陶瓷材料

陶瓷材料是指用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結製成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。可用作結構材料、刀具材料，由於陶瓷還具有某些特殊的性能，又可作為功能材料。

基本介紹

• 中文名：陶瓷材料
• 外文名：ceramic material
• 優點：高熔點、高硬度、耐氧化
• 用途：結構材料、刀具材料
• 性能：力學特性，熱特性，電特性

性能

力學特性

陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗壓強度較高，但抗拉強度較低，塑性和韌性很差。

熱特性

陶瓷材料一般具有高的熔點（大多在2000℃以上），且在高溫下具有極好的化學穩定性；陶瓷的導熱性低於金屬材料，陶瓷還是良好的隔熱材料。同時陶瓷的線膨脹係數比金屬低，當溫度發生變化時，陶瓷具有良好的尺寸穩定性。

電特性

大多數陶瓷具有良好的電絕緣性，因此大量用於製作各種電壓（1kV~110kV）的絕緣器件。鐵電陶瓷（鈦酸鋇BaTiO3）具有較高的介電常數，可用於製作電容器，鐵電陶瓷在外電場的作用下，還能改變形狀，將電能轉換為機械能（具有壓電材料的特性），可用作擴音機、電唱機、超音波儀、聲納、醫療用聲譜儀等。少數陶瓷還具有半導體的特性，可作整流器。

化學特性

陶瓷材料在高溫下不易氧化，並對酸、鹼、鹽具有良好的抗腐蝕能力。

光學特性

陶瓷材料還有獨特的光學性能，可用作固體雷射器材料、光導纖維材料、光儲存器等，透明陶瓷可用於高壓鈉燈管等。磁性陶瓷（鐵氧體如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在錄音磁帶、唱片、變壓器鐵芯、大型計算機記憶元件方面的套用有著廣泛的前途。

原理

熱輻射

熱交換的基本途徑為：傳導、對流和輻射。為了有效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強對流係數來實現，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般採用自然對流散熱，散熱器將LED產生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由於對流係數較低，熱量不能及時地散發到周圍的空氣中，導致表面溫度升高，LED的工作環境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表面的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁製散熱器通過陽極氧化來提高表面輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性，不必進行複雜的後續處理。

輻射機理

陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二聲子和多聲子產生。高輻射陶瓷材料如碳化矽、金屬氧化物、硼化物等均存在極強的紅外激活極性振動，這些極性振動由於具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區的吸收係數，一般具有100~100cm-1數量級，相當於中等強度吸收區在這個區域剩餘反射帶的較低反射率，因此，有利於形成一個較平坦的強輻射帶。

一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強共振波長延伸到短波整個二聲子組合和頻區域，包括部分多聲子組合區域，這是多數高輻射陶瓷材料輻射 帶的共同特點，可以說，強輻射帶主要源於該波段的二聲子組合輻射。除少數例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大於5m的二聲子、三聲子區。因此，對於紅外輻 射陶瓷而言，1~5m波段的輻射主要來自於自由載流子的帶內躍遷或電子從雜質能級到導帶的直接躍遷，大於5m波段的輻射主要歸於二聲子組合輻射。

劉維良、駱素銘對常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表面質量的遠紅外陶瓷釉面也進行了測試，輻射率約0.6~0.88，並從陶瓷斷口SEM照片中得出遠紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時的輻射性能、釉面質量、顏色和成本較佳，其輻射率達到了 0.83，其他性能均達到國家日用瓷標準要求。崔萬秋、吳春芸對低溫遠紅外陶瓷塊狀樣品進行了測試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學研究發現，常溫遠紅外陶瓷輻射率一般可達0.85，國外Enecoat釉塗料最高輻射率可達0.93~0.94。眾多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高的紅外輻射率，是其替代傳統鋁製散熱器的一大重要參數。

分類

普通材料

採用天然原料如長石、粘土和石英等燒結而成，是典型的矽酸鹽材料，主要組成元素是矽、鋁、氧，這三種元素占地殼元素總量的90%，普通陶瓷來源豐富、成本低、工藝成熟。這類陶瓷按性能特徵和用途又可分為日用陶瓷、建築陶瓷、電絕緣陶瓷、化工陶瓷等。

特種材料

採用高純度人工合成的原料，利用精密控制工藝成形燒結製成，一般具有某些特殊性能，以適應各種需要。根據其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金屬陶瓷等；特種陶瓷具有特殊的力學、光、聲、電、磁、熱等性能。

特種材料分類

根據用途不同，特種陶瓷材料可分為結構陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。

結構陶瓷

氧化鋁陶瓷主要組成物為Al2O3，一般含量大於45%。氧化鋁陶瓷具有各種優良的性能。耐高溫，一般可要1600℃長期使用，耐腐蝕，高強度，其強度為普通陶瓷的2~3倍，高者可達5~6倍。其缺點是脆性大，不能接受突然的環境溫度變化。用途極為廣泛，可用作坩堝、發動機火花塞、高溫耐火材料、熱電偶套管、密封環等，也可作刀具和模具。

氮化矽陶瓷主要組成物是Si3N4，這是一種高溫強度高、高硬度、耐磨、耐腐蝕並能自潤滑的高溫陶瓷，線膨脹係數在各種陶瓷中最小，使用溫度高達1400℃，具有極好的耐腐蝕性，除氫氟酸外，能耐其它各種酸的腐蝕，並能耐鹼、各種金屬的腐蝕，並具有優良的電絕緣性和耐輻射性。可用作高溫軸承、在腐蝕介質中使用的密封環、熱電偶套管、也可用作金屬切削刀具。

碳化矽陶瓷主要組成物是SiC，這是一種高強度、高硬度的耐高溫陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗彎強度，是目前高溫強度最高的陶瓷，碳化矽陶瓷還具有良好的導熱性、抗氧化性、導電性和高的衝擊韌度。是良好的高溫結構材料，可用於火箭尾噴管噴嘴、熱電偶套管、爐管等高溫下工作的部件；利用它的導熱性可製作高溫下的熱交換器材料；利用它的高硬度和耐磨性製作砂輪、磨料等。

六方氮化硼陶瓷主要成分為BN，晶體結構為六方晶系，六方氮化硼的結構和性能與石墨相似，故有“白石墨”之稱，硬度較低，可以進行切削加工具有自潤滑性，可製成自潤滑高溫軸承、玻璃成形模具等。

工具陶瓷

硬質合金主要成分為碳化物和粘結劑，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘結劑主要為鈷（Co）。硬質合金與工具鋼相比，硬度高（高達87~91HRA），熱硬性好（1000℃左右耐磨性優良），用作刀具時，切削速度比高速鋼提高4~7倍，壽命提高5~8倍，其缺點是硬度太高、性脆，很難被機械加工，因此常製成刀片並鑲焊在刀桿上使用，硬質合金主要用於機械加工刀具；各種模具，包括拉伸模、拉拔模、冷鐓模；礦山工具、地質和石油開採用各種鑽頭等。

金剛石天然金剛石（鑽石）作為名貴的裝飾品，而合成金剛石在工業上廣泛套用，金剛石是自然界最硬的材料，還具備極高的彈性模量；金剛石的導熱率是已知材料中最高的；金剛石的絕緣性能很好。金剛石可用作鑽頭、刀具、磨具、拉絲模、修整工具；金剛石工具進行超精密加工，可達到鏡面光潔度。但金剛石刀具的熱穩定性差，與鐵族元素的親和力大，故不能用於加工鐵、鎳基合金，而主要加工非鐵金屬和非金屬，廣泛用於陶瓷、玻璃、石料、混凝土、寶石、瑪瑙等的加工。

立方氮化硼（CBN）具有立方晶體結構，其硬度高，僅次於金剛石，具熱穩定性和化學穩定性比金剛石好，可用於淬火鋼、耐磨鑄鐵、熱噴塗材料和鎳等難加工材料的切削加工。可製成刀具、磨具、拉絲模等

其它工具陶瓷尚有氧化鋁、氧化鋯、氮化矽等陶瓷，但從綜合性能及工程套用均不及上述三種工具陶瓷。

功能陶瓷

功能陶瓷通常具的特殊的物理性能，涉及的領域比較多，常用功能陶瓷的特性及套用見表。

常用功能陶瓷

種類	性能特徵	主要組成	用途
介電陶瓷	絕緣性	Al2O3、Mg2SiO4	積體電路基板
	熱電性	PbTiO3、BaTiO3	熱敏電阻
	壓電性	PbTiO3、LiNbO3	振盪器
	強介電性	BaTiO3	電容器
光學陶瓷	螢光、發光性	Al2O3CrNd玻璃	雷射
	紅外透過性	CaAs、CdTe	紅外線視窗
	高透明度	SiO2	光導纖維
	電發色效應	WO3	顯示器
磁性陶瓷	軟磁性	ZnFe2O、γ-Fe2O3	磁帶、各種高頻磁心
	硬磁性	SrO．6 Fe2O3	電聲器件、儀表及控制器件的磁芯
半導體陶瓷	光電效應	CdS、Ca2Sx	太陽電池
	阻抗溫度變化效應	VO2、NiO	溫度感測器
	熱電子放射效應	LaB6、BaO	熱陰極

精細陶瓷

陶瓷材料中已崛起了精細陶瓷，它以抗高溫、超強度、多功能等優良性能在新材料世界獨領風騷。精細陶瓷是指以精製的高純度人工合成的無機化合物為原料，採用精密控制工藝燒結的高性能陶瓷，因此又稱先進陶瓷或新型陶瓷。精細陶瓷有許多種，它們大致可分成三類——結構陶瓷、電子陶瓷以及生物陶瓷。

結構陶瓷

這種陶瓷主要用於製作結構零件。機械工業中的一些密封件、軸承、刀具、球閥、缸套等都是頻繁經受摩擦 而易磨損的零件，用金屬和合金製造有時也是使用不了多久就會損壞，而先進的結構陶瓷零件就能經受住這種“磨難”。

電子陶瓷

指用來生產電子元器件和電子系統結構零部件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學性能外，對周圍環境的變化能“無動於衷”，即具有極好的穩定性，這對電子元件是很重要的性能，另外就是能耐高溫。

生物陶瓷

生物陶瓷是用於製造人體“骨骼一肌肉”系統，以修復或替換人體器官或組織的一種陶瓷材料。

精細陶瓷是新型材料特別值中得注意的一種，它有廣闊的發展前途。這種具有優良性能的精細陶瓷，有可能在很大的範圍內代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛套用，達到節約能源、提高效率、降低成本的目的；精細陶瓷和高分子合成材料相結合．可以使交通運輸工具輕量化、小型化和高效化。

精陶材料將成為名副其實的耐高溫的高強度材料，從而可用作包括飛機發動機在內的各種熱機材料、燃料電池發電部件材料、核聚變反應堆護壁材料、無公害的外燃式發動機材料等。精細陶瓷與高性能分子材料、新金屬材料、複合材料並列為四大新材料。有些科學家預言．由於精細陶瓷的出現，人類將從鋼鐵時代重新進入陶瓷時代。

歷史發展

原來的陶瓷就是指陶器和瓷器的通稱。也就是通過成型和高溫燒結所得到的成型燒結體。傳統的陶瓷材料主要是指矽鋁酸鹽。剛開始的時候人們對矽鋁酸鹽的選擇要求不高，純度不大，顆粒的粒度也不均一，成型壓強不高。這時得到陶瓷稱為傳統陶瓷。後來發展到純度高，粒度小且均一，成型壓強高，進行燒結得到的燒結體叫做精細陶瓷。

接下來的階段，人們研究構成陶瓷的陶瓷材料的基礎，使陶瓷的概念發生了很大的變化。陶瓷內部的力學性能是與構成陶瓷的材料的化學鍵結構有關，在形成晶體時能夠形成比較強的三維網狀結構的化學物質都可以作為陶瓷的材料。這主要包括比較強的離子鍵的離子化合物，能夠形成原子晶體的單質和化合物，以及形成金屬晶體的物質。他們都可以作為陶瓷材料。其次人們借鑑三維成鍵的特點發展了纖維增強複合材料。更進一步拓寬了陶瓷材料的範圍。因此陶瓷材料發展成了可以藉助三維成鍵的材料的通稱。

陶瓷的概念就發展成為可以藉助三維成鍵的材料，通過成型和高溫燒結所得到的燒結體。（這個概念把玻璃也納入了陶瓷的範圍）

研究陶瓷的結構和性能的理論也得到了展開：陶瓷材料，內部微結構（微晶晶面作用，多孔多相分布情況）對力學性能的影響得到了發展。材料（光，電，熱，磁）性能和成形關係，以及粒度分布，膠著界面的關係也得到發展，陶瓷應當成為承載一定性能物質存在形態。這裡應該和量子力學，納米技術，表面化學等學科關聯起來。陶瓷學科成為一個綜合學科。

這種發展在一定程度上和高分子成型關聯起來。它們應當相互影響。