特種陶瓷的定義與研究

    陶瓷在人類生活和現(xiàn)代化建設(shè)中是不可缺少的一種材料。它和金屬材料、有機(jī)高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料。這三者的主要區(qū)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鍵為主要結(jié)合力的無機(jī)非金屬材料中的主要分支。從顯微結(jié)構(gòu)(microstructure)和狀態(tài)上來看，多數(shù)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?dú)?L的致密陶瓷正在日益受到重視，這方面的研究及應(yīng)用正在不斷深入。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)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機(jī)非金屬纖維增強(qiáng)的纖維增強(qiáng)陶瓷。在有關(guān)工藝過程上也突破了傳統(tǒng)方法，更主要的是由于其化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)以及性能不同于普通陶瓷，故稱為特種陶瓷(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(jié)構(gòu)設(shè)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)語首先出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的英國。當(dāng)時，人們以其性質(zhì)和用逡不同，分別稱作耐火材料、電瓷、電子陶瓷、原子能陶瓷等?？梢?ldquo;特種陶瓷”這一術(shù)語可看做無機(jī)非金屬材料發(fā)展過程中的一個過渡階段的特有稱謂。近幾年來，對這些材料的稱謂則因不同國家而異：英國人認(rèn)為“技術(shù)陶瓷”(technical ceramics)較為適當(dāng)；美國人常特種陶瓷的定義與研究將其稱作“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(xì)陶瓷”(fine ceramics)或“新型陶瓷”(new ceramics)命名。我國雖然有人將其稱作“工業(yè)陶瓷”(industrial ceramics)，但仍以稱“特種陶瓷”者居多，這主要是習(xí)慣稱法之故。工業(yè)陶瓷主要包括高溫、高強(qiáng)、耐磨、耐腐蝕為特征的結(jié)構(gòu)陶瓷，用以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的功能陶瓷(functional ceramics)及生物陶瓷(bioceramics)、原子能陶瓷(nuclear ceramlcs)。習(xí)慣上已將耐火材料和電瓷從工業(yè)陶瓷中分出去。結(jié)構(gòu)陶瓷由于主要用于工業(yè)或工程上，故近年來更多地被稱作“工程陶瓷”(engineering ceramics)，如切削刀具、新型發(fā)動杌的最佳材料等，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(jié)構(gòu)而決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光、半導(dǎo)體以及壓電、鐵電、光電、電光、聲光、磁光、超導(dǎo)、生物相容性等。由于性能特殊，這類陶瓷可應(yīng)用在高溫、機(jī)械、電子、宇航、醫(yī)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(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。當(dāng)化學(xué)組成確定后，工藝過程是控制材料結(jié)構(gòu)的主要手段。為了提高現(xiàn)有特種陶瓷的質(zhì)量和探索新材料，以適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，重要的是研究材料結(jié)構(gòu)，包括原子結(jié)構(gòu)、原子間的結(jié)合狀態(tài)、鍵型或電子結(jié)構(gòu)，還有晶體結(jié)構(gòu)類型、相的體系以及它們的結(jié)合關(guān)系，最后是它們的尺寸因素、各類缺陷的存在狀態(tài)及分布等。但是，對于特種陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)，尤其是在燒結(jié)過程中形成的顯微結(jié)構(gòu)，在很大程度上是由粉體的特性所決定。隨著粉末顆粒的微細(xì)化，粉體的顯微結(jié)構(gòu)和性

  能將會發(fā)生很大的變化，尤其是亞微米一納米級超細(xì)粉體，除能加速粉料在燒結(jié)過程中的動力學(xué)過程、降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間、改善和提高燒結(jié)體的各種性能外，它還將對高性能陶瓷材料的燒結(jié)機(jī)制及其材料的新應(yīng)用產(chǎn)生難以預(yù)期的影響。

    大多數(shù)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，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(shè)計所需的晶界來達(dá)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(xiàn)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(jié)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(nèi)容。這門學(xué)科的發(fā)展有待于冶金學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)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(jié)構(gòu)的形成過程及控制機(jī)理等，直接的顯微觀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(jié)構(gòu)提供重要的，以至定性、定量的參數(shù)。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(jié)構(gòu)、非平衡態(tài)、相變的微觀機(jī)制、變形、斷裂和磨損等的宏觀規(guī)律及微觀機(jī)制和過程，以及點陣結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(guī)律的掌握，將有助于按預(yù)定性能設(shè)計材料的原子或分子組成以及結(jié)構(gòu)形態(tài)等，為特種陶瓷的廣泛應(yīng)用提供發(fā)展新品種、新工藝和新技術(shù)的途徑。

    脆性(brittleness)是陶瓷材料的一個致命弱點。陶瓷的脆性，其直觀表現(xiàn)是：在外加負(fù)荷下斷裂是無先兆的、暴發(fā)性的；間接表現(xiàn)是：抗機(jī)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(jié)構(gòu)所決定。在陶瓷中缺少獨(dú)立的滑移系統(tǒng)，材料一旦處于受力狀態(tài)就難以通過滑移所引起的塑性形變來松弛應(yīng)力。從顯微結(jié)構(gòu)上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應(yīng)力的高度集中，因此改善陶瓷材料的脆性是陶瓷學(xué)家長期關(guān)注的問題。近年來，纖維補(bǔ)強(qiáng)及氧化鋯相變增韌在實踐中被證實對改善陶瓷的脆性以及強(qiáng)化陶瓷是兩條有效的途徑。

    對于特種陶瓷材料，在強(qiáng)調(diào)其機(jī)械性能時，不能僅用平均強(qiáng)度作為其強(qiáng)度指標(biāo)，還需從統(tǒng)計角度來考慮其強(qiáng)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程中引入的各種缺陷有關(guān)。均質(zhì)脆性材料的強(qiáng)度取決于材料中存在的臨界裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力。裂紋的大小、形狀和取向，引起材料強(qiáng)度在同樣負(fù)荷條件下呈現(xiàn)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，用這些值來考慮脆性材料的實際強(qiáng)度時，也會產(chǎn)生很大的差別，對上述問題的處理，一般采用Weibull統(tǒng)計法，在考慮材料平均強(qiáng)度的同時，用Weibull模量作為材料強(qiáng)度均勻性的量度。若兩種材料的平均強(qiáng)度相同，則在一定的破壞應(yīng)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(qiáng)度的同時，如何提高材料的Weibull模量，即提高材料強(qiáng)度的可信度，已成為材料開發(fā)研究的一個重要課題。

    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(fù)合功能的發(fā)展是其研究的一個重要趨向。由于材料晶體結(jié)構(gòu)的不對稱性而存在自發(fā)極化，各種外界因素，包括應(yīng)力、溫度或電場的作用，引起自發(fā)極化的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，因而構(gòu)成了有壓電、熱電和電光效應(yīng)的功能陶瓷。而且，通過電疇作用、晶界效應(yīng)、表面電導(dǎo)、離子電導(dǎo)、電子電導(dǎo)、鐵磁效應(yīng)以及相變等方面的研究，構(gòu)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(chǔ)。而傳感器的一個新的發(fā)展趨勢是薄膜傳感器，現(xiàn)在多數(shù)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。