一、按使用領(lǐng)域分類,結(jié)構(gòu)陶瓷可分為:
(1)機械陶瓷,主要利用其高硬度、高耐磨特性,如機械零件、軸。
(2)熱機陶瓷,又稱發(fā)動機用陶瓷,主要利用其耐熱、耐磨損及高強、高韌特性,如車用耐磨、輕量陶瓷部件、隔熱、耐熱部件、燃?xì)廨啓C葉片、活塞頂、鑲塊等。
(3)生物化工陶瓷,利用耐腐蝕特性以及與生物團接觸化學(xué)穩(wěn)定性好等特性如冶煉有色金屬及稀有金屬的塌、熱交換器、生物陶瓷等。
(4) 核陶瓷及其它,利用其特有的獲和吸收中子特性,可作為各種核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料使用,以及與人民日常生活相關(guān)的如陶瓷剪刀、無磁調(diào)試工具、高爾夫球桿以及陶瓷閥片及其組合件等。
(1)氧化物陶瓷:如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、莫來石陶瓷、氧化鈣陶瓷、鍺英石陶瓷等。
(2)氮化物陶瓷:如氮化硅陶瓷、賽龍 (sialon)、氮化鋁陶瓷、氮化硼陶瓷等。
(3)碳化物陶瓷:如碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等。
(4)硼化物陶瓷,加硼化物陶瓷、硼化鋯陶瓷等。
由此可見,組成結(jié)構(gòu)陶瓷的元素,如硅、硼、碳、氧、氮、鋁均為地殼中含量最多的,這也是結(jié)構(gòu)陶瓷用作發(fā)動機部件和取代鎳、鋯、鉻等戰(zhàn)略金屬而顯示其生命力的地方。
與其它新材料一樣,結(jié)構(gòu)陶瓷已成為現(xiàn)代高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造的物質(zhì)基礎(chǔ),也是發(fā)展現(xiàn)代軍事技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)所不可缺少的材料。其主要作用有以下幾個方面。
(1)對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的作用 空間技術(shù)中宇飛船所需的熱防護系統(tǒng)要求能承受高溫和溫度急變、隔熱性好、強度高、質(zhì)量輕、使用壽命長,在這方面,結(jié)構(gòu)陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船起即開始使用的耐高溫與低溫的隔熱瓦。發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星用的碳-石英復(fù)合燒蝕材料等均為結(jié)構(gòu)陶瓷。未來空間技術(shù)的發(fā)展將更依賴于新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用,要求其使用溫度高、比強度大,在這方面結(jié)構(gòu)陶瓷,尤其是陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料遠遠優(yōu)于其它材料,并正在迅速發(fā)展中。
(2)對建立發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)的作用通信工業(yè)是目前發(fā)為的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,它形成于 20 世紀(jì) 80 年代,全世界年產(chǎn)值已超過30 多億美元。其發(fā)展如此迅速,主要依賴于光纖損耗機理的研究以及光纖接頭處結(jié)構(gòu)材料的使用以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子工業(yè),隨半導(dǎo)體器件的高密度化和大功率化,單位面積的發(fā)熱量也愈來愈大。以高密度組裝的大規(guī)模集成電路為例,在一塊1的基板上,容納100個晶體管,而每個晶體管耗電1mW,則10cm的基板就耗電1000W所以散熱是一大問題。80年代中后期研制成的高導(dǎo)熱性的化 (AIN)碳化硅(SiC-101)基板材料,將逐步取代氧化鋁基板。
(3)在節(jié)約資源和節(jié)能方面的作用能源是國家的命脈,節(jié)約資源和節(jié)能21 世紀(jì)人類面臨的兩大問題之一,在這方面,高性能結(jié)構(gòu)陶瓷正在發(fā)揮日益重要的作用。使用先進陶瓷熱交換器,例如碳化硅熱交換器工作溫度可在 1100C以上,與傳統(tǒng)的金屬熱交換相比可降低燃料消耗 40%~50%;陶瓷發(fā)動機將可節(jié)約燃料10%~20%。目前正努力將先進結(jié)構(gòu)陶瓷部件用于發(fā)電用的燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)子、定子和燃燒室等部位,以求取得更大的節(jié)能效果。
(4)在固國防、發(fā)用面的用工業(yè)、用來新料、新技術(shù)的主要推動者和相應(yīng)用者。在 20 世紀(jì) 80 年代末的海灣戰(zhàn)爭中,多國部隊獲勝的一個重要因素就是高技術(shù)武器裝備的大量廣泛應(yīng)用。在武器和軍用技術(shù)的發(fā)展方面,高性能結(jié)構(gòu)陶瓷占有舉足輕重的作用,往往成為發(fā)展軍用技術(shù)的支撐材料和先導(dǎo)材料。在無機結(jié)構(gòu)材料方面,馬赫數(shù)大于 2 超音速飛機,其成敗將取決于具有高韌性和高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷纖維補強的陶瓷基復(fù)合材料的研制成功和應(yīng)用。為此美國國防部從 20 世紀(jì) 70 年代末起迅速增加陶瓷基復(fù)合材料研究發(fā)展經(jīng)費,使其在全部復(fù)合材料研究發(fā)展經(jīng)費中所占的比例從以往的 6%猛增至近幾年的42%。以氧化鋁陶瓷為代表的陶瓷裝甲可以抵御穿甲彈的破壞,在美國已用于裝備直升機,現(xiàn)正擴展至軍用車輛和制成防彈衣;另外,各種導(dǎo)彈和飛船用的端頭帽如具有中國特色的碳-石英抗燒蝕用端頭帽是最為成功使用的陶瓷基復(fù)合材料之一。
(5) 在生物醫(yī)學(xué)方面的地位和作用 用于生物醫(yī)學(xué)方面的結(jié)構(gòu)陶瓷通常稱之為生物陶瓷。一方面須滿足相應(yīng)人體組織或器官功能的要求,另一方面又須與周圍組織的生理、生化特征相容。碳、氧化鋁、烴基磷酸鈣及其復(fù)合材料已應(yīng)用于牙齒種植、人工膝關(guān)節(jié)等。日本精細(xì)陶瓷聯(lián)合調(diào)查委員會曾預(yù)測,20 世紀(jì)90 年代以后日本生物陶瓷市場年增長率為 36%,居各種無機材料之首。這是因為隨著人們生活質(zhì)量提高,對生物陶瓷的需求將日益增加的緣故。值得注意的是,生物陶瓷另一類很重要的應(yīng)用是用作藥物載體,或具有某種治療功能的材料,這是 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的新型藥物緩釋系統(tǒng)載體,并已在臨床研究中試用。
近年來,全球?qū)τ诟呔芏取⒏吣湍ズ?、高可靠度的微小機械零組件或電子元件的要求日漸殷切,陶瓷產(chǎn)品的需求因而相當(dāng)受到重視。結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指發(fā)揮其機械、熱、化學(xué)等性能的一大類新型陶瓷材料,它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役,因而成為許多新興科學(xué)技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。
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