面向未来的先进超级陶瓷材料
来源:世界科技百科 专题: 发布时间:06-08
陶瓷是一种古老的制品, 它是由粘土或粘土加入石英和长石等的混合物经成形、干燥和焙烧而成的.在遥远的石器时代, 原始人就在篝火上烧制出第一批陶器.
灿烂的中华文明和陶瓷关系密切.六千多年前的西安半坡村人普遍使用尖底汲水陶罐;五千多年前的仰韶文化时期出现了陶制纺轮和彩陶;四千多年前的龙山文化时期已采用了快轮制陶技术, 制成了闻名中外的黑陶.有的黑陶表面光亮, 厚度仅1-2 毫米, 称为蛋壳陶;秦始皇陵出土的大批陶兵马涌, 制作之精美, 气派之宏伟, 被认为举世无双;唐代的`唐三彩'陶瓷至今还为人们所喜爱.五代时期我国的陶瓷技术已登峰造极了, 这时生产的陶器被誉为`青如天, 明如镜, 薄如纸, 声如磐'.以后的历代名窖产品数不胜数, 在一些国家词汇中, 中国和陶瓷是同一个词`China'.中国的陶瓷於九世纪传至非洲东部和阿拉伯, 13 世纪传至日本, 15 世纪传至欧洲, 对世界文化有很大的影响.
陶瓷的基本成分是铝硅酸盐, 由於天然原料带有杂质, 使陶瓷的一些性质受到损害.后来科学家用不含硅酸盐的天然原料, 成功研制了性能更优越的陶瓷, 从而出现了不含硅的崭新一代陶瓷, 也叫现代陶瓷.常见的品种有二氧化物、氮化物、碳化物陶瓷及硼化物陶瓷等等.为了改善陶瓷的脆性和增加强度, 人们又在陶瓷基体中添加金属纤维和无机纤维, 组成复合材料, 其中有的强度已经超过每平方厘米可承受一万千克的力, 成为陶瓷材料的佼佼者.
碳化硅和氮化硅又被称为精细陶瓷材料, 它们克服了一般陶瓷的致命弱点——脆性, 有很高的韧性、塑性和耐磨性, 并在高温下具有较高的耐热性, 经几百次骤冷骤热试验不会产生破裂, 抗冲击能力也比一般氧化物陶瓷强.目前, 精细陶瓷材料主要使用在尖端工业上, 如微电子、核反应堆、航天、地热和磁流体发电、人工骨和人工关节等方面, 由於工作环境原因, 对其质量要求很严.精细陶瓷材料应满足以下三方面的要求: 精选的原料——为了充分发挥功能, 要选用高纯度的原料, 颗粒要尽可能细;严格控制的化学成分——在制造时注意防止杂质混入和成分本身挥发.对烧结件的颗粒粒度、界面、气孔等要严格控制, 以达到质量稳定和具有再现性;精确的形状和尺寸——精细陶瓷制件一般不经加工, 直接使用, 特别是陶瓷电子器件要求精度更高.例如, 1982 年日本进行了世界首次陶瓷柴油机的汽车试验, 效果很好.采用精细陶瓷材料制造汽车发动机, 可提高效率45%, 节油30%.把陶瓷粉与金属末混匀, 经高温烧结, 就得到了金属陶瓷, 它兼有金属和陶瓷的特点, 韧而不脆, 硬而耐热.例如含20%钴粉的金属陶瓷是制造火箭喷口的材料.在高温中, 陶瓷中的金属首先蒸发掉, 热量被带走, 温度随着降低, 因而能在高温环境里工作.例如, 美国`哥伦比亚'号航天飞机的外壳, 便是由31, 000 块金属陶瓷瓦片铺砌而成, 经受了返回大气层时所产生的白热化高温的严竣考验.
高铝陶瓷是有名的`硬骨头', 用它作机器上的耐磨器件, 其耐磨性能比金属高2-3 倍.至於刚玉瓷、氮化硼陶瓷制成的瓷刀, 更能`削铁如泥'.类似的例子还很多, 无怪乎专家们预言: 人类将`重返'石器时代, 不过这是一个全新的`石器时代'.在本世纪最后十年和下世纪初, 陶瓷科学将实现从先进陶瓷到纳米陶瓷 (晶体颗粒大小为10-100nm) 的飞跃.近些年来陶瓷科学的飞速发展为这一突破打下了良好的基础, 而现代技术的发展则为这一突破提供了强有力的支持.电子显微镜, 包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜的推广应用, 特别是近年来高分辨电镜和分析电镜技术的发展, 使人们有可能进入到纳米量级线度上来研究材料的组成和结构.现在人们已能直接观察到晶粒以及晶粒中的缺陷, 从而为纳米结构的形成和控制研究提供了保证.当然, 陶瓷科学家还需要在诸如纳米粉体的制备、成型、烧结等许多方面进行大量艰苦、细致的攻关, 才能最终突破这一难关, 实现陶瓷发展中的新飞跃. |