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高性能新型陶瓷材料的制备与研究

发布时间:2024-02-17 浏览量:27

  高性能陶瓷,也被称为精密陶瓷、高级陶瓷。它以其独特的轻质、高强度、高硬度、抗摩擦、耐热、抗氧化、耐腐蚀等特性,具有金属、有机等大分子材料所无法媲美的优势,成为航空、新能源、高新型材料、微电子科技、激光、海洋工业和生物工程等领域高科技材料的关键部分和不能缺少的物质基础。

  本文主要探究高性能新型陶瓷材料的制备,并且对其数据和性能进行分析。

  从1962年利科夫利首先研究并成功生产了高性能的氧化铝复合陶瓷开始,就为复合陶瓷技术开拓了崭新的应用领域。该类材料不但其备较高的性能,而且耐腐蚀,可在高温高压下正常工作,还拥有其他金属材料所无可比拟的特性,如硬度较高、介电性能优异、低电导率、高温导性好等,从而逐步在照明科技、光学、特种仪表制作、无线电子科技和高温科技等领域得到越来越深入的运用。

  陶瓷的生产步骤分为制粉、成形、烧结和加工等,而想要获得好的陶瓷透光度,则需要同时符合下列要求:(1)材料表面致密性较高;(2)晶界中没有杂质以及玻璃相区别或奥氏体晶界的光学特性和微晶之间差异极小;(3)晶体的颗粒比较小并且均匀分布,其中没有孔隙;(4)晶格表层对入射光线的选择吸收很少;(5)表层无光各向异性,因此晶格的构造最好为立方晶系;(6)表面光洁度最高口。

  1.1、粉料制备要求

  高性能陶瓷的原材粉通常具备以下四大特点:(1)具备极高的纯净和分散性:(2)具备更多的陶瓷烧结活性:(3)粒子相对均匀并成球状:(4)不会聚合,随着时间的延长也不会产生新相。

  1.2、粉料制备方式

  制作内粉的方法对瓷器的热透光性有着重要的影响。用金属氧化物或球磨方法制取内粉,粉料生产的细度无法获得很稳定;固相法反应时,内粉的活性下降、细粒度粗大;即更用热压法烧结也无法产生较大密度的瓷器,而且瓷器的物理化学组成和一致性也较差。而物理化学工艺技术制取内粉的显著特点是,可得到的纯净度一致、细粒度大的超微粉但制备温度要求却明显降低。

  2.1、干压成型

  干压成型的实质意义就是在外力影响下,通过内摩擦力牢固地将各粒子紧密联系在一起,并保持相应的形态。经过实践证明,压坯的特性与施压方法、施压速度和保持时限等有很密切的关系。因此干压成型有工序简化、作业简便、生产周期短、见效快、易于实现自动化制造等优势。而且制得的压坯密度大、尺度准确、内收面积小、机器硬度高、热电性能好。

  2.2、等静压成型

  等静水压力成形其有如下优点:(1)能够制造形状复泰、大型或细长的产品,并且成形质量较高;(2)成形压力大,并且加压作用效果好;(3)压坯密度高而均匀,烧成后收缩较小。不易变质;(4)模具制造较简单、寿命长、生产成本较低廉;(5)可以少用或不用粘贴剂。

  ·常压烧结

  这个方式生产成本低,是目前最普遍的烧结方式。

  ·热压烧结

  对同一类物料来说,热加压烧结工艺和正常压力烧结工艺比较,烧结工艺温度降低了许多,同样在烧结工艺性能体里气孔率也降低;另外由于在较小的高温下烧结,控制了颗粒的形成,因此得到的烧结工艺体紧密,并其备了很大的硬度。

  而高温热压烧结工艺的特点是发热快、凝结时间长,并且需要通过后加温,因此制造效率低,但可以制造形状不太复杂的成品。

  ·SPS放电等离子烧结

  SPS装置设备原理十分相似于传统热压陶瓷烧结炉,藏然不同的是这一流程给承压导电设计模其施加可控脉冲电压,脉冲电压经过模型内部,也经过了试样本体,并有部分电压穿过试样表层及模型空隙。

  电压经过试样和孔洞之间的部分电压活化颗粒表层,并击穿孔洞内的残留有机气体,局部释放或者形成等离子体,实现颗粒之间的局部整体融合。同样经过模型的部分电压预热模型表层,为试样创造了一种外在热源。

  4.1、电子工业领城

  目前,电子产品陶瓷材料元器件组成一般分为:光纤陶瓷插芯、瓷器密封基底、瓷器基片、瓷器基础、接线端子片式多层瓷器电容等,主要材料有各种金属氧化物、氮化物、炭化物和硼化物等。随着现代科技的快速发展,对电子产品陶瓷材料提供了越来越严格的技术挑战,并为这一领域的深入研究与发展,提供了全新的机遇。

  4.2、汽车工业领城

  目前,使用在轿车上的复合瓷器大致有:氧化硅陶瓷碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷,而未来还将会有氧化鲤等更多的新兴及特种复合瓷器运用在车辆生产中。而目前,轿车发动机的重要零件,如活塞运动系统、气缸盖、气门、排水阀、涡轮烟压器、氧传感器以及火花塞等均用先进的复合瓷器技术来生产,并研发出了无水冷却的绝气式瓷器发动机(表1)。

  车辆用传感器要能长期应用在特定的严酷自然环境中(高热、低热、震动、加速度、湿潮、废气),并必须具备小型化轻质、重复性好、输出功率覆盖范围较等优点(表2)

  4.3、光学陶瓷制品

  所谓透光瓷器即可以穿透光线的瓷器。透明陶瓷不但拥有优异的热透明性和红外光学特征,而且也继承结构瓷器的强烈耐腐蚀、耐高热、电绝缘性好、导热性能高和优异的低介电性能,从而在新型照明技术、高温高压和强腐蚀环境下的观测窗、红外侦察用窗、导弹用保护整流罩、军队用穿透驾甲等应用领域中有着愈来愈多的应用。

  4.4、生物医疗领域

  生物陶瓷是指用于特殊的生物结构及生理功能上的一种复合型陶瓷,如用于与人类生活及与人体健康直接相关的生物学、医药、生物化学等领域的复合型瓷器。其具备优异的生物相容性,相对稳定的生物化特性等优点,被应用于骨科、牙科、整形外科治疗、口部外科治疗心血管系统外科治疗、内眼外科治疗等领域(表3)。

  4.5、化工领域

  由于结构陶瓷与功能复合陶瓷的问世,其机械性能进-步改善,减少了脆性,增加了硬度,结构陶瓷材料已被普遍应用于石油化工、化肥、药用、食用、造纸、金属冶炼、化学纤维等工业“。

  4.6、纺织工业领域

  陶瓷材料在纺织工业中的运用主要表现在:一是瓷器纺纱零件,二是瓷器纺纱面料。瓷器纺织零部件由于具备了耐磨高、化学稳定性好等优点,被广泛装配到纺织机生产设备的重要区域上,以提高生产合成纤维和纱线的速率和产品质量,包括摩擦盘、切线用具和导丝器。

  5.1、气相沉积法

  ·物理气相沉积

  物理气相沉积是指在高真空环境下使用加热器或高能束轰击,使镀层物料气化为原子、分子或电离,并使用低温气体或等离子体相互作用于主体表层沉淀形成镀层的工序,目前最常见的方法有磁控溅射和离子镀。

  ·化学气相沉积

  物理化学气相沉积法是一类利用物理化学复合废气在或加热金属零件表层上进行物理化学反射,从而得到所需要镀层的工艺技术。应用CVD工艺技术在制造涂料时,随着反应气体的流动可将材料表面涂层元素到达更复杂零部件及腔体零部件中的其他部位,所以该工艺技术最大的优点就是有很大的材料表面涂层量,而且目前没有一种新工艺技术可将其完全替代。

  5.2、自蔓延高温合成

  使用原材料进行高温化学反应,产生沉淀在制件基体上产生镀层的技术。

  ·高能喷涂

  高能喷漆技术是指使用高温、高速焰流,把经设计和特殊加工过的金属粉末微粒,喷洒在基体零件表面以达到所需要涂层的技术,其主要方式有电极喷漆、火焰喷涂、等离子喷漆等。

  ·等离子喷涂

  等离子喷涂(PS)是指使用高温等离子体焰流,把喷涂粉末加热至熔化或高温朔性状,而后再被高速喷洒在零件表面产生涂料的工序。等离子喷涂所产生的温度可以高达20000K,因此几乎能够喷涂全部的陶瓷涂层材料。

  5.3、激光熔覆

  激光熔覆采用激光束为热源,使涂装于基体表面的镀层物质材料熔化并迅速固化,从而得到所需要镀层。

  新型复合陶瓷技术不仅仅是中国当今科技发展的重要物质基础,更为建立发展新型高科技产业、改变传统工业生产、节省能耗、增强中华民族的全球竞争力助力。新科技的不断进步会对新型复合陶瓷的生产性能提出更加严峻的要求,因此人们应该继续开拓进取,提高新型复合陶瓷生产的技术水平,创造新材料体系,使之对人类社会的发展进步做出更大的贡献。

  参考文献[1]蓝天旺,黄南兴。高性能新型陶瓷材料的介绍与研究现状[J]。佛山陶瓷,2019,29(03):1-5.[2]杨勇,郑国明,潘兆义,等.一种新型高性能复相陶瓷材料的应用前景[J]。山东陶瓷,2011,34(02):20-23.[3]刘洪丽,采用新型陶瓷先驱体及填料制备高性能开孔多孔陶瓷材料的研究[D]。佳木斯:佳木斯大学,2009。[4]徐梅花,新型功能陶瓷材料研究及发展[J]。西部探矿工程,2007(12):180-183。

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