书城教材教辅中学化学课程资源丛书-化学新领域
45080400000017

第17章 材料的新发展(5)

狭义上的新型陶瓷指的是具有一系列优异的物理、化学和生物性能,其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的特种陶瓷。它是采用人工合成的高纯超细粉末原料、以精确选定的组成配合、在严格控制的条件下经过成型、烧结和其他处理而制成的具有微细结晶组织的特种陶瓷。

特种陶瓷除一般多晶烧结体外,还有单晶、薄膜、纤维、纳米陶瓷、非晶陶瓷等,各有独特的优异性能。

新型陶瓷主要包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化钛陶瓷、氧化铁陶瓷等氧化物系陶瓷,氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等非氧化物陶瓷。它们具有重量轻、高强度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀以及声、光、电、热、磁等方面的特殊功能。它们的用途极为广泛,可用作燃气轮机叶片、太阳能电池、火箭的鼻锥、人造牙齿、骨骼、生物反应器、集成电路基板、电容器、压电变压器、存储元件、传感器、磁流体发电机的电极直至全陶瓷发动机,遍及现代科技的每一个领域,是其他任何材料所无法比拟的,故有人称其为“万能材料”。

人们对陶瓷材料的认识及新型陶瓷材料的发展是随着科学技术的进步而逐渐发展的。例如,氧化铝(Al2O3)陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的。人们发现对传统陶瓷强度贡献最大的是其所含的莫来石相(3Al2O3·2SiO2)。为了提高陶瓷的强度,就必须增加其莫来石的含量,这就必须调整传统陶瓷的组成,添加氧化铝而降低长石的用量,从而制备出强度比传统陶瓷更高的莫来石为主晶相的莫来石瓷。在莫来石瓷制备的过程中,人们又发现含氧化铝量高达75%以上,以其结晶相刚玉为主晶相的陶瓷比莫来石为主晶相的陶瓷性能更好,尤其是在高频下的绝缘性能极佳。因而,氧化铝瓷在电子技术及其他高技术中获得了广泛的应用。从天然刚玉的极高硬度(摩氏硬度为9,仅次于金刚石)受到启发,如果能制成纯氧化铝结晶体的刚玉瓷,其硬度必然会等于或接近于刚玉单晶的硬度。因此,人们不断增加氧化铝的用量,从75%逐渐增加到99.9%,最后制成了完全由氧化铝的结晶体而几乎不含有玻璃相的结晶态纯刚玉陶瓷。

从制备工艺来说,传统陶瓷的制备工艺比较稳定,其侧重点在效率、质量控制等方面,对材料显微结构的要求并不十分严格;特种陶瓷的制备则必须对粉体的制备,而且对材料的显微结构的控制非常严格,才能保证制备的特种陶瓷的性能满足工业技术特别是高新技术对材料提出的各种苛刻要求。比如,要将氧化铝烧结成几乎不含玻璃相、完全致密的陶瓷是十分困难的,必须对氧化铝的粉体制备、烧结过程、致密化机制、微量烧结促进剂的作用等一系列复杂问题进行深入研究才可能实现。因此,无论从材料本身性能还是材料的制备技术来看,特种陶瓷材料都是现代新材料和新技术研究的前沿重要领域。近二十年来先进结构陶瓷和先进功能陶瓷的性能不断提高,应用范围不断扩大的发展情况证明,未来的特种陶瓷必然是向着更高性能及更高制备技术方向发展。

先进结构陶瓷主要是利用材料本身所具有的优异力学性能来制备各种机械结构的零部件、切削刀具、磨具等。因此,对先进结构陶瓷材料今后研究的重点是如何进行组分和结构设计,改进制备工艺,进一步提高其力学性质,以满足各种高新技术的发展对结构材料力学性质不断提出的越来越高的要求。结构材料必须具有非常高的力学强度、硬度、耐磨和耐热能力,并且在高温和恶劣的环境下工作性能要非常稳定。例如,在少冷和绝热发动机、燃气涡轮的叶片和转子需要在1100℃~1300℃下承受很高的力学负载,而且要在耐受气流腐蚀和冲刷的要求非常苛刻的条件下工作,金属、聚合物都难以满足这些要求,而先进结构陶瓷是最理想的材料。先进结构陶瓷无论在材料的性能、潜在使用价值方面,还是在其制备科学及显微结构控制方面,均可以说代表了当代陶瓷科学的最高水平。

先进功能陶瓷主要是利用材料的电、磁、声、光、热、弹等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷。其品种繁多、用途广泛。

特种陶瓷已远非过去人们印象中的那种坚硬而易脆、缺乏韧性、缺乏塑性、不透明的物体。许多特种陶瓷都是既坚硬且有韧性,不易碎。如增韧氧化锆陶瓷就非常坚韧,掉在地上也打不碎。各种各样的特种陶瓷制的剪刀、水果刀等不仅坚韧锋利,且不生锈。氧化镁透明陶瓷的透明程度已不亚于透明玻璃。

现代陶瓷学把陶瓷的制备、组成、结构和性能联系起来进行综合研究发现,陶瓷的显微结构对其性质的影响有着举足轻重的作用。因而,陶瓷显微结构的控制及其性能的关系,一直是特种陶瓷研究的重要课题。人们长期研究工作的结果表明,陶瓷中的晶界及与晶界有联系的不同层次的缺陷,如气孔、裂纹、位错等对陶瓷的力学性质和电学性质影响非常大。这就是为什么多晶陶瓷一般比化学结合所赋予的本征强度低得多的原因。如果人们能制备出尽量少缺陷甚至无缺陷的陶瓷,那么材料的强度就会大大地得到提高,这就必须在更加精细的尺度上控制陶瓷材料的显微结构。这也是陶瓷工作者们目前正为之探索和研究的重要课题,纳米陶瓷的研究就是这种探索研究的具体体现。

如果说由传统陶瓷发展到先进陶瓷是一大飞跃,那么,从先进陶瓷发展到纳米陶瓷将是又一次飞跃。目前,绝大部分先进陶瓷的晶粒大小约为1~10um。而纳米陶瓷的晶粒大小将降到0.01~0.1um(10~100nm)。在这种情况下,纳米陶瓷晶粒中将有10%~30%左右的原子处于晶粒表面,即晶界上。此时,晶粒与晶界的区别,晶粒内原子排列严格有序的结晶状态和晶界区域原子排列无序的非晶状态之间的差别都变得模糊了。因此,纳米陶瓷已不再是原有意义上的陶瓷了,而变成了一种崭新的、能给人类提供目前还不存在的、更新更好的材料。对纳米陶瓷全新性能的期盼是建立在对晶粒非常细小的氧化锆陶瓷的强度、韧性增高的研究基础上的。

经研究表明,晶粒非常细小的氧化锆陶瓷的强度和韧性大幅度提高,而且硬度和塑性也有所改善。亚微米晶粒的钛酸钡陶瓷的介电常数比普通材料提高一倍以上,抗电强度也大幅度增加。这些性能都是原育材料难以达到的。这种陶瓷性能随着晶粒尺寸变小而改善的趋势预示着粒度更小的纳米陶瓷会具有更为宝贵、更优异的性能。

纳米陶瓷的显微结构要求控制在更精细的纳米级别上,其制备及研究都比特种陶瓷的更为困难。虽然在纳米粉体的制备、成型、烧结等许多方面还必须进行大量艰苦攻关研究,才有可能最终突破这一难关,但是,近几十年陶瓷科学的飞速发展已为这一突破打下了良好的基础。现代测试分析手段如扫描电子显微镜和透射电子显微镜等的应用提供了强有力的支持,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。利用现代化的手段,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。经过陶瓷科学家们的艰苦努力,预期到下世纪初,将在这方面取得重大突破。

超导陶瓷是目前新型陶瓷材料研究的另一前沿领域。自从1986年1月,瑞士苏黎世lBM研究实验室的科学家发现钡镧铜金属氧化物获得了30K的超导转变温度的超导材料之后,在全世界范围内掀起了超导热。此后,人们又相继发现了超导转变温度更高的锶镧铜氧化物、钇钡铜氧化物等超导体系。在短短的几年时间里,超导转变温度就提高了100多度(K)。我国超导研究有许多方面居于世界前列,如液氮温度下高临界电流密度、灵敏度达万分之一的超导量子干涉器的制作以及将这种器件应用到地磁测量、高温超导体粉料的制备、高质量的超导薄膜技术等。今后超导的发展方向将是致力于研制开发超导纤维、线材、薄膜、板材、设计无线圈电机、超导体晶体管、超导电脑、集成电路、电磁轨道炮(高速多发超导武器)等。在输电、储电、超导磁悬浮列车等方面也将取得进展。