1.1.3 陶瓷材料的應用

陶瓷材料在電子工業(yè)、化工、汽車、冶金、航天、航空、能源、機械、光學及其他產(chǎn)業(yè)得到了廣泛的應用。表1-14給出了陶瓷材料的特性和用途。

1.氧化物陶瓷

（1）Al₂O₃陶瓷 Al₂O₃陶瓷是最重要的一種陶瓷，它的主要成分為Al₂O₃、CaO和SiO₂，還有MgO、TiO、FeO、K₂O、Na₂O等。Al₂O₃的含量越高，性能越好，但生產(chǎn)工藝更復雜，成本也更高。Al₂O₃陶瓷有75瓷（Al₂O₃質(zhì)量分數(shù)為75%）、95瓷（Al₂O₃質(zhì)量分數(shù)為95%）、97瓷（Al₂O₃質(zhì)量分數(shù)為97%）和99瓷（Al₂O₃質(zhì)量分數(shù)為99%）等。

Al₂O₃陶瓷的主要性能特點是硬度高（760℃時硬度為87HRA，1200℃時硬度為82HRA），有良好的耐熱性和耐磨損性，可以在1600℃的高溫下使用。還有很強的耐蝕性、絕熱性、電氣絕緣性能，特別是在高頻下的電氣絕緣性能尤為突出，介電強度＞8000V/mm。氧化鋁陶瓷的缺點是韌性差，抗熱振性能差，不能承受溫度的急劇變化。表1-15給出了部分Al₂O₃陶瓷的化學成分，表1-16給出了一些Al₂O₃陶瓷的主要物理性能，圖1-13所示為Al₂O₃陶瓷的主要性能與Al₂O₃含量之間的關(guān)系。圖1-14所示為CaO-Al₂O₃-SiO₂相圖和MgO-Al₂O₃-SiO₂相圖。Al₂O₃陶瓷的主要用途是制造刀具、模具、軸承、熔化金屬的坩堝、高溫熱電偶套以及化工零件，如化工用泵的密封滑環(huán)、機軸套、葉輪等。

（2）BeO陶瓷 BeO陶瓷的BeO質(zhì)量分數(shù)一般在95%以上，其最大特點是在高溫下仍有很好的導電性能，其電導率幾乎與金屬鋁接近，這是其他陶瓷材料無可比擬的；BeO陶瓷具有非常高的導熱性，其低溫導熱性是其他陶瓷無可比擬的，近似于鋁；有毒。

BeO陶瓷的力學性能良好，抗振性能和介電性能優(yōu)良。其熔點很高，為2570℃。

（3）滑石陶瓷 滑石陶瓷是由天然滑石礦（3MgO·4SiO₂·H₂O）加工而成，其主要相是偏硅酸鎂（MgO·SiO₂）。它的最大特點是介電性能優(yōu)良（介電常數(shù)低、介質(zhì)損耗小、電絕緣性好），容易機械加工，原料豐富，成本低廉，是早期電子器件中廣泛應用的陶瓷之一。表1-17所列為滑石陶瓷的性能。

MgO與SiO₂還可能形成其他陶瓷，如圖1-14和圖1-15所示。

（4）鎂橄欖石陶瓷 鎂橄欖石陶瓷也是以MgO為主要成分的陶瓷，化學式為2MgO·SiO₂，質(zhì)量分數(shù)在65%～75%之間。

（5）鋯英石陶瓷 鋯英石陶瓷的主要相是ZrO₂·SiO₂，是二元系統(tǒng)中的二元化合物，其成分為ZrO₂67.2-SiO₂32.8，圖1-16所示為ZrO₂-SiO₂相圖。

（6）堇英石陶瓷 堇英石陶瓷的主要相是2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂。

（7）莫來石陶瓷 莫來石陶瓷的主要相是3Al₂O₃·2SiO₂。

（8）ZrO₂陶瓷 ZrO₂陶瓷是一種具有多晶型轉(zhuǎn)變的陶瓷材料，它可根據(jù)不同溫度而轉(zhuǎn)變晶型：低溫下是單斜晶ZrO₂，升溫到1170℃轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO₂，再升溫到2300℃又轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎絑rO₂；從高溫降溫到2300℃時，又轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO₂，但是降溫到1170℃時并不發(fā)生轉(zhuǎn)變，而是降溫到1000℃時才轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡本rO₂。表1-18給出了純ZrO₂陶瓷和純Al₂O₃陶瓷的主要性能。

ZrO₂陶瓷加入適量的穩(wěn)定劑后，t相也可部分地以亞穩(wěn)定狀態(tài)存在于室溫，稱為部分穩(wěn)定化ZrO₂陶瓷，記為PSZ。在應力作用下，可以發(fā)生t相→m相的馬氏體轉(zhuǎn)變，稱為“應力誘發(fā)相變”。這種相變過程會吸收能量，使裂紋尖端的應力松弛，增加裂紋擴展阻力，提高韌性。因此，部分穩(wěn)定的ZrO₂陶瓷的斷裂韌度遠高于其他結(jié)構(gòu)陶瓷。目前發(fā)展起來的幾種ZrO₂陶瓷中，常用的穩(wěn)定劑有MgO、Y₂O₃、CaO、CeO等。

1）Mg-PSZ陶瓷。高強度型ZrO₂陶瓷（Mg-PSZ）的抗彎強度為800MPa，斷裂韌度為10MPa·m1/2；抗振型ZrO₂陶瓷（Mg-PSZ）的抗彎強度為600MPa，斷裂韌度為8～15MPa·m1/2。

2）Y-TZP陶瓷。四方多晶ZrO₂陶瓷TZP是PSZ的一個分支，以Y₂O₃為穩(wěn)定劑，抗彎強度可達800MPa，最高可達1200MPa，斷裂韌度為10MPa·m1/2以上。

3）PSZ-Al₂O₃陶瓷。利用Al₂O₃的高彈性模量可使Y-TZP陶瓷晶粒細化，硬度提高，t相含量增加，強度和韌性大大提高。用熱壓燒結(jié)的ZrO₂-Al₂O₃陶瓷的抗彎強度可達2400MPa，斷裂韌度可達17MPa·m1/2。

目前TZP陶瓷正逐漸應用于發(fā)電機元件，其抗彎強度可達600～981MPa。

（9）具有超導性能的復雜的氧化物陶瓷 如Y-Ba-Cu-O（YBa₂Cu₃O_7-x）、Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O（Bi_1.6Pb_0.4Sr₂Ca₂Cu₃O_y）等復雜的氧化物陶瓷具有良好的超導性能。

2.SiC陶瓷

SiC陶瓷按制造方法不同有反應燒結(jié)SiC陶瓷、常壓燒結(jié)SiC陶瓷和熱壓燒結(jié)SiC陶瓷三種。其最大的特點是高溫強度高，在1400℃抗彎強度可高達500～600MPa。SiC陶瓷還有很好的耐磨性、耐蝕性、抗蠕變性能，熱傳導能力強，在陶瓷中僅次于BeO陶瓷。

SiC陶瓷具有耐高溫、強度高的特點，因此可以用來制造尾噴管的噴嘴、澆注金屬用的喉嘴、熱電偶套管、爐管以及燃氣輪機的葉片、軸承等零件。因其良好的耐磨性可應用于各種泵的密封圈，SiC陶瓷也可用于制造陶瓷發(fā)電機的材料。SiC陶瓷的抗氧化性能很好，在1550℃下仍有良好的抗氧化能力。但是，SiC陶瓷在800～1140℃時抗氧化能力較差。這時其表面的氧化膜比較疏松，難以保護基體進一步被氧化。

3.氮化物陶瓷

（1）燒結(jié)氮化物陶瓷

1）氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷按制造方法不同有反應燒結(jié)氮化硅陶瓷和熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷兩種，熱壓燒結(jié)的溫度為1600～1700℃。氮化硅是六方晶系的晶體，有極強的共價性，有α-Si₃N₄和δ-Si₃N₄兩種晶體。

氮化硅陶瓷的主要性能特點是高強度、高硬度（僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼等幾種物質(zhì)）、抗熱振性能好、組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。表1-19給出了幾種非氧化物（其中包括氮化硅）陶瓷的物理性能和力學性能。

氮化硅陶瓷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應，能耐除了熔融NaOH和HF以外的所有無機酸和堿溶液的腐蝕，抗氧化溫度可達1000℃。

氮化硅陶瓷主要用于熱機、耐磨部件以及熱交換器等，是制造新型陶瓷發(fā)電機的重要材料。用氮化硅陶瓷制造的發(fā)動機可以在更高的溫度下工作，使燃料充分燃燒，提高熱效率，減少能源消耗和環(huán)境污染。

它與金屬材料的焊接可以采用活性金屬法、釬焊、液相擴散焊、固相擴散焊、摩擦焊等化學連接法，還可采用燒結(jié)法、壓入法、熱嵌法、鑄包法等機械連接法。被焊接的陶瓷有鋁和鋯的氧化物、氮化硅、氮化鋁、碳化硅等非氧化物，與其焊接的金屬材料有鋼鐵、Cu合金、Al合金、Ni基合金、Mo、Nb等。焊接方法也以活性金屬法、固相擴散焊、摩擦焊為多。

氮化硅陶瓷的抗熱振性能好，反應燒結(jié)氮化硅陶瓷的線脹系數(shù)僅為2.53×10-6K-1，其抗熱振性能大大優(yōu)于其他陶瓷材料。

2）賽隆陶瓷（Sialon）。賽隆陶瓷是由δ-Si₃N₄和Al₂O₃構(gòu)成的復相陶瓷，其成形和燒結(jié)性能都優(yōu)于Si₃N₄陶瓷，物理性能與δ-Si₃N₄接近，化學性能與Al₂O₃接近。這種陶瓷采用擠壓、模壓、澆注等技術(shù)成形，在1600℃常壓無活性氣氛中燒結(jié)，即可達到熱壓氮化硅的性能，是目前常壓燒結(jié)強度最高的陶瓷。近年來賽隆陶瓷得到了較快的發(fā)展。

（2）氮化鋁陶瓷 氮化鋁陶瓷與其他陶瓷的性能比較在表1-20中給出。它主要應用于電子器件上。

（3）氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的晶體形態(tài)有α型（六方晶系）、β型（立方晶系）和γ型（纖維鋅礦型）。由于氮化硼基本上是共價鍵，故其粉末燒成致密的陶瓷材料很困難。其生產(chǎn)方法為熱壓法（HP法）和化學氣相沉積法（CVD法）。氮化硼陶瓷在冶金、化工工業(yè)中有應用。