《特种陶瓷介绍》PPT课件.ppt

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1、特种陶瓷介绍特种陶瓷介绍1 前言前言 人类进入人类进入人类进入人类进入2121世纪，信息、能源、材料被誉为科世纪，信息、能源、材料被誉为科世纪，信息、能源、材料被誉为科世纪，信息、能源、材料被誉为科学的三大支柱。材料是人类生产和生活的物质基础，学的三大支柱。材料是人类生产和生活的物质基础，学的三大支柱。材料是人类生产和生活的物质基础，学的三大支柱。材料是人类生产和生活的物质基础，是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技

2、术电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、的出现、发展，要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。传统材料难以满足要求，开发和有效利用高性能材传统材料难以满足要求，开发和有效利用高性能材传统材料难以满足要

3、求，开发和有效利用高性能材传统材料难以满足要求，开发和有效利用高性能材料己经成为材料利学发展的必然趋势。目前，在新料己经成为材料利学发展的必然趋势。目前，在新料己经成为材料利学发展的必然趋势。目前，在新料己经成为材料利学发展的必然趋势。目前，在新材料世界里，陶瓷材料已与金属材料、有机材料并材料世界里，陶瓷材料已与金属材料、有机材料并材料世界里，陶瓷材料已与金属材料、有机材料并材料世界里，陶瓷材料已与金属材料、有机材料并称为现代三大材料。由于陶瓷材料具有高强度、高称为现代三大材料。由于陶瓷材料具有高强度、高称为现代三大材料。由于陶瓷材料具有高强度、高称为现代三大材料。由于陶瓷材料具有高强度、高硬

4、度、耐腐蚀、耐高温等特征，使之成为新材料的硬度、耐腐蚀、耐高温等特征，使之成为新材料的硬度、耐腐蚀、耐高温等特征，使之成为新材料的硬度、耐腐蚀、耐高温等特征，使之成为新材料的发展中心，受到广泛关注。发展中心，受到广泛关注。发展中心，受到广泛关注。发展中心，受到广泛关注。高性能特种陶瓷在许多方而都突破了传统陶瓷的高性能特种陶瓷在许多方而都突破了传统陶瓷的高性能特种陶瓷在许多方而都突破了传统陶瓷的高性能特种陶瓷在许多方而都突破了传统陶瓷的概念和范畴，是陶瓷发展史上的一次革命性的变化。概念和范畴，是陶瓷发展史上的一次革命性的变化。概念和范畴，是陶瓷发展史上的一次革命性的变化。概念和范畴，是陶瓷发展史

5、上的一次革命性的变化。特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷(special ceramics)(special ceramics)又叫精细陶瓷又叫精细陶瓷又叫精细陶瓷又叫精细陶瓷(fine ceramics)(fine ceramics)、先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷(advanced(advanced ceramics)ceramics)、现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷现代陶瓷(modern ceramics)(modern ceramics)、高技高技高技高技术陶瓷术陶瓷术陶瓷术陶瓷(high technology ceramics)(high technology ceramics)或高性能陶

6、瓷或高性能陶瓷或高性能陶瓷或高性能陶瓷(high performance ceramic)(high performance ceramic)。一般认为，特种陶。一般认为，特种陶。一般认为，特种陶。一般认为，特种陶瓷是瓷是瓷是瓷是“采用高度精选的原材料，具有精确控制的化采用高度精选的原材料，具有精确控制的化采用高度精选的原材料，具有精确控制的化采用高度精选的原材料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工成的，便于学组成，按照便于控制的制造技术加工成的，便于学组成，按照便于控制的制造技术加工成的，便于学组成，按照便于控制的制造技术加工成的，便于进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷进行结

7、构设计，并具有优异特性的陶瓷进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷进行结构设计，并具有优异特性的陶瓷”它的出现它的出现它的出现它的出现与现代工业和高技术密切相关。近与现代工业和高技术密切相关。近与现代工业和高技术密切相关。近与现代工业和高技术密切相关。近2020年来由于冶金、年来由于冶金、年来由于冶金、年来由于冶金、汽车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新汽车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新汽车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新汽车、能源、生物、航天、通信等领域的发展对新材料的需要，陶瓷材料在国内外已经逐步形成了一材料的需要，陶瓷材料在国内外已经逐步形成了一材料的需要，陶瓷材料在

8、国内外已经逐步形成了一材料的需要，陶瓷材料在国内外已经逐步形成了一个新兴的产业。个新兴的产业。个新兴的产业。个新兴的产业。2 分类及应用分类及应用 高性能陶瓷高性能陶瓷高性能陶瓷高性能陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。两大类。两大类。两大类。结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷是以利用力学和热学性能为是以利用力学和热学性能为是以利用力学和热学性能为是以利用力学和热学性能为主的材料，又可称为高温结构陶瓷；主的材料，又可称为高温结构陶瓷；主的材料，又可称为高温结构陶瓷；主的材料，又可称为高温结构陶瓷；功能陶瓷功能陶瓷功能

9、陶瓷功能陶瓷是以利用电、磁、光、铁电、压电等性能及其是以利用电、磁、光、铁电、压电等性能及其是以利用电、磁、光、铁电、压电等性能及其是以利用电、磁、光、铁电、压电等性能及其耦合为主的材料。随着利学技术的发展，新材耦合为主的材料。随着利学技术的发展，新材耦合为主的材料。随着利学技术的发展，新材耦合为主的材料。随着利学技术的发展，新材料的不断出现，结构陶瓷与功能陶瓷的界限也料的不断出现，结构陶瓷与功能陶瓷的界限也料的不断出现，结构陶瓷与功能陶瓷的界限也料的不断出现，结构陶瓷与功能陶瓷的界限也逐渐淡化，有些材料同时具备优越的结构性能逐渐淡化，有些材料同时具备优越的结构性能逐渐淡化，有些材料同时具备优

10、越的结构性能逐渐淡化，有些材料同时具备优越的结构性能与优良的功能。与优良的功能。与优良的功能。与优良的功能。从材料体系来分可以分为：从材料体系来分可以分为：从材料体系来分可以分为：从材料体系来分可以分为：机机机机械材料、电磁材料、半导体材料、光学材料、械材料、电磁材料、半导体材料、光学材料、械材料、电磁材料、半导体材料、光学材料、械材料、电磁材料、半导体材料、光学材料、热学材料、生物化学材料。热学材料、生物化学材料。热学材料、生物化学材料。热学材料、生物化学材料。结构陶瓷结构陶瓷陶瓷轴承陶瓷轴承陶瓷坩埚陶瓷坩埚(耐热堇青石陶瓷耐热堇青石陶瓷)蜂窝陶瓷蓄热体蜂窝陶瓷蓄热体电子陶瓷电子陶瓷防雷击保

11、护器件陶瓷气防雷击保护器件陶瓷气体放电管体放电管光源陶瓷（插座）光源陶瓷（插座）2.1 结构陶瓷结构陶瓷 所谓所谓所谓所谓结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷，是指能作为工程结构材料使，是指能作为工程结构材料使，是指能作为工程结构材料使，是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。是陶瓷材料的重要分支，约占整个用的陶瓷。是陶瓷材料的重要分支，约占整个用的陶瓷。是陶瓷材料的重要分支，约占整个用的陶瓷。是陶瓷材料的重要分支，约占整个陶瓷市场的陶瓷市场的陶瓷市场的陶瓷市场的2525左右。结构陶瓷以耐高温、高左右。结构陶瓷以耐高温、高左右。结构陶瓷以耐高温、高左右。结构陶瓷以耐高温、高强度、超硬度、耐磨、抗腐蚀等机

12、械力学性能强度、超硬度、耐磨、抗腐蚀等机械力学性能强度、超硬度、耐磨、抗腐蚀等机械力学性能强度、超硬度、耐磨、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，因此在冶金、宇航、能源、机械、为主要特征，因此在冶金、宇航、能源、机械、为主要特征，因此在冶金、宇航、能源、机械、为主要特征，因此在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要的应用。在这些应用领域用光学等领域有重要的应用。在这些应用领域用光学等领域有重要的应用。在这些应用领域用光学等领域有重要的应用。在这些应用领域用非金属代替金属是总的趋势。结构陶瓷大致分非金属代替金属是总的趋势。结构陶瓷大致分非金属代替金属是总的趋势。结构陶瓷大致分非金属代替金属是总的趋

13、势。结构陶瓷大致分为氧化物系、非氧化物系和结构用的陶瓷基复为氧化物系、非氧化物系和结构用的陶瓷基复为氧化物系、非氧化物系和结构用的陶瓷基复为氧化物系、非氧化物系和结构用的陶瓷基复合材料。合材料。合材料。合材料。其分类、特性和应用见下表其分类、特性和应用见下表其分类、特性和应用见下表其分类、特性和应用见下表1 1。结构陶瓷应用主要有：结构陶瓷应用主要有：切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部 件、发动机部件、热交换器、生物部件和件、发动机部件、热交换器、生物部件和件、发动机部件、热交换器、生物部件和

14、件、发动机部件、热交换器、生物部件和 装甲等。装甲等。装甲等。装甲等。结构陶瓷主要材料有：结构陶瓷主要材料有：氮化硅（氮化硅（氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）、碳化硅（）、碳化硅（）、碳化硅（）、碳化硅（SiCSiC）、）、）、）、二氧化锆（二氧化锆（二氧化锆（二氧化锆（ZrOZrO2 2）、碳化硼（）、碳化硼（）、碳化硼（）、碳化硼（B B4 4C C）、）、）、）、二硼化钛（二硼化钛（二硼化钛（二硼化钛（TiBTiB2 2)、氧化铝（、氧化铝（、氧化铝（、氧化铝（A1A12 20 03 3）、）、）、）、和赛隆（和赛隆（和赛隆（和赛隆（Sialon)Sialon)等。等。等。等

15、。2.2 功能陶瓷功能陶瓷 所谓所谓所谓所谓功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超是指具有电、磁、光、声、超是指具有电、磁、光、声、超是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。由于这类陶瓷材料拥有许多优异的特一类陶瓷。由于这类陶瓷材料拥有许多优异的特一类陶瓷。由于这类陶瓷材料拥有许多优异的特一类陶瓷。由于这类陶瓷材料拥有许多优异的特殊性能，因而受到了人们的普遍关注和重视。在殊性能，因而受到了人们的普遍关注和重视。在

16、殊性能，因而受到了人们的普遍关注和重视。在殊性能，因而受到了人们的普遍关注和重视。在功能材料中，陶瓷也占有十分重要的地位。功能功能材料中，陶瓷也占有十分重要的地位。功能功能材料中，陶瓷也占有十分重要的地位。功能功能材料中，陶瓷也占有十分重要的地位。功能陶瓷占整个特种陶瓷产量的陶瓷占整个特种陶瓷产量的陶瓷占整个特种陶瓷产量的陶瓷占整个特种陶瓷产量的80%80%，而且每年以，而且每年以，而且每年以，而且每年以20%20%的速度增长。功能陶瓷己在能源开发、空间的速度增长。功能陶瓷己在能源开发、空间的速度增长。功能陶瓷己在能源开发、空间的速度增长。功能陶瓷己在能源开发、空间技术、电子技术、生物技术、环

17、境科学等领域得技术、电子技术、生物技术、环境科学等领域得技术、电子技术、生物技术、环境科学等领域得技术、电子技术、生物技术、环境科学等领域得到了广泛的应用。到了广泛的应用。到了广泛的应用。到了广泛的应用。功能陶瓷大致可分为电子陶瓷（包括电绝缘、电介质、功能陶瓷大致可分为电子陶瓷（包括电绝缘、电介质、功能陶瓷大致可分为电子陶瓷（包括电绝缘、电介质、功能陶瓷大致可分为电子陶瓷（包括电绝缘、电介质、铁电、压电、热释电、敏感、导电、超导、磁性等陶瓷）、铁电、压电、热释电、敏感、导电、超导、磁性等陶瓷）、铁电、压电、热释电、敏感、导电、超导、磁性等陶瓷）、铁电、压电、热释电、敏感、导电、超导、磁性等陶瓷

18、）、透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。功能陶瓷的分类、特性和用途见下表陶瓷。功能陶瓷的分类、特性和用途见下表陶瓷。功能陶瓷的分类、特性和用途见下表陶瓷。功能陶瓷的分类、特性和用途见下表2-12-1、2-22-2、2-32-3、2-42-4。功能陶瓷与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有很大功能陶瓷与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有很大功能陶瓷与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有很大功能陶瓷与传统的陶瓷相比在原料及工艺等方面有

19、很大的区别，是知识和技术密集刑产品。功能材料之所以具有的区别，是知识和技术密集刑产品。功能材料之所以具有的区别，是知识和技术密集刑产品。功能材料之所以具有的区别，是知识和技术密集刑产品。功能材料之所以具有卓越的功能及特性，不仅与材料的化学组成有关，而且很卓越的功能及特性，不仅与材料的化学组成有关，而且很卓越的功能及特性，不仅与材料的化学组成有关，而且很卓越的功能及特性，不仅与材料的化学组成有关，而且很大程度上决定于其微观结构。功能材料的开发首先依赖于大程度上决定于其微观结构。功能材料的开发首先依赖于大程度上决定于其微观结构。功能材料的开发首先依赖于大程度上决定于其微观结构。功能材料的开发首先依

20、赖于新材料的发现和人工合成。在功能陶瓷材料重大发现中，新材料的发现和人工合成。在功能陶瓷材料重大发现中，新材料的发现和人工合成。在功能陶瓷材料重大发现中，新材料的发现和人工合成。在功能陶瓷材料重大发现中，人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电与非线性人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电与非线性人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电与非线性人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电与非线性光学材料，铁氧体与记忆材料，太阳能电池，高温氧化物光学材料，铁氧体与记忆材料，太阳能电池，高温氧化物光学材料，铁氧体与记忆材料，太阳能电池，高温氧化物光学材料，铁氧体与记忆材料，太阳能电池，高温氧

21、化物超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的发展。发展。发展。发展。功能陶瓷的品种繁多，性能各异，因而应用领域十分广功能陶瓷的品种繁多，性能各异，因而应用领域十分广功能陶瓷的品种繁多，性能各异，因而应用领域十分广功能陶瓷的品种繁多，性能各异

22、，因而应用领域十分广泛，在现代人的生活中随处可见。泛，在现代人的生活中随处可见。泛，在现代人的生活中随处可见。泛，在现代人的生活中随处可见。3 应用举例应用举例3.1 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷3.1.1 氧化锆性能介绍氧化锆性能介绍3.1.1.1 3.1.1.1 物理性质物理性质物理性质物理性质 锆在地壳中的储量为锆在地壳中的储量为锆在地壳中的储量为锆在地壳中的储量为0.025%0.025%，超过，超过，超过，超过CuCu，ZnZn，SnSn，NiNi，PbPb等金属的储量，资源丰富。自然界中等金属的储量，资源丰富。自然界中等金属的储量，资源丰富。自然界中等金属的储量，资源丰富。自然界中锆以锆英石

23、、斜锆石和它们的变体形态出现。锆以锆英石、斜锆石和它们的变体形态出现。锆以锆英石、斜锆石和它们的变体形态出现。锆以锆英石、斜锆石和它们的变体形态出现。纯纯纯纯ZrOZrO2 2为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般含有含有含有含有HfOHfO2 2，不易分离。，不易分离。，不易分离。，不易分离。ZrO ZrO2 2 ：密度：密度：密度：密度5.6g/Cm 5.6g/Cm ，熔点熔点熔点熔点2715 2715。二氧化锆具有熔点和沸点高、硬度。二氧化锆具有熔点和沸点高、硬度。二氧化锆具有熔点和沸点高、

24、硬度。二氧化锆具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。良性质。良性质。良性质。二氧化锆有二氧化锆有二氧化锆有二氧化锆有3 3种晶型，属多晶相转化的氧化物。种晶型，属多晶相转化的氧化物。种晶型，属多晶相转化的氧化物。种晶型，属多晶相转化的氧化物。稳定的低温相为单斜晶结构稳定的低温相为单斜晶结构稳定的低温相为单斜晶结构稳定的低温相为单斜晶结构(m-ZrO(m-ZrO2 2)，高于，高于，高于，高于10001000时四方晶相时四方晶相时

25、四方晶相时四方晶相(t-ZrO(t-ZrO2 2)逐渐形成，直至逐渐形成，直至逐渐形成，直至逐渐形成，直至23702370只存在只存在只存在只存在四方相，高于四方相，高于四方相，高于四方相，高于23702370至熔点温度则为立方晶相至熔点温度则为立方晶相至熔点温度则为立方晶相至熔点温度则为立方晶相(e-(e-ZrOZrO2 2)。ZrOZrO2 2在加热升温过程中伴随着体积收缩，在加热升温过程中伴随着体积收缩，在加热升温过程中伴随着体积收缩，在加热升温过程中伴随着体积收缩，而在冷却过程中则体积膨胀。因此在使用时为使其不而在冷却过程中则体积膨胀。因此在使用时为使其不而在冷却过程中则体积膨胀。因此

26、在使用时为使其不而在冷却过程中则体积膨胀。因此在使用时为使其不发生体积变化，必须进行晶型稳定化处理。常用的稳发生体积变化，必须进行晶型稳定化处理。常用的稳发生体积变化，必须进行晶型稳定化处理。常用的稳发生体积变化，必须进行晶型稳定化处理。常用的稳定剂有定剂有定剂有定剂有Y Y2 2OO3 3，CaOCaO，MgOMgO，CeOCeO2 2和其它稀上氧化物。和其它稀上氧化物。和其它稀上氧化物。和其它稀上氧化物。这些氧化物的阳离子半径与这些氧化物的阳离子半径与这些氧化物的阳离子半径与这些氧化物的阳离子半径与Zr4+Zr4+相近相近相近相近(相差在相差在相差在相差在12%12%以以以以内内内内)，它

27、们在，它们在，它们在，它们在ZrOZrO2 2中的溶解度很大，可以和中的溶解度很大，可以和中的溶解度很大，可以和中的溶解度很大，可以和ZrOZrO2 2形成形成形成形成单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。这种固溶单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。这种固溶单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。这种固溶单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。这种固溶体可以通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。体可以通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。体可以通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。体可以通过快冷避免共析分解，以亚稳态保持到室温。快冷得到的立方固溶体保持稳定，不再发生相变，没快冷得到的

28、立方固溶体保持稳定，不再发生相变，没快冷得到的立方固溶体保持稳定，不再发生相变，没快冷得到的立方固溶体保持稳定，不再发生相变，没有体积变化，这种有体积变化，这种有体积变化，这种有体积变化，这种ZrOZrO2 2称为全稳定称为全稳定称为全稳定称为全稳定ZrOZrO2 2写为写为写为写为FSZ(Fully Stabilized Zirconia)FSZ(Fully Stabilized Zirconia)。氧化锆，氮化硅陶瓷球氧化锆球（球磨介质）基于基于基于基于ZrOZrO2 2晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的作用，晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的作用，晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的

29、作用，晶型转变的特征条件和不同类型稳定剂的作用，通常稳定剂通常稳定剂通常稳定剂通常稳定剂Y Y2 2OO3 3，CaOCaO，MgOMgO，CeOCeO2 2的有效加入量的有效加入量的有效加入量的有效加入量(摩尔分摩尔分摩尔分摩尔分数数数数)分别为分别为分别为分别为7%7%14%,15%14%,15%29%,16%29%,16%一一一一26%,13%26%,13%。根据。根据。根据。根据不同的应用条件，稳定剂可以单独使用，也可以混合使用，不同的应用条件，稳定剂可以单独使用，也可以混合使用，不同的应用条件，稳定剂可以单独使用，也可以混合使用，不同的应用条件，稳定剂可以单独使用，也可以混合使用，从

30、而得到具有不同性能的从而得到具有不同性能的从而得到具有不同性能的从而得到具有不同性能的ZrOZrO2 2产品，这是当前产品，这是当前产品，这是当前产品，这是当前ZrOZrO2 2复合材料复合材料复合材料复合材料研究、开发和应用的热门课题之一。研究、开发和应用的热门课题之一。研究、开发和应用的热门课题之一。研究、开发和应用的热门课题之一。3.1.1.2 ZrO3.1.1.2 ZrO2 2化学性质化学性质化学性质化学性质 氧化锆具有良好的化学性质。它是一种弱酸性氧化物，对氧化锆具有良好的化学性质。它是一种弱酸性氧化物，对氧化锆具有良好的化学性质。它是一种弱酸性氧化物，对氧化锆具有良好的化学性质。它

31、是一种弱酸性氧化物，对碱溶液以及许多酸性溶液碱溶液以及许多酸性溶液碱溶液以及许多酸性溶液碱溶液以及许多酸性溶液(热浓硫酸、热浓硫酸、热浓硫酸、热浓硫酸、HFHF及及及及HH3 3POPO4 4除外除外除外除外)都具都具都具都具有足够的稳定性。用有足够的稳定性。用有足够的稳定性。用有足够的稳定性。用ZrOZrO2 2制成的坩锅可熔炼钾、钠、铝和铁制成的坩锅可熔炼钾、钠、铝和铁制成的坩锅可熔炼钾、钠、铝和铁制成的坩锅可熔炼钾、钠、铝和铁等多种金属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。许多硅化等多种金属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。许多硅化等多种金属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。许多硅化等多种金

32、属。它对硫化物、磷化物等也是稳定的。许多硅化物的熔融物及矿渣等对烧结物的熔融物及矿渣等对烧结物的熔融物及矿渣等对烧结物的熔融物及矿渣等对烧结ZrOZrO2 2亦不起作用。熔融碱式硅酸亦不起作用。熔融碱式硅酸亦不起作用。熔融碱式硅酸亦不起作用。熔融碱式硅酸盐以及含有碱上金属的熔融硅酸盐，在高温下对烧结盐以及含有碱上金属的熔融硅酸盐，在高温下对烧结盐以及含有碱上金属的熔融硅酸盐，在高温下对烧结盐以及含有碱上金属的熔融硅酸盐，在高温下对烧结ZrOZrO2 2有有有有侵蚀作用。强碱与侵蚀作用。强碱与侵蚀作用。强碱与侵蚀作用。强碱与ZrOZrO2 2在高温下反应生成相应的锆酸盐。在在高温下反应生成相应的

33、锆酸盐。在在高温下反应生成相应的锆酸盐。在在高温下反应生成相应的锆酸盐。在高温下高温下高温下高温下(2220(2220以上以上以上以上)的真空中，的真空中，的真空中，的真空中，ZrO ZrO2 2和碳作用生成和碳作用生成和碳作用生成和碳作用生成ZrCZrC，和，和，和，和氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。氢或氮气作用生成相应的氢化物或氮化物。氧化氧化锆应锆应用用领领域域树树形形图图3.2 氧化锆陶瓷功能介绍氧化锆陶瓷功能介绍3.2.1 结构陶瓷结构陶瓷 由于由于由于由于ZrOZrO2 2具有耐高温、高强度、韧性好和

34、耐腐具有耐高温、高强度、韧性好和耐腐具有耐高温、高强度、韧性好和耐腐具有耐高温、高强度、韧性好和耐腐蚀等特性，常温下抗压强度可达蚀等特性，常温下抗压强度可达蚀等特性，常温下抗压强度可达蚀等特性，常温下抗压强度可达2100MPa2100MPa。10001000时为时为时为时为1190MPa1190MPa。最好的亚稳定。最好的亚稳定。最好的亚稳定。最好的亚稳定ZrOZrO2 2韧化陶瓷常温下韧化陶瓷常温下韧化陶瓷常温下韧化陶瓷常温下抗弯强度可达抗弯强度可达抗弯强度可达抗弯强度可达2000MPa2000MPa，KKICIC可达可达可达可达9MPa m9MPa m1/21/2以上。以上。以上。以上。因

35、此，可用作空间飞行器的无润滑滚珠轴承和喷气因此，可用作空间飞行器的无润滑滚珠轴承和喷气因此，可用作空间飞行器的无润滑滚珠轴承和喷气因此，可用作空间飞行器的无润滑滚珠轴承和喷气发动机、内燃机和汽轮机的构件发动机、内燃机和汽轮机的构件发动机、内燃机和汽轮机的构件发动机、内燃机和汽轮机的构件(如推杆、连杆、如推杆、连杆、如推杆、连杆、如推杆、连杆、轴承、气缸内衬和活塞帽等轴承、气缸内衬和活塞帽等轴承、气缸内衬和活塞帽等轴承、气缸内衬和活塞帽等)。用。用。用。用ZrOZrO2 2制作的密封制作的密封制作的密封制作的密封圈、阀门、管道等构件在化工、冶金等部门也得到圈、阀门、管道等构件在化工、冶金等部门也

36、得到圈、阀门、管道等构件在化工、冶金等部门也得到圈、阀门、管道等构件在化工、冶金等部门也得到广泛应用。广泛应用。广泛应用。广泛应用。由于由于由于由于ZrOZrO2 2硬度高，与电熔硬度高，与电熔硬度高，与电熔硬度高，与电熔AlAl2 2OO3 3相比具有更优良的耐磨性相比具有更优良的耐磨性相比具有更优良的耐磨性相比具有更优良的耐磨性和抗破碎性，故广泛用于制作冷成形工具、整形模、拉丝模、和抗破碎性，故广泛用于制作冷成形工具、整形模、拉丝模、和抗破碎性，故广泛用于制作冷成形工具、整形模、拉丝模、和抗破碎性，故广泛用于制作冷成形工具、整形模、拉丝模、高温挤压模、切削工具、高尔夫球棍头、研磨和磨削构件

37、等。高温挤压模、切削工具、高尔夫球棍头、研磨和磨削构件等。高温挤压模、切削工具、高尔夫球棍头、研磨和磨削构件等。高温挤压模、切削工具、高尔夫球棍头、研磨和磨削构件等。由于由于由于由于ZrOZrO2 2具有耐高温和抗腐蚀的特性，它能抵抗酸性或中具有耐高温和抗腐蚀的特性，它能抵抗酸性或中具有耐高温和抗腐蚀的特性，它能抵抗酸性或中具有耐高温和抗腐蚀的特性，它能抵抗酸性或中性熔体的侵蚀，故广泛用作特种耐火材料、浇铸口、铸模、性熔体的侵蚀，故广泛用作特种耐火材料、浇铸口、铸模、性熔体的侵蚀，故广泛用作特种耐火材料、浇铸口、铸模、性熔体的侵蚀，故广泛用作特种耐火材料、浇铸口、铸模、高温熔体流槽等。它与熔体

38、铁或钢不润湿，因此可用作钢水高温熔体流槽等。它与熔体铁或钢不润湿，因此可用作钢水高温熔体流槽等。它与熔体铁或钢不润湿，因此可用作钢水高温熔体流槽等。它与熔体铁或钢不润湿，因此可用作钢水桶、钢水流槽、连续铸钢注口和钢液过滤器等。桶、钢水流槽、连续铸钢注口和钢液过滤器等。桶、钢水流槽、连续铸钢注口和钢液过滤器等。桶、钢水流槽、连续铸钢注口和钢液过滤器等。ZrO ZrO2 2室温电阻极高，比电阻高达室温电阻极高，比电阻高达室温电阻极高，比电阻高达室温电阻极高，比电阻高达1015cm1015cm，当温度升至，当温度升至，当温度升至，当温度升至600600时，即可导电，时，即可导电，时，即可导电，时，即

39、可导电，10001000时电导率为时电导率为时电导率为时电导率为2.42.42.5102.510-2-2，具，具，具，具有半导体的性能，可用作在空气中使用的高温发热元件，最有半导体的性能，可用作在空气中使用的高温发热元件，最有半导体的性能，可用作在空气中使用的高温发热元件，最有半导体的性能，可用作在空气中使用的高温发热元件，最高使用温度可达高使用温度可达高使用温度可达高使用温度可达2100210022002200。目前已将它成功地用于。目前已将它成功地用于。目前已将它成功地用于。目前已将它成功地用于20002000以上氧化气氛下的发热元件及其设备中，磁流体发电以上氧化气氛下的发热元件及其设备中

40、，磁流体发电以上氧化气氛下的发热元件及其设备中，磁流体发电以上氧化气氛下的发热元件及其设备中，磁流体发电的电极材料也在积极的研究之中。的电极材料也在积极的研究之中。的电极材料也在积极的研究之中。的电极材料也在积极的研究之中。汽流粉碎机 陶瓷内衬全衬陶瓷硬密封陶瓷球阀(耐腐、耐磨)氧化锆陶瓷 锆瓷 氧化锆陶瓷刀具陶瓷轴承氧化锆陶瓷件3.2.3 功能陶瓷功能陶瓷3.2.3.1 3.2.3.1 离子导电材料离子导电材料离子导电材料离子导电材料 目前主要用于目前主要用于目前主要用于目前主要用于800 800 10001000燃料电池的隔膜材料，起到传递燃料电池的隔膜材料，起到传递燃料电池的隔膜材料，起

41、到传递燃料电池的隔膜材料，起到传递离子的效能。也可用它制成空气中或钢水中氧含量的测试传离子的效能。也可用它制成空气中或钢水中氧含量的测试传离子的效能。也可用它制成空气中或钢水中氧含量的测试传离子的效能。也可用它制成空气中或钢水中氧含量的测试传感元件，测氧范围为感元件，测氧范围为感元件，测氧范围为感元件，测氧范围为0 025%O25%O2 2，精度，精度，精度，精度0.20.2氧量。该氧量计具氧量。该氧量计具氧量。该氧量计具氧量。该氧量计具有灵敏度高、测量范围宽、响应快、精度高、稳定性好等优有灵敏度高、测量范围宽、响应快、精度高、稳定性好等优有灵敏度高、测量范围宽、响应快、精度高、稳定性好等优有

42、灵敏度高、测量范围宽、响应快、精度高、稳定性好等优点，在许多领域已经取代传统的测氧装置。点，在许多领域已经取代传统的测氧装置。点，在许多领域已经取代传统的测氧装置。点，在许多领域已经取代传统的测氧装置。3.2.3.2 ZrO3.2.3.2 ZrO2 2及及及及Zr(HPOZr(HPO4 4)2 2生物陶瓷生物陶瓷生物陶瓷生物陶瓷 日本已将日本已将日本已将日本已将ZrOZrO2 2制成牙齿的整形材料。此外还发展了磷酸制成牙齿的整形材料。此外还发展了磷酸制成牙齿的整形材料。此外还发展了磷酸制成牙齿的整形材料。此外还发展了磷酸锆陶瓷取代有机化合物的离子交换树脂，作为一种新型的生锆陶瓷取代有机化合物的

43、离子交换树脂，作为一种新型的生锆陶瓷取代有机化合物的离子交换树脂，作为一种新型的生锆陶瓷取代有机化合物的离子交换树脂，作为一种新型的生物材料，主要用于肾脏透析中的铵交换体使用。磷酸锆主要物材料，主要用于肾脏透析中的铵交换体使用。磷酸锆主要物材料，主要用于肾脏透析中的铵交换体使用。磷酸锆主要物材料，主要用于肾脏透析中的铵交换体使用。磷酸锆主要分非晶性的盐和结晶性（结晶水不定）二类化合物。作离子分非晶性的盐和结晶性（结晶水不定）二类化合物。作离子分非晶性的盐和结晶性（结晶水不定）二类化合物。作离子分非晶性的盐和结晶性（结晶水不定）二类化合物。作离子交换体用的主要是交换体用的主要是交换体用的主要是交

44、换体用的主要是a a磷酸锆（磷酸锆（磷酸锆（磷酸锆（a aZr(HPOZr(HPO4 4)2 2 H H2 2OO），属单），属单），属单），属单斜晶系，层状结构，可容纳多种离子。斜晶系，层状结构，可容纳多种离子。斜晶系，层状结构，可容纳多种离子。斜晶系，层状结构，可容纳多种离子。氧化锆陶瓷传感器系列电热陶瓷直发器陶瓷加热片(热敏陶瓷)磷酸锆具有低的膨胀系数磷酸锆具有低的膨胀系数磷酸锆具有低的膨胀系数磷酸锆具有低的膨胀系数(室温室温室温室温-100-100为为为为2.5 102.5 10-6-6)，添加一定的外加剂可制成具有一定强度的低膨胀陶瓷，用添加一定的外加剂可制成具有一定强度的低膨胀陶瓷

45、，用添加一定的外加剂可制成具有一定强度的低膨胀陶瓷，用添加一定的外加剂可制成具有一定强度的低膨胀陶瓷，用于各种陶瓷加热器、热保护管、热交换器及高温精密部件于各种陶瓷加热器、热保护管、热交换器及高温精密部件于各种陶瓷加热器、热保护管、热交换器及高温精密部件于各种陶瓷加热器、热保护管、热交换器及高温精密部件等。等。等。等。3.2.3.3 3.2.3.3 湿度传感材料湿度传感材料湿度传感材料湿度传感材料 湿敏传感器在工业、交通、能源、仓贮、保鲜防腐、湿敏传感器在工业、交通、能源、仓贮、保鲜防腐、湿敏传感器在工业、交通、能源、仓贮、保鲜防腐、湿敏传感器在工业、交通、能源、仓贮、保鲜防腐、建筑、轻纺、气

46、象等许多领域均有十分广阔的市场。选用建筑、轻纺、气象等许多领域均有十分广阔的市场。选用建筑、轻纺、气象等许多领域均有十分广阔的市场。选用建筑、轻纺、气象等许多领域均有十分广阔的市场。选用作敏感材料的种类很多，大致可分为有机和无机材料二大作敏感材料的种类很多，大致可分为有机和无机材料二大作敏感材料的种类很多，大致可分为有机和无机材料二大作敏感材料的种类很多，大致可分为有机和无机材料二大类，陶瓷材料即属后一种。类，陶瓷材料即属后一种。类，陶瓷材料即属后一种。类，陶瓷材料即属后一种。从近几年专利看，陶瓷传感器占从近几年专利看，陶瓷传感器占从近几年专利看，陶瓷传感器占从近几年专利看，陶瓷传感器占68%

47、68%，有机高分子约，有机高分子约，有机高分子约，有机高分子约占占占占13.813.8。陶瓷湿敏材料中，除。陶瓷湿敏材料中，除。陶瓷湿敏材料中，除。陶瓷湿敏材料中，除MgCrMgCr2 2OO4 4 T iOT iO2 2，MgCrMgCr2 2OO4 4ShOShO2 2，HAPHAP等外，等外，等外，等外，ZrOZrO2 2MgOMgO，ZrOZrO2 2Y Y2 2OO3 3也也也也是其中之一。主要控制其电阻的变化，它具有稳定性好，是其中之一。主要控制其电阻的变化，它具有稳定性好，是其中之一。主要控制其电阻的变化，它具有稳定性好，是其中之一。主要控制其电阻的变化，它具有稳定性好，使用温度

48、较高，可达使用温度较高，可达使用温度较高，可达使用温度较高，可达-20600-20600等优点。日本松下电器、日等优点。日本松下电器、日等优点。日本松下电器、日等优点。日本松下电器、日本矿业等，都有体型，厚膜型湿度测量传感器应市。本矿业等，都有体型，厚膜型湿度测量传感器应市。本矿业等，都有体型，厚膜型湿度测量传感器应市。本矿业等，都有体型，厚膜型湿度测量传感器应市。3.2.3.4 压电材料压电材料 以以ZrO2作为主要成分，可制成作为主要成分，可制成PZT（锆（锆钛酸铅），钛酸铅），PLZT（锆绀钛酸铅）等压电材（锆绀钛酸铅）等压电材料，在超声、水声及各种蜂鸣器等压电元件料，在超声、水声及各种

49、蜂鸣器等压电元件制备中起到重要的作用。制备中起到重要的作用。同时氧化锆还可以用作颜料、多晶氧化锆同时氧化锆还可以用作颜料、多晶氧化锆宝石、氧化锆陶瓷纤维、氧化锆涂层、特种宝石、氧化锆陶瓷纤维、氧化锆涂层、特种耐火材料添加剂、陶瓷及复合材料增韧材料耐火材料添加剂、陶瓷及复合材料增韧材料等使用。等使用。压电陶瓷材料及器件汽车尾气净化蜂窝陶瓷4 国内外研究现状国内外研究现状 由于先进陶瓷已被广泛应于交通运输、由于先进陶瓷已被广泛应于交通运输、化工冶金、电子通讯、医疗卫生、广播电化工冶金、电子通讯、医疗卫生、广播电视、海洋开发、能源环保及航空航天等工视、海洋开发、能源环保及航空航天等工业领域，因此，世

50、界各国，尤其是西方发业领域，因此，世界各国，尤其是西方发达国家争相研究、开发和生产先进陶瓷，达国家争相研究、开发和生产先进陶瓷，无论从新品的开发研制还是到市场占领，无论从新品的开发研制还是到市场占领，均展开了异常激烈的竞争。均展开了异常激烈的竞争。4.1 国外研究动向国外研究动向 从日前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产从日前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产从日前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产从日前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产主要集在美国和日本这两个工业发达国家。美国主要集在美国和日本这两个工业发达国家。美国主要集在美国和日本这两个工业发达国家。美国主要集在美国和日本这两个工业发达国家。美