碳化硅，氮化硅，氧化铝，氧化锆，氮化硼等一文读懂先进陶瓷的特性！

栏目：技术知识发布时间：2023-11-20

在铜合金那篇文章中，我提到了要写陶瓷。

陶瓷材料因其高强度、高硬度、耐磨、高温稳定等独特性能，广泛应用于许多领域。

例如，研究表明，全陶瓷轴承在水中的性能优于任何不锈钢。常用的陶瓷轴承材料有氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3）或碳化硅（SiC）等。而用于水处理环境的最佳陶瓷材料是氮化硅和氧化锆，其使用寿命比不锈钢轴承长70倍（原因读完本篇你就知道了）。

氮化硅陶瓷和轴承钢的特性对比。

一般来说，陶瓷材料具有如下的特性：

陶瓷材料的一般特性。

耐热：每一件陶瓷制品都经过烘烤过程，并且每一件陶瓷制品都是耐热的，只有在高温下才会熔化。

坚硬：每个陶瓷元件都坚硬，因为陶瓷的概念是高耐用性。因此，如果不够坚硬耐用，就不是陶瓷。

高绝缘性：几乎所有的陶瓷制品传输的电流或温度都非常低。这种非导电的特性使陶瓷成为良好的绝缘体。

化学惰性：陶瓷材料的另一个属性是它们对不同的化学品不敏感。所有陶瓷在给定条件下通常不与化学物质发生反应。

那么，我们经常听到的碳化硅，氮化硅，氧化铝，氧化锆，氮化硼等属于哪种陶瓷？有什么特殊的性能和应用？陶瓷的一般生产流程又是什么？

本文就来聊聊陶瓷。

陶瓷的分类

一般来说，工程陶瓷材料可分为两类：传统陶瓷和先进陶瓷。

通常，传统陶瓷由三种基本成分制成：粘土、二氧化硅和长石。例如砖、瓦、瓷器，卫生间马桶和混凝土等制品。

玻璃也是常见的传统陶瓷，如透明容器、窗户、镜子、镜片等都用玻璃制作。它们是含有其他氧化物（通常是 CaO、Na2O、K2O和Al2O3）的非结晶硅酸盐，这些氧化物会影响玻璃的性能和颜色。

生活中常见的陶瓷产品。

传统陶瓷制品。

硅酸盐陶瓷的规格。

水泥、熟石膏和石灰属于混泥土陶瓷。这些材料的特性是当它们与水混合时，会形成浆料，随后凝固并最终硬化，因此几乎可以形成任何形状。它们还用作粘合相，例如建筑砖之间的粘合相。

陶瓷分类、特性和应用。

然而，先进陶瓷材料由高纯度的氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）等化合物组成。

先进陶瓷按不同的用途，可分为结构陶瓷、工具陶瓷和功能陶瓷。

结构陶瓷具有优良的强度、硬度、绝缘性、导热性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨、高温强度等特性。它可以用于非常恶劣的环境或工程条件，表现出高稳定性和优异的机械性能。

结构陶瓷的主要材料有氧化铝陶瓷（Al2O3）、氮化硅陶瓷（Si3N4）、碳化硅陶瓷（SiC）、六方氮化硼陶瓷（BN）等。

先进陶瓷的产品形式。

先进陶瓷制品。

先进陶瓷制造的螺钉。

典型的先进陶瓷分类。

先进陶瓷的应用。

结构陶瓷在高温强度和临界耐热方面优于金属材料，所以结构陶瓷是高温应用的主要候选材料，例如燃气轮机和聚变反应堆的部件，当然结构陶瓷也可用于制造瓷砖和砖等。

磨料陶瓷用于研磨、磨损或切削其他材料，属于工具陶瓷。除了高韧性之外，这组材料的首要要求是硬度或耐磨性。由于它们还可能暴露在高温下，因此它们需要表现出一定的耐火性。

最常见的磨料是碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）、刚玉（Al2O3）、金刚石、碳化钨、硅砂和硅碳化硼。例如在超声波加工和高压水切割领域（后续开2篇文章单独写，欢迎持续关注），B4C 是最好、最高效的，但价格昂贵。SiC 用于玻璃、锗和大多数陶瓷加工，但是使用 SiC的切削时间比使用B4C的切削时间长约 20-40%。而钻石粉仅用于切割钻石和红宝石。

耐火陶瓷是非常耐热的工程材料，属于功能陶瓷，旨在承受工业过程所需的极端温度。耐火陶瓷产品包括窑衬、坩埚、核反应堆、航空航天和汽车部件、陶瓷保护涂层等。

氧化物陶瓷

氧化物陶瓷由金属氧化物制成，例如氧化铝、氧化锆和二氧化硅等。它们用于切削工具、轴承、电绝缘体和牙科植入物等。

1.氧化铝陶瓷（Al2O3）

氧化铝陶瓷的主要成分是Al2O3，一般含量在45%以上。氧化铝陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、良好的介电性等各种优异性能，是普通陶瓷的2~3。然而，氧化铝陶瓷的缺点是易碎，无法接受环境温度的突然变化。

根据Al2O3含量和所用添加剂的不同，氧化铝可分为不同系列。

例如，氧化铝可分为75%氧化铝、85%氧化铝、95%氧化铝、99%氧化铝等。

不同氧化铝陶瓷的参数。

根据晶相的不同，有莫来石、刚玉-莫来石、刚玉。根据所用添加剂的品种，有铬刚玉、钛刚玉等。

氧化铝是一种优良的电绝缘体，可抵抗极高的电流，其抗电能力随其纯度的增加而增加，氧化铝的纯度越高，电阻就越高。

众所周知，氧化铝还具有非常高的熔点和很强的机械强度，普通Al2O3产品的熔点非常高，为2072℃。然而，当温度超过1000摄氏度时，其机械强度会下降。

由于其热膨胀系数差异巨大，当暴露在非常高的温度下时，其抗热冲击能力较差。

氧化铝优异的化学稳定性是其高耐腐蚀性的主要因素。

氧化铝还微溶于强酸（如热硫酸和热HCl、HF也有一定的腐蚀作用）和碱性溶液，但不溶于水。纯氧化铝可以抵抗化学腐蚀，使纯氧化铝成为多种工业零部件的主要选材。

氧化铝陶瓷材料还具有很低的蒸气压和分解压。

氧化铝陶瓷的这些特性使其成为结构、磨损和腐蚀环境中使用最广泛的陶瓷之一。

氧化铝陶瓷通常由铝土矿制成，可使用注射成型、模压、等静压、注浆成型、金刚石加工和挤压成型。与氮化铝一样，氧化铝也可以通过干压和烧结或使用适当的烧结助剂通过热压来生产。

由于其优异的化学稳定性，氧化铝陶瓷广泛应用于耐酸泵叶轮、泵体、输酸管道内衬和阀门等。

又由于它有极高的硬度和耐磨性，氧化铝陶瓷也常用于制造纺织耐磨零件和刀具。它是木制品和金属制品行业最常用的磨料。对于磨制裸木、涂漆表面和金属结构件，氧化铝陶瓷比碳化硅更好。

陶瓷材料密度和硬度排序。

当氧化铝含量高于95%，可作为优良的电绝缘体，它们还具有较低的介电损耗，在电子和电器领域有着广泛的应用。

此外，透明氧化铝对可见光和红外线具有良好的透过性，可用于制造高压钠灯和红外探测窗材料。

氧化铝管可用于工业炉和热电偶保护器。高纯度氧化铝材料非常适合制造 CVD、离子注入、光刻和半导体零件。

另外，氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性（和钛合金类似）、高强度、高耐磨性。因此，它们也是制备人工骨和人工关节的理想材料。

总之氧化铝陶瓷应用十分广泛：可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封圈等。

2.氧化锆（ZrO2）

氧化锆陶瓷具有低导热率（可隔热）和高强度，于 20 世纪 60 年代首次用于太空旅行，形成热障，使航天飞机能够进入地球气氛。此外，它能很好地应对高温，氧化锆陶瓷的工作温度范围为 -85°C 至 400°C。但其耐热冲击性不如氮化硅。

氧化锆的产品形式。

氧化锆的性能。

氧化锆具有很强的耐腐蚀性，这使得氧化锆成为高腐蚀性液体的完美选择。

氧化锆陶瓷具有非常高的抗裂纹扩展能力，使其成为焊接工艺和线材成型工具的理想选择。也使其非常适合用于涉及断裂风险的机械应用。

它们还具有非常高的热膨胀性，与钢相似的热膨胀系数，使其成为连接陶瓷和钢的首选材料。

基于其摩擦学特性，氧化锆非常适合滚动运动，例如线性轴承或滚珠轴承（如厂家TK linear）。此外，氧化锆和氮化硅陶瓷具有高真空兼容，无磁，不导电，耐高低温，耐化学介质，高刚性，长寿命等优点。氧化锆和氮化硅制作轴承后可干转。

陶瓷轴承的特性。

氧化锆与氧化铝相比，机械性能高、强度高、韧性高。如果强度是唯一要求，则推荐使用该材料。

此外，氧化锆（ZrO2）是一种在健康领域以其生物相容性、生物惰性、高机械性能和化学稳定性而闻名的陶瓷。在牙科行业，氧化锆陶瓷被用来制造各种牙科修复产品。

例如，不透明或半透明氧化锆毛坯用于制造牙桥、牙冠和贴面。热等静压氧化锆用于制造牙种植体和基台。使用氧化锆进行牙齿修复的主要优点之一是成品的表面光洁度与天然牙齿非常相似。此外，氧化锆陶瓷具有半透明性和光泽，这使得它们适用于与周围牙齿材料外观相似的应用。

3.二氧化硅(SiO2)

二氧化硅是许多工程陶瓷的重要成分，是应用最广泛的陶瓷材料。二氧化硅基材用于隔热、磨料、实验室玻璃器皿、光纤的组成部。二氧化硅细颗粒还可用于轮胎和油漆等。

4.二氧化钛(TiO2)

它主要作为颜料存在于油漆中。它也是某些玻璃陶瓷的一部分。用于制造其他陶瓷，如BaTiO3。

5.氧化铀(UO2)

氧化铀主要用作核反应堆燃料。它具有出色的尺寸稳定性，因为它的晶体结构可以容纳裂变过程的产物。

6.钇铝石榴石(YAG,Y3Al5O12)

钇铝石榴石主要应用于激光器（Nd-YAG激光器）。

7.钻石(C)

钻石是已知自然界中最坚硬的材料。它有许多用途，如工业磨料、切削工具、耐磨涂层等。当然，它也用于珠宝。

8.锆钛酸铅(PZT)

PZT是应用最广泛的压电材料，可用作气体点火器、超声波成像、水下探测器等。

碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷的主要成分为SiC，是一种高强度、高硬度的高温陶瓷。当在1200℃～1400℃的高温下使用时，碳化硅陶瓷仍能保持较高的抗弯强度，可用于火箭尾喷管、热电偶套筒、炉管等高温部件。

不同陶瓷和轴承钢工作温度对比。

此外，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性以及较高的冲击韧性。是一种坚固耐用的陶瓷材料，它还具有低密度、低热膨胀率和出色的耐热冲击性，使其适用于各种应用。

不同陶瓷和轴承钢硬度对比。

碳化硅陶瓷参数。

碳化硅陶瓷规格。

碳化硅是通过碳和硅原子的化学结合而产生的。碳化硅颗粒多年来一直被用作磨料，最常见的是砂纸形式。然而，这些颗粒可以通过烧结结合在一起，形成高度耐用的陶瓷材料，它具有优异的机械性能，这使其成为制造轴承的绝佳选择。

由于具有较高的导热性和导电性，碳化硅可用作静电消除零件。

氮化物陶瓷

氮化物陶瓷由金属氮化物制成，例如氮化硅和氮化铝。

1.氮化硅陶瓷（Si3N4）

Si3N4是氮化硅陶瓷的主要成分，是一种高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、自润滑的高温陶瓷。

氮化硅陶瓷规格。

如果你正在寻找能够承受高温和恶劣机械条件的材料，那么碳化硅是优良选择，尽管这种材料相对昂贵。在承受高温方面，氮化硅优于金属解决方案，Si3N4 的工作温度范围为 -100°C 至 900°C。此外，氮化硅的线膨胀系数是各类陶瓷中最小的，氮化硅的热膨胀系数为 3.2 x 10-6/k，而碳化硅的热膨胀系数为 3 x 10-6/k，氧化锆和氧化铝的热膨胀系数分别为 10.5 x 10-6/k 和 8.5 x 10-6/k，但这两者都远低于轴承钢，轴承钢的系数为 12.5 x 10-6/k 。

先进陶瓷的规格。

先进陶瓷和轴承钢的规格。

氮化硅的耐热冲击性高达600°C，而碳化硅的耐热冲击性只有400°C，这表明由于温度变化而导致断裂的风险极小。在温度变化较大的环境中，当耐热冲击性是重中之重时，氮化硅和碳化硅是最佳选择。

此外，氮化硅具有优良的耐腐蚀性能，可耐除氢氟酸以外的各种酸的腐蚀，以及碱、各种金属的腐蚀。具有优良的电绝缘性和耐辐射性能。

氮化硅陶瓷的这些特性，使其可用作高温轴承、腐蚀介质中使用的密封圈、热电偶套管、金属切削工具等。

比如几十年来，滚珠轴承行业一直在使用这种材料，因为它的性能已得到验证，常用于陶瓷轴承的滚动元件，如滚珠和滚柱。其极高的机械韧性以及优异的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性是其用于各种高负载应用的原因。

2.氮化铝AlN

如果你在绝缘的同时寻求导热，选化铝吧，该材料具有优异的散热性能。应用包括热均衡组件、高温区组件和半导体制造设备组件。

3.六方氮化硼（h-BN）

六方氮化硼陶瓷的主要成分为BN，晶体结构为六方晶系。六方氮化硼陶瓷的结构和性能与石墨相似，故有“白色石墨”之称。

不同等级氮化硼特性对比。

六方氮化硼陶瓷硬度低，可进行机械加工，具有自润滑性能，还可制成自润滑高温轴承和玻璃成型模具。

工具陶瓷

工具陶瓷的主要材料有硬质合金、天然金刚石（金刚石）、立方氮化硼（CBN）等。

1.硬质合金陶瓷

硬质合金陶瓷由金属碳化物和结合剂制成。碳化物主要有WC、TiC、TaC、NBC、VC等，粘结剂主要是钴（Co）。

先进陶瓷和轴承钢硬度对比。

钻石应用于切割刀具。

与工具钢相比，硬质合金具有较高的硬度（87～91HRA）、良好的红硬性（1000℃）和优良的耐磨性。作为刀具使用时，其切削速度比高速钢高4-7倍，使用寿命高5-8倍。但其缺点是硬度高、脆、不易机械加工，因此常制成刀片焊接在刀杆上使用。硬质合金主要用于机械加工刀具；各种模具，包括拉丝模、拉丝模、冷镦模；矿山工具、地质、石油用各种钻头等。

2.天然钻石（钻石）

钻石是一种珍贵的装饰品，由金刚石琢磨而成。而人造钻石在工业上应用广泛。金刚石是自然界中最硬的材料，具有极高的弹性模量，金刚石的导热系数是已知材料中最高的。此外，金刚石具有良好的绝缘性，可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具。但金刚石刀具的热稳定性较差，与铁族元素的亲和力较大，因此不能用于加工铁、镍基合金，而主要用于加工非铁金属和非金属，广泛应用于陶瓷、玻璃、石材、混凝土、宝石、玛瑙等加工。

3.立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼（CBN）具有立方晶体结构，其硬度仅次于金刚石。立方氮化硼的热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可用于切削淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料、镍等难加工材料。

氮化硼陶瓷的规格。

4.其他工具陶瓷

其他工具陶瓷还有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能和工程应用上均不如上述三种刀具陶瓷。

功能陶瓷

功能陶瓷通常具有特殊的物理性能，涵盖多个领域，常见功能陶瓷的特点及应用如下。

1.介电陶瓷

性能：绝缘、热电、压电、强介电。

材料成分：Al2O3、Mg2SiO4、BaTiO3、PbTiO3、LiNbO3。

应用：集成电路基板、热敏电阻、振荡器、电容器。

2.光学陶瓷

性能：荧光、冷光、红外透过率、高透明度、电致变色效果。

材料成分：Al2O3CrNd玻璃、CaAs、CdTe、SiO2、WO3。

应用：激光、红外窗口、光纤、显示器。

3.磁性陶瓷

性能：软磁、硬磁。

材质成分：ZnFe2O、SrO、y-Fe2O3

应用：磁带、各类高频磁芯、电声器件、仪器仪表及控制装置的磁芯。

4.半导体陶瓷

性能：光电效应、电阻温度变化效应、热电子发射效应。

材料成分：CdS、Ca2Sx、VO2、NiO、LaB6、BaO。

应用：太阳能电池、温度传感器、热阴极。

陶瓷制造工艺

最后，我们来看看陶瓷的一般制造工艺。

一般来说，陶瓷部件的制造流程如下所示：原材料→粉末加工/混合→成型→烧制/烧结→最终陶瓷部件。

陶瓷部件的制造流程。

陶瓷产品生产流程。

1.粉末加工

陶瓷的粉末加工与金属的粉末加工非常接近。陶瓷粉末加工包括通过研磨生产粉末，然后制造绿色产品，然后将其固结以获得最终产品。粉末是细颗粒的集合体。将原料经过粉碎、研磨、分离杂质、混合、干燥即可得到陶瓷粉末。

2.混合

通过各种程序和机器将陶瓷成分混合在一起，并通过加入水或其他液体将它们变成浆料。

3.成型

成型通常在底座准备好后开始，常见的成型工艺包括压制、挤压、注射成型和注浆成型，这取决于制造商将制造哪种类型的陶瓷零件。例如，注塑成型通常用于制造简单的陶瓷产品，如管子。

这些过程将加工后的粉末转变为所需的形状，即预成型件。然后通过烧结或烧制进一步固结预成型件，成为最终的陶瓷部件。在陶瓷成型过程中，添加粘合剂可以增强粉末的流动性，从而提高最终组件的密度。

4.烧结

将陶瓷片放入极热的烘箱或烟囱中，通过使其氧化物结合和干燥来强化陶瓷部件。这个化学过程会形成离子键、共价键和陶瓷的晶体结构。烧结还涉及阳离子，离子结构可以通过计算阳离子和阴离子之间的电负性差异来确定。

在预热过程中，温度最高升至250°C，有机添加剂（粘合剂）和可分解成分在此蒸发，不同的添加剂可以起到不同的作用，如降低温度、缩短烧结时间、增加陶瓷密度等。当温度升高到陶瓷的烧制温度时，陶瓷预制件开始固结或烧结，通常伴随着收缩。这种收缩必须在绿态阶段考虑或设计。

5.二次加工

抛光是陶瓷制造过程中最重要的阶段。为了完成陶瓷零件，制造商可以进行二次加工，包括机械加工、上釉、切割、研磨或抛光。

来源：罗罗日记

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