李進衛(wèi)

(湖南十堰神風(fēng)裝備材料公司，十堰 442001)

環(huán)保奇效優(yōu)勢凸顯話陶瓷

李進衛(wèi)

(湖南十堰神風(fēng)裝備材料公司，十堰 442001)

摘要:陶瓷制品生產(chǎn)在中國歷史悠久,經(jīng)過長期的發(fā)展制造工藝得到不斷發(fā)展。隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，在生活中的應(yīng)用范圍越來越廣。特種陶瓷又稱高性能陶瓷先進陶瓷、精細陶瓷、高技術(shù)陶瓷等，是新材料的一個組成部分。本文分別介紹了氮化硅功能陶瓷，氮化鋁陶瓷，電子陶瓷，生物陶瓷以及氧化鋯陶瓷的組織結(jié)構(gòu)，性能特點和應(yīng)用領(lǐng)域，并同時指出了他們的發(fā)展前景和趨勢。

關(guān)鍵詞:特種陶瓷;性能特點;應(yīng)用發(fā)展

陶瓷制品生產(chǎn)在中國歷史悠久,經(jīng)過長期的發(fā)展制造工藝得到不斷發(fā)展。特別是近20年來制品結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整，迎合了國內(nèi)外消費者的消費需求，并隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，在生活中的應(yīng)用范圍越來越廣。特種陶瓷又稱高性能陶瓷先進陶瓷、精細陶瓷、高技術(shù)陶瓷等，是新材料的一個組成部分。由于它具有其他材料所沒有的各種優(yōu)良性能，例如，耐高溫、高強度、重量輕、耐磨、耐腐蝕、優(yōu)異的電、磁、聲、光、熱等性能。它在國民經(jīng)濟中的能源、電子、航空航天、機械、汽車、冶金、石油化工和生物等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景，成為各工業(yè)技術(shù)特別是尖端技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料。在國防現(xiàn)代化建設(shè)中武器裝備的發(fā)展也離不開特種陶瓷材料。除此之外,在當(dāng)今世界各國把環(huán)境保護作為重要的問題來考慮時，以環(huán)境保護、生活優(yōu)化為背景的環(huán)境凈化功能陶瓷的研究與開發(fā)，也必然對改善人類生存環(huán)境，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略起到積極的推動作用。由此可見，特種陶瓷在國民經(jīng)濟建設(shè)及國防建設(shè)中的作用和地位是十分重要的。

1氮化硅功能陶瓷

氮化物陶瓷是近20多年來發(fā)展起來的新型工程陶瓷、與一般的硅酸鹽陶瓷不同之處在于前者氮和硅的結(jié)合屬于共價鍵性質(zhì)的結(jié)合，因而有結(jié)合力強、絕緣性好的特點。

氮化硅陶瓷是一種低成本高耐磨性，燒結(jié)時不收縮的無機材料。氮化硅Si3N4陶瓷是一種共價鍵化合物，基本結(jié)構(gòu)單元為[ SiN4 ]四面體，硅原子位于四面體的中心，在其有四個氮原子，分別位于四面體的四個頂點，然后以每三個四面體共用一個原子的形式，在三維空間形成連續(xù)而又堅固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。氮化硅的很多性能都歸結(jié)于此結(jié)構(gòu)。純Si3N4為3119，有α和β兩種晶體結(jié)構(gòu)，均為六角晶形，其分解溫度在空氣中為1800℃，在011MPa氮中為1850℃。Si3N4線脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，故其耐熱沖擊性極佳。熱壓燒結(jié)的氮化硅加熱到l000℃后投入冷水中也不會破裂。在不太高的溫度下，Si3N4具有較高的強度和抗沖擊性，但在1200℃以上會隨使用時間的增長而出現(xiàn)破損，使其強度降低，在1450℃以上更易出現(xiàn)疲勞損壞，所以Si3N4的使用溫度一般不超過1300℃。

氮化硅陶瓷是無機非金屬強共價鍵化合物,由于氮原子之間結(jié)合得非常牢固,所以具有驚人的耐高溫和高強度、高硬度性能,硬度可達HRA91～93;熱硬性好,能承受1300～1400℃的高溫;摩擦系數(shù)也較低,本身具有潤滑性,并且耐磨損;抗腐蝕能力強,高溫時抗氧化;能抵抗冷熱沖擊,Si3N4陶瓷在很高的溫度下,蠕變也很小,這也是它比金屬優(yōu)越的可貴性能,所以在高溫、高速、強腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境中具有特殊的使用價值。

固體的氮化硅Si3N4是原子晶體，是空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個Si和周圍4個N共用電子對，每個N和周圍3個Si共用電子對，大體上是和金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似，不過是六面體又稱六方晶體。是一種高溫陶瓷材料，硬度大、熔點高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定工業(yè)上常常采用純Si和純N2在1300°制取得到。氮化硅是由硅元素和氮元素構(gòu)成的化合物。在氮氣氣氛下，將單質(zhì)硅的粉末加熱到1300～1400℃之間，硅粉末樣品的重量隨著硅單質(zhì)與氮氣的反應(yīng)遞增。在沒有鐵催化劑的情況下，約7h后硅粉樣品的重量不再增加，此時反應(yīng)完成生成Si3N4。除了Si3N4外，還有其他幾種硅的氮化物也已被文獻所報道。比如氣態(tài)的一氮化二硅(Si2N),一氮化硅(SiN)和三氮化二硅(Si2N3)。這些化合物的高溫合成方法取決于不同的反應(yīng)條件(比如反應(yīng)時間、溫度、起始原料包括反應(yīng)物和反應(yīng)容器的材料)以及純化的方法。Si3N4是硅的氮化物中化學(xué)性質(zhì)最為穩(wěn)定的，也是所有硅的氮化物中熱力學(xué)最穩(wěn)定的。所以一般提及“氮化硅”時，其所指的就是Si3N4。它也是硅的氮化物中最重要的化合物商品。在很寬的溫度范圍內(nèi)氮化硅都是一種具有一定的熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、彈性模量較高的高強度硬陶瓷。不同于一般的陶瓷，它的斷裂韌性高。這些性質(zhì)結(jié)合起來使它具有優(yōu)秀的耐熱沖擊性能，能夠在高溫下承受高結(jié)構(gòu)載荷并具備優(yōu)異的耐磨損性能。常用于需要高耐用性和高溫環(huán)境下的用途，諸如氣輪機、汽車引擎零件、軸承和金屬切割加工零件。美國國家航空航天局的航天飛機就是用氮化硅制造的主引擎軸承。氮化硅薄膜是硅基半導(dǎo)體常用的絕緣層，由氮化硅制作的懸臂是原子力顯微鏡的傳感部件。

由于Si3N4的理論密度低，比鋼和工程超耐熱合金鋼輕得多，所以，在那些要求材料具有高強度、低密度、耐高溫等性質(zhì)的地方用Si3N4陶瓷去代替合金鋼是再合適不過了。氮化硅的強度很高，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，強度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到1900℃才會分解，并有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕；同時又是一種高性能電絕緣材料。氮化硅陶瓷作為一種重要的新型結(jié)構(gòu)材料,在現(xiàn)代制造工業(yè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。氮化硅陶瓷的性能繼鋼鐵、塑料之后,世界上第三種主要材料將是高技術(shù)陶瓷,它可突破現(xiàn)有合金及高分子材料的使用極限。在高技術(shù)陶瓷中,氮化硅陶瓷是最具有發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用市場的一種新型工程材料。

2氮化鋁陶瓷

氮化鋁陶瓷是以氮化鋁(AIN)為主晶相的陶瓷，AIN晶體以〔AIN4〕四面體為結(jié)構(gòu)單元共價鍵化合物，具有纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，屬六方晶系?；瘜W(xué)組成 Ai65.81%，N34.19%，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，單晶無色透明，常壓下的升華分解溫度為2450℃。為一種高溫耐熱材料。線脹系數(shù)(4.0~6.0)×10-6/℃。多晶AIN熱導(dǎo)率達260W/(m·k)，比氧化鋁高5～8倍，所以耐熱沖擊好，能耐2200℃的極熱。此外，氮化鋁具有不受鋁液和其它熔融金屬及砷化鎵侵蝕的特性，特別是對熔融鋁液具有極好的耐侵蝕性。氮化鋁的理論熱導(dǎo)是320W/m·k，大約是銅熱導(dǎo)的80%，同時氮化鋁有低的介電常數(shù)、高電阻、低密度和接近硅的熱膨脹系數(shù)，綜合性能優(yōu)于Al2O3，BeO，SiC等，被用于高導(dǎo)熱絕緣子和電子基板材料。AIN陶瓷的性能與制備工藝有關(guān)，如熱壓燒結(jié)AIN陶瓷，其密度為3.2～3 .3g/cm3，抗彎強度350～400MPa(高強型900 MPa)，彈性模量310 GPa，熱導(dǎo)率20～30W·m-1·K-1，機械加工性和抗氧化性良好。

氮化鋁耐熱、耐熔融金屬的侵蝕，對酸穩(wěn)定，但在堿性溶液中易被侵蝕。AIN新生表面暴露在濕空氣中會反應(yīng)生成極薄的氧化膜。利用此特性，可用作鋁、銅、銀、鉛等金屬熔煉的坩堝和燒鑄模具材料。由于AIN陶瓷具有高導(dǎo)熱、高絕緣性，可作為半導(dǎo)體的基體材料，其熱阻與氧化被陶瓷相當(dāng)，比氧化鋁陶瓷低很多，可用作散熱片、半導(dǎo)體器件的絕緣熱基片，提高基片材料散熱能力和封裝密度，可用于雙列直插式封裝、扁平封裝。AIN陶瓷的金屬化性能較好，可替代有毒性的氧化敏瓷在電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用。利用AiN陶瓷耐熱耐熔體侵蝕和熱震性，可制作GaAs晶體坩堝、Al蒸發(fā)皿、磁流體發(fā)電裝置及高溫透平機耐蝕部件，利用其光學(xué)性能可作紅外線窗口。氮化鋁薄膜可制成高頻壓電元件、超大規(guī)模集成電路基片等。

氮化鋁陶瓷基片，熱導(dǎo)率高，膨脹系數(shù)低，強度高，耐高溫，耐化學(xué)腐蝕，電阻率高，介電損耗小，是理想的大規(guī)模集成電路散熱基板和封裝材料；氮化鋁粉末純度高，粒徑小，活性大，是制造高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基片的主要原料；氮化鋁硬度高,超過傳統(tǒng)氧化鋁,是新型的耐磨陶瓷材料,但由于造價高,只能用于磨損嚴(yán)重的部位.利用AIN陶瓷耐熱耐熔體侵蝕和熱震性，可制作GaAs晶體坩堝、Al蒸發(fā)皿、磁流體發(fā)電裝置及高溫透平機耐蝕部件，利用其光學(xué)性能可作紅外線窗口。氮化鋁薄膜可制成高頻壓電元件、超大規(guī)模集成電路基片等。氮化鋁耐熱、耐熔融金屬的侵蝕，對酸穩(wěn)定，但在堿性溶液中易被侵蝕。AIN新生表面暴露在濕空氣中會反應(yīng)生成極薄的氧化膜。利用此特性，可用作鋁、銅、銀、鉛等金屬熔煉的坩堝和燒鑄模具材料。AIN陶瓷的金屬化性能較好，可替代有毒性的氧化敏瓷在電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

氮化鋁(AlN)是一種綜合性能優(yōu)良新型陶瓷材料,具有高的導(dǎo)熱率、低的熱膨脹系數(shù)、高的絕緣特性和良好的機械強度及無毒等一系列優(yōu)良特性,作是新一代高導(dǎo)熱絕緣散熱材料，是高集程度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料,受到了國內(nèi)外研究者的廣泛重視，在微電子、光電子、電力電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。氮化鋁多層陶瓷基板是利用多層共燒技術(shù)而制成的高導(dǎo)熱高密度基板，覆銅陶瓷基板是在高溫下將高導(dǎo)電無氧銅直接鍵合到氮化鋁陶瓷表面所形成的陶瓷復(fù)合基板。多層陶瓷基板具有導(dǎo)熱率高、布線密度高、可靠性高的特點，適用于高密度微波模塊和組件，對于降低模塊的體積和重量，提高模塊的集成度具有重要的意義。陶瓷覆銅基板具有導(dǎo)熱率高、電流承載能力強、可靠性高的特點，并能像PCB一樣刻蝕出各種圖形，是新型電力電子器件和模塊關(guān)鍵絕緣散熱基板。氮化鋁多層陶瓷及覆銅基板主要用于高功率電子領(lǐng)域，可在電力電子、微電子、光電子等領(lǐng)域用作散熱基板。

由于具有優(yōu)良的熱、電、力學(xué)性能，氮化鋁陶瓷引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對所用材料的性能提出了更高的要求。氮化鋁陶瓷也必將在許多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。為了促進氮化鋁研究和應(yīng)用的進一步發(fā)展，必須研究低成本的粉末制備工藝和方法；制約氮化鋁商品化的主要因素就是價格問題。若能以較低的成本制備出氮化鋁粉末，將會大大提高其商品化程度。高溫自蔓延法和低溫碳熱還原合成工藝是很有發(fā)展前景的粉末合成方法。二者具有低成本和適合大規(guī)模生產(chǎn)的特點，研究復(fù)雜形狀的氮化鋁陶瓷零部件的凈近成形技術(shù)如注射成形技術(shù)等，它對充分發(fā)揮氮化鋁的性能優(yōu)勢，拓寬它的應(yīng)用范圍具有重要意義。

3電子陶瓷

電子陶瓷是在電子工業(yè)中能夠利用電、磁性質(zhì)的陶瓷。指用來生產(chǎn)電子元器件和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件的功能性陶瓷。這些陶瓷除了具有高硬度等力學(xué)性能外，對周圍環(huán)境的變化能“無動于衷”，即具有極好的穩(wěn)定性，這對電子元件是很重要的性能，另外就是能耐高溫。是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)和生物等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸及存儲等功能為主要特征的，主要包括鐵電、壓電、介電和磁性陶瓷等。在信息的檢測、轉(zhuǎn)化、處理和存儲顯示中應(yīng)用廣泛，是中基礎(chǔ)的關(guān)鍵材料。

電子陶瓷或稱電子工業(yè)用陶瓷，它在化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和機電性能上，均與一般的電力用陶瓷有著本質(zhì)的區(qū)別。這些區(qū)別是電子工業(yè)對電子陶瓷所提出的一系列特殊技術(shù)要求而形成的，其中最重要的是須具有高的機械強度，耐高溫高濕，抗輻射，介質(zhì)常數(shù)在很寬的范圍內(nèi)變化，介質(zhì)損耗角正切值小，電容量溫度系數(shù)可以調(diào)整(或電容量變化率可調(diào)整)．抗電強度和絕緣電阻值高，以及老化性能優(yōu)異等。電子陶瓷是通過對表面、晶界和尺寸結(jié)構(gòu)的精密控制而最終獲得具有新功能的陶瓷。在能源、家用電器、汽車等方面可以廣泛應(yīng)用。

電子陶瓷主要有兩大類,即電性能和功能性的電子陶瓷。電性能方面,電子陶瓷是制造加熱器、避雷設(shè)備、濕度計、光電池等產(chǎn)品的重要材料,因為它具有良好的“熱敏、壓敏、濕敏、氣敏和光敏”性能。熱敏是指利用電子陶瓷加熱后電阻會發(fā)生改變的性能,制造加熱器,如電吹風(fēng)等。給電子陶瓷施加壓力,也會改變它的電阻,以此用來生產(chǎn)過壓保護器,如避雷針,這是它的壓敏性能。同樣“濕敏、氣敏、光敏”是指電子陶瓷除對熱和壓力外,還對濕度、各種氣體以及光線有很強的敏感度。用電子陶瓷制成測試計,可用來檢測氣體的泄露。功能電子陶瓷又分壓電陶瓷、熱釋電子陶瓷、光電陶瓷和磁性陶瓷等。

電子陶瓷按用途可分為鐵電陶瓷、電解質(zhì)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、電容器陶瓷、壓電陶瓷、光電陶瓷、絕緣陶瓷。電子電和傳感器的高性能、超小型化、降低元件數(shù)、低成本以及對電子器件壽命、耐久性的要求刺激了電子陶瓷的不斷發(fā)展。電子陶瓷在電子技術(shù)中主要用作高頻絕緣裝置零件、混合集成電路和微波集成電路用的陶瓷基板等。由于陶瓷薄膜和透明陶瓷的發(fā)展，電子陶瓷的應(yīng)用已拓展到微電子和光電子技術(shù)領(lǐng)域。電解質(zhì)陶瓷常溫下對電子的絕緣性良好，在一定溫度和電場下，對某些離子又有良好的離子導(dǎo)電性，常用于鈉硫電池的隔膜材料、電子手表和高溫燃料的電池材料等。

半導(dǎo)體陶瓷對聲、光、熱磁敏感，常用于各種敏感元件及半導(dǎo)體電容器；導(dǎo)電陶瓷常用于磁流體發(fā)電的電極材料；電容器陶瓷介電常數(shù)大，介電損耗小，電阻率高，強度高，用于電容器的介質(zhì)。陶瓷電容器是目前高速發(fā)展的現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)之一。今后隨著集成電路和大規(guī)模集成電路發(fā)展，電容器向小型化大容量方面發(fā)展，多層陶瓷芯片受到廣泛關(guān)注。

光電陶瓷具有電控光散射和雙折射效應(yīng)以及光色散效應(yīng)，常用于光閘、光閥或電控多色濾色器以及光存貯及顯示材料。壓電陶瓷在電壓作用下，能夠伸長或收縮即可以用來做功，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，也可以將電能與聲能相互轉(zhuǎn)換，常用于各種電聲器件，如：揚聲器、傳聲器、水聲換能器件、變壓器及靜電印刷等設(shè)備中的高壓電源。裝置陶瓷介電損耗小，絕緣強度高，導(dǎo)熱性能好，常用于高頻裝置中的絕緣子，電熱絕緣器零部件和高頻高壓高功率的電容器件。氧化鋁瓷還可以用作汽車和航空火花塞，集成電路基板、微波管殼、插座、機械密封圈等。透明陶瓷常用于紅外檢測窗、鈉光燈管、高溫透鏡、放電燈管。有一種透明陶瓷還可以在通電后數(shù)秒內(nèi)由透明變?yōu)椴煌该鳎@種材料可制成防護用眼鏡和飛機的防護窗。

鐵氧磁性陶瓷渦流損失小，介質(zhì)損耗低，導(dǎo)磁率高。常用來做電聲器件、高頻磁芯如濾波器、變壓器、天線的磁芯以及磁帶、錄音機和錄像機磁頭、計算機的磁性存貯器等。

電子陶瓷材料的發(fā)展，同物理化學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、硅酸鹽物理化學(xué)、固體物理學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、無線電電子學(xué)等的發(fā)展密切相關(guān)，它們相互促進，從而在電子技術(shù)的飛躍發(fā)展中，使電子陶瓷也相應(yīng)地取得了很大進展。電子陶瓷材料的開發(fā)應(yīng)用首先依賴于新材料的發(fā)現(xiàn)和人工合成。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)與材料科學(xué)的發(fā)展與有機結(jié)合，產(chǎn)生了材料化學(xué)，物理與材料科學(xué)緊密結(jié)合形成了材料物理。近百年來，新化合物、固溶體、多晶型等不斷涌現(xiàn)。電子陶瓷領(lǐng)域中，合成化合物及材料特性方面取得了某些重大進展?，F(xiàn)在我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)大多數(shù)的電子陶瓷、IC基板、瓷介電容、電阻、電感、磁性材料、蜂鳴器、濾波器等壓電陶瓷無線電頻率元件已能大量生產(chǎn)，并且還占有一定的國際市場，但大部分產(chǎn)品的利潤并不是很高，產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值都相對較低，而且目前世界上最先進的超高利潤的電子陶瓷產(chǎn)品我們沒有能夠占領(lǐng)市場，許多電子整機中的電子陶瓷元件仍需大量進口，如手機中使用的片式壓電陶瓷濾波器等，國內(nèi)市場很大，但全靠進口。因此，提升產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，加大產(chǎn)品的利潤率是電子陶瓷發(fā)展的關(guān)鍵和目標(biāo)。只有在這些方面做得好的企業(yè)，才有可能在將來的電子陶瓷市場中獨領(lǐng)風(fēng)騷。

4生物陶瓷

生物陶瓷不僅具有不銹鋼、塑料所具有的特性，而且具有親水性、能與細胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性。生物陶瓷主要作為生物硬組織的代用材料，用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面，生物陶瓷也可用于測量和診斷治療等。生物陶瓷是用于制造人體“骨骼一肌肉”系統(tǒng)，以修復(fù)或替換人體器官或組織的一種陶瓷材料。生物陶瓷作為硬組織的代用材料來說，主要分為生物惰性和生物活性兩大類。生物惰性陶瓷材料，即化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相溶性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵力較強，而且都具有較高的機械強度、耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性，它主要有氧化鋁陶瓷、單晶陶瓷、氧化鋯陶瓷、玻璃陶瓷等。生物活性陶瓷材料，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。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合；生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸鈣系),羥基磷灰石陶瓷,磷酸三鈣陶瓷等幾種。

生物陶瓷按生化與生理上的功能與作用，分為：吸收性生物陶瓷能通過生物的新陳代謝與細胞組織成分互相置換且完全被吸收。表面活性生物陶瓷主要用于口腔或頜部的修補外科手術(shù)。醫(yī)療用生物陶瓷不是用來植入人體的，是用功能陶瓷制成的醫(yī)用超聲換能器，用于腦和心臟的診斷，還可用來粉碎人體內(nèi)結(jié)石。生物材料的分支之一是人體植入材料，植入材料要求具有生物相容性和長期穩(wěn)定性，羥基磷酸鈣微晶陶瓷與人體自然骨有很好的相容性。等離子噴涂氧化鋁羥基酸鈣可制成人工牙齒、人工頜面骨、人工關(guān)節(jié)、脊椎襯板和人工骨骼等。

生物功能陶瓷材料的基本要求就是對健康無危害，又不被生化作用所破壞。即要求材料物理、化學(xué)和生理學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對生物組織無刺激，不被生物組織腐蝕、吸收、具有良好的相容性。同時,人體骨骼必須承受較大的應(yīng)力,大約需要200MPa的強度。許多陶瓷材料具備上述各種要求,所以近30年來，它正在逐步取代傳統(tǒng)的生物硬組織材料，如不銹鋼、鈦合金和其它金屬材料。傳統(tǒng)的金屬生物材料易在生物體內(nèi)溶析、腐蝕。有機非金屬生物材料強度低。而陶瓷的表面結(jié)構(gòu)呈親水性，與生物組織有優(yōu)異的親和力，同時具有重量輕、強度高和剛度大等優(yōu)點。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。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同 其表面發(fā)生牢固的鍵合；生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸鈣系)羥基磷灰石陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾種。

生物功能陶瓷按用途可分為七個方面。一是人工骨或人造關(guān)節(jié);二是運動系統(tǒng)的人工臟器材料;三是形態(tài)修復(fù)和整形外科材料;四是人造牙根和假牙;五是人工肝臟內(nèi)的吸附材料(活性炭);六是固定酶載體(多孔玻璃);七是診斷檢測儀器的溫度、氣體、離子傳感器等各種傳感器材料。生物功能陶瓷對保障人體健康、美容等發(fā)揮發(fā)揮了不可替代的作用。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，生物材料由于具有對機體組織進行修復(fù)、替代與再生的特殊功能，已成為當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)中的重要組成部分。其研究內(nèi)容涉及材料、醫(yī)學(xué)物理、生物化學(xué)和現(xiàn)代高技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。過去，應(yīng)用最廣泛的生物醫(yī)學(xué)材料為金屬和有機材料，其存在著許多缺點。如金屬材料植入人體內(nèi)后，容易發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生對人體有毒的金屬離子，并且金屬磨屑會引起周圍生物組織發(fā)生變化等問題；而有機材料大多強度較低，難以滿足力學(xué)性能和耐久性的要求。生物陶瓷材料作為一種無機生物醫(yī)學(xué)材料，與生物組織具有良好的相容性和優(yōu)異的親和性，穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，可滅菌性及無毒性等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。生物陶瓷是材料工業(yè)發(fā)展的一個新領(lǐng)域，受到世界各國的關(guān)注。

5氧化鋯陶瓷

純凈的是白色固體，含有雜質(zhì)時會顯現(xiàn)灰色或淡黃色，添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。在常壓下純ZrO2共有三種晶態(tài)。氧化鋯陶瓷的生產(chǎn)要求制備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分布窄的粉體，氧化鋯超細粉末的制備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、堿金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉淀法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。通常含有少量的氧化鉿，難以分離，但是對的性能沒有明顯的影響。氧化鋯有三種晶體形態(tài)：單斜、四方、立方晶相。常溫下氧化鋯只以單斜相出現(xiàn)，加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，加熱到更高溫度會轉(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時候會產(chǎn)生較大的體積變化，冷卻的時候又會向相反的方向發(fā)生較大的體積變化，容易造成產(chǎn)品的開裂，限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。但是添加(例如：)以后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，因此在加熱以后不會發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍、

氧化鋯陶瓷的生產(chǎn)要求制備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分布窄的粉體，氧化鋯超細粉末的制備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、堿金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉淀法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。粉體加工方法有共沉淀法、溶膠一凝膠法、蒸發(fā)法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網(wǎng)及氣相沉積法等。

氧化鋯陶瓷的成型有干壓成型、等靜壓成型、注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、注射成型、塑性擠壓成型、膠態(tài)凝固成型等。其中使用最廣泛的是注塑與干壓成型。

氧化鋯基固體電解質(zhì)：固體氧化物燃料電池(SOFC)是近年迅速發(fā)展起來的新型綠色能源。固體電解質(zhì)是SOFC的核心部件，SOFC要求電解質(zhì)具有高的離子電導(dǎo)率，低的電子遷移數(shù)，與電極材料、氧化燃氣保持化學(xué)穩(wěn)定，在一個較寬的溫度和氧化壓范圍內(nèi)保持熱力學(xué)穩(wěn)定，與其它電池組件在線脹系數(shù)上匹配，具有良好的氣密性以及適宜的力學(xué)性能等。氧化鋯陶瓷因其擁有較高的離子電導(dǎo)率，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成為研究最多、應(yīng)用最為廣泛的一類電解質(zhì)材料。通過對氧化鋯基電解質(zhì)薄膜制備工藝的改進，降低此類材料的操作溫度和制備成本，力爭可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化也是未來研究的重要方向。

石油鉆探、石油化工、煤化工、礦山開采等行業(yè)使用的耐磨耐腐蝕重要部件，所普遍使用的耐磨耐腐蝕材料是硬質(zhì)合金、氧化鋯陶瓷、不銹鋼等，由于使用后難以回收，浪費大量鉻、鋯、釔、鎳等戰(zhàn)略材料，因此發(fā)達國家將大多數(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到我國，造成我國戰(zhàn)略資源的重大損失。同時，隨著經(jīng)濟發(fā)展帶來資源需求急劇增加，相關(guān)材料價格在短期內(nèi)均大幅上漲，且未來上漲趨勢仍將長期持續(xù)，企業(yè)已經(jīng)難以承受越來越大的成本壓力，很多陷入微利甚至虧損狀態(tài)。由于長期經(jīng)受酸堿腐蝕和磨料磨損，目前鉆井泵缸套通常使用高鉻硬質(zhì)合金和氧化鋯陶瓷材料，這兩種缸套均為雙體鑲裝，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。雙金屬缸套內(nèi)襯采用高鉻硬質(zhì)合金，加工難度大，使用壽命短，部件需經(jīng)常更換，氧化鋯陶瓷缸套成品率低、容易失效、材料成本高，都對鉆井安全和效率有較大影響，在石油開采行業(yè)的使用情況均不理想。目前普遍使用的缸套是采用金屬材料制成的，由于耐磨性差，使用壽命很短，隨著人類對全球油氣資源的開采范圍不斷擴大，逐漸朝著沙漠，荒原，深海延伸，井越找越深，井況越來越惡劣，大量的金屬缸套被頻繁的更換以保證鉆機的高壓和強磨損的要求，繁重的體力勞動，高昂的運輸和存儲費用等成為了現(xiàn)實問題。金屬陶瓷的堅硬耐磨，抗酸堿腐蝕性強，很適合作為泥漿泵的缸體材料，適用于石油儲層較深、地質(zhì)結(jié)構(gòu)惡劣的鉆采環(huán)境以及海上石油、天然氣開發(fā)。雙金屬缸套內(nèi)襯采用高鉻硬質(zhì)合金,加工難度大,使用壽命短,部件需經(jīng)常更換,氧化鋯陶瓷缸套成品率低、容易失效、材料成本高,都對鉆井安全和效率有較大影響。國內(nèi)研制成功氧化鋯陶瓷缸套，其抗彎強度r=750～900 MPa，斷裂韌性KIc=15～17 MPa·m1/2，壽命可達2500 h以上，是金屬缸套的10倍，并已投入生產(chǎn)，產(chǎn)品已在多家油田應(yīng)用，提高了采收效率，為油田帶來可觀的經(jīng)濟效益。

氧化鋯陶瓷的生產(chǎn)要求制備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分布窄的粉體，氧化鋯超細粉末的制備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、堿金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉淀法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。粉體加工方法有共沉淀法、溶膠一凝膠法、蒸發(fā)法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網(wǎng)及氣相沉積法等。

氧化鋯陶瓷的成型有干壓成型、等靜壓成型、注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、注射成型、塑性擠壓成型、膠態(tài)凝固成型等。其中使用最廣泛的是注塑與干壓成型。

由于氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強度和高耐磨性,優(yōu)異的隔熱性能,熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。主要有:Y-TZP磨球、分散和研磨介質(zhì)、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風(fēng)扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、表殼及表帶、手鏈及吊墜、滾珠軸承、高爾夫球的輕型擊球棒及其它室溫耐磨零器件等。

氧化鋯陶瓷因具有相變增韌特性，是已知氧化物陶瓷中韌性和強度綜合性能最佳的材料，被譽為“陶瓷鋼”。氧化鋯陶瓷刀具采用亞微米級超細粉體，以先進的水基料漿注凝法成型，高溫?zé)坪笤俳?jīng)過精密研磨加工制成，具有金屬刀無法比擬的優(yōu)點，充分體現(xiàn)了綠色環(huán)保概念，是現(xiàn)代廚房替代傳統(tǒng)刀具的“貴族刀”，且外型美觀精致，刃口鋒利無比，是真正意義上的永不磨損、永不腐蝕的刀。其科技含量高，品質(zhì)卓越，乃刀中極品。

陶瓷刀具的優(yōu)點：超高硬度，耐高溫。使用航天用的特種陶瓷高科技高溫制成，硬度僅略低于金剛石。金剛石硬度為10，陶瓷刀硬度為9(HRA87)，一般鋼刀為7。所以，在硬度為5的玻璃上。陶瓷刀具耐磨性是金屬刀的60倍。幾十年無需再磨，極其耐久。比一般金屬刀更安全、更輕巧。陶瓷刀具耐酸抗腐蝕、永不生銹。不會給食物帶來異味(沒有普通金屬刀的金屬味)。該特種陶瓷化學(xué)性能非常穩(wěn)定，不與食物發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。陶瓷刀具無毒無磁性、衛(wèi)生環(huán)保。表面密度大，不容易沾染食物汁液，減少細菌滋生機會。極易清洗干凈，做到絕對環(huán)保。由于陶瓷刀具上面的幾個特點使它能保持食品的原色、原味，而且它比金屬刀輕巧好用，讓人在長時間使用時也能輕松愉快，盡享美食風(fēng)味。陶瓷刀色澤圓潤、潔白，獨具玉石般豐潤亮澤之質(zhì)感，典雅時尚，平添高貴享受。陶瓷刀充分體現(xiàn)新世紀(jì)、新材料的綠色環(huán)保概念，是高新技術(shù)為現(xiàn)代生活奉獻的又一杰作。

在方面，其優(yōu)異的耐高溫性能作為感應(yīng)加熱管、耐火材料、發(fā)熱元件使用。氧化鋯陶瓷具有敏感的電性能參數(shù)，主要應(yīng)用于氧傳感器、和高溫發(fā)熱體等領(lǐng)域。ZrO2具有較高的折射率，在超細的氧化鋯粉末中添加一定的著色元素，可將它制成多彩的半透明多晶ZrO2材料，像天然寶石一樣閃爍著絢麗多彩的光芒，可制成各種裝飾品。另外，氧化鋯在熱障涂層、催化劑載體、醫(yī)療、保健、耐火材料、紡織等領(lǐng)域正得到廣泛應(yīng)用。目前，氧化鋯粉末和陶瓷的技術(shù)日趨成熟，生產(chǎn)的氧化鋯粉達到國際先進水平并大量出口。氧化鋯陶瓷部件，如陶瓷缸套、柱塞、球閥、光纖接插件、磨球、水果刀、剪刀、理發(fā)推子等得到越來越多的應(yīng)用。

6結(jié)束語

能源與環(huán)境是關(guān)系我國經(jīng)濟能否持續(xù)發(fā)展，甚至是影響千秋萬代的頭等大事。如今世界已進入了低碳經(jīng)濟時代，對于高能耗、二氧化碳排放量較大的陶瓷行業(yè)來說，實現(xiàn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)、開發(fā)環(huán)保奇效優(yōu)勢凸顯的特種陶瓷已成為低碳經(jīng)濟時代發(fā)展的新課題。近年來陶瓷研究工作者緊緊抓住能源與環(huán)境兩大嚴(yán)峻課題，最大限度發(fā)揮陶瓷的優(yōu)勢，開拓節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，利用結(jié)構(gòu)陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、高熱導(dǎo)及其它光電特性，在能源回收、隔熱、照明、冶煉、金屬工藝等過程中實現(xiàn)節(jié)能降耗、減少污染、環(huán)境保護方面，通過技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，陶瓷行業(yè)在低碳化發(fā)展方面已經(jīng)取得了明顯成效。

·信息·

Environmental Ceramic Wonders Advantages Highlighted Words

Li Jinwei

(Hubei shiyan kamikaze equipment materials company,Shiyan 442001)

Abstract:Ceramics production in China has a long history, through long-term development manufacturing process is continuously expanding. With the development of the society and the improvement of living standards, the scope of the application in the life more and more widely. Special ceramics, also known as the high performance ceramic advanced ceramics, fine ceramics, high-tech ceramics, etc., is a part of the new material. This paper introduces the function of silicon nitride ceramic, aluminum nitride ceramics, electronic ceramics, biological ceramics as well as the organization structure of zirconia ceramics, performance characteristics and application fields, and pointed out their development prospects and trends at the same time.

Keywords:special ceramics;the characteristics of performance;application development

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.02.009