工程陶瓷是指應用于工程技術領域的各種陶瓷的總稱，包括結構陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基復合材料。工程陶瓷以其耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、化學穩定性好以及獨特的電、熱、光、磁等功能，在新材料領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行概括，為了給相關研究人員提供參考，本文僅針對耐高溫、耐磨損、耐腐蝕用部分常見工程陶瓷的材料及應用做簡單介紹。溫馨提示，本文略長，粗略瀏覽需要大約10分鐘閱讀時間。

1、氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是研究和應用最廣泛的一種工程陶瓷，具有熔點高（2050℃）、硬度高（90-92HRA）、絕緣性能好（體積電阻率高達1015Ω·cm）、化學穩定性好等優點，被廣泛用作高溫結構材料、耐磨材料、電絕緣材料和耐化學腐蝕材料等，如高溫窯具材料、耐磨內襯和研磨體、電真空管殼和陶瓷基片、高溫煙氣凈化陶瓷膜材料、化工陶瓷、透明陶瓷電子產品鏡頭蓋、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寶石晶體需求的增長，高純超細或納米級氧化鋁粉的制備技術得到了較快發展。制備透明氧化鋁陶瓷的原料為純度高達4N、粒徑小于100nm的高純超細粉，而藍寶石晶體生長則要求原料的純度達到5N。

國內高純氧化鋁粉體雖已進入產業化生產階段，但因生產工藝和設備的不穩定以及試驗研究和生產應用的脫節，在批次穩定性、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釉料的重要成分；氧化鋯的熱導率在常見的陶瓷材料中最低，而熱膨脹系數又與金屬材料較為接近，成為重要的結構陶瓷材料，特殊的晶體結構，使之成為重要的電子材料。氧化鋯陶瓷的相變增韌特性，使之成為塑性陶瓷的熱點研究對象；良好的機械性能及熱物理性能，使它成為金屬基復合材料中性能優異的增強相。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增韌來獲得高的強度和韌性，部分穩定氧化鋯（PSZ，陶瓷常以3%ω氧化釔穩定的氧化鋯納米粉體為原料）陶瓷是目前強度和韌性最高的陶瓷材料，其抗彎強度可達1500MPa以上，斷裂韌度K_IC可達15MPa?m^1/2以上，與鋼的強度和韌性相當，因此被譽為“陶瓷鋼”。PSZ陶瓷晶粒細小、強度高、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，磨損率隨時間的延長呈下降的趨勢），因此，作為耐磨結構材料在砂磨機和球磨機的內襯和研磨體、軸承材料、柱塞、機械密封件、紡織瓷件、人工關節、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）

而全穩定的立方相氧化鋯陶瓷（通常用8%氧化釔穩定的氧化鋯納米粉制備）雖然強度和韌性不如PSZ陶瓷，但由于具有良好的離子導電性，目前已廣泛用作氧傳感器、高溫發熱元件和高溫燃料電池的隔膜等。該陶瓷氧傳感器的一個重要應用是監控汽車發動機中燃料燃燒狀況，另一個重要應用則是在鋼鐵行業中監測煉鋼爐中氧含量。氧化鋯陶瓷還是目前唯一能在空氣環境中加熱到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定相系，需在ZrO₂中添加某些氧化物作為晶型穩定劑，如：Y₂O₃、CaO、Al₂O₃、CeO₂、MgO、Sc₂O₃等，使氧化鋯的四方晶型或立方晶型穩定至室溫下。

制備高性能氧化鋯陶瓷的關鍵依然是性能穩定的粉體原料，而其中設計的內容也比較多。本篇篇幅較長此處便不展開更多細節描述，后期文章將為大家繼續推送相關內容，感興趣的朋友們可以繼續關注我們哦。

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用最廣泛的陶瓷材料。由于硅、碳之間以共價鍵結合，形成了類似于金剛石的四面體結構，因而具有高強度、高硬度、抗氧化和優異的耐腐蝕性能。碳化硅陶瓷因其制備工藝不同，性能差異較大，應用領域也各異，但主要是利用其耐高溫、耐磨、耐腐蝕等特性，用作高溫結構材料、耐火材料、機械密封用耐磨材料、抗酸堿的耐腐蝕材料和高溫熱交換材料等。

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碳化硅陶瓷根據結合劑或燒結助劑的種類可分為氧化物結合、氮化物結合、反應結合、液相燒結、固相燒結和再結晶等不同類型，其性能和使用溫度也差異較大。

a 氧化物結合碳化硅陶瓷工藝及應用

主要以二氧化硅微粉為結合劑，與碳化硅顆粒表面的氧化層反應形成無定形二氧化硅，將碳化硅顆粒結合為整體，其燒成溫度通常為1400-1450℃，可在氧化氣氛下燒成。氧化物結合碳化硅陶瓷中碳化硅的質量分數約90%，室溫抗彎強度為50-80MPa，由于結合劑為二氧化硅，在800℃以上強度開始下降，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 氮化物結合碳化硅陶瓷工藝及應用

以碳化硅粉體為主要原料，加入一定量硅粉（一般不超過15%），充分混合后在氮氣氣氛下燒結，在燒結過程中硅粉與氮氣發生反應生成的氮化硅將碳化硅顆粒結合為整體而得到的。氮化物結合碳化硅陶瓷的抗彎強度為100-200MPa，1000℃時其強度開始下降。由于制品中殘留有少量硅，最高使用溫度不超過1500℃。

c 反應結合碳化硅陶瓷工藝及應用

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行液相滲硅（1400-1450℃），使液相硅與坯體中的碳反應生成碳化硅，將坯體中的碳化硅顆粒結合為整體而得到的。由于反應產物為碳化硅，且滲硅后降低了氣孔率，反應結合碳化硅陶瓷的抗彎強度可達300-500MPa，但由于制品中會殘留較多的硅，在1000℃時強度開始下降，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無壓燒結碳化硅陶瓷工藝及應用

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

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

由于燒結助劑用量少，且在燒結過程中不產生液相，因而固相燒結碳化硅陶瓷具有較好的高溫性能，其抗彎強度隨著溫度的升高呈增大趨勢，當溫度達到1400℃以后才開始下降，該陶瓷可在1600℃下長期使用。

e 再結晶碳化硅(RSiC)陶瓷

一種不添加任何燒結助劑的高純度碳化硅材料，其純度可達99.5%它通過將粒徑為50-100mm的碳化硅粗顆粒和0.5-2mm的細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℃高溫下燒結而成。

RSiC在空氣環境中最高使用溫度可達1700℃，廣泛應用于高溫窯具、噴嘴、太陽能熱轉換器、柴油車尾氣凈化裝置及金屬冶煉設備等對材料性能要求極為苛刻的制品上。此外，因再結晶碳化硅陶瓷具有良好的導熱性及半導體性質，還在高溫領域作為熱交換材料、點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展較快的一種工程陶瓷，硅、氮之間以共價鍵結合形成［SiN₄］四面體結構單元，使陶瓷具有高強度、高硬度、優良的抗氧化和耐腐蝕性能。氮化硅有兩種結晶形態，即細顆粒狀的α-Si₃N₄和針柱狀的β-Si₃N₄，坯體中細顆粒的α-Si₃N₄，在燒結溫度下可轉變為針柱狀的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度和韌性，更適合制備研磨介質陶瓷刀具、軸承等需要高強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）

大功率風力發電機軸承滾珠（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控機床上進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，生產過程中無毒副產物以及產物可重復性好，是目前工業化生產中最常用的方法。由于氮化硅在1900℃會發生分解，而無壓燒結氮化硅陶瓷的燒結溫度在1850℃以上，因此，必須采用埋粉或在一定壓力的氮氣下燒結。

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，經粉碎至一定粒徑后成型，然后在1300℃左右燒結而成。熱膨脹系數低，具有非常優異的抗熱震性。

石英陶瓷工藝概況：石英陶瓷的成型方法除了傳統的模壓和注漿成型外，近年來發展起來的凝膠注模成型工藝也得到了應用，采用該技術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。

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

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℃以上的高溫下連續工作50小時以上，使之熔化產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，對坩堝的純度、強度、外觀缺陷、內在質量、高溫性能、熱振穩定性、尺寸精度等都有極其嚴格的要求。

6、氮化鋁陶瓷

氮化鋁陶瓷是一種高導熱但絕緣的陶瓷材料，具有高強度、高硬度、耐高溫等特點，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特優勢。高純度、性能穩定、細粒徑和窄粒徑分布的氮化鋁粉體和少量燒結助劑（納米級氧化釔），配合熱壓燒結工藝是制備高導熱氮化鋁陶瓷理想的技術方案。因此氮化鋁粉體的制備工藝成為了一個熱點研究對象。

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制備氮化鋁粉體的工藝路線。詳細介紹可點擊如下相關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構，即六方氮化硼和立方氮化硼。目前六方氮化硼陶瓷主要應用于高溫絕緣材料、高級口紅填料、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，石墨相似的結構，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電材料，而六方氮化硼是絕緣材料。另外一個非常值得關注的點是六方氮化硼是陶瓷材料中導熱非常大的材料之一，導熱率為石英的十倍，高導熱系數熱壓制品為33W/M.K和純鐵一樣。膨脹系數相當于石英，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構，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變類似，六方氮化硼在高溫高壓下可轉變為立方氮化硼。

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體法、水熱法、化學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，如先驅體法制備的氮化硼粉體密度較低，水熱法的產率低，化學氣相合成法需要精準控制的工藝參數多且副產物的回收處理困難等。

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

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參考資料

1、工程陶瓷的技術現狀與產業發展，肖漢寧，劉井雄，郭文明，高朋召，湖南大學材料科學與工程學院。

編輯：粉體圈小白