特種陶瓷的定義與研究

    陶瓷在人類生活和現代化建設中是不可缺少的一種材料。它和金屬材料、有機高分子材料并列為當代三大固體材料。這三者的主要區別在于化學鍵，即原子間的相互作用力不同，因質上極大的差異。陶瓷材料是以離子鍵和共價鍵為主要結合力的無機非金屬材料中的主要分支。從顯微結構(microstructure)和狀態上來看，多數陶瓷材料包括晶體相(crys-tal phase)、玻璃相(glass phase)及氣孑L (pore)。但接近元氣7L的致密陶瓷正在日益受到重視，這方面的研究及應用正在不斷深入。隨著科學技術不斷發展，出現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非金屬纖維增強的纖維增強陶瓷。在有關工藝過程上也突破了傳統方法，更主要的是由于其化學組成、顯微結構以及性能不同于普通陶瓷，故稱為特種陶瓷(special ceramics)。

    關于特種陶瓷的定義，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組成，按照便于進行結構設計及控制制造的方法進行制造、加工，具有優異特性的陶瓷。特種陶瓷這一術語首先出現于20世紀50年代的英國。當時，人們以其性質和用逡不同，分別稱作耐火材料、電瓷、電子陶瓷、原子能陶瓷等。可見“特種陶瓷”這一術語可看做無機非金屬材料發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：英國人認為“技術陶瓷”(technical ceramics)較為適當；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“工業陶瓷”(industrial ceramics)，但仍以稱“特種陶瓷”者居多，這主要是習慣稱法之故。工業陶瓷主要包括高溫、高強、耐磨、耐腐蝕為特征的結構陶瓷，用以進行能量轉換的功能陶瓷(functional ceramics)及生物陶瓷(bioceramics)、原子能陶瓷(nuclear ceramlcs)。習慣上已將耐火材料和電瓷從工業陶瓷中分出去。結構陶瓷由于主要用于工業或工程上，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，由于不同的化學組分和顯微結構而決定其具有不同的特殊性質和功能，如高強度、高硬度、耐腐蝕、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、光電、電光、聲光、磁光、超導、生物相容性等。由于性能特殊，這類陶瓷可應用在高溫、機械、電子、宇航、醫學工程等方面，成為近代尖端科學技術的重要組成部分。

    特種陶瓷材料的研究，主要是探求和了解材料的組成、結構與性能之間的關系。當化學組成確定后，工藝過程是控制材料結構的主要手段。為了提高現有特種陶瓷的質量和探索新材料，以適應現代化建設的需要，重要的是研究材料結構，包括原子結構、原子間的結合狀態、鍵型或電子結構，還有晶體結構類型、相的體系以及它們的結合關系，最后是它們的尺寸因素、各類缺陷的存在狀態及分布等。但是，對于特種陶瓷的顯微結構，尤其是在燒結過程中形成的顯微結構，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化，粉體的顯微結構和性

  能將會發生很大的變化，尤其是亞微米一納米級超細粉體，除能加速粉料在燒結過程中的動力學過程、降低燒結溫度和縮短燒結時間、改善和提高燒結體的各種性能外，它還將對高性能陶瓷材料的燒結機制及其材料的新應用產生難以預期的影響。

    大多數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，然后設計所需的晶界來達到人們所要求的材料性能。

    特種陶瓷的研究任務主要是：①研究現有材料的性能及改變它的途徑；②發掘材料新的性能；③探索和發展新的材料；④研究制備材料的最佳工藝；⑤對燒結后的制品進行的冷加

工技術。因此，對這一領域的深入探索是陶瓷科學(ceramic science)的重要內容。這門學科的發展有待于冶金學、物理學、化學和數學等多學科的交叉滲透、共同探索。

    為了弄清楚特種陶瓷顯微結構的形成過程及控制機理等，直接的顯微觀察與成分分析是必不可少的，因為它們為表征材料的顯微結構提供重要的，以至定性、定量的參數。因此在表面態、非晶態、原子像、固態中的雜質與缺陷、一維與二維結構、非平衡態、相變的微觀機制、變形、斷裂和磨損等的宏觀規律及微觀機制和過程，以及點陣結構的穩定性等領域，探索牲研究正日益活躍。人們期望，對特種陶瓷材料基本規律的掌握，將有助于按預定性能設計材料的原子或分子組成以及結構形態等，為特種陶瓷的廣泛應用提供發展新品種、新工藝和新技術的途徑。

    脆性(brittleness)是陶瓷材料的一個致命弱點。陶瓷的脆性，其直觀表現是：在外加負荷下斷裂是無先兆的、暴發性的；間接表現是：抗機械沖擊性和溫度急變性差。脆性的本質主要由化學鍵性質和晶體結構所決定。在陶瓷中缺少獨立的滑移系統，材料一旦處于受力狀態就難以通過滑移所引起的塑性形變來松弛應力。從顯微結構上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應力的高度集中，因此改善陶瓷材料的脆性是陶瓷學家長期關注的問題。近年來，纖維補強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化陶瓷是兩條有效的途徑。

    對于特種陶瓷材料，在強調其機械性能時，不能僅用平均強度作為其強度指標，還需從統計角度來考慮其強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。均質脆性材料的強度取決于材料中存在的臨界裂紋擴展所需的應力。裂紋的大小、形狀和取向，引起材料強度在同樣負荷條件下呈現很大的分散性。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度時，也會產生很大的差別，對上述問題的處理，一般采用Weibull統計法，在考慮材料平均強度的同時，用Weibull模量作為材料強度均勻性的量度。若兩種材料的平均強度相同，則在一定的破壞應力下，Weibull模量大的材料比Weibull模量小的材料發生破壞的可能性要小。因此，在提高材料平均強度的同時，如何提高材料的Weibull模量，即提高材料強度的可信度，已成為材料開發研究的一個重要課題。

    對于功能陶瓷，從其單一的力學、熱學、電學、磁學、光學等向復合功能的發展是其研究的一個重要趨向。由于材料晶體結構的不對稱性而存在自發極化，各種外界因素，包括應力、溫度或電場的作用，引起自發極化的變化而產生相應的電效應，因而構成了有壓電、熱電和電光效應的功能陶瓷。而且，通過電疇作用、晶界效應、表面電導、離子電導、電子電導、鐵磁效應以及相變等方面的研究，構成了力敏、熱敏、氣敏、聲敏、濕敏、光敏、磁敏等傳感器的理論基礎。而傳感器的一個新的發展趨勢是薄膜傳感器，現在多數采用物理氣相沉積、離子濺射工藝制備性能優異的陶瓷薄膜。