陶瓷在人類(lèi)生活和現(xiàn)代化建設(shè)中是不可缺少的一種材料。它和金屬材料、有機(jī)高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料。這三者的主要區(qū)別在于化學(xué)鍵,即原子間的相互作用力不同,因質(zhì)上極大的差異。陶瓷材料是以離子鍵和共價(jià)鍵為主要結(jié)合力的無(wú)機(jī)非金屬材料中的主要分支。從顯微結(jié)構(gòu)(microstructure)和狀態(tài)上來(lái)看,多數(shù)陶瓷材料包括晶體相(crys-tal phase)、玻璃相(glass phase)及氣孑L (pore)。但接近元?dú)?L的致密陶瓷正在日益受到重視,這方面的研究及應(yīng)用正在不斷深入。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,出現(xiàn)了不含硅酸鹽的化合物陶瓷,如氧化物、非氧化物、金屬陶瓷和以金屬纖維或無(wú)機(jī)非金屬纖維增強(qiáng)的纖維增強(qiáng)陶瓷。在有關(guān)工藝過(guò)程上也突破了傳統(tǒng)方法,更主要的是由于其化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)以及性能不同于普通陶瓷,故稱(chēng)為特種陶瓷(special ceramics)。
關(guān)于特種陶瓷的定義,雖還有一些值得討論的問(wèn)題,但不妨可作如下定義:采用高度精選的原料,具有能精確控制的化學(xué)組成,按照便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制制造的方法進(jìn)行制造、加工,具有優(yōu)異特性的陶瓷。特種陶瓷這一術(shù)語(yǔ)首先出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的英國(guó)。當(dāng)時(shí),人們以其性質(zhì)和用逡不同,分別稱(chēng)作耐火材料、電瓷、電子陶瓷、原子能陶瓷等。可見(jiàn)“特種陶瓷”這一術(shù)語(yǔ)可看做無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)過(guò)渡階段的特有稱(chēng)謂。近幾年來(lái),對(duì)這些材料的稱(chēng)謂則因不同國(guó)家而異:英國(guó)人認(rèn)為“技術(shù)陶瓷”(technical ceramics)較為適當(dāng);美國(guó)人常特種陶瓷的定義與研究將其稱(chēng)作“高級(jí)陶瓷”或“近代陶瓷”(advanced ceramics)、“高效陶瓷”(high performance ce-ramics);日本人則常以“精細(xì)陶瓷”(fine ceramics)或“新型陶瓷”(new ceramics)命名。我國(guó)雖然有人將其稱(chēng)作“工業(yè)陶瓷”(industrial ceramics),但仍以稱(chēng)“特種陶瓷”者居多,這主要是習(xí)慣稱(chēng)法之故。工業(yè)陶瓷主要包括高溫、高強(qiáng)、耐磨、耐腐蝕為特征的結(jié)構(gòu)陶瓷,用以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的功能陶瓷(functional ceramics)及生物陶瓷(bioceramics)、原子能陶瓷(nuclear ceramlcs)。習(xí)慣上已將耐火材料和電瓷從工業(yè)陶瓷中分出去。結(jié)構(gòu)陶瓷由于主要用于工業(yè)或工程上,故近年來(lái)更多地被稱(chēng)作“工程陶瓷”(engineering ceramics),如切削刀具、新型發(fā)動(dòng)杌的最佳材料等,受到極為廣泛的重視。
特種陶瓷,由于不同的化學(xué)組分和顯微結(jié)構(gòu)而決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能,如高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光、半導(dǎo)體以及壓電、鐵電、光電、電光、聲光、磁光、超導(dǎo)、生物相容性等。由于性能特殊,這類(lèi)陶瓷可應(yīng)用在高溫、機(jī)械、電子、宇航、醫(yī)學(xué)工程等方面,成為近代尖端科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。
特種陶瓷材料的研究,主要是探求和了解材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。當(dāng)化學(xué)組成確定后,工藝過(guò)程是控制材料結(jié)構(gòu)的主要手段。為了提高現(xiàn)有特種陶瓷的質(zhì)量和探索新材料,以適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要,重要的是研究材料結(jié)構(gòu),包括原子結(jié)構(gòu)、原子間的結(jié)合狀態(tài)、鍵型或電子結(jié)構(gòu),還有晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、相的體系以及它們的結(jié)合關(guān)系,最后是它們的尺寸因素、各類(lèi)缺陷的存在狀態(tài)及分布等。但是,對(duì)于特種陶瓷的顯微結(jié)構(gòu),尤其是在燒結(jié)過(guò)程中形成的顯微結(jié)構(gòu),在很大程度上是由粉體的特性所決定。隨著粉末顆粒的微細(xì)化,粉體的顯微結(jié)構(gòu)和性
能將會(huì)發(fā)生很大的變化,尤其是亞微米一納米級(jí)超細(xì)粉體,除能加速粉料在燒結(jié)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間、改善和提高燒結(jié)體的各種性能外,它還將對(duì)高性能陶瓷材料的燒結(jié)機(jī)制及其材料的新應(yīng)用產(chǎn)生難以預(yù)期的影響。
大多數(shù)特種陶瓷材料是一種多晶體材料。因此,晶界對(duì)材料性能的影響是不可忽略的。近年來(lái),有人提出特種陶瓷研究的“晶界工程”概念,即首先研究晶界的作用、晶界的組成及它對(duì)材料性能的影響,然后設(shè)計(jì)所需的晶界來(lái)達(dá)到人們所要求的材料性能。
特種陶瓷的研究任務(wù)主要是:①研究現(xiàn)有材料的性能及改變它的途徑;②發(fā)掘材料新的性能;③探索和發(fā)展新的材料;④研究制備材料的最佳工藝;⑤對(duì)燒結(jié)后的制品進(jìn)行的冷加
工技術(shù)。因此,對(duì)這一領(lǐng)域的深入探索是陶瓷科學(xué)(ceramic science)的重要內(nèi)容。這門(mén)學(xué)科的發(fā)展有待于冶金學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的交叉滲透、共同探索。
為了弄清楚特種陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程及控制機(jī)理等,直接的顯微觀察與成分分析是必不可少的,因?yàn)樗鼈優(yōu)楸碚鞑牧系娘@微結(jié)構(gòu)提供重要的,以至定性、定量的參數(shù)。因此在表面態(tài)、非晶態(tài)、原子像、固態(tài)中的雜質(zhì)與缺陷、一維與二維結(jié)構(gòu)、非平衡態(tài)、相變的微觀機(jī)制、變形、斷裂和磨損等的宏觀規(guī)律及微觀機(jī)制和過(guò)程,以及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等領(lǐng)域,探索牲研究正日益活躍。人們期望,對(duì)特種陶瓷材料基本規(guī)律的掌握,將有助于按預(yù)定性能設(shè)計(jì)材料的原子或分子組成以及結(jié)構(gòu)形態(tài)等,為特種陶瓷的廣泛應(yīng)用提供發(fā)展新品種、新工藝和新技術(shù)的途徑。
脆性(brittleness)是陶瓷材料的一個(gè)致命弱點(diǎn)。陶瓷的脆性,其直觀表現(xiàn)是:在外加負(fù)荷下斷裂是無(wú)先兆的、暴發(fā)性的;間接表現(xiàn)是:抗機(jī)械沖擊性和溫度急變性差。脆性的本質(zhì)主要由化學(xué)鍵性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)所決定。在陶瓷中缺少獨(dú)立的滑移系統(tǒng),材料一旦處于受力狀態(tài)就難以通過(guò)滑移所引起的塑性形變來(lái)松弛應(yīng)力。從顯微結(jié)構(gòu)上看,脆性的根源在于微裂紋的存在,易于引起應(yīng)力的高度集中,因此改善陶瓷材料的脆性是陶瓷學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái),纖維補(bǔ)強(qiáng)及氧化鋯相變?cè)鲰g在實(shí)踐中被證實(shí)對(duì)改善陶瓷的脆性以及強(qiáng)化陶瓷是兩條有效的途徑。
對(duì)于特種陶瓷材料,在強(qiáng)調(diào)其機(jī)械性能時(shí),不能僅用平均強(qiáng)度作為其強(qiáng)度指標(biāo),還需從統(tǒng)計(jì)角度來(lái)考慮其強(qiáng)度值的可靠性和分散程度。這種分散性,主要與制造及加工過(guò)程中引入的各種缺陷有關(guān)。均質(zhì)脆性材料的強(qiáng)度取決于材料中存在的臨界裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力。裂紋的大小、形狀和取向,引起材料強(qiáng)度在同樣負(fù)荷條件下呈現(xiàn)很大的分散性。另外,試樣尺寸、形狀及斌驗(yàn)方法的不同,可以得到不同的測(cè)試值,用這些值來(lái)考慮脆性材料的實(shí)際強(qiáng)度時(shí),也會(huì)產(chǎn)生很大的差別,對(duì)上述問(wèn)題的處理,一般采用Weibull統(tǒng)計(jì)法,在考慮材料平均強(qiáng)度的同時(shí),用Weibull模量作為材料強(qiáng)度均勻性的量度。若兩種材料的平均強(qiáng)度相同,則在一定的破壞應(yīng)力下,Weibull模量大的材料比Weibull模量小的材料發(fā)生破壞的可能性要小。因此,在提高材料平均強(qiáng)度的同時(shí),如何提高材料的Weibull模量,即提高材料強(qiáng)度的可信度,已成為材料開(kāi)發(fā)研究的一個(gè)重要課題。
對(duì)于功能陶瓷,從其單一的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等向復(fù)合功能的發(fā)展是其研究的一個(gè)重要趨向。由于材料晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性而存在自發(fā)極化,各種外界因素,包括應(yīng)力、溫度或電場(chǎng)的作用,引起自發(fā)極化的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng),因而構(gòu)成了有壓電、熱電和電光效應(yīng)的功能陶瓷。而且,通過(guò)電疇作用、晶界效應(yīng)、表面電導(dǎo)、離子電導(dǎo)、電子電導(dǎo)、鐵磁效應(yīng)以及相變等方面的研究,構(gòu)成了力敏、熱敏、氣敏、聲敏、濕敏、光敏、磁敏等傳感器的理論基礎(chǔ)。而傳感器的一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)是薄膜傳感器,現(xiàn)在多數(shù)采用物理氣相沉積、離子濺射工藝制備性能優(yōu)異的陶瓷薄膜。
地址:http://m.sreenarayanakendra.org/zixun/321.html
本文“特種陶瓷的定義與研究”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2014-12-06 17:36:47
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