力学特性
陶瓷材料是
工程材料
中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的
抗压强度
较高,但
抗拉强度
较低,塑性和韧性很差。
热特性
陶瓷材料一般具有高的熔点(大多在2000℃以上),且在高温下具有极好的化学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的
隔热材料
。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的
尺寸稳定性
。
电特性
大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压(1kV~110kV)的绝缘器件。
铁电陶瓷
(
钛酸钡
BaTiO
3
)具有较高的
介电常数
,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为
机械能
(具有
压电材料
的特性),可用作
扩音机
、
电唱机
、超声波仪、
声纳
、医疗用
声谱仪
等。少数陶瓷还具有半导体的特性,可作
整流器
。
化学特性
陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。
光学特性
热辐射
热交换的基本途径为:传导、对流和辐射。为了有效散热,人们常通过减少热流途径的
热阻
和加强
对流系数
来实现,往往忽略了热辐射。
LED
灯具一般采用自然
对流散热
,散热器将LED产生的热量快速传递到散热器表面,由于对流系数较低,热量不能及时地散发到周围的空气中,导致
表面温度
升高,LED的工作
环境恶化
。提高
辐射率
可以有效地将散热器表面的热量通过热辐射的形式带走,一般铝制散热器通过
阳极氧化
来提高表面辐射率,陶瓷材料本身可以具有高辐射率特性,不必进行复杂的后续处理。
辐射机理
陶瓷材料的辐射机理是由
随机性
振动的非谐振效应的二
声子
和多声子产生。高辐射陶瓷材料如
碳化硅
、
金属氧化物
、
硼化物
等均存在极强的红外激活极性振动,这些极性振动由于具有极强的非谐效应,其双频和频区的
吸收系数
,一般具有100~100cm-1
数量级
,相当于中等强度吸收区在这个区域
剩余反射
带的较低
反射率
,因此,有利于形成一个较平坦的强
辐射带
。
一般来说,具有
高热
辐射效率
的辐射带,大致是从强共振波长延伸到短波整个二声子组合和频区域,包括部分多声子组合区域,这是多数高辐射陶瓷材料辐射 带的共同特点,可以说,强辐射带主要源于该波段的二声子组合辐射。除少数例外,一般辐射陶瓷的辐射带集中在大于5m的二声子、三声子区。因此,对于红外辐 射陶瓷而言,1~5m波段的辐射主要来自于自由载流子的带内跃迁或电子从
杂质能级
到
导带
的
直接跃迁
,大于5m波段的辐射主要归于二声子组合辐射。
刘维良
、骆素铭对常温陶瓷
红外辐射
做了研究,测试的陶瓷样品
红外辐射率
约0.82~0.94,对不同
表面质量
的
远红外陶瓷
釉面也进行了测试,辐射率约0.6~0.88,并从陶瓷断口SEM照片中得出
远红外陶瓷粉
在釉中添加量为10wt%时的辐射性能、釉面质量、颜色和成本较佳,其辐射率达到了 0.83,其他性能均达到国家
日用瓷
标准要求。崔万秋、吴春芸对低温远红外陶瓷块状样品进行了测试,红外辐射率为0.78~0.94。李红涛、刘建学研究发现,常温远红外陶瓷辐射率一般可达0.85,国外Enecoat釉涂料最高辐射率可达0.93~0.94。众多研究均表明,陶瓷材料或釉面本身具有很高的红外辐射率,是其替代传统铝制散热器的一大重要参数。
陶瓷材料
特种材料
采用高纯度人工合成的原料,利用精密控制工艺成形烧结制成,一般具有某些特殊性能,以适应各种需要。根据其主要成分,有
氧化物陶瓷
、
氮化物陶瓷
、
碳化物陶瓷
、
金属陶瓷
等;
特种陶瓷
具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。
结构陶瓷
氧化铝陶瓷
主要组成物为
Al2O3
,一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍。其缺点是脆性大,不能接受突然的
环境温度
变化。用途极为广泛,可用作
坩埚
、发动机
火花塞
、高温耐火材料、
热电偶
套管、
密封环
等,也可作刀具和模具。
碳化硅陶瓷
主要组成物是SiC,这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷,在1200℃~1400℃使用仍能保持高的
抗弯强度
,是高温强度最高的陶瓷,碳化硅陶瓷还具有良好的
导热性
、
抗氧化性
、
导电性
和高的
冲击韧度
。是良好的高温
结构材料
,可用于火箭
尾喷管
喷嘴
、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件;利用它的导热性可制作高温下的
热交换器
材料;利用它的高硬度和
耐磨性
制作砂轮、磨料等。
工具陶瓷
硬质合金
主要成分为
碳化物
和
粘结剂
,碳化物主要有
WC
、TiC、TaC、NbC、
VC
等,粘结剂主要为
钴
(Co)。硬质合金与
工具钢
相比,硬度高(高达87~91HRA),
热硬性
好(1000℃左右耐磨性优良),用作刀具时,切削
速度比
高速钢
提高4~7倍,寿命提高5~8倍,其缺点是硬度太高、性脆,很难被机械加工,因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用,硬质合金主要用于机械加工刀具;各种模具,包括
拉伸模
、拉拔模、
冷镦模
;矿山工具、地质和
石油开采
用各种钻头等。
功能陶瓷
功能陶瓷通常具的特殊的
物理性能
,涉及的领域比较多,常用功能陶瓷的特性及应用见表。
常用功能陶瓷
种类
|
性能特征
|
主要组成
|
用途
|
介电陶瓷
|
绝缘性
|
Al2O3、Mg2SiO4
|
集成电路基板
|
热电性
|
PbTiO3、BaTiO3
|
热敏电阻
|
压电性
|
PbTiO3、LiNbO3
|
振荡器
|
强介电性
|
BaTiO3
|
电容器
|
光学陶瓷
|
荧光、发光性
|
Al2O3CrNd玻璃
|
激光
|
红外透过性
|
CaAs、CdTe
|
红外线窗口
|
高透明度
|
SiO2
|
光导纤维
|
电发色效应
|
WO3
|
显示器
|
磁性陶瓷
|
软磁性
|
ZnFe2O、γ-Fe2O3
|
磁带、各种高频磁心
|
硬磁性
|
SrO.6 Fe2O3
|
电声器件、仪表及控制器件的磁芯
|
半导体陶瓷
|
光电效应
|
CdS、Ca2Sx
|
太阳电池
|
阻抗温度变化效应
|
VO2、NiO
|
温度传感器
|
热电子放射效应
|
LaB6、BaO
|
热阴极
|
精细陶瓷
陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷,它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的
无机化合物
为原料,采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷,因此又称
先进陶瓷
或新型陶瓷。精细陶瓷有许多种,它们大致可分成三类——结构陶瓷、
电子陶瓷
以及
生物陶瓷
。
结构陶瓷
这种陶瓷主要用于制作结构零件。
机械工业
中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、
缸套
等都是频繁经受摩擦 而易磨损的零件,用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏,而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。
电子陶瓷
生物陶瓷
生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统,以修复或替换
人体器官
或组织的一种陶瓷材料。
精细陶瓷是
新型材料
特别值中得注意的一种,它有广阔的发展前途。这种具有优良性能的精细陶瓷,有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用,达到
节约能源
、提高效率、
降低成本
的目的;精细陶瓷和
高分子合成材料
相结合.可以使
交通运输工具
轻量化、小型化和高效化。
原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅
铝酸盐
。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高,纯度不大,颗粒的粒度也不均一,成型压强不高。这时得到陶瓷称为
传统陶瓷
。后来发展到纯度高,粒度小且均一,成型压强高,进行烧结得到的烧结体叫做
精细陶瓷
。
接下来的阶段,人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础,使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的
化学键
结构有关,在形成
晶体
时能够形成比较强的三维
网状结构
的化学
物质
都可以作为陶瓷的材料。这主要包括比较强的
离子键
的
离子化合物
,能够形成
原子晶体
的
单质
和化合物,以及形成
金属晶体
的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了
纤维增强复合材料
。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。
陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料,通过成型和高温烧结所得到的烧结体。(这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围)
研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开:陶瓷材料,内部
微结构
(微晶
晶面
作用,多孔多相分布情况)对力学性能的影响得到了发展。材料(光,电,热,磁)性能和
成形
关系,以及
粒度分布
,胶着界面的关系也得到发展,陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。这里应该和
量子力学
,
纳米技术
,
表面化学
等学科关联起来。陶瓷学科成为一个
综合学科
。
这种发展在一定程度上和高分子成型关联起来。它们应当相互影响。