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陶瓷材料的研究进展

论文

题目：

陶瓷材料的研究进展

姓名：

专业：

化学工程与工艺

学号：

日期：

2009-6-21

陶瓷材料的研究进展

摘要：

近年来，随着科学的进步，陶瓷材料越来越多的进入我们的生产和生活，并且在性能和作用上体现出出乎意料的优越性。

就我所知，陶瓷材料大体上可以分为四个类型：

传统工艺陶瓷，结构陶瓷，功能陶瓷和生物陶瓷。

本文仅对后三种新型陶瓷材料的研究进展做一个简单综述。

关键词：

结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷纳米技术

Abstract:

Inrecentyears,alongwiththescienceprogress,theceramicmaterialmoreandmoreenteredourproductionandthelife,andmanifestedthesuperiorityunexpectedlyintheperformanceandthefunction.Iknow,theceramicmaterialmaydivideintofourtypesonthewhole:

Traditionalprocessceramics,structureceramics,functionalceramicandbiologicalceramics.Thisarticleonlymakesasimplesummarytothelatterthreekindofnewceramicmaterial'sresearchdevelopment.

Keyword:

Structureceramics，functionalceramic，biologyceramics，nanotechnology

一）结构陶瓷

1：

熔融石英陶瓷

在冶金、建材、化工、航空航天等许多领域，有很多部件都要承受高温、热冲击、腐蚀等恶劣的环境，采用金属和有机材料都是难以适应的。

例如金属带材热处理炉的辊道，以往用石墨制作，由于不耐磨而且易高温氧化，只能在还原气氛950C温度以下工作，寿命也只有2〜4个月。

山东工业陶瓷研究设计院采用具有很好抗热震性和耐腐蚀性的熔融石英陶瓷，研制成功了金属带材热处理炉的熔融石英陶瓷空心辊道，可以在氧化、还原或中性气氛1100C温度下使用，寿命一年以上。

他们还在国内独家生产玻璃水平钢化炉用的熔融石英陶瓷辊棒，打破了进口石英陶瓷辊棒在国内的垄断地位，成为世界上第3个能生产该产品的国家。

这种熔融石英陶瓷还用于浮法玻璃窑的多种制品、太阳能多晶硅熔炼用的坩埚、导弹天线罩等。

目前已形成年产几千吨的规模。

2：

氧化锆陶瓷

高压泥浆泵是石油钻井工作台的〜心脏”，由于工作条件十分恶劣（高压15〜35MPa强碱.口H值10〜12,含沙量O.4%〜2%）,金属缸套只有约250h的寿命，频繁更换带来的经济损失很大。

天津大学在国家支持下,经过长期努力,研制成功氧化锆陶瓷缸套。

其抗弯强度crf=750〜900MPa,断裂韧性Klc=15〜17MPa.rrT2,寿命可达2500h以上，是金属缸套的10倍，并已投入生产。

产品已在新

疆吐哈、库尔勒、青海、河南、冀东、大港等多家油田应用。

“十五”期间，天津大学、清华大学和山东淄博华光陶瓷公司，共同承担并完成了高温腐蚀工况下稠油开采用抽油泵的大尺寸氧化锆陶瓷柱塞的研制（“863”项目），使用寿命超过6个月，是常规泵寿命的3倍，提高了采收效率，为油田带来可观的经济效益。

“十五”期间，氧化锆粉末和陶瓷的技术日趋成熟，如广东华旺、东方锆业、九江泛美亚等生产的氧化锆粉达到国际先进水平并大量出口。

氧化锆陶瓷部件，如陶瓷缸套、柱塞、球阀、光纤接插件、磨球、水果刀、剪刀、理发推子等得到越来越多的应用。

3：

低成本高耐磨性氮化硅陶瓷

磨损是装备失效的主要原因之一。

陶瓷比金属材料耐磨，但陶瓷成本高，同时不能作为受力很大的部件，因此清华大学和中科院上硅所提出低成本高耐磨性陶瓷，并将它贴在低成本的金属受力部件上的设想。

该设想获“十五”“863”计划资助。

他们采用自蔓延合成的低成本Si，N4粉作为原料，采用合理的组成设计，使烧结温度降低至1650C,获得玻璃相含量较高、一硬度相对较低的低成本p—Si3N4陶瓷，由于陶瓷冲蚀磨损以晶界疲劳导致微裂纹扩展引起晶粒脱落为主，因此，长柱状、细晶粒、适量晶界玻璃相含量有利于抵抗冲蚀磨损。

这种材料冲蚀磨损性能比高铬铸铁Crl5M03提高16〜20倍，与热压Si3N4陶瓷约略相当，而成本约为其l／5。

在宝钢铁矿砂原料

输送带溜槽板部位以及筛板防护板衬陶瓷片，寿命提高16〜20倍；

在重介质选煤的旋流器上内衬陶瓷片，寿命提高lO倍以上；采用高铬铸铁潜水碴浆泵在黄河入海口治理工作中抽砂浆，抽砂8X104m3

潜水泵已经毁坏，但在普通铸铁泵上贴陶瓷片，抽砂9X104m3仍完

好无损。

由于采用普通铸铁替代高铬铸铁，泵的成本还降低。

低成本的陶瓷片与低价格的普通铸铁结合在一起，各尽所能，扬长避短，产生了高价值的效果。

4：

陶瓷轴承

“十五”期间陶瓷轴承列入“863”计划，．由上海材料所和上硅所承担。

他们采用近净尺寸成型技术解决了素坯密度要求高、尺寸变化范围大（直径从〉0.8mm到砂50.8mm）的轴承球成型工艺问题：

采用气压烧结及热等静压后处理工艺，使材料密度达到理论密度的99.8％；采用纳米复合陶瓷技术以及优选助烧剂进行晶界改性，及烧结过程缺陷控制技术，使氮化硅陶瓷轴承球材料的韦伯模数达到

19.33。

并在国内最先开发出氮化硅全陶瓷轴承、直径小于2mm的

陶瓷轴承球以及碳化硅轴承球。

经疲劳寿命试验，氮化硅混合陶瓷轴承寿命为钢轴承的10倍。

陶瓷轴承已投入生产，作为牙钻轴承、电机轴承、高速轴承、耐腐蚀轴承，成功用于医疗、电机、高速机床、军用飞机、潜艇和制导导弹中。

陶瓷轴承的研制成功与生产应用对我国制造业产生深远的影响。

二）功能陶瓷

1：

功能陶瓷材料分类

导电陶瓷：

具有良好的导电性能，而且能耐高温，是磁流体发电装置中集电极的关键材料。

半导体陶瓷：

指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料。

高温超导陶瓷：

指相对金属而言具有较高超导温度的功能陶瓷材料。

介电陶瓷：

具有绝缘电阻高、耐压高、介电常数小、介电损耗低、机械强度高以及化学稳定性好的陶瓷材料

压电陶瓷：

压电陶瓷的晶体结构上没有对称中心，因而具有压电效应，即具有机械能和电能之间转换和逆转换的功能。

磁性陶瓷材料：

分为硬磁性和软磁性材料两类，前者易磁化，也

不易失去磁性。

。

代表性硬磁材料为铁氧体磁和稀土磁体，主要用于磁铁和磁存贮元件。

软磁性材料可磁化及去磁，磁场方向可以改变，主要用于交变磁场响的电子部件。

纳米功能陶瓷：

纳米功能陶瓷是应用于空气净纯及水处理等具有

抗菌、活化、吸附、过滤等功能的新型高科技陶瓷

透明功能陶瓷：

透明功能陶瓷材料是在光学上透明的功能材料，它除了具有一般铁电陶瓷所有的基本特性以外，还具有优异的电光效

应。

保健功能陶瓷：

将负离子功能粉体制成人体保健产品，主要是利用负离子能够中和体内的代谢产物以及感染所产生的氧自由基；氧自由基是一种极不稳定的物质，当被负离子外围所带的多余电子中和后，氧自由基的种种危害得以消除，如玻坏蛋自质、细胞膜，加速动脉硬化，抑制免疫功能、致癌、使人体器官衰老等。

自洁功能陶瓷：

自洁功能陶瓷是由陶瓷基体和自洁功能材料两大主要部分构成，它是指在陶瓷制品表面或釉层中加入一种或凡种其有抗菌、杀菌、防污、除臭和具有净化大气功能的材料，这些功能材料必须以较强筋结合力附着在陶瓷上或者与陶瓷本身结为一体，同时对人体不产生任何危害，这样制得的多功能陶瓷称为自洁陶瓷。

2：

发展趋势及应用

功能材料是一门研究无机功能材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能之间的关系和规律的学科，是具有电、磁、光、声、热等不同性能及通过相互耦合产生各种作用特性的一大类材料。

功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的先进陶瓷（现代陶瓷）。

日常生活中常见的打火机喷嘴、B超探头等一般都是用功能陶瓷材料制成的。

随着能源开发、空间技术、电子技术、激光技术、光电子技术、红外技术、传感技术等新技术的出现，现有一般用途的材料已难以满足要求，开发和有效利用高性能

1：

人工关节陶瓷

自20世纪70年代起，国际陶瓷界开始以高密度烧结氧化铝陶瓷材料，取代过去使用的不锈钢金属制人工关节．在骨科医疗方面取得很大进步。

从90年代起又研制开发出部分烧结氧化锆陶瓷。

实验证明：

使用氧化锆制成的陶瓷关节与陶瓷骨骼，机械强度、抗破坏韧性与耐磨耗性能等明显优于氧化铝陶瓷材料。

临床医疗检验证实，氧化锆陶瓷材料植入人体后，在物理、化学及生理学方面都比较稳定．且对周围生物组织无刺激性，材料本身不会吸收及腐蚀，显示出优越的亲水性与亲和性。

目前部分烧结氧化锆陶瓷已被广泛应用于替代人工骨及人造关节等。

有的还被应用于形态修复的整形等医疗方面。

2：

陶瓷人工牙

在牙科主面，人造陶瓷牙根取代金属牙根已有30年的临床应用历史。

最初是采用多晶氧化锆陶瓷材料制成螺旋状人造牙根，曾被长期用于牙科治疗。

近年来又开发研制出力学强度更好的氧化铝单晶陶瓷材料（属蓝宝石系）制作为人造牙。

现在投入应用的陶瓷牙根分螺旋型与平板型两种．对于陶瓷牙型的制作可以进行精密的设计与烧制，以适应不同牙患病者的需求。

此外，在用于修复病人面部颁骨缺损补缀物方面，生物陶瓷材料亦显示出优越的适应性与实用性．在此领域，生物陶瓷除可充填病患缺损部位外．亦可起到促进骨质再生的生理作

3：

特种陶瓷材料治疗癌症

目前癌症已成为威胁人类健康与寿命的主要疾病：

由于实施外科切除与化学放射性疗法仍存在诸多副作用，陶瓷界的科学家们在开发采用陶瓷治癌方面取得苇大成果。

如将含铱硅酸锆玻璃的陶瓷材料，以熔融喷雾法制成直径为20~30斗m的微球体，通过插入肝动脉导管『町注入患癌肝脏，由于铱硅酸锆具有良好的放射性，当微球大部分滞留F肝脏的毛细血管内时，一r以直接局部地以放射线照射并杀死肝癌细胞。

与此同时，具有放射性的铱硅酸锆微球还会阻止癌细胞获得营养补充，而且对人体其他正常细胞不会形成损害。

此种医治癌症的疗法，自20世纪90年代起在美国、加拿大及中国的香港等国家与地区推广普及，受到医学界的认同与欢迎。

近年来，特种陶瓷界义开发出治疗癌症效果更好的含磷二氧化硅玻璃陶瓷材料。

其化学稳定性可控制预制性及疗效将更优于前者还有一种利用陶瓷材料定向、定时发热治疗癌症的方法。

这是选择一种含有摆渡磁性的晶体玻璃陶瓷材料，经过I553C高温熔融后快速冷却，该陶瓷材料中含有犬量的二价铁与三价铁离子，经过处理可制成直径为200nm的强磁性陶瓷材料。

在作为治疗癌症的“人体导弹”注入病患者体内后，治癌材料在呈现活性的同时，又具有饱和磁性与摆渡磁性，通过设置交流磁场，陶瓷材料即被加热到43C，癌细胞由于自身不耐热，在43C时死亡。

人体正常细胞的耐热极限为48C,不

会受到损害，因而治疗没有治疗副作用。

未来采用纳米级特种陶瓷材料治疗癌症，尤其是人体深处的癌变，作为更有效、更科学的方法将会受到更多的关注。

目前，我国生物陶瓷技术与产品的开发、研究正在不断取得新成果，越来越缩短了与发达罔家之间的差距?

生物陶瓷

作为一门新型的学科与高科技产品，不但在医学界有大作为，将来在生物遗传工程材料及基因材料的研究发中也能做出很大贡献。

结语：

陶瓷材料具有高强、耐高温、耐腐蚀、耐磨质轻等特点，因而成为新材料的发展中心。

如今，在新材料世界里，陶瓷材料可能与金属材料、有机高分子材料形成三足鼎立之势，同时它们又互相复合，取长补短，成为新技术革命的支柱。

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