新型結構陶瓷材料及其運用與發展趨勢分析

宋居昌

摘 要：新型結構陶瓷材料是一種近幾年出現的材料，具有諸多優勢，在節約能源、環保、提升生產效率、延長機器設備壽命等方面具有重要作用。新型結構陶瓷材料被廣泛的應用在工業領域，為工業的發展提供了重要基礎保障。文章對這種全新結構陶瓷材料進行了多方面的分析，首先，對新型結構陶瓷材料的概念、組成、特點進行了闡述；其次，對新型結構陶瓷材料的應用范疇進行了總結；再次，對新型結構陶瓷材料的產品開發方向進行了分析；最后，分析了新型結構陶瓷材料的發展趨勢。經由文章的分析與總結，統計當前新型結構陶瓷材料的應用狀況，以及其優勢，為這種材料在相關領域的進一步推廣應用提供理論參考。

關鍵詞：新型；陶瓷；發展趨勢

中圖分類號：TQ174.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0019-02

前言

現代信息化時代中，高新科技在不斷的發展，在這種發展趨勢下，對各種材料也提出了更高的要求，尤其是對具有特殊性質的新型材料具有較高的關注。近幾年，結構與性能優勢較強的結構陶瓷材料成為材料應用領域的重點關注對象，其應用廣泛性也隨之提升。新型結構陶瓷材料的出現，對環保事業以及節能事業的開展具有重要意義，為此，也引起了政府方面的關注，經由政策、科技等眾多領域的支持下，在理論基礎以及產品開發等方面均取得了顯著的成效。為進一步對結構陶瓷材料進行開發與推廣，開展其性能以及應用范疇的研究具有必要性，而在下文中也將從這幾個方向展開論述。

1 新型結構陶瓷概述

1.1 結構陶瓷概念

結構陶瓷是一種發揮機械、熱、化學等性能的全新材料，能夠在諸多較為惡劣的環境下應用，成為現代高新科技實現的關鍵因素。結構陶瓷與其他金屬材料進行對比，陶瓷材料的優勢主要表現為，優異的高溫機械性能、耐化學腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損等，也正是由于這些性能優勢，在多種領域中逐漸取代了昂貴金屬資源的地位，對節約稀缺資源事業的開展具有重要價值[1]。結構陶瓷在工業材料中屬于剛度與硬度最為適合的材料之一。常規結構陶瓷材料具有較高的熔點，在高溫下能夠維持較好的化學穩定性，而陶瓷材料的導熱性又低于其他金屬材料，為此也是一種較好的隔熱材料。同時，多數結構陶瓷都具有較為良好的電絕緣性，為此，多被作為各種電壓下的絕緣電器件使用。另外，陶瓷材料具有著較為特殊的化學性能，能夠作為固體激光器材料、光導纖維材料、光儲存器等應用，而在錄音次磁帶、唱片、計算機記憶元件等眾多方面也具有著較高的應用價值。

1.2 結構陶瓷組成

就氧化鋁陶瓷而言，其主要構成物為A12O3，常規含量大于45%，氧化鋁陶瓷材料具有著多種性能優勢，包括耐高溫、耐腐蝕、強度高等。缺點在于脆性較大，不能夠承受突然的環境溫度變化。此類型的陶瓷材料應用范疇較為廣泛，包括發動機的火花塞、高溫耐火材料、密封環等[2]。就氮化硅陶瓷材料而言，其主要構成物為SI3N4，其優勢主要表現在高溫強度高、硬度高、耐磨、耐腐蝕等，使用溫度最高能夠達到1400℃。此類型的陶瓷材料多作為高溫軸承、腐蝕介質密封環、金屬切削工具等應用。就碳化硅陶瓷而言，其主要構成物為SIC，其優勢主要包括高強度、硬度高、耐高溫等，能夠在1400℃溫度環境中保持良好的物理性能。此類型的陶瓷材料可作為熱電偶套管、爐管等高溫下工作的部件。

1.3 結構陶瓷特性

結構陶瓷的特性主要受到化學鍵晶體結構以及晶體缺陷等因素的影響。就晶體結構方面來看，陶瓷材料的原子間結合力為離子鍵、共價鍵等，這些化學鍵具有著結構強度高、方向性較強等性能優勢。陶瓷材料結構的一個顯著特性是顯微結構的不均勻性與復雜性。金屬材料常規下是從較為均勻的金屬熔體狀態凝固而成的，后可經由冷熱加工等手段改善材料的顯微結構，促使其均勻化[3]。金屬材料不存在或極少存在氣孔，但陶瓷材料多是有粉狀材料制成的，不能夠避免的存在不同數量的氣孔，不同成分與粒度的粉料雖然經過球磨混料，但還是較難達到較為均勻的程度。另外，陶瓷晶界上還存在著與基礎成分以及結構不同的玻璃相。

2 新型結構陶瓷應用范疇

結構陶瓷材料主要被應用在工業領域中，因其自身的性能優勢以及穩定性，被汽車制造業廣泛的應用。在近幾年發展中，結構陶瓷在高新技術領域也逐漸占據了一席之地，其重要性也在不斷的提升。現階段，國內外各領域發展過程中，對高精密度、高耐磨性、可靠性機械零組件或電子元件的要求更為嚴格，為此，陶瓷產品的需求也逐漸受到關注，市場成長率也成為一個主要關注問題。按照應用途徑的不同，特殊陶瓷可分為結構陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷等，而其中結構陶瓷多被應用在結構零件的制作領域中。機械工業中的部分密封件、軸承等都會頻繁的進行摩擦，進而對材料的耐磨性要求較高，而結構陶瓷材料的出現有效的改善了這一領域材料不足的問題。性能優勢較強的結構陶瓷材料，包括碳化氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等被廣泛的應用在泥漿泵葉輪、護套、煤粉輸送管道等領域中。

3 新型結構陶瓷材料新產品開發

3.1 空間技術開發應用材料

在空間技術開發領域中，制造宇宙飛船需要能夠承受高溫與溫度急變、強度高、使用壽命長的結構材料以及防護材料，在此方面，結構陶瓷材料具有著絕對的應用優勢。從第一艘宇宙飛船研發開始，便已經使用了高溫與低溫的隔熱瓦，碳-石英復合燒蝕材料已經成功的應用在發生與回收人造地球衛星中。未來空間技術的發展需要更加依賴新型結構材料的使用，在此方面，結構陶瓷材料的應用價值遠超于其他金屬材料。

3.2 高新科技應用材料

現代戰爭的優勢主要體現在高新技術的利用率上，也就是軍事工業領域對高新技術的應用。就軍事工業發展方面來看，性能優勢較強的結構陶瓷材料具有重要應用價值。例如，先進的亞音速飛機，其是否能夠成功，在很大程度上受到了高韌性以及高可靠性結構陶瓷等材料的應用效果影響。就光通信產業而言，屬于現階段世界范圍內發展速度最快的高新技術產業之一，在其發展過程中，很大程度的依賴于光纖耗損機理的研究以及光纖接頭結構材料的應用。將氧化鋯增韌陶瓷材料合理的應用在光纖接頭與套管開發中，很好的滿足了國內光纖通信產業的發展需求。endprint

3.3 絕緣性產品

在半導體器件的高密度化與大功率化發展進程中，集成電路制造業的發展繼續開發出一種絕緣性較強且導熱較快的全新基片材料。早在80年代中后期高導熱性氮化硅基板材料就已經逐漸的取代了傳統的氧化鋁基板，而在此領域中，我國所研發的高熱導氮化鋁陶瓷性能位居于世界前列。氮化鋁-玻璃復合材料，逐漸成為現代電子封裝材料領域的研究重點，其熱導率是氧化鋁-玻璃的5-10倍左右，燒結溫度在1000℃之內，能夠與銀、銅等布線材料進行共燒，從而制造出導熱性能較高、電性能多層配線板，滿足大規模集成電路小型化、密集化的發展需求。

4 新型結構陶瓷材料發展趨勢

4.1 美國結構陶瓷材料發展

在美國，新型結構陶瓷的收益呈現出每年遞增的發展趨勢，且增速較快，主要增長行業為電子行業。結構陶瓷絕緣體、基板、電容等陶瓷元件不只是在傳統地位中增長明顯，結構陶瓷在半導體制造領域中也發揮了重要優勢。此種發展模式的主要推動力為碳化硅材料、氮化硅材料、氧化鋁等，在腐蝕環境下所顯示出的抗腐蝕性能優勢。在越來越多行業向環保概念靠攏的發展進程中，將會有更多的耐磨損、抗腐蝕性陶瓷材料應用在工業領域中。美國結構陶瓷的主要發展方向為高溫結構陶瓷，現階段在航天技術、核工程、醫療設備等眾多方面的利用率均有增加。將氮化硅、碳化硅陶瓷作為基礎的精密材料陶瓷制成品產量占據全球范圍內總量的60%左右。

4.2 我國結構陶瓷材料發展

在我國經濟水平迅猛發展下，基礎設施建設有所加強，結構陶瓷作為機械行業的主要應用材料，在快速發展的過程中也面臨著日漸激烈的市場競爭力。現階段，國內各領域最為常見的應用材料為金屬，金屬材料具有數百年的發展歷史，雖然經過反復的改進，但由于金屬材料的自身條件限制，逐漸不能夠再符合耐磨性、抗腐蝕性的需求標準，嚴重的影響到各種應用系統的運行穩定性。而作為性能優勢較為顯著的結構陶瓷必將會成為未來各領域發展中的主要應用材料，具有著較好的發展前景。

5 結束語

全文對新型結構陶瓷材料的優勢、應用、發展趨勢等多個方面進行了論述，從中能夠看出，新型結構陶瓷材料對現階段各領域發展均發揮著重要作用。高新科技的發展下，對新型材料的要求標準越來越高，包括耐熱性、抗腐蝕性等，以便于其能夠在惡劣的工作環境中維持穩定的物理性能以及化學性能，而結構陶瓷材料的出現，滿足了這一需求，其高強度、耐腐蝕性、絕緣性等優勢日漸凸顯，被廣泛的應用在各個領域中。

參考文獻：

[1]殷增斌，袁軍堂，程寓.陶瓷材料微波燒結工藝與機理研究現狀[J].硅酸鹽通報，2016，01（05）：1492-1497.

[2]康永.多孔氮化硅結構陶瓷材料性能影響因素分析[J].陶瓷，2016，

08（01）：9-14.

[3]胡振光.新型稀土改性鋯基陶瓷材料研究進展[J].世界有色金屬，2015，

05（09）：40-42.endprint