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材料系列科普3:先进陶瓷材料发展及应用
2020年07月29日 发布 分类:粉体入门 点击量:256
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广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料,即无机非金属材料。主要分为传统陶瓷材料和先进陶瓷材料(也是本文的主要描述对象)。

上一篇工程材料的化学键与应用特性中,小编对四大类材料(金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合材料)的特点进行了简单表述,这一篇小编将对圈友们比较关注的陶瓷材料及其应有做一个简单的整理。

图表1:放一下老掉牙的表述方便吃瓜群众理解


 

传统意义上的陶瓷是指以粘土及其天然矿物为原料,经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品,通常会被称为称为"普通陶瓷"或传统陶瓷,例如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷。

先进陶瓷则是"采用高度精选或合成的原料,具有精确控制的化学组成,按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计,并且有优异特性的陶瓷。


一、先进陶瓷材料特征 

陶瓷材料通常由三种不同的相组成,分别是晶相、玻璃相和气相(气孔)。晶相是陶瓷材料中最主要的组成相,它决定了陶瓷材料的物理化学性质;玻璃相的作用是填充晶粒简析、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和控制晶粒生长;气相是在工艺过程中形成并保留下来的,先进陶瓷材料中的残留气孔往往难以避免。

图表2:先进陶瓷与传统陶瓷的对比


二、世界范围内的先进陶瓷实力对比

目前国外先进陶瓷发展处于领先地位的主要有美国、日本、欧盟、俄罗斯等。其中,美国对先进陶瓷在航空航天、核能等领域的应用处于领先地位日本在先进陶瓷材料的产业化、民用领域方面占据领先地位,并占有世界先进陶瓷约一半的市场份额欧盟在先进陶瓷部分细分应用领域和机械装备领域处于领先地位俄罗斯、乌克兰在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面实力雄厚。

图表3:世界各区域先进陶瓷侧重点

    美国

美国先进陶瓷发展重点为高温结构陶瓷,目前在航天技术、航空器、核工程、汽车、医疗设备及机械动力等领域处于大范围使用阶段。从2000年开始,美国先进陶瓷协会和美国国家能源部联合资助并实施了为期20年的美国先进陶瓷发展计划,预期目标是2020年,先进陶瓷以其优越的高温性能、可靠性以及其他独特性能,成为一种经济适用的首选材料,并广泛应用于节能环保、新一代信息技术、生物医药、高端装备制造、新能源和新能源汽车等战略性新兴产业中,需求者根据应用要求可以选择使用具有优越性价比的先进陶瓷产品。


日本

20世纪80年代以来,日本在先进陶瓷材料科研、制备方面占有领先、突出的地位。近年来,日本将先进陶瓷作为战略性产业,将先进陶瓷看作是决定未来国际竞争力的高科技产业,不断加大投资力度。在电子陶瓷、光导纤维、高韧性陶瓷等先进陶瓷材料方面,日本均处于领先地位。日本生产的先进陶瓷敏感元件已占据国际市场主要份额,包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等在内的各种先进陶瓷产品垄断着大部分市场;在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑胶复合陶瓷以及各种先进陶瓷材料与陶瓷部件研发,高性能陶瓷电池、陶瓷发动机等研发开发方面,均处于领先地位。


欧盟

欧盟各国以功能陶瓷和高温结构陶瓷为主要研究对象,目前研究的重点为发电设备中应用的新型材料技术,如陶瓷活塞盖、排气管里衬、涡轮增压转子及燃气轮转子等。此外,欧盟部分国家在先进陶瓷机械、装备方面优势明显。


俄罗斯及乌克兰

俄罗斯、乌克兰两国在先进陶瓷的研究开发和生产方面,基础扎实,设施齐全。在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面,不论是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复相陶瓷或者是陶瓷基复合材料,如氧化铝、莫来石、氮化硅、氮化铝、氮化硼以及石英-石英复合材料、碳-碳复合材料、各类晶须、纤维补强增韧的陶瓷基复合材料,不但在实验室研制成功,而且已开发成有明确应用目的的制品,相当一部分已投人商业生产。


        目前国内先进陶瓷产业主要集中在山东、江西、广东、江苏、浙江、河北、福建等几个省份,2015年这些省份产值比例约占全国产值的70%。其中,华东地区较大的先进陶瓷产业基地有山东淄博、江苏宜兴,华中地区较大的先进陶瓷产业基地有江西萍乡,华南地区较大的先进陶瓷产业基地有广东佛山。国内很多先进陶瓷产品在世界范围内已性格比高广受称赞,但还是很大一部分产品与国际巨头门存在较大差距,中低端基本能自给自足或出口海外,但众多高端领域还需加油努力屡起袖子干。


图表4:先进陶瓷"巨头"

 

三、先进陶瓷应用

先进陶瓷包含的材料范畴及应用领域极为广阔,下文将以浅显易懂的先进陶瓷的应用特性为线索,将先进陶瓷分为:电子陶瓷、结构材料、涂层/薄膜、复合材料四大类,进行综述。

1电子陶瓷

电子陶瓷是先进陶瓷中最成熟的,占先进陶瓷市场份额一般以上,电子陶瓷主要用作芯片、电容、集成电路的封装,传感器,绝缘体,铁磁体,压电陶瓷,半导体,超导体等。

常见的材料有钛酸钡,氧化锌,钛锆酸铅、铌酸锂、氮化铝、氧化锆和氧化铝等。主要考虑的性能有:相对介电常数及磁导率、电导率和热导率;用于与金属封装的链接性能(热匹配性)也很重要。 

图表5、氮化铝基板

 

2、结构陶瓷

结构陶瓷主要有切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器、生物部件和装甲等。主要的材料有:氮化硅、碳化硅、氧化锆和碳化硼、二硼化钛、氧化铝和塞隆等,其典型的特性有:高强度、低密度、耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好。

这其中氮化硅已优异的综合性能备受关注,目前商用的氮化硅陶瓷主要用于切削工具,用于大功率风力发电轴承材料也是氮化硅非常值得期待的领域,除此之外,氮化硅基板也是一个备受关注的应用应用方向。

图表6、风力发电机氮化硅滚珠

 

对于结构陶瓷而言,一直面临高成本、低可靠性和低重现性等问题,高成本和制造工艺和废品率高有关,可靠性与重现性低于韧性有关,陶瓷作为典型的脆性材料,在低温是不能通过形变来吸收能量,一旦裂纹尺寸达到临界数值,破坏就会发生,因此结构陶瓷的增韧手段一直以来都备受关注,目前增韧的方法有:颗粒增韧、晶须和纤维增韧及由应力诱导相变增韧等。

3、涂层/薄膜

涂层可充分利用不同材料的性能并显著降低成本,例如导电芯片上的绝缘涂层膜对集成电路是比不可少的,在发动机部件表面涂一层耐磨材料则可大大增加其使用寿命。

涂层中最大的问题是涂层与计提的结合不牢,这是由于涂层与集体材料性能不饿匹配造成的(例如金属基体的热膨胀系数高、陶瓷涂层的热膨胀系数低),涂层和基体间增加一梯度材料使其热胀系数平缓过度可缓解这一矛盾,但更好的解决之道有待于对基体/涂层界面的化学结构与机械结构结合有更深入的理解。

图表7、耐刮防污汽车陶瓷涂层

 

相关阅读:陶瓷涂层的应用

4复合材料

复合材料是先进陶瓷中重要的组成,也是目前研究比较活跃的领域。纤维或晶须增强的结构陶瓷复合材料到的问题过去数十发展迅速,出现了金属基复台材料(MMCs)陶瓷基复台材科(CMCs)等。

陶瓷基复合材料包括氧化物基、玻璃基、碳化物基和氮化物基陶瓷等,例如氧化铝填充由于抗热震性不好使其应用受到限制,加入了碳化硅晶须和碳化硅颗粒增强后,则有许多新用途,例如应用于刀具材料。加入30%体积增强的SiC/Al2O3复合材料,断裂韧性>20MPa·m1/2,强度可达14GPa

金属基复合材料包括Al2O3CBSiC纤维增强的轻金属如AlMgLi等,增强剂也可是Al2O3SiCB4CTiC颗粒。与传统合金相比,金属基复合材料的密度更小,强度更高,抗蠕变和耐磨性更好,在汽车、电子、航空等行业有广泛的应用。

图表8、增强材料:碳化硅纤维

 

 

 

 

编辑:粉体圈Alpha

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