工程陶瓷是指應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域的各種陶瓷的總稱，包括結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料。工程陶瓷以其耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好以及獨(dú)特的電、熱、光、磁等功能，在新材料領(lǐng)域占有十分重要的地位。工程陶瓷的簡單分類如下圖1所示。

圖1 工程陶瓷分類

工程陶瓷所涉及的面很廣，僅用一篇文章難以很好地進(jìn)行概括，為了給相關(guān)研究人員提供參考，本文僅針對(duì)耐高溫、耐磨損、耐腐蝕用部分常見工程陶瓷的材料及應(yīng)用做簡單介紹。溫馨提示，本文略長，粗略瀏覽需要大約10分鐘閱讀時(shí)間。

1、氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是研究和應(yīng)用最廣泛的一種工程陶瓷，具有熔點(diǎn)高（2050℃）、硬度高（90-92HRA）、絕緣性能好（體積電阻率高達(dá)1015Ω·cm）、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作高溫結(jié)構(gòu)材料、耐磨材料、電絕緣材料和耐化學(xué)腐蝕材料等，如高溫窯具材料、耐磨內(nèi)襯和研磨體、電真空管殼和陶瓷基片、高溫?zé)煔鈨艋沾赡げ牧稀⒒ぬ沾伞⑼该魈沾呻娮赢a(chǎn)品鏡頭蓋、耐磨涂層等等。

陶瓷金鹵燈用半透明氧化鋁一體管

制備高性能氧化鋁陶瓷的關(guān)鍵在于其原料粉體的純度、顆粒形貌及粒徑分布。近年來，隨著透明氧化鋁陶瓷和藍(lán)寶石晶體需求的增長，高純超細(xì)或納米級(jí)氧化鋁粉的制備技術(shù)得到了較快發(fā)展。制備透明氧化鋁陶瓷的原料為純度高達(dá)4N、粒徑小于100nm的高純超細(xì)粉，而藍(lán)寶石晶體生長則要求原料的純度達(dá)到5N。

國內(nèi)高純氧化鋁粉體雖已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段，但因生產(chǎn)工藝和設(shè)備的不穩(wěn)定以及試驗(yàn)研究和生產(chǎn)應(yīng)用的脫節(jié)，在批次穩(wěn)定性、粉體粒徑分布以及微量元素脫除等方面與國外相比依然存在差距。

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2、氧化鋯陶瓷

在各類金屬氧化物陶瓷中，氧化鋯的高溫穩(wěn)定性最好，最適宜用作陶瓷涂層及高溫耐火制品；以氧化鋯為主要原料的鋯英石基陶瓷顏料是高級(jí)釉料的重要成分；氧化鋯的熱導(dǎo)率在常見的陶瓷材料中最低，而熱膨脹系數(shù)又與金屬材料較為接近，成為重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使之成為重要的電子材料。氧化鋯陶瓷的相變?cè)鲰g特性，使之成為塑性陶瓷的熱點(diǎn)研究對(duì)象；良好的機(jī)械性能及熱物理性能，使它成為金屬基復(fù)合材料中性能優(yōu)異的增強(qiáng)相。目前在各種金屬氧化物陶瓷中，氧化鋯陶瓷的用途僅次于氧化鋁陶瓷。

氧化鋯陶瓷可通過相變?cè)鲰g來獲得高的強(qiáng)度和韌性，部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ，陶瓷常以3%ω氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯納米粉體為原料）陶瓷是目前強(qiáng)度和韌性最高的陶瓷材料，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)1500MPa以上，斷裂韌度K_IC可達(dá)15MPa?m^1/2以上，與鋼的強(qiáng)度和韌性相當(dāng)，因此被譽(yù)為“陶瓷鋼”。PSZ陶瓷晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性高（通常比氧化鋁陶瓷高出5-10倍），且表現(xiàn)出良好的自潤滑性（在使用過程中其表面越磨越光滑，磨損率隨時(shí)間的延長呈下降的趨勢(shì)），因此，作為耐磨結(jié)構(gòu)材料在砂磨機(jī)和球磨機(jī)的內(nèi)襯和研磨體、軸承材料、柱塞、機(jī)械密封件、紡織瓷件、人工關(guān)節(jié)、表鏈表殼、圓珠筆的滾珠、日用陶瓷刀具等方面獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

氧化鋯凡爾球及凡爾球座 隔膜泵密封球（圖片來源廣東東方鋯業(yè)）

而全穩(wěn)定的立方相氧化鋯陶瓷（通常用8%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯納米粉制備）雖然強(qiáng)度和韌性不如PSZ陶瓷，但由于具有良好的離子導(dǎo)電性，目前已廣泛用作氧傳感器、高溫發(fā)熱元件和高溫燃料電池的隔膜等。該陶瓷氧傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用是監(jiān)控汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料燃燒狀況，另一個(gè)重要應(yīng)用則是在鋼鐵行業(yè)中監(jiān)測(cè)煉鋼爐中氧含量。氧化鋯陶瓷還是目前唯一能在空氣環(huán)境中加熱到2000℃以上的電熱元件，也是高溫燃料電池最理想的隔膜材料。

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備注：純氧化鋯在常溫下是只有單斜相，為了獲得其他室溫穩(wěn)定相系，需在ZrO₂中添加某些氧化物作為晶型穩(wěn)定劑，如：Y₂O₃、CaO、Al₂O₃、CeO₂、MgO、Sc₂O₃等，使氧化鋯的四方晶型或立方晶型穩(wěn)定至室溫下。

制備高性能氧化鋯陶瓷的關(guān)鍵依然是性能穩(wěn)定的粉體原料，而其中設(shè)計(jì)的內(nèi)容也比較多。本篇篇幅較長此處便不展開更多細(xì)節(jié)描述，后期文章將為大家繼續(xù)推送相關(guān)內(nèi)容，感興趣的朋友們可以繼續(xù)關(guān)注我們哦。

3、碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷是非氧化物陶瓷材料中研究和應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料。由于硅、碳之間以共價(jià)鍵結(jié)合，形成了類似于金剛石的四面體結(jié)構(gòu)，因而具有高強(qiáng)度、高硬度、抗氧化和優(yōu)異的耐腐蝕性能。碳化硅陶瓷因其制備工藝不同，性能差異較大，應(yīng)用領(lǐng)域也各異，但主要是利用其耐高溫、耐磨、耐腐蝕等特性，用作高溫結(jié)構(gòu)材料、耐火材料、機(jī)械密封用耐磨材料、抗酸堿的耐腐蝕材料和高溫?zé)峤粨Q材料等。

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碳化硅陶瓷根據(jù)結(jié)合劑或燒結(jié)助劑的種類可分為氧化物結(jié)合、氮化物結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合、液相燒結(jié)、固相燒結(jié)和再結(jié)晶等不同類型，其性能和使用溫度也差異較大。

a 氧化物結(jié)合碳化硅陶瓷工藝及應(yīng)用

主要以二氧化硅微粉為結(jié)合劑，與碳化硅顆粒表面的氧化層反應(yīng)形成無定形二氧化硅，將碳化硅顆粒結(jié)合為整體，其燒成溫度通常為1400-1450℃，可在氧化氣氛下燒成。氧化物結(jié)合碳化硅陶瓷中碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約90%，室溫抗彎強(qiáng)度為50-80MPa，由于結(jié)合劑為二氧化硅，在800℃以上強(qiáng)度開始下降，最高使用溫度不超過1400℃，主要用作耐火材料、窯具材料、高溫過濾材料等。

b 氮化物結(jié)合碳化硅陶瓷工藝及應(yīng)用

以碳化硅粉體為主要原料，加入一定量硅粉（一般不超過15%），充分混合后在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，在燒結(jié)過程中硅粉與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)生成的氮化硅將碳化硅顆粒結(jié)合為整體而得到的。氮化物結(jié)合碳化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度為100-200MPa，1000℃時(shí)其強(qiáng)度開始下降。由于制品中殘留有少量硅，最高使用溫度不超過1500℃。

c 反應(yīng)結(jié)合碳化硅陶瓷工藝及應(yīng)用

將碳化硅粉與一定量的碳粉混合均勻后在非氧化性氣氛下進(jìn)行液相滲硅（1400-1450℃），使液相硅與坯體中的碳反應(yīng)生成碳化硅，將坯體中的碳化硅顆粒結(jié)合為整體而得到的。由于反應(yīng)產(chǎn)物為碳化硅，且滲硅后降低了氣孔率，反應(yīng)結(jié)合碳化硅陶瓷的抗彎強(qiáng)度可達(dá)300-500MPa，但由于制品中會(huì)殘留較多的硅，在1000℃時(shí)強(qiáng)度開始下降，其最高使用溫度不超過1400℃

碳化硅耐火材料（圖片來源：北星精陶）

d無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷工藝及應(yīng)用

無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷是一種致密燒結(jié)材料，相對(duì)密度可達(dá)99%，彎強(qiáng)度為400-600MPa。制備方法包括以氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑的液相燒結(jié)和以硼和碳為燒結(jié)助劑的固相燒結(jié)。

液相燒結(jié)助劑的添加量為6%-12%，燒結(jié)溫度在1800-2000℃之間；氧化鋁和氧化釔物質(zhì)的量比一般控制在5：3，以便在燒結(jié)過程中能形成釔鋁石榴石（Y₃Al₅O₁₂YAG）晶相，以提高其高溫性能。固相燒結(jié)碳化硅陶瓷中硼和碳的添加量一般不超過２％，燒結(jié)溫度為2150-2250℃，通過固相擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)。

由于燒結(jié)助劑用量少，且在燒結(jié)過程中不產(chǎn)生液相，因而固相燒結(jié)碳化硅陶瓷具有較好的高溫性能，其抗彎強(qiáng)度隨著溫度的升高呈增大趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到1400℃以后才開始下降，該陶瓷可在1600℃下長期使用。

e 再結(jié)晶碳化硅(RSiC)陶瓷

一種不添加任何燒結(jié)助劑的高純度碳化硅材料，其純度可達(dá)99.5%它通過將粒徑為50-100mm的碳化硅粗顆粒和0.5-2mm的細(xì)顆粒按一定比例混合并加入成型助劑成型，然后在氬氣氣氛中于2300-2400℃高溫下燒結(jié)而成。

RSiC在空氣環(huán)境中最高使用溫度可達(dá)1700℃，廣泛應(yīng)用于高溫窯具、噴嘴、太陽能熱轉(zhuǎn)換器、柴油車尾氣凈化裝置及金屬冶煉設(shè)備等對(duì)材料性能要求極為苛刻的制品上。此外，因再結(jié)晶碳化硅陶瓷具有良好的導(dǎo)熱性及半導(dǎo)體性質(zhì)，還在高溫領(lǐng)域作為熱交換材料、點(diǎn)火元件等功能材料使用。

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4、氮化硅陶瓷

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷是非氧化物陶瓷中發(fā)展較快的一種工程陶瓷，硅、氮之間以共價(jià)鍵結(jié)合形成［SiN₄］四面體結(jié)構(gòu)單元，使陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良的抗氧化和耐腐蝕性能。氮化硅有兩種結(jié)晶形態(tài)，即細(xì)顆粒狀的α-Si₃N₄和針柱狀的β-Si₃N₄，坯體中細(xì)顆粒的α-Si₃N₄，在燒結(jié)溫度下可轉(zhuǎn)變?yōu)獒樦鶢畹?span>β-Si₃N₄，起到自增韌的作用，因此氮化硅陶瓷比碳化硅陶瓷具有更高的強(qiáng)度和韌性，更適合制備研磨介質(zhì)陶瓷刀具、軸承等需要高強(qiáng)度和高韌性的陶瓷制品。

十年無損超耐磨氮化硅研磨球（陳長明先生素材提供）

大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承滾珠（日籍友人大瀧稔先生供圖）

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氮化硅陶瓷具有很好的紅硬性，特別適合于在高速數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行高速切削或磨削加工。

氮化硅刀具（圖片來源 無味坊張老師）

氮化硅優(yōu)異性能很大程度上取決于原料粉體的性能，因此高純度、高α相含量、粒徑分布窄的氮化硅粉體的制備至關(guān)重要。氮化硅粉體的合成方法主要有直接氮化法、碳熱還原法、硅酰亞胺分解法、等離子法等，其中直接氮化法因工藝簡單，生產(chǎn)過程中無毒副產(chǎn)物以及產(chǎn)物可重復(fù)性好，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中最常用的方法。由于氮化硅在1900℃會(huì)發(fā)生分解，而無壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的燒結(jié)溫度在1850℃以上，因此，必須采用埋粉或在一定壓力的氮?dú)庀聼Y(jié)。

5、石英陶瓷

石英陶瓷也稱作熔融石英陶瓷，是以純度在99.5%以上的熔融石英為原料，經(jīng)粉碎至一定粒徑后成型，然后在1300℃左右燒結(jié)而成。熱膨脹系數(shù)低，具有非常優(yōu)異的抗熱震性。

石英陶瓷工藝概況：石英陶瓷的成型方法除了傳統(tǒng)的模壓和注漿成型外，近年來發(fā)展起來的凝膠注模成型工藝也得到了應(yīng)用，采用該技術(shù)已成功制造了玻璃水平鋼化用托輥、浮法玻璃窯用閘板磚等大尺寸石英陶瓷制品。

石英陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域：石英陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域涉及冶金、電工、玻璃、航空、光伏等行業(yè)，此外還廣泛用作單晶硅和多晶硅的熔煉坩堝以及導(dǎo)彈用天線罩等。

圖 石英陶瓷坩堝（來源：江蘇浩特科技）

備注：石英陶瓷坩堝是太陽能電池用多晶硅鑄錠爐的關(guān)鍵部件，它作為承載多晶硅原料的容器要在1500℃以上的高溫下連續(xù)工作50小時(shí)以上，使之熔化產(chǎn)生出用來制造太陽能電池的多晶硅硅錠。由于其使用條件極其苛刻，對(duì)坩堝的純度、強(qiáng)度、外觀缺陷、內(nèi)在質(zhì)量、高溫性能、熱振穩(wěn)定性、尺寸精度等都有極其嚴(yán)格的要求。

6、氮化鋁陶瓷

氮化鋁陶瓷是一種高導(dǎo)熱但絕緣的陶瓷材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫等特點(diǎn)，因此用于大功率集成電路和電子元器件的散熱基片具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。高純度、性能穩(wěn)定、細(xì)粒徑和窄粒徑分布的氮化鋁粉體和少量燒結(jié)助劑（納米級(jí)氧化釔），配合熱壓燒結(jié)工藝是制備高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷理想的技術(shù)方案。因此氮化鋁粉體的制備工藝成為了一個(gè)熱點(diǎn)研究對(duì)象。

氮化鋁基片

氮化鋁粉制備工藝：目前，合成氮化鋁粉體的方法有鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、氣相合成法以及溶膠－凝膠法等。其中，鋁粉直接氮化法及碳熱還原法是目前工業(yè)制備氮化鋁粉體的工藝路線。詳細(xì)介紹可點(diǎn)擊如下相關(guān)閱讀了解本文不再展開描述

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7、氮化硼陶瓷

氮化硼（BN）有兩種典型的晶體結(jié)構(gòu)，即六方氮化硼和立方氮化硼。目前六方氮化硼陶瓷主要應(yīng)用于高溫絕緣材料、高級(jí)口紅填料、潤滑材料（如熱壓模具的脫模劑）以及熔煉金屬的坩堝等，立方氮化硼陶瓷則主要用于制作切削刀具、磨具和研磨或拋光材料。

立方氮化硼硬度略低于金剛石，常用做作磨料和刀具材料

六方氮化硼六方氮化硼呈白色，石墨相似的結(jié)構(gòu)，許多性能也與石墨的相近，如低硬度、潤滑性等，但不同的是石墨是導(dǎo)電材料，而六方氮化硼是絕緣材料。另外一個(gè)非常值得關(guān)注的點(diǎn)是六方氮化硼是陶瓷材料中導(dǎo)熱非常大的材料之一，導(dǎo)熱率為石英的十倍，高導(dǎo)熱系數(shù)熱壓制品為33W/M.K和純鐵一樣。膨脹系數(shù)相當(dāng)于石英，是陶瓷中非常小的，所以抗熱震性能很好。立方氮化硼具有與金剛石相似的結(jié)構(gòu)，也是目前硬度僅次于金剛石的第二種超硬材料。與金剛石和石墨的轉(zhuǎn)變類似，六方氮化硼在高溫高壓下可轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降稹?/span>

氮化硼粉體制備方法：高純度氮化硼粉體是制備高性能氮化硼陶瓷的前提，主要制備方法有先驅(qū)體法、水熱法、化學(xué)氣相合成法以及高溫自蔓延合成法等。但這些合成方法均存在一些不足，如先驅(qū)體法制備的氮化硼粉體密度較低，水熱法的產(chǎn)率低，化學(xué)氣相合成法需要精準(zhǔn)控制的工藝參數(shù)多且副產(chǎn)物的回收處理困難等。

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此外，熔點(diǎn)接近或超過3000℃的TiB₂、HfB₂、ZrB₂、ZrC等高溫工程陶瓷近年也成為了研究熱點(diǎn)，在航天領(lǐng)域潛力無線。本文部分內(nèi)容摘自如下文獻(xiàn)1，如需了解更加詳細(xì)內(nèi)容可參考原著。

未完待續(xù)》》》》》》》》

參考資料

1、工程陶瓷的技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，肖漢寧，劉井雄，郭文明，高朋召，湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

編輯：粉體圈小白