特種陶瓷的定義與研究

    陶瓷在人類(lèi)生活和現代化建設中是不可缺少的一種材料。它和金屬材料、有機高分子材料并列為當代三大固體材料。這三者的主要區別在于化學(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)鍵為主要結合力的無(wú)機非金屬材料中的主要分支。從顯微結構(microstructure)和狀態(tài)上來(lái)看，多數陶瓷材料包括晶體相(crys-tal phase)、玻璃相(glass phase)及氣孑L (pore)。但接近元氣7L的致密陶瓷正在日益受到重視，這方面的研究及應用正在不斷深入。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，出現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)機非金屬纖維增強的纖維增強陶瓷。在有關(guān)工藝過(guò)程上也突破了傳統方法，更主要的是由于其化學(xué)組成、顯微結構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)行結構設計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)首先出現于20世紀50年代的英國。當時(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?？梢?jiàn)“特種陶瓷”這一術(shù)語(yǔ)可看做無(wú)機非金屬材料發(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)，對這些材料的稱(chēng)謂則因不同國家而異：英國人認為“技術(shù)陶瓷”(technical ceramics)較為適當；美國人常特種陶瓷的定義與研究將其稱(chēng)作“高級陶瓷”或“近代陶瓷”(advanced ceramics)、“高效陶瓷”(high  performance ce-ramics)；日本人則常以“精細陶瓷”(fine ceramics)或“新型陶瓷”(new ceramics)命名。我國雖然有人將其稱(chēng)作“工業(yè)陶瓷”(industrial ceramics)，但仍以稱(chēng)“特種陶瓷”者居多，這主要是習慣稱(chēng)法之故。工業(yè)陶瓷主要包括高溫、高強、耐磨、耐腐蝕為特征的結構陶瓷，用以進(jìn)行能量轉換的功能陶瓷(functional ceramics)及生物陶瓷(bioceramics)、原子能陶瓷(nuclear ceramlcs)。習慣上已將耐火材料和電瓷從工業(yè)陶瓷中分出去。結構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)組分和顯微結構而決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強度、高硬度、耐腐蝕、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、光電、電光、聲光、磁光、超導、生物相容性等。由于性能特殊，這類(lèi)陶瓷可應用在高溫、機械、電子、宇航、醫學(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、結構與性能之間的關(guān)系。當化學(xué)組成確定后，工藝過(guò)程是控制材料結構的主要手段。為了提高現有特種陶瓷的質(zhì)量和探索新材料，以適應現代化建設的需要，重要的是研究材料結構，包括原子結構、原子間的結合狀態(tài)、鍵型或電子結構，還有晶體結構類(lèi)型、相的體系以及它們的結合關(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，對于特種陶瓷的顯微結構，尤其是在燒結過(guò)程中形成的顯微結構，在很大程度上是由粉體的特性所決定。隨著(zhù)粉末顆粒的微細化，粉體的顯微結構和性

  能將會(huì )發(fā)生很大的變化，尤其是亞微米一納米級超細粉體，除能加速粉料在燒結過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、降低燒結溫度和縮短燒結時(shí)間、改善和提高燒結體的各種性能外，它還將對高性能陶瓷材料的燒結機制及其材料的新應用產(chǎn)生難以預期的影響。

    大多數特種陶瓷材料是一種多晶體材料。因此，晶界對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、晶界的組成及它對材料性能的影響，然后設計所需的晶界來(lái)達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對燒結后的制品進(jìn)行的冷加

工技術(shù)。因此，對這一領(lǐng)域的深入探索是陶瓷科學(xué)(ceramic science)的重要內容。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構的形成過(guò)程及控制機理等，直接的顯微觀(guān)察與成分分析是必不可少的，因為它們?yōu)楸碚鞑牧系娘@微結構提供重要的，以至定性、定量的參數。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、一維與二維結構、非平衡態(tài)、相變的微觀(guān)機制、變形、斷裂和磨損等的宏觀(guān)規律及微觀(guān)機制和過(guò)程，以及點(diǎn)陣結構的穩定性等領(lǐng)域，探索牲研究正日益活躍。人們期望，對特種陶瓷材料基本規律的掌握，將有助于按預定性能設計材料的原子或分子組成以及結構形態(tài)等，為特種陶瓷的廣泛應用提供發(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(guān)表現是：在外加負荷下斷裂是無(wú)先兆的、暴發(fā)性的；間接表現是：抗機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)和晶體結構所決定。在陶瓷中缺少獨立的滑移系統，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)松弛應力。從顯微結構上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應力的高度集中，因此改善陶瓷材料的脆性是陶瓷學(xué)家長(cháng)期關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)，纖維補強及氧化鋯相變增韌在實(shí)踐中被證實(shí)對改善陶瓷的脆性以及強化陶瓷是兩條有效的途徑。

    對于特種陶瓷材料，在強調其機械性能時(shí)，不能僅用平均強度作為其強度指標，還需從統計角度來(lái)考慮其強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)脆性材料的強度取決于材料中存在的臨界裂紋擴展所需的應力。裂紋的大小、形狀和取向，引起材料強度在同樣負荷條件下呈現很大的分散性。另外，試樣尺寸、形狀及斌驗方法的不同，可以得到不同的測試值，用這些值來(lái)考慮脆性材料的實(shí)際強度時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生很大的差別，對上述問(wèn)題的處理，一般采用Weibull統計法，在考慮材料平均強度的同時(shí)，用Weibull模量作為材料強度均勻性的量度。若兩種材料的平均強度相同，則在一定的破壞應力下，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，在提高材料平均強度的同時(shí)，如何提高材料的Weibull模量，即提高材料強度的可信度，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。由于材料晶體結構的不對稱(chēng)性而存在自發(fā)極化，各種外界因素，包括應力、溫度或電場(chǎng)的作用，引起自發(fā)極化的變化而產(chǎn)生相應的電效應，因而構成了有壓電、熱電和電光效應的功能陶瓷。而且，通過(guò)電疇作用、晶界效應、表面電導、離子電導、電子電導、鐵磁效應以及相變等方面的研究，構成了力敏、熱敏、氣敏、聲敏、濕敏、光敏、磁敏等傳感器的理論基礎。而傳感器的一個(gè)新的發(fā)展趨勢是薄膜傳感器，現在多數采用物理氣相沉積、離子濺射工藝制備性能優(yōu)異的陶瓷薄膜。