特种陶瓷的定义与研究

    陶瓷在人类生活和现代化建设中是不可缺少的一种材料。它和金属材料、有机高分子材料并列为当代三大固体材料。这三者的主要区别在于化学键，即原子间的相互作用力不同，因质上极大的差异。陶瓷材料是以离子键和共价键为主要结合力的无机非金属材料中的主要分支。从显微结构(microstructure)和状态上来看，多数陶瓷材料包括晶体相(crys-tal phase)、玻璃相(glass phase)及气孑L (pore)。但接近元气7L的致密陶瓷正在日益受到重视，这方面的研究及应用正在不断深入。随着科学技术不断发展，出现了不含硅酸盐的化合物陶瓷，如氧化物、非氧化物、金属陶瓷和以金属纤维或无机非金属纤维增强的纤维增强陶瓷。在有关工艺过程上也突破了传统方法，更主要的是由于其化学组成、显微结构以及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷(special ceramics)。

    关于特种陶瓷的定义，虽还有一些值得讨论的问题，但不妨可作如下定义：采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行结构设计及控制制造的方法进行制造、加工，具有优异特性的陶瓷。特种陶瓷这一术语首先出现于20世纪50年代的英国。当时，人们以其性质和用逡不同，分别称作耐火材料、电瓷、电子陶瓷、原子能陶瓷等。可见“特种陶瓷”这一术语可看做无机非金属材料发展过程中的一个过渡阶段的特有称谓。近几年来，对这些材料的称谓则因不同国家而异：英国人认为“技术陶瓷”(technical ceramics)较为适当；美国人常特种陶瓷的定义与研究将其称作“高级陶瓷”或“近代陶瓷”(advanced ceramics)、“高效陶瓷”(high  performance ce-ramics)；日本人则常以“精细陶瓷”(fine ceramics)或“新型陶瓷”(new ceramics)命名。我国虽然有人将其称作“工业陶瓷”(industrial ceramics)，但仍以称“特种陶瓷”者居多，这主要是习惯称法之故。工业陶瓷主要包括高温、高强、耐磨、耐腐蚀为特征的结构陶瓷，用以进行能量转换的功能陶瓷(functional ceramics)及生物陶瓷(bioceramics)、原子能陶瓷(nuclear ceramlcs)。习惯上已将耐火材料和电瓷从工业陶瓷中分出去。结构陶瓷由于主要用于工业或工程上，故近年来更多地被称作“工程陶瓷”(engineering ceramics)，如切削刀具、新型发动杌的最佳材料等，受到极为广泛的重视。


 

    特种陶瓷，由于不同的化学组分和显微结构而决定其具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁光、超导、生物相容性等。由于性能特殊，这类陶瓷可应用在高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。

    特种陶瓷材料的研究，主要是探求和了解材料的组成、结构与性能之间的关系。当化学组成确定后，工艺过程是控制材料结构的主要手段。为了提高现有特种陶瓷的质量和探索新材料，以适应现代化建设的需要，重要的是研究材料结构，包括原子结构、原子间的结合状态、键型或电子结构，还有晶体结构类型、相的体系以及它们的结合关系，最后是它们的尺寸因素、各类缺陷的存在状态及分布等。但是，对于特种陶瓷的显微结构，尤其是在烧结过程中形成的显微结构，在很大程度上是由粉体的特性所决定。随着粉末颗粒的微细化，粉体的显微结构和性

  能将会发生很大的变化，尤其是亚微米一纳米级超细粉体，除能加速粉料在烧结过程中的动力学过程、降低烧结温度和缩短烧结时间、改善和提高烧结体的各种性能外，它还将对高性能陶瓷材料的烧结机制及其材料的新应用产生难以预期的影响。

    大多数特种陶瓷材料是一种多晶体材料。因此，晶界对材料性能的影响是不可忽略的。近年来，有人提出特种陶瓷研究的“晶界工程”概念，即首先研究晶界的作用、晶界的组成及它对材料性能的影响，然后设计所需的晶界来达到人们所要求的材料性能。

    特种陶瓷的研究任务主要是：①研究现有材料的性能及改变它的途径；②发掘材料新的性能；③探索和发展新的材料；④研究制备材料的最佳工艺；⑤对烧结后的制品进行的冷加

工技术。因此，对这一领域的深入探索是陶瓷科学(ceramic science)的重要内容。这门学科的发展有待于冶金学、物理学、化学和数学等多学科的交叉渗透、共同探索。

    为了弄清楚特种陶瓷显微结构的形成过程及控制机理等，直接的显微观察与成分分析是必不可少的，因为它们为表征材料的显微结构提供重要的，以至定性、定量的参数。因此在表面态、非晶态、原子像、固态中的杂质与缺陷、一维与二维结构、非平衡态、相变的微观机制、变形、断裂和磨损等的宏观规律及微观机制和过程，以及点阵结构的稳定性等领域，探索牲研究正日益活跃。人们期望，对特种陶瓷材料基本规律的掌握，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成以及结构形态等，为特种陶瓷的广泛应用提供发展新品种、新工艺和新技术的途径。

    脆性(brittleness)是陶瓷材料的一个致命弱点。陶瓷的脆性，其直观表现是：在外加负荷下断裂是无先兆的、暴发性的；间接表现是：抗机械冲击性和温度急变性差。脆性的本质主要由化学键性质和晶体结构所决定。在陶瓷中缺少独立的滑移系统，材料一旦处于受力状态就难以通过滑移所引起的塑性形变来松弛应力。从显微结构上看，脆性的根源在于微裂纹的存在，易于引起应力的高度集中，因此改善陶瓷材料的脆性是陶瓷学家长期关注的问题。近年来，纤维补强及氧化锆相变增韧在实践中被证实对改善陶瓷的脆性以及强化陶瓷是两条有效的途径。

    对于特种陶瓷材料，在强调其机械性能时，不能仅用平均强度作为其强度指标，还需从统计角度来考虑其强度值的可靠性和分散程度。这种分散性，主要与制造及加工过程中引入的各种缺陷有关。均质脆性材料的强度取决于材料中存在的临界裂纹扩展所需的应力。裂纹的大小、形状和取向，引起材料强度在同样负荷条件下呈现很大的分散性。另外，试样尺寸、形状及斌验方法的不同，可以得到不同的测试值，用这些值来考虑脆性材料的实际强度时，也会产生很大的差别，对上述问题的处理，一般采用Weibull统计法，在考虑材料平均强度的同时，用Weibull模量作为材料强度均匀性的量度。若两种材料的平均强度相同，则在一定的破坏应力下，Weibull模量大的材料比Weibull模量小的材料发生破坏的可能性要小。因此，在提高材料平均强度的同时，如何提高材料的Weibull模量，即提高材料强度的可信度，已成为材料开发研究的一个重要课题。

    对于功能陶瓷，从其单一的力学、热学、电学、磁学、光学等向复合功能的发展是其研究的一个重要趋向。由于材料晶体结构的不对称性而存在自发极化，各种外界因素，包括应力、温度或电场的作用，引起自发极化的变化而产生相应的电效应，因而构成了有压电、热电和电光效应的功能陶瓷。而且，通过电畴作用、晶界效应、表面电导、离子电导、电子电导、铁磁效应以及相变等方面的研究，构成了力敏、热敏、气敏、声敏、湿敏、光敏、磁敏等传感器的理论基础。而传感器的一个新的发展趋势是薄膜传感器，现在多数采用物理气相沉积、离子溅射工艺制备性能优异的陶瓷薄膜。