電磁波在材料內部按一定方向的傳播過程中，其偏振面會不斷繞傳播方向旋轉的現象。旋磁現象實際套用在微波波段，因此，旋磁鐵氧體材料也稱為微波鐵氧體。主要用於雷達、通訊、導航、遙測、遙控等電子設備中。
重要的矩磁材料有錳鋅鐵氧體和溫度特性穩定的Li－Ni－Zn鐵氧體、Li－Mn－Zn鐵氧體。矩磁材料具有辨別物理狀態的特性，如電子計算機的"1"和"0"兩種狀態，各種開關和控制系統的"開"和"關"兩種狀態及邏輯系統的"是"和"否"兩種狀態等。幾乎所有的電子計算機都使用矩磁鐵氧體組成高速存貯器。另一種新近發展的磁性材料是磁泡材料。這是因為某些石榴石型磁性材料的薄膜在磁場加到一定大小時，磁疇會形成圓柱狀的泡疇，貌似浮在水面上的水泡，泡的"有"和"無"可用來表示信息的"1"和"0"兩種狀態。由電路和磁場來控制磁泡的產生、消失、傳輸、分裂以及磁泡間的相互作用，即可實現信息的存儲記錄和邏輯運算等功能，在電子計算機、自動控制等科學技術中有著重要的套用。
壓磁材料是指磁化時能在磁場方向作機械伸長或縮短的鐵氧體材料。目前套用最多的是鎳鋅鐵氧體，鎳銅鐵氧體和鎳鎂鐵氧體等。壓磁材料主要用於電磁能和機械能相互轉換的超聲器件、磁聲器件及電訊器件、電子計算機、自動控制器件等。
耐磨耐高溫材料
碳化矽、氮化硼及Ⅳ～Ⅵ副族元素和Ⅷ族元素與碳、氮、硼等形成的化合物具有硬度大、熔點高的情詮，是重要的耐磨耐高溫材料。
（一）碳化矽（SiC）
碳化矽的晶體結構和金剛石相近，屬於原子晶體，它的熔點高（2827℃），硬度近似於金剛石，故又稱為金剛砂。將石英和過量焦炭的混合物在電爐中鍛燒可製得碳化矽。
純碳化矽是無色、耐熱、穩定性好的高硬度化合物。工業上因含雜質而呈綠色或黑色。
工業上碳化矽常用作磨料和製造砂輪或磨石的摩擦表面。常用的碳化矽磨料有兩種不同的晶體，一種是綠碳化矽，含SiC 97%以上，主要用於磨硬質含金工具。另一種是黑碳化矽，有金屬光澤，含SiC 95%以上，強度比綠碳化矽大，但硬度較低，主要用於磨鑄鐵和非金屬材料。
（二）氮化硼（BN）
氮化硼是白色、難溶、耐高溫的物質。將B2O3與NH4Cl共熔，或將單質硼在NH3中燃燒均可製得BN。通常製得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（800Mpa）下可轉變為金剛型氮化硼。這種氮化硼中B－N鍵長（156pm）與金剛石在C－C鍵長（154pm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用於製作鑽頭、磨具和切割工具。
（三）硬質合金
IVB、VB、VIB族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，由於硬度和熔點特別高，統稱為硬質合金。下面以碳化物為重點來說明硬質含金的結構、特徵和套用。
IVB、VB、VIB族金屬與碳形成的金屬型碳化物中，由於碳原子半徑小，能填充於金屬品格的空隙中並保留金屬原有的晶格形式，形成間充固溶體。在適當條件下，這類固溶體還能繼續溶解它的組成元素，直到達到飽和為止。因此，它們的組成可以在一定範圍內變動（例如碳化鈦的組成就在TiC0.5～TiC之間變動），化學式不符合化合價規則。當溶解的碳含量超過某個極限時（例如碳化鈦中Ti:C=1:1），晶格型式將發生變化，使原金屬晶格轉變成另一種形式的金屬晶格，這時的間充固溶體叫做間充化合物。
金屬型碳化物，尤其是IVB、VB、VIB族金屬碳化物的熔點都在3273K以上，其中碳化鉿、碳化鉭分別為4160K和4150K，是當前所知道的物質中熔點最高的。大多數碳化物的硬度很大，它們的顯微硬度大於1800kg·mm2（顯微硬度是硬度表示方法之一，多用於硬質合金和硬質化合物，顯微硬度1800kg·mm2相當於莫氏一金剛石一硬度9）。許多碳化物高溫下不易分解，抗氧化能力比其組分金屬強。碳化鈦在所有碳化物中熱穩定性最好，是一種非常重要的金屬型碳化物。然而，在氧化氣氛中，所有碳化物高溫下都容易被氧化，可以說這是碳化物的一大弱點。
除碳原子外，氮原子、硼原子也能進入金屬晶格的空隙中，形成間充固溶體。它們與間充型碳化物的性質相似，能導電、導熱、熔點高、硬度大，同時脆性也大。
（四）金屬陶瓷
隨著火箭、人造衛星及原子能等尖端技術的發展，對耐高溫材料提出了新的要求，希望既能在高溫時有很高的硬度、強度，經得起激烈的機械震動和溫度變化，又有耐氧化腐蝕、高絕緣等性能。無論高熔點金屬或陶瓷都很難同時滿足這些。金屬具有良好的機械性能和韌性，但高溫化學穩定性較差，易於氧化。陶瓷的特點是耐高溫，化學穩定性好，但最大的缺點是脆性，抗機械衝擊和熱衝擊能力低。金屬陶瓷是由耐高溫金屬如Cr、Mo、W、Ti等和高溫陶瓷如Al2O3、ZrO3、TiC等經過燒結而形成的一種新型高溫材料，它兼有金屬和陶瓷的優點，密度小，硬度大，耐磨，導熱性好，不會由於驟冷驟熱而脆裂。是具有綜合性能的新型高溫材料，適用於高速切削刀具、衝壓冷拉模具、加熱元件、軸承、耐蝕製件、無線電技術、火箭技術、原子能工業等。
超導材料
金屬材料的電阻通常隨著溫度的降低而減小，當溫度降低到一定數值的時候，某些金屬及合金的電阻會完全消失，這種現象稱為超導現象。具有超導性的物質稱為超導體或超導材料。超導體電阻突然消失時的溫度稱為臨界溫度（Tc）。
荷蘭物理學家H·K昂尼斯（Onnes）成功地製取了液體氦，獲得了4.2K的低溫。1911年他發現水銀的電阻在4.2K附近突然下降到零，這就是人類第一次發現了超導現象。隨著進一步的研究發現周期表中有26種金屬具有超導性，單個金屬的超導轉變溫度都很低，最高的超導金屬是Nb，Tc一9.2K。因此，人們逐漸轉向研究金屬合金及化合物的超導性。
1986年4月瑞士科學家J．G貝德諾茲等發現由鋇、鑭、銅、氧組成的氧化物可能是高Tc的超導材料，並獲得了Tc為30K的超導體，這是對超導材料的研究取得的第一次重大突破。在這之後，各國科學家對這一類材料進行了廣泛研究。1987年2月美同科學家發現鋇把銅氧材料的超導轉變溫度高達98K，從而突破了液氦溫區而進入液氮溫區。中國科學院物理所、化學所、北京大學等也都分別研製成功Tc為83.7K的超導線材和超導薄膜。日本研製成功釔一鋇一銅一氧陶瓷高溫超導材料，其成分為0.6Ba～0.4Y～1ICu～3O，在123K開始顯示超導電性，在93K時出現零電阻。目前新的氧化物系列不斷出現，如Bi－Sr-Ca－CuO，Tl－Ba－Ca－CuO等，它們的超導轉變溫度超過了120K。這些研究成果為超導材料早日付諸實用開闢了途徑。
值得注意的是，人們發現碳的第三種同素異形體——C60鹼金屬作用形成AxC60（A代表鉀、銣、銫等），它們都是超導體，其超導轉變溫度列於下表。從表中可看到，大多數AxC60超導體的轉變溫度比金屬合金超導體高。這使人們看到C60這類有機超導體的巨大潛力，同時因其加上性能優於金屬氧化物（陶瓷）超導體，因此AxC60類超導體將是很有發展前途的超導材料。
AxC60的超導轉變溫度
K2 C60：19 Tc/K
Rb3C60：28 Tc/K
Cs3C60：30 Tc/K
Rb2CsC60：30 Tc/K
RbCs2C60：33 Tc/K
超導材料的套用範圍極為廣泛，用超導材料製造的超導磁體，可產生很強的磁場，且體積小，重量輕，損耗電能小，比目前使用的常規電磁鐵優異得多。套用超導材料還可以製造大功率超導發電機、磁流發電機、超導儲能器、超導電纜等。超導技術最引人注目的套用是超導磁懸浮列車，其車速可高達500km/h。在海洋航行中利用超導電磁推進器，即不用電動機而實現高速、高效、無噪音航行。利用超導的完全抗磁性可製造超導無摩擦軸承。無論是在能源、電子、通訊、交通，還是由防軍事技術、空間技術、受控熱核反應以及醫學等各個領域中，超導材料將以其特有的性能發揮出神奇的作用。
