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材料系列科普3:先進陶瓷材料發展及應用
2020年07月29日 發布 分類:粉體入門 點擊量:1370
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廣義上的陶瓷材料指的是除有機和金屬材料以外的其他所有材料,即無機非金屬材料。主要分為傳統陶瓷材料和先進陶瓷材料(也是本文的主要描述對象)。

上一篇工程材料的化學鍵與應用特性中,小編對四大類材料(金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料及復合材料)的特點進行了簡單表述,這一篇小編將對圈友們比較關注的陶瓷材料及其應有做一個簡單的整理。

圖表1:放一下老掉牙的表述方便吃瓜群眾理解


 

傳統意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物為原料,經過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品,通常會被稱為稱為"普通陶瓷"或傳統陶瓷,例如日用陶瓷、建筑衛生陶瓷。

先進陶瓷則是"采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學組成,按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計,并且有優異特性的陶瓷。


一、先進陶瓷材料特征 

陶瓷材料通常由三種不同的相組成,分別是晶相、玻璃相和氣相(氣孔)。晶相是陶瓷材料中最主要的組成相,它決定了陶瓷材料的物理化學性質;玻璃相的作用是填充晶粒簡析、粘結晶粒、提高材料致密度、降低燒結溫度和控制晶粒生長;氣相是在工藝過程中形成并保留下來的,先進陶瓷材料中的殘留氣孔往往難以避免。

圖表2:先進陶瓷與傳統陶瓷的對比


二、世界范圍內的先進陶瓷實力對比

目前國外先進陶瓷發展處于領先地位的主要有美國、日本、歐盟、俄羅斯等。其中,美國對先進陶瓷在航空航天、核能等領域的應用處于領先地位日本在先進陶瓷材料的產業化、民用領域方面占據領先地位,并占有世界先進陶瓷約一半的市場份額歐盟在先進陶瓷部分細分應用領域和機械裝備領域處于領先地位俄羅斯、烏克蘭在結構陶瓷和陶瓷基復合材料方面實力雄厚。

圖表3:世界各區域先進陶瓷側重點

    美國

美國先進陶瓷發展重點為高溫結構陶瓷,目前在航天技術、航空器、核工程、汽車、醫療設備及機械動力等領域處于大范圍使用階段。從2000年開始,美國先進陶瓷協會和美國國家能源部聯合資助并實施了為期20年的美國先進陶瓷發展計劃,預期目標是2020年,先進陶瓷以其優越的高溫性能、可靠性以及其他獨特性能,成為一種經濟適用的首選材料,并廣泛應用于節能環保、新一代信息技術、生物醫藥、高端裝備制造、新能源和新能源汽車等戰略性新興產業中,需求者根據應用要求可以選擇使用具有優越性價比的先進陶瓷產品。


日本

20世紀80年代以來,日本在先進陶瓷材料科研、制備方面占有領先、突出的地位。近年來,日本將先進陶瓷作為戰略性產業,將先進陶瓷看作是決定未來國際競爭力的高科技產業,不斷加大投資力度。在電子陶瓷、光導纖維、高韌性陶瓷等先進陶瓷材料方面,日本均處于領先地位。日本生產的先進陶瓷敏感元件已占據國際市場主要份額,包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等在內的各種先進陶瓷產品壟斷著大部分市場;在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑膠復合陶瓷以及各種先進陶瓷材料與陶瓷部件研發,高性能陶瓷電池、陶瓷發動機等研發開發方面,均處于領先地位。


歐盟

歐盟各國以功能陶瓷和高溫結構陶瓷為主要研究對象,目前研究的重點為發電設備中應用的新型材料技術,如陶瓷活塞蓋、排氣管里襯、渦輪增壓轉子及燃氣輪轉子等。此外,歐盟部分國家在先進陶瓷機械、裝備方面優勢明顯。


俄羅斯及烏克蘭

俄羅斯、烏克蘭兩國在先進陶瓷的研究開發和生產方面,基礎扎實,設施齊全。在結構陶瓷和陶瓷基復合材料方面,不論是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、復相陶瓷或者是陶瓷基復合材料,如氧化鋁、莫來石、氮化硅、氮化鋁、氮化硼以及石英-石英復合材料、碳-碳復合材料、各類晶須、纖維補強增韌的陶瓷基復合材料,不但在實驗室研制成功,而且已開發成有明確應用目的的制品,相當一部分已投人商業生產。


        目前國內先進陶瓷產業主要集中在山東、江西、廣東、江蘇、浙江、河北、福建等幾個省份,2015年這些省份產值比例約占全國產值的70%。其中,華東地區較大的先進陶瓷產業基地有山東淄博、江蘇宜興,華中地區較大的先進陶瓷產業基地有江西萍鄉,華南地區較大的先進陶瓷產業基地有廣東佛山。國內很多先進陶瓷產品在世界范圍內已性格比高廣受稱贊,但還是很大一部分產品與國際巨頭門存在較大差距,中低端基本能自給自足或出口海外,但眾多高端領域還需加油努力屢起袖子干。


圖表4:先進陶瓷"巨頭"

 

三、先進陶瓷應用

先進陶瓷包含的材料范疇及應用領域極為廣闊,下文將以淺顯易懂的先進陶瓷的應用特性為線索,將先進陶瓷分為:電子陶瓷、結構材料、涂層/薄膜、復合材料四大類,進行綜述。

1電子陶瓷

電子陶瓷是先進陶瓷中最成熟的,占先進陶瓷市場份額一般以上,電子陶瓷主要用作芯片、電容、集成電路的封裝,傳感器,絕緣體,鐵磁體,壓電陶瓷,半導體,超導體等。

常見的材料有鈦酸鋇,氧化鋅,鈦鋯酸鉛、鈮酸鋰、氮化鋁、氧化鋯和氧化鋁等。主要考慮的性能有:相對介電常數及磁導率、電導率和熱導率;用于與金屬封裝的鏈接性能(熱匹配性)也很重要。 

圖表5、氮化鋁基板

 

2、結構陶瓷

結構陶瓷主要有切削工具、模具、耐磨零件、泵和閥部件、發動機部件、熱交換器、生物部件和裝甲等。主要的材料有:氮化硅、碳化硅、氧化鋯和碳化硼、二硼化鈦、氧化鋁和塞隆等,其典型的特性有:高強度、低密度、耐高溫、抗蠕變、耐磨損、耐腐蝕和化學穩定性好。

這其中氮化硅已優異的綜合性能備受關注,目前商用的氮化硅陶瓷主要用于切削工具,用于大功率風力發電軸承材料也是氮化硅非常值得期待的領域,除此之外,氮化硅基板也是一個備受關注的應用應用方向。

圖表6、風力發電機氮化硅滾珠

 

對于結構陶瓷而言,一直面臨高成本、低可靠性和低重現性等問題,高成本和制造工藝和廢品率高有關,可靠性與重現性低于韌性有關,陶瓷作為典型的脆性材料,在低溫是不能通過形變來吸收能量,一旦裂紋尺寸達到臨界數值,破壞就會發生,因此結構陶瓷的增韌手段一直以來都備受關注,目前增韌的方法有:顆粒增韌、晶須和纖維增韌及由應力誘導相變增韌等。

3、涂層/薄膜

涂層可充分利用不同材料的性能并顯著降低成本,例如導電芯片上的絕緣涂層膜對集成電路是比不可少的,在發動機部件表面涂一層耐磨材料則可大大增加其使用壽命。

涂層中最大的問題是涂層與計提的結合不牢,這是由于涂層與集體材料性能不餓匹配造成的(例如金屬基體的熱膨脹系數高、陶瓷涂層的熱膨脹系數低),涂層和基體間增加一梯度材料使其熱脹系數平緩過度可緩解這一矛盾,但更好的解決之道有待于對基體/涂層界面的化學結構與機械結構結合有更深入的理解。

圖表7、耐刮防污汽車陶瓷涂層

 

相關閱讀:陶瓷涂層的應用

4復合材料

復合材料是先進陶瓷中重要的組成,也是目前研究比較活躍的領域。纖維或晶須增強的結構陶瓷復合材料到的問題過去數十發展迅速,出現了金屬基復臺材料(MMCs)陶瓷基復臺材科(CMCs)等。

陶瓷基復合材料包括氧化物基、玻璃基、碳化物基和氮化物基陶瓷等,例如氧化鋁填充由于抗熱震性不好使其應用受到限制,加入了碳化硅晶須和碳化硅顆粒增強后,則有許多新用途,例如應用于刀具材料。加入30%體積增強的SiC/Al2O3復合材料,斷裂韌性>20MPa·m1/2,強度可達14GPa

金屬基復合材料包括Al2O3CBSiC纖維增強的輕金屬如AlMgLi等,增強劑也可是Al2O3SiCB4CTiC顆粒。與傳統合金相比,金屬基復合材料的密度更小,強度更高,抗蠕變和耐磨性更好,在汽車、電子、航空等行業有廣泛的應用。

圖表8、增強材料:碳化硅纖維

 

 

 

 

編輯:粉體圈Alpha

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