基础化学：现代陶瓷制品及其分类

陶瓷是陶器和瓷器的总称。早在约公元前8000—公元前2000年（新石器时代）中国人就发明了陶器。近年来，随着陶瓷性能不断改善，已发展成为金属材料和高分子材料以外的第三大类工程材料，目前在诸多领域，如建筑、汽车等领域上得到越来越多的应用。

1.成分

陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常见的陶瓷材料有黏土、氧化铝（Al2O3）、高岭土（主要成分为Al2O3·2SiO2·2H2O）等。陶瓷的传统概念是指所有以黏土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由黏土或含有黏土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的各种制品。由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。由于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物（如黏土、长石、石英等），与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。

2.性能

陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，但可塑性较差。具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性，对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。温度发生变化时具有良好的尺寸稳定性，具有良好的电绝缘性，导热性低于金属材料，抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。

3.分类

陶瓷品种繁多，它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质以及制造方法有所不同。可按原材料不同，将陶瓷分为传统陶瓷和现代陶瓷两种：

（1）传统陶瓷

传统陶瓷是指以天然矿物如黏土、石英和长石等为原料，经过原料萃取、成型、干燥、高温烧结而成的一种无机非金属材料。在原料中加入MgO、ZnO、BaO等可以提高陶瓷的强度，加入Al2O3、ZrO等可以提高其强度和热稳定性，加入SiC等可以提高陶瓷的导热性。根据其性能不同，用途各异。可用于制造日用器皿、工艺品、艺术品等对光洁度、白度、热稳定性、机械强度要求较高的日用陶瓷；用于制造地面及墙壁瓷砖、卫生洁具等对强度和热稳定性要求较高的建筑陶瓷；用于制造电绝缘器件等对介电常数和热稳定性有一定要求的电工陶瓷和用于制造实验器皿、耐热容器等耐蚀性能优越的化工陶瓷等。

图2-2-13　陶瓷制品

（2）现代陶瓷

现代陶瓷，又称精细陶瓷、特种陶瓷或高性能陶瓷，分为结构陶瓷和功能陶瓷。包括氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷和金属陶瓷。这些陶瓷所用的主要原料不再是黏土、长石、石英，有的坯体也使用一些黏土或长石，在原料上突破了以黏土为主要原料的局限。特种陶瓷是随着现代电器，无线电、航空、原子能、冶金、机械、化学等工业以及电子计算机、空间技术、新能源开发等尖端科学技术的飞跃发展而发展起来的。

①氧化物陶瓷

由一种或多种氧化物制成的陶瓷。其中所含氧化物种类不同，性能也有差异。

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（Al2O3）为主体的陶瓷材料，有较好的传导性、机械强度、耐高温性能、耐腐蚀性和耐磨性好，绝缘性好，硬度高，但脆性大，抗热振性能差。氧化铝陶瓷中Al2O3含量不同，陶瓷的性能也会不同。普通型氧化铝陶瓷按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。高纯型氧化铝陶瓷指Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料，利用其透光性及可耐碱金属性常用来制造钠灯管，在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。

图2-2-14　绝缘瓷套

图2-2-15　氧化铝陶瓷管

图2-2-16　氧化铝陶瓷磨芯

图2-2-17　氧化钙陶瓷密度仪

氧化钙陶瓷是指以氧化钙（CaO）为主要成分的陶瓷。具有热力学稳定性，能在高温（2000℃）下使用，受氧或杂质元素的污染少。制品具有良好的抗熔融金属侵蚀性和抗熔融磷酸钙侵蚀的作用。其优点具有优良的抗金属侵蚀性，因此用来熔炼各种有色金属。氧化钙（CaO）容易与空气中的水分或二氧化碳（CO2）发生反应，因此生产氧化钙陶瓷制品的最大困难是制品很难烧结，而且对大气稳定性差，易于水化使制品碎裂。为获得在大气中稳定的纯氧化钙制品，必须加入稳定剂，如氧化铁（Fe2O3）、氧化钒（V2O5）、氧化钦（TiO2）、氧化铬（Cr2O3）、二氧化锰（MnO2）、氧化铍（BeO）、氧化钼（MoO3）、氧化镍（NiO）等。这些加入物与氧化钙共熔，在氧化钙晶体上形成保护膜，从而防止了与水蒸气的接触。当加入5%～10%的TiO2时，制品可在1650～1700℃范围内烧成。

氧化铍陶瓷热稳定性较高，具有高导热系数、高熔度、高绝缘以及良好的封装工艺适应性等特点，在微波技术、电真空技术、核技术、微电子与光电子技术领域受到重视和应用，尤其是在大功率半导体器件、大功率集成电路、大功率微波真空器件及核反应堆中一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料，在军事领域及国民经济中起到十分重要的作用。

图2-2-18　刚玉坩埚

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图2-2-19　火花塞

图2-2-20　氧化铍陶瓷轴承套

②碳化物陶瓷

碳化物陶瓷含难熔碳化合物，典型的碳化物陶瓷材料有碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）、碳化钛（TiC）等。碳化硅陶瓷硬度高、强度好、热导率高、耐磨性好、抗氧化性好，是应用最为广泛的非氧化物陶瓷。可用于制造喷嘴、高温轴承、热电偶套管等。碳化硼陶瓷研磨效率高，可作为研磨介质，如宝石、刀具等硬质材料的磨削、抛光等。碳化钛陶瓷硬度大/熔点高、化学稳定性好，可制造耐磨原料、切削刀具材料、机械零件等。多空碳化钛陶瓷适合用作人造骨骼。

图2-2-21　碳化硅陶瓷制品

图2-2-22　碳化硼砂轮

图2-2-23　碳化钛陶瓷制品

图2-2-24　新型陶瓷制成的人造骨骼

③氮化物陶瓷

氮与金属或非金属元素以共价键相结合的难熔化合物为主要成分的陶瓷，就是氮化物陶瓷。这种陶瓷材料具有强度高、韧性好、硬度大、抗氧化性好等优良的性能。应用较广的陶瓷有四氮化三硅（Si3N4）、氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）等陶瓷。

其中以四氮化三硅陶瓷的抗氧化能力最佳，1400℃时才开始氧化，抗化学腐蚀性很好。有的还具有特殊的机械、介电或导热性能。

烧结较困难。先制出优质粉末原料，然后采用氮化反应烧结法和热压烧结法、热等静压烧结法等制成陶瓷制品。

图2-2-25　氮化硅陶瓷刀具

图2-2-26　氮化硅陶瓷轴承

图2-2-27　金属陶瓷轴承刀片

④金属陶瓷

金属陶瓷是以金属氧化物或碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末制成的具有某些金属性质的一种复合材料。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。金属陶瓷密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和切削刀具、高温轴承、燃烧室的火焰喷口等。

思　考

1.常用玻璃种类及用途。

2.常用陶瓷的种类及用途。