1.1.3 陶瓷材料的应用

陶瓷材料在电子工业、化工、汽车、冶金、航天、航空、能源、机械、光学及其他产业得到了广泛的应用。表1-14给出了陶瓷材料的特性和用途。

1.氧化物陶瓷

（1）Al₂O₃陶瓷 Al₂O₃陶瓷是最重要的一种陶瓷，它的主要成分为Al₂O₃、CaO和SiO₂，还有MgO、TiO、FeO、K₂O、Na₂O等。Al₂O₃的含量越高，性能越好，但生产工艺更复杂，成本也更高。Al₂O₃陶瓷有75瓷（Al₂O₃质量分数为75%）、95瓷（Al₂O₃质量分数为95%）、97瓷（Al₂O₃质量分数为97%）和99瓷（Al₂O₃质量分数为99%）等。

Al₂O₃陶瓷的主要性能特点是硬度高（760℃时硬度为87HRA，1200℃时硬度为82HRA），有良好的耐热性和耐磨损性，可以在1600℃的高温下使用。还有很强的耐蚀性、绝热性、电气绝缘性能，特别是在高频下的电气绝缘性能尤为突出，介电强度＞8000V/mm。氧化铝陶瓷的缺点是韧性差，抗热振性能差，不能承受温度的急剧变化。表1-15给出了部分Al₂O₃陶瓷的化学成分，表1-16给出了一些Al₂O₃陶瓷的主要物理性能，图1-13所示为Al₂O₃陶瓷的主要性能与Al₂O₃含量之间的关系。图1-14所示为CaO-Al₂O₃-SiO₂相图和MgO-Al₂O₃-SiO₂相图。Al₂O₃陶瓷的主要用途是制造刀具、模具、轴承、熔化金属的坩埚、高温热电偶套以及化工零件，如化工用泵的密封滑环、机轴套、叶轮等。

（2）BeO陶瓷 BeO陶瓷的BeO质量分数一般在95%以上，其最大特点是在高温下仍有很好的导电性能，其电导率几乎与金属铝接近，这是其他陶瓷材料无可比拟的；BeO陶瓷具有非常高的导热性，其低温导热性是其他陶瓷无可比拟的，近似于铝；有毒。

BeO陶瓷的力学性能良好，抗振性能和介电性能优良。其熔点很高，为2570℃。

（3）滑石陶瓷 滑石陶瓷是由天然滑石矿（3MgO·4SiO₂·H₂O）加工而成，其主要相是偏硅酸镁（MgO·SiO₂）。它的最大特点是介电性能优良（介电常数低、介质损耗小、电绝缘性好），容易机械加工，原料丰富，成本低廉，是早期电子器件中广泛应用的陶瓷之一。表1-17所列为滑石陶瓷的性能。

MgO与SiO₂还可能形成其他陶瓷，如图1-14和图1-15所示。

（4）镁橄榄石陶瓷 镁橄榄石陶瓷也是以MgO为主要成分的陶瓷，化学式为2MgO·SiO₂，质量分数在65%～75%之间。

（5）锆英石陶瓷 锆英石陶瓷的主要相是ZrO₂·SiO₂，是二元系统中的二元化合物，其成分为ZrO₂67.2-SiO₂32.8，图1-16所示为ZrO₂-SiO₂相图。

（6）堇英石陶瓷 堇英石陶瓷的主要相是2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂。

（7）莫来石陶瓷 莫来石陶瓷的主要相是3Al₂O₃·2SiO₂。

（8）ZrO₂陶瓷 ZrO₂陶瓷是一种具有多晶型转变的陶瓷材料，它可根据不同温度而转变晶型：低温下是单斜晶ZrO₂，升温到1170℃转变为四方ZrO₂，再升温到2300℃又转变为立方ZrO₂；从高温降温到2300℃时，又转变为四方ZrO₂，但是降温到1170℃时并不发生转变，而是降温到1000℃时才转变为单斜晶ZrO₂。表1-18给出了纯ZrO₂陶瓷和纯Al₂O₃陶瓷的主要性能。

ZrO₂陶瓷加入适量的稳定剂后，t相也可部分地以亚稳定状态存在于室温，称为部分稳定化ZrO₂陶瓷，记为PSZ。在应力作用下，可以发生t相→m相的马氏体转变，称为“应力诱发相变”。这种相变过程会吸收能量，使裂纹尖端的应力松弛，增加裂纹扩展阻力，提高韧性。因此，部分稳定的ZrO₂陶瓷的断裂韧度远高于其他结构陶瓷。目前发展起来的几种ZrO₂陶瓷中，常用的稳定剂有MgO、Y₂O₃、CaO、CeO等。

1）Mg-PSZ陶瓷。高强度型ZrO₂陶瓷（Mg-PSZ）的抗弯强度为800MPa，断裂韧度为10MPa·m1/2；抗振型ZrO₂陶瓷（Mg-PSZ）的抗弯强度为600MPa，断裂韧度为8～15MPa·m1/2。

2）Y-TZP陶瓷。四方多晶ZrO₂陶瓷TZP是PSZ的一个分支，以Y₂O₃为稳定剂，抗弯强度可达800MPa，最高可达1200MPa，断裂韧度为10MPa·m1/2以上。

3）PSZ-Al₂O₃陶瓷。利用Al₂O₃的高弹性模量可使Y-TZP陶瓷晶粒细化，硬度提高，t相含量增加，强度和韧性大大提高。用热压烧结的ZrO₂-Al₂O₃陶瓷的抗弯强度可达2400MPa，断裂韧度可达17MPa·m1/2。

目前TZP陶瓷正逐渐应用于发电机元件，其抗弯强度可达600～981MPa。

（9）具有超导性能的复杂的氧化物陶瓷 如Y-Ba-Cu-O（YBa₂Cu₃O_7-x）、Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O（Bi_1.6Pb_0.4Sr₂Ca₂Cu₃O_y）等复杂的氧化物陶瓷具有良好的超导性能。

2.SiC陶瓷

SiC陶瓷按制造方法不同有反应烧结SiC陶瓷、常压烧结SiC陶瓷和热压烧结SiC陶瓷三种。其最大的特点是高温强度高，在1400℃抗弯强度可高达500～600MPa。SiC陶瓷还有很好的耐磨性、耐蚀性、抗蠕变性能，热传导能力强，在陶瓷中仅次于BeO陶瓷。

SiC陶瓷具有耐高温、强度高的特点，因此可以用来制造尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴、热电偶套管、炉管以及燃气轮机的叶片、轴承等零件。因其良好的耐磨性可应用于各种泵的密封圈，SiC陶瓷也可用于制造陶瓷发电机的材料。SiC陶瓷的抗氧化性能很好，在1550℃下仍有良好的抗氧化能力。但是，SiC陶瓷在800～1140℃时抗氧化能力较差。这时其表面的氧化膜比较疏松，难以保护基体进一步被氧化。

3.氮化物陶瓷

（1）烧结氮化物陶瓷

1）氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷按制造方法不同有反应烧结氮化硅陶瓷和热压烧结氮化硅陶瓷两种，热压烧结的温度为1600～1700℃。氮化硅是六方晶系的晶体，有极强的共价性，有α-Si₃N₄和δ-Si₃N₄两种晶体。

氮化硅陶瓷的主要性能特点是高强度、高硬度（仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼等几种物质）、抗热振性能好、组织结构稳定。表1-19给出了几种非氧化物（其中包括氮化硅）陶瓷的物理性能和力学性能。

氮化硅陶瓷的结构稳定，不易与其他物质发生反应，能耐除了熔融NaOH和HF以外的所有无机酸和碱溶液的腐蚀，抗氧化温度可达1000℃。

氮化硅陶瓷主要用于热机、耐磨部件以及热交换器等，是制造新型陶瓷发电机的重要材料。用氮化硅陶瓷制造的发动机可以在更高的温度下工作，使燃料充分燃烧，提高热效率，减少能源消耗和环境污染。

它与金属材料的焊接可以采用活性金属法、钎焊、液相扩散焊、固相扩散焊、摩擦焊等化学连接法，还可采用烧结法、压入法、热嵌法、铸包法等机械连接法。被焊接的陶瓷有铝和锆的氧化物、氮化硅、氮化铝、碳化硅等非氧化物，与其焊接的金属材料有钢铁、Cu合金、Al合金、Ni基合金、Mo、Nb等。焊接方法也以活性金属法、固相扩散焊、摩擦焊为多。

氮化硅陶瓷的抗热振性能好，反应烧结氮化硅陶瓷的线胀系数仅为2.53×10-6K-1，其抗热振性能大大优于其他陶瓷材料。

2）赛隆陶瓷（Sialon）。赛隆陶瓷是由δ-Si₃N₄和Al₂O₃构成的复相陶瓷，其成形和烧结性能都优于Si₃N₄陶瓷，物理性能与δ-Si₃N₄接近，化学性能与Al₂O₃接近。这种陶瓷采用挤压、模压、浇注等技术成形，在1600℃常压无活性气氛中烧结，即可达到热压氮化硅的性能，是目前常压烧结强度最高的陶瓷。近年来赛隆陶瓷得到了较快的发展。

（2）氮化铝陶瓷 氮化铝陶瓷与其他陶瓷的性能比较在表1-20中给出。它主要应用于电子器件上。

（3）氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷的晶体形态有α型（六方晶系）、β型（立方晶系）和γ型（纤维锌矿型）。由于氮化硼基本上是共价键，故其粉末烧成致密的陶瓷材料很困难。其生产方法为热压法（HP法）和化学气相沉积法（CVD法）。氮化硼陶瓷在冶金、化工工业中有应用。