超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能摘要结构陶瓷材料具有超强、超硬、耐高温等性能，在许多应用领域有着金属等其它材料不可替代的地。

本文通过查阅相关文献，阐述了结构陶瓷材料的结构，综述了结构陶瓷材料的结构及其性能特点,为今后陶瓷的发展提供了可靠的前景。

关键词：结构陶瓷，结构性能引言：构陶瓷是陶瓷材料的重要分支，它以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。

从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。

未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。

即在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要的应用,因此具有超强、超硬、耐高温的结构陶瓷材料成为了人们关注的热点。

2.结构陶瓷的定义及分类结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等功能的高性能陶瓷。

结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它若按化学成分分类可分为：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi 陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)。

本文就从化学成分分析氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复合陶瓷等来分析。

2.1氧化物陶瓷2.1.1 Al2O3陶瓷AI2O3陶瓷类型的结构与性能氧化铝陶瓷是一种以α- AI2O3为主晶的陶瓷材料。

氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”，含量在85%左右称作“85瓷”，含量在99%左右称作“99瓷”。

含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。

Al2O3主要有三种晶型结构，即α-Al2O3，β-Al2O3，γ- Al2O3。

Al2O3晶型转化关系如图1所示。

α-Al2O3属三方晶系，2050℃熔化前稳定，β-Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物，γ-Al2O3：属尖晶石型结构（立方）。

后两种在温度高于1600℃时全部转化为α-Al2O3，a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。

其结构不同，性质也不同，在1300℃以上的高温几乎完全转变为α- AI2O3。

α- AI2O3属六方晶系其单位晶胞是一个尖的棱面体，氧离子近似于六方紧密排列，Al3+占据2/3的八面体空隙。

α- AI2O3是自然界中唯一存在的AI2O3变体，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。

α- AI2O3是所有AI2O3变体中结构最紧密，活性最低，电学性质最好的晶相，在所有温度下都是稳定的，其它变体当温度达到1000～1600℃时都不可能逆地转变为α- AI2O3。

图1 Al2O3晶型转化关系图2 α-Al2O3结构示意图γ-Al2O3属立方晶系, 尖晶石型结构，氧离子形成立方密堆积，Al3+填充在间隙中。

γ-Al2O3的密度小，且高温下不稳定，加热到1100－1200℃时，缓慢转变成α-Al2O3，到1450℃时这一过程才完成。

伴随着放热32.8KJ/mol，体积收缩14.3%。

由于γ-Al2O3是松散结构，机电性能差，可以用它来做多孔材料。

自然界没有发现γ-Al2O3，它一般是由含水的Al2O3矿物（Al2O3·H2O或Al2O3·3H2O）经加热而成。

Al2O3陶瓷的性能及用途1）高强度、高温稳定性：装饰瓷如图4，喷嘴如图3、火箭、导弹的导流罩；图3 Al2O3陶瓷喷嘴2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石如图5；图4 Al2O3陶瓷装饰瓷图5 Al2O3人造宝石3）熔点高、抗腐蚀，耐火材料，坩埚如图6，炉管，热电偶保护套等；图6 Al2O3陶瓷坩埚图7 太阳能电池4）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料如图7等。

5）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节如图8等。

6）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座。

7）透光、透波性应用：新型节能灯具金卤灯如图9。

图8 人造关节图9新型节能灯具金卤灯图11 Al2O3陶瓷的制备工艺流程图Al2O3陶瓷的制备工艺预烧与晶型转变：Al2O3生产中预烧具有以下作用：①使γ- Al2O3转变为稳定的α- Al2O3。

这样制品在烧成时的线收缩可以从22%降低为14%，或者体积收缩从53%降低为37%。

②煅烧后的Al2O3可能形成极细小的α- Al2O3单晶颗粒。

③球状Al2O3的脆性提高，易于研磨。

④预烧还可以排除原料中的杂质Na2O，提高原料的纯度，从而提高产品的性能。

2.1.3 氧化铍陶瓷BeO晶体为无色，熔化温度范围为2530-2570℃，为六方形晶体结构结构稳定，无晶形转变如图10，密度为3.03 g/cm3，莫氏硬度9，高温蒸气压和蒸发速度比较低。

在真空中可在1800℃长期使用，在惰性气体中可在2000℃下使用，在氧化气氛中，1800℃时有明显挥发。

图10 氧化铍结构图氧化铍陶瓷(BeO)因其具有高热导率、高熔点(2530±10℃)、高强度、高绝缘性、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点,在特种冶金、真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。

尤其是在大功率半导体器件、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中，BeO一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料。

核技术材料：BeO具有高的中子散射截面,可以将核反应堆中泄露出来的中子反射回反应堆内,因而已经被广泛用作原子反应堆中的中子减速剂(反射器)和防辐射材料如图11。

此外BeO优异的热、红外光学性能及热激发射特性,使其适合用于热荧光、外电子发射和电子顺磁共振剂量计中的探头。

图11核反应堆的热交换器图12 氧化铍瓷导热系数测定真空和电子材料：高的热导率和低的介电常数是BeO材料在真空和电子技术领域得到广泛应用重要原因。

BeO陶瓷目前已用于高性能、高功率微波封装，BeO基片也已用于高电路密度的多片组件如图12。

采用BeO材料可以将系统中产生的热量及时地散去,保证系统的稳定性和可靠性。

图13快速热电偶及测温枪BeO陶瓷还广泛用于宽带大功率的电真空器件中,如行波管的输能窗、夹持杆和降压收集极。

低的介电常数和损耗有利于获得很好的宽频匹配特性,同时也可减少功率损失。

高的导热率可以将大功率器件中产生的热量及时地传导出去如图13,从而能够保证器件的稳定性和可靠性。

氧化铍陶瓷制备由于杂质对氧化铍陶瓷性能具有很大影响，因此需要制取高纯的氧化铍粉体。

制备时以国产工业级氧化铍粉体为主原料，经物理除杂后，用酸溶解配制成铍盐水溶液。

采用多次连续化学除杂工序去除溶液中所含W、Nb、Fe、Pb等20多种杂质元素，再经沉淀及煅烧制得平均粒径为20nm、氧化铍纯度达99.18%以上的无强团聚的近球形粒子氧化铍粉体。

氧化铍陶瓷的制备一般分为冷压烧结和热压烧结。

添加质量分数为1%以下的MgO、TiO2、Fe2O3可以促进氧化铍的烧结。

冷压在100MPa下进行，压坯在1800℃下烧结10min，密度可达2.65g/cm3。

热压压力1.4MPa，温度1800℃，时间10min，密度达2.96g/cm32.1.4 氧化锆陶瓷ZrO2是由含锆矿石提炼出来的。

较纯的ZrO2粉呈黄色或灰色。

高纯的ZrO2粉呈白色。

但常含二氧化铪杂质，二者化学性质相似，不易分离，它们对材料的电性能影响也相似。

它具有：（1）热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高：可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等;（2）硬度高，耐磨性好：可用于制造切削刀具、模具、剪刀如图14、高尔夫球棍头如图15等;（3）具有敏感特性：可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头如图16假牙如图17等。

图14 ZrO 2剪刀 图15 ZrO 2高尔夫球棍1图16 ZrO 2钢液测氧探头 图17 ZrO 2假牙ZrO 2密度为5.49 g/cm3，熔点为2715℃。

在不同温度下，ZrO2以三种同质异形体存在，即立方晶系，单斜晶系，四方晶系。

三种晶型的ZrO2密度为:单斜型为5.65 g/cm3，四方型为6.10 g/cm3，立方型为6.27 g/cm3。

晶型转变纯ZrO 2烧结冷却时发生的ｔ→ｍ相变为无扩散相变，伴随产生约７％的体积膨胀和相当大的剪切应变（约８％）；相反，在加热时，由ｍ→ｔ相变，体积收缩。

在萤石结构如图18中为了形成稳定的八配面体结构，晶体中的阳离子半径与阴离子半径的比值应大于0.732，而锆氧离子半径比为0.564。

图18 萤石(fluori)结构当ZrO2中稳定剂加入量在某一范围时，高温稳定的c-ZrO2通过适当温度下时效处理使c-ZrO2大晶粒（c 相）中析出许多细小纺锤状的t-ZrO2（t 相）晶粒，形成 c 相和t相组成的双相组织结构。

其中c 相是稳定的而t相是亚稳定的并一直保存到室温。

在外力诱导下有可能诱发t 相到m 相的马氏体相变并伴随体积膨胀，耗散部分能量、抵消了部分外力从而起到增韧作用，称为应力诱导相变增韧。

这种陶瓷称之为部分稳定氧化锆(partially stabilized zirconia，PSZ)，当稳定剂为CaO、MgO、Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ、Mg-PSZ、Y-PSZ 等。

当ZrO2中稳定剂加入量控制在适当量时可以使t-ZrO2以亚稳状态稳定保存到室温，那么块体氧化锆陶瓷的组织结构是亚稳的t- ZrO2细晶组成的四方氧化锆多晶体称之为四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP)。

在外力作用下可相变t-ZrO2发生相变，增韧不可相变的ZrO2基体，使陶瓷整体的断裂韧性改善。

当加入的稳定剂是Y2O3、CeO2，则分别表示为Y-TZP、Ce-TZP等。

氧化锆陶瓷的制备：ZrO2陶瓷成型可采用注浆法或干压法成型。

注浆成型时，可向ZrO2细粉中加入少量的阿拉伯树胶和20％左右蒸馏水，具有良好的注浆性能浆料用热压法可制得透明ZrO2陶瓷。

粉料中粗颗粒多，则体积收缩小，细颗粒多则产品致密度高，烧成温度为1650-1800℃，保温2～4小时。

2.1.2氧化镁陶瓷MgO陶瓷是以MgO为主要成分的陶瓷，主晶相MgO，属立方晶系氯化钠结构，熔点2800℃，理论密度为3.58 g/cm3。