环保奇效优势凸显话陶瓷

李进卫

(湖南十堰神风装备材料公司，十堰 442001)

环保奇效优势凸显话陶瓷

李进卫

(湖南十堰神风装备材料公司，十堰 442001)

摘要:陶瓷制品生产在中国历史悠久,经过长期的发展制造工艺得到不断发展。随着社会的发展和生活水平的提高，在生活中的应用范围越来越广。特种陶瓷又称高性能陶瓷先进陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷等，是新材料的一个组成部分。本文分别介绍了氮化硅功能陶瓷，氮化铝陶瓷，电子陶瓷，生物陶瓷以及氧化锆陶瓷的组织结构，性能特点和应用领域，并同时指出了他们的发展前景和趋势。

关键词:特种陶瓷;性能特点;应用发展

陶瓷制品生产在中国历史悠久,经过长期的发展制造工艺得到不断发展。特别是近20年来制品结构的合理调整，迎合了国内外消费者的消费需求，并随着社会的发展和生活水平的提高，在生活中的应用范围越来越广。特种陶瓷又称高性能陶瓷先进陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷等，是新材料的一个组成部分。由于它具有其他材料所没有的各种优良性能，例如，耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀、优异的电、磁、声、光、热等性能。它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料。在国防现代化建设中武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。除此之外,在当今世界各国把环境保护作为重要的问题来考虑时，以环境保护、生活优化为背景的环境净化功能陶瓷的研究与开发，也必然对改善人类生存环境，实施可持续发展战略起到积极的推动作用。由此可见，特种陶瓷在国民经济建设及国防建设中的作用和地位是十分重要的。

1氮化硅功能陶瓷

氮化物陶瓷是近20多年来发展起来的新型工程陶瓷、与一般的硅酸盐陶瓷不同之处在于前者氮和硅的结合属于共价键性质的结合，因而有结合力强、绝缘性好的特点。

氮化硅陶瓷是一种低成本高耐磨性，烧结时不收缩的无机材料。氮化硅Si3N4陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为[ SiN4 ]四面体，硅原子位于四面体的中心，在其有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。氮化硅的很多性能都归结于此结构。纯Si3N4为3119，有α和β两种晶体结构，均为六角晶形，其分解温度在空气中为1800℃，在011MPa氮中为1850℃。Si3N4线胀系数低、导热率高，故其耐热冲击性极佳。热压烧结的氮化硅加热到l000℃后投入冷水中也不会破裂。在不太高的温度下，Si3N4具有较高的强度和抗冲击性，但在1200℃以上会随使用时间的增长而出现破损，使其强度降低，在1450℃以上更易出现疲劳损坏，所以Si3N4的使用温度一般不超过1300℃。

氮化硅陶瓷是无机非金属强共价键化合物,由于氮原子之间结合得非常牢固,所以具有惊人的耐高温和高强度、高硬度性能,硬度可达HRA91～93;热硬性好,能承受1300～1400℃的高温;摩擦系数也较低,本身具有润滑性,并且耐磨损;抗腐蚀能力强,高温时抗氧化;能抵抗冷热冲击,Si3N4陶瓷在很高的温度下,蠕变也很小,这也是它比金属优越的可贵性能,所以在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值。

固体的氮化硅Si3N4是原子晶体，是空间立体网状结构，每个Si和周围4个N共用电子对，每个N和周围3个Si共用电子对，大体上是和金刚石中的碳原子结构类似，不过是六面体又称六方晶体。是一种高温陶瓷材料，硬度大、熔点高、化学性质稳定工业上常常采用纯Si和纯N2在1300°制取得到。氮化硅是由硅元素和氮元素构成的化合物。在氮气气氛下，将单质硅的粉末加热到1300～1400℃之间，硅粉末样品的重量随着硅单质与氮气的反应递增。在没有铁催化剂的情况下，约7h后硅粉样品的重量不再增加，此时反应完成生成Si3N4。除了Si3N4外，还有其他几种硅的氮化物也已被文献所报道。比如气态的一氮化二硅(Si2N),一氮化硅(SiN)和三氮化二硅(Si2N3)。这些化合物的高温合成方法取决于不同的反应条件(比如反应时间、温度、起始原料包括反应物和反应容器的材料)以及纯化的方法。Si3N4是硅的氮化物中化学性质最为稳定的，也是所有硅的氮化物中热力学最稳定的。所以一般提及“氮化硅”时，其所指的就是Si3N4。它也是硅的氮化物中最重要的化合物商品。在很宽的温度范围内氮化硅都是一种具有一定的热导率、低热膨胀系数、弹性模量较高的高强度硬陶瓷。不同于一般的陶瓷，它的断裂韧性高。这些性质结合起来使它具有优秀的耐热冲击性能，能够在高温下承受高结构载荷并具备优异的耐磨损性能。常用于需要高耐用性和高温环境下的用途，诸如气轮机、汽车引擎零件、轴承和金属切割加工零件。美国国家航空航天局的航天飞机就是用氮化硅制造的主引擎轴承。氮化硅薄膜是硅基半导体常用的绝缘层，由氮化硅制作的悬臂是原子力显微镜的传感部件。

由于Si3N4的理论密度低，比钢和工程超耐热合金钢轻得多，所以，在那些要求材料具有高强度、低密度、耐高温等性质的地方用Si3N4陶瓷去代替合金钢是再合适不过了。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。它极耐高温，强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900℃才会分解，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀；同时又是一种高性能电绝缘材料。氮化硅陶瓷作为一种重要的新型结构材料,在现代制造工业中正发挥着越来越重要的作用。氮化硅陶瓷的性能继钢铁、塑料之后,世界上第三种主要材料将是高技术陶瓷,它可突破现有合金及高分子材料的使用极限。在高技术陶瓷中,氮化硅陶瓷是最具有发展潜力与应用市场的一种新型工程材料。

2氮化铝陶瓷

氮化铝陶瓷是以氮化铝(AIN)为主晶相的陶瓷，AIN晶体以〔AIN4〕四面体为结构单元共价键化合物，具有纤锌矿型结构，属六方晶系。化学组成 Ai65.81%，N34.19%，比重3.261g/cm3，白色或灰白色，单晶无色透明，常压下的升华分解温度为2450℃。为一种高温耐热材料。线胀系数(4.0~6.0)×10-6/℃。多晶AIN热导率达260W/(m·k)，比氧化铝高5～8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。此外，氮化铝具有不受铝液和其它熔融金属及砷化镓侵蚀的特性，特别是对熔融铝液具有极好的耐侵蚀性。氮化铝的理论热导是320W/m·k，大约是铜热导的80%，同时氮化铝有低的介电常数、高电阻、低密度和接近硅的热膨胀系数，综合性能优于Al2O3，BeO，SiC等，被用于高导热绝缘子和电子基板材料。AIN陶瓷的性能与制备工艺有关，如热压烧结AIN陶瓷，其密度为3.2～3 .3g/cm3，抗弯强度350～400MPa(高强型900 MPa)，弹性模量310 GPa，热导率20～30W·m-1·K-1，机械加工性和抗氧化性良好。

氮化铝耐热、耐熔融金属的侵蚀，对酸稳定，但在碱性溶液中易被侵蚀。AIN新生表面暴露在湿空气中会反应生成极薄的氧化膜。利用此特性，可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。由于AIN陶瓷具有高导热、高绝缘性，可作为半导体的基体材料，其热阻与氧化被陶瓷相当，比氧化铝陶瓷低很多，可用作散热片、半导体器件的绝缘热基片，提高基片材料散热能力和封装密度，可用于双列直插式封装、扁平封装。AIN陶瓷的金属化性能较好，可替代有毒性的氧化敏瓷在电子工业中广泛应用。利用AiN陶瓷耐热耐熔体侵蚀和热震性，可制作GaAs晶体坩埚、Al蒸发皿、磁流体发电装置及高温透平机耐蚀部件，利用其光学性能可作红外线窗口。氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等。

氮化铝陶瓷基片，热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高，介电损耗小，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料；氮化铝粉末纯度高，粒径小，活性大，是制造高导热氮化铝陶瓷基片的主要原料；氮化铝硬度高,超过传统氧化铝,是新型的耐磨陶瓷材料,但由于造价高,只能用于磨损严重的部位.利用AIN陶瓷耐热耐熔体侵蚀和热震性，可制作GaAs晶体坩埚、Al蒸发皿、磁流体发电装置及高温透平机耐蚀部件，利用其光学性能可作红外线窗口。氮化铝薄膜可制成高频压电元件、超大规模集成电路基片等。氮化铝耐热、耐熔融金属的侵蚀，对酸稳定，但在碱性溶液中易被侵蚀。AIN新生表面暴露在湿空气中会反应生成极薄的氧化膜。利用此特性，可用作铝、铜、银、铅等金属熔炼的坩埚和烧铸模具材料。AIN陶瓷的金属化性能较好，可替代有毒性的氧化敏瓷在电子工业中广泛应用。

氮化铝(AlN)是一种综合性能优良新型陶瓷材料,具有高的导热率、低的热膨胀系数、高的绝缘特性和良好的机械强度及无毒等一系列优良特性,作是新一代高导热绝缘散热材料，是高集程度半导体基片和电子器件封装的理想材料,受到了国内外研究者的广泛重视，在微电子、光电子、电力电子等领域具有广阔的应用前景。氮化铝多层陶瓷基板是利用多层共烧技术而制成的高导热高密度基板，覆铜陶瓷基板是在高温下将高导电无氧铜直接键合到氮化铝陶瓷表面所形成的陶瓷复合基板。多层陶瓷基板具有导热率高、布线密度高、可靠性高的特点，适用于高密度微波模块和组件，对于降低模块的体积和重量，提高模块的集成度具有重要的意义。陶瓷覆铜基板具有导热率高、电流承载能力强、可靠性高的特点，并能像PCB一样刻蚀出各种图形，是新型电力电子器件和模块关键绝缘散热基板。氮化铝多层陶瓷及覆铜基板主要用于高功率电子领域，可在电力电子、微电子、光电子等领域用作散热基板。

由于具有优良的热、电、力学性能，氮化铝陶瓷引起了国内外研究者的广泛关注，随着现代科学技术的飞速发展，对所用材料的性能提出了更高的要求。氮化铝陶瓷也必将在许多领域得到更为广泛的应用。为了促进氮化铝研究和应用的进一步发展，必须研究低成本的粉末制备工艺和方法；制约氮化铝商品化的主要因素就是价格问题。若能以较低的成本制备出氮化铝粉末，将会大大提高其商品化程度。高温自蔓延法和低温碳热还原合成工艺是很有发展前景的粉末合成方法。二者具有低成本和适合大规模生产的特点，研究复杂形状的氮化铝陶瓷零部件的净近成形技术如注射成形技术等，它对充分发挥氮化铝的性能优势，拓宽它的应用范围具有重要意义。

3电子陶瓷

电子陶瓷是在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷。指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷。这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外，对周围环境的变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定性，这对电子元件是很重要的性能，另外就是能耐高温。是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、传输及存储等功能为主要特征的，主要包括铁电、压电、介电和磁性陶瓷等。在信息的检测、转化、处理和存储显示中应用广泛，是中基础的关键材料。

电子陶瓷或称电子工业用陶瓷，它在化学成分、微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的，其中最重要的是须具有高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介质常数在很宽的范围内变化，介质损耗角正切值小，电容量温度系数可以调整(或电容量变化率可调整)．抗电强度和绝缘电阻值高，以及老化性能优异等。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用。

电子陶瓷主要有两大类,即电性能和功能性的电子陶瓷。电性能方面,电子陶瓷是制造加热器、避雷设备、湿度计、光电池等产品的重要材料,因为它具有良好的“热敏、压敏、湿敏、气敏和光敏”性能。热敏是指利用电子陶瓷加热后电阻会发生改变的性能,制造加热器,如电吹风等。给电子陶瓷施加压力,也会改变它的电阻,以此用来生产过压保护器,如避雷针,这是它的压敏性能。同样“湿敏、气敏、光敏”是指电子陶瓷除对热和压力外,还对湿度、各种气体以及光线有很强的敏感度。用电子陶瓷制成测试计,可用来检测气体的泄露。功能电子陶瓷又分压电陶瓷、热释电子陶瓷、光电陶瓷和磁性陶瓷等。

电子陶瓷按用途可分为铁电陶瓷、电解质陶瓷、半导体陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、光电陶瓷、绝缘陶瓷。电子电和传感器的高性能、超小型化、降低元件数、低成本以及对电子器件寿命、耐久性的要求刺激了电子陶瓷的不断发展。电子陶瓷在电子技术中主要用作高频绝缘装置零件、混合集成电路和微波集成电路用的陶瓷基板等。由于陶瓷薄膜和透明陶瓷的发展，电子陶瓷的应用已拓展到微电子和光电子技术领域。电解质陶瓷常温下对电子的绝缘性良好，在一定温度和电场下，对某些离子又有良好的离子导电性，常用于钠硫电池的隔膜材料、电子手表和高温燃料的电池材料等。

半导体陶瓷对声、光、热磁敏感，常用于各种敏感元件及半导体电容器；导电陶瓷常用于磁流体发电的电极材料；电容器陶瓷介电常数大，介电损耗小，电阻率高，强度高，用于电容器的介质。陶瓷电容器是目前高速发展的现代电子技术的基础之一。今后随着集成电路和大规模集成电路发展，电容器向小型化大容量方面发展，多层陶瓷芯片受到广泛关注。

光电陶瓷具有电控光散射和双折射效应以及光色散效应，常用于光闸、光阀或电控多色滤色器以及光存贮及显示材料。压电陶瓷在电压作用下，能够伸长或收缩即可以用来做功，将电能转变为机械能，也可以将电能与声能相互转换，常用于各种电声器件，如：扬声器、传声器、水声换能器件、变压器及静电印刷等设备中的高压电源。装置陶瓷介电损耗小，绝缘强度高，导热性能好，常用于高频装置中的绝缘子，电热绝缘器零部件和高频高压高功率的电容器件。氧化铝瓷还可以用作汽车和航空火花塞，集成电路基板、微波管壳、插座、机械密封圈等。透明陶瓷常用于红外检测窗、钠光灯管、高温透镜、放电灯管。有一种透明陶瓷还可以在通电后数秒内由透明变为不透明，这种材料可制成防护用眼镜和飞机的防护窗。

铁氧磁性陶瓷涡流损失小，介质损耗低，导磁率高。常用来做电声器件、高频磁芯如滤波器、变压器、天线的磁芯以及磁带、录音机和录像机磁头、计算机的磁性存贮器等。

电子陶瓷材料的发展，同物理化学、应用物理学、硅酸盐物理化学、固体物理学、光学、电学、声学、无线电电子学等的发展密切相关，它们相互促进，从而在电子技术的飞跃发展中，使电子陶瓷也相应地取得了很大进展。电子陶瓷材料的开发应用首先依赖于新材料的发现和人工合成。由于现代科学技术的发展，化学与材料科学的发展与有机结合，产生了材料化学，物理与材料科学紧密结合形成了材料物理。近百年来，新化合物、固溶体、多晶型等不断涌现。电子陶瓷领域中，合成化合物及材料特性方面取得了某些重大进展。现在我国已经能够生产大多数的电子陶瓷、IC基板、瓷介电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣器、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件已能大量生产，并且还占有一定的国际市场，但大部分产品的利润并不是很高，产品的技术含量和附加值都相对较低，而且目前世界上最先进的超高利润的电子陶瓷产品我们没有能够占领市场，许多电子整机中的电子陶瓷元件仍需大量进口，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器等，国内市场很大，但全靠进口。因此，提升产品的技术含量和附加值，加大产品的利润率是电子陶瓷发展的关键和目标。只有在这些方面做得好的企业，才有可能在将来的电子陶瓷市场中独领风骚。

4生物陶瓷

生物陶瓷不仅具有不锈钢、塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。生物陶瓷主要作为生物硬组织的代用材料，用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面，生物陶瓷也可用于测量和诊断治疗等。生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统，以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料。生物陶瓷作为硬组织的代用材料来说，主要分为生物惰性和生物活性两大类。生物惰性陶瓷材料，即化学性能稳定，生物相溶性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度、耐磨性以及化学稳定性，它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。生物活性陶瓷材料，包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合；生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系),羟基磷灰石陶瓷,磷酸三钙陶瓷等几种。

生物陶瓷按生化与生理上的功能与作用，分为：吸收性生物陶瓷能通过生物的新陈代谢与细胞组织成分互相置换且完全被吸收。表面活性生物陶瓷主要用于口腔或颌部的修补外科手术。医疗用生物陶瓷不是用来植入人体的，是用功能陶瓷制成的医用超声换能器，用于脑和心脏的诊断，还可用来粉碎人体内结石。生物材料的分支之一是人体植入材料，植入材料要求具有生物相容性和长期稳定性，羟基磷酸钙微晶陶瓷与人体自然骨有很好的相容性。等离子喷涂氧化铝羟基酸钙可制成人工牙齿、人工颌面骨、人工关节、脊椎衬板和人工骨骼等。

生物功能陶瓷材料的基本要求就是对健康无危害，又不被生化作用所破坏。即要求材料物理、化学和生理学性质稳定，对生物组织无刺激，不被生物组织腐蚀、吸收、具有良好的相容性。同时,人体骨骼必须承受较大的应力,大约需要200MPa的强度。许多陶瓷材料具备上述各种要求,所以近30年来，它正在逐步取代传统的生物硬组织材料，如不锈钢、钛合金和其它金属材料。传统的金属生物材料易在生物体内溶析、腐蚀。有机非金属生物材料强度低。而陶瓷的表面结构呈亲水性，与生物组织有优异的亲和力，同时具有重量轻、强度高和刚度大等优点。生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同 其表面发生牢固的键合；生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系)羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。

生物功能陶瓷按用途可分为七个方面。一是人工骨或人造关节;二是运动系统的人工脏器材料;三是形态修复和整形外科材料;四是人造牙根和假牙;五是人工肝脏内的吸附材料(活性炭);六是固定酶载体(多孔玻璃);七是诊断检测仪器的温度、气体、离子传感器等各种传感器材料。生物功能陶瓷对保障人体健康、美容等发挥发挥了不可替代的作用。

随着材料科学的发展，生物材料由于具有对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功能，已成为当今生物医学工程学中的重要组成部分。其研究内容涉及材料、医学物理、生物化学和现代高技术等诸多学科领域。过去，应用最广泛的生物医学材料为金属和有机材料，其存在着许多缺点。如金属材料植入人体内后，容易发生腐蚀，产生对人体有毒的金属离子，并且金属磨屑会引起周围生物组织发生变化等问题；而有机材料大多强度较低，难以满足力学性能和耐久性的要求。生物陶瓷材料作为一种无机生物医学材料，与生物组织具有良好的相容性和优异的亲和性，稳定的物理化学性质，可灭菌性及无毒性等优点，越来越受到人们的重视。生物陶瓷是材料工业发展的一个新领域，受到世界各国的关注。

5氧化锆陶瓷

纯净的是白色固体，含有杂质时会显现灰色或淡黄色，添加显色剂还可显示各种其它颜色。在常压下纯ZrO2共有三种晶态。氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体，氧化锆超细粉末的制备方法很多，氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等。通常含有少量的氧化铪，难以分离，但是对的性能没有明显的影响。氧化锆有三种晶体形态：单斜、四方、立方晶相。常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。但是添加(例如：)以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围、

氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体，氧化锆超细粉末的制备方法很多，氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等。粉体加工方法有共沉淀法、溶胶一凝胶法、蒸发法、超临界合成法、微乳液法、水热合成法网及气相沉积法等。

氧化锆陶瓷的成型有干压成型、等静压成型、注浆成型、热压铸成型、流延成型、注射成型、塑性挤压成型、胶态凝固成型等。其中使用最广泛的是注塑与干压成型。

氧化锆基固体电解质：固体氧化物燃料电池(SOFC)是近年迅速发展起来的新型绿色能源。固体电解质是SOFC的核心部件，SOFC要求电解质具有高的离子电导率，低的电子迁移数，与电极材料、氧化燃气保持化学稳定，在一个较宽的温度和氧化压范围内保持热力学稳定，与其它电池组件在线胀系数上匹配，具有良好的气密性以及适宜的力学性能等。氧化锆陶瓷因其拥有较高的离子电导率，良好的化学稳定性和结构稳定性，成为研究最多、应用最为广泛的一类电解质材料。通过对氧化锆基电解质薄膜制备工艺的改进，降低此类材料的操作温度和制备成本，力争可以实现产业化也是未来研究的重要方向。

石油钻探、石油化工、煤化工、矿山开采等行业使用的耐磨耐腐蚀重要部件，所普遍使用的耐磨耐腐蚀材料是硬质合金、氧化锆陶瓷、不锈钢等，由于使用后难以回收，浪费大量铬、锆、钇、镍等战略材料，因此发达国家将大多数相关产业转移到我国，造成我国战略资源的重大损失。同时，随着经济发展带来资源需求急剧增加，相关材料价格在短期内均大幅上涨，且未来上涨趋势仍将长期持续，企业已经难以承受越来越大的成本压力，很多陷入微利甚至亏损状态。由于长期经受酸碱腐蚀和磨料磨损，目前钻井泵缸套通常使用高铬硬质合金和氧化锆陶瓷材料，这两种缸套均为双体镶装，生产工艺复杂。双金属缸套内衬采用高铬硬质合金，加工难度大，使用寿命短，部件需经常更换，氧化锆陶瓷缸套成品率低、容易失效、材料成本高，都对钻井安全和效率有较大影响，在石油开采行业的使用情况均不理想。目前普遍使用的缸套是采用金属材料制成的，由于耐磨性差，使用寿命很短，随着人类对全球油气资源的开采范围不断扩大，逐渐朝着沙漠，荒原，深海延伸，井越找越深，井况越来越恶劣，大量的金属缸套被频繁的更换以保证钻机的高压和强磨损的要求，繁重的体力劳动，高昂的运输和存储费用等成为了现实问题。金属陶瓷的坚硬耐磨，抗酸碱腐蚀性强，很适合作为泥浆泵的缸体材料，适用于石油储层较深、地质结构恶劣的钻采环境以及海上石油、天然气开发。双金属缸套内衬采用高铬硬质合金,加工难度大,使用寿命短,部件需经常更换,氧化锆陶瓷缸套成品率低、容易失效、材料成本高,都对钻井安全和效率有较大影响。国内研制成功氧化锆陶瓷缸套，其抗弯强度r=750～900 MPa，断裂韧性KIc=15～17 MPa·m1/2，寿命可达2500 h以上，是金属缸套的10倍，并已投入生产，产品已在多家油田应用，提高了采收效率，为油田带来可观的经济效益。

氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体，氧化锆超细粉末的制备方法很多，氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等。粉体加工方法有共沉淀法、溶胶一凝胶法、蒸发法、超临界合成法、微乳液法、水热合成法网及气相沉积法等。

氧化锆陶瓷的成型有干压成型、等静压成型、注浆成型、热压铸成型、流延成型、注射成型、塑性挤压成型、胶态凝固成型等。其中使用最广泛的是注塑与干压成型。

由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性,优异的隔热性能,热膨胀系数接近于钢等优点,因此被广泛应用于结构陶瓷领域。主要有:Y-TZP磨球、分散和研磨介质、喷嘴、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、表壳及表带、手链及吊坠、滚珠轴承、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温耐磨零器件等。

氧化锆陶瓷因具有相变增韧特性，是已知氧化物陶瓷中韧性和强度综合性能最佳的材料，被誉为“陶瓷钢”。氧化锆陶瓷刀具采用亚微米级超细粉体，以先进的水基料浆注凝法成型，高温烧制后再经过精密研磨加工制成，具有金属刀无法比拟的优点，充分体现了绿色环保概念，是现代厨房替代传统刀具的“贵族刀”，且外型美观精致，刃口锋利无比，是真正意义上的永不磨损、永不腐蚀的刀。其科技含量高，品质卓越，乃刀中极品。

陶瓷刀具的优点：超高硬度，耐高温。使用航天用的特种陶瓷高科技高温制成，硬度仅略低于金刚石。金刚石硬度为10，陶瓷刀硬度为9(HRA87)，一般钢刀为7。所以，在硬度为5的玻璃上。陶瓷刀具耐磨性是金属刀的60倍。几十年无需再磨，极其耐久。比一般金属刀更安全、更轻巧。陶瓷刀具耐酸抗腐蚀、永不生锈。不会给食物带来异味(没有普通金属刀的金属味)。该特种陶瓷化学性能非常稳定，不与食物发生任何化学反应。陶瓷刀具无毒无磁性、卫生环保。表面密度大，不容易沾染食物汁液，减少细菌滋生机会。极易清洗干净，做到绝对环保。由于陶瓷刀具上面的几个特点使它能保持食品的原色、原味，而且它比金属刀轻巧好用，让人在长时间使用时也能轻松愉快，尽享美食风味。陶瓷刀色泽圆润、洁白，独具玉石般丰润亮泽之质感，典雅时尚，平添高贵享受。陶瓷刀充分体现新世纪、新材料的绿色环保概念，是高新技术为现代生活奉献的又一杰作。

在方面，其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性能参数，主要应用于氧传感器、和高温发热体等领域。ZrO2具有较高的折射率，在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素，可将它制成多彩的半透明多晶ZrO2材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多彩的光芒，可制成各种装饰品。另外，氧化锆在热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、纺织等领域正得到广泛应用。目前，氧化锆粉末和陶瓷的技术日趋成熟，生产的氧化锆粉达到国际先进水平并大量出口。氧化锆陶瓷部件，如陶瓷缸套、柱塞、球阀、光纤接插件、磨球、水果刀、剪刀、理发推子等得到越来越多的应用。

6结束语

能源与环境是关系我国经济能否持续发展，甚至是影响千秋万代的头等大事。如今世界已进入了低碳经济时代，对于高能耗、二氧化碳排放量较大的陶瓷行业来说，实现节能减排和清洁生产、开发环保奇效优势凸显的特种陶瓷已成为低碳经济时代发展的新课题。近年来陶瓷研究工作者紧紧抓住能源与环境两大严峻课题，最大限度发挥陶瓷的优势，开拓节能环保新技术，利用结构陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、高热导及其它光电特性，在能源回收、隔热、照明、冶炼、金属工艺等过程中实现节能降耗、减少污染、环境保护方面，通过技术创新和研发，陶瓷行业在低碳化发展方面已经取得了明显成效。

·信息·

Environmental Ceramic Wonders Advantages Highlighted Words

Li Jinwei

(Hubei shiyan kamikaze equipment materials company,Shiyan 442001)

Abstract:Ceramics production in China has a long history, through long-term development manufacturing process is continuously expanding. With the development of the society and the improvement of living standards, the scope of the application in the life more and more widely. Special ceramics, also known as the high performance ceramic advanced ceramics, fine ceramics, high-tech ceramics, etc., is a part of the new material. This paper introduces the function of silicon nitride ceramic, aluminum nitride ceramics, electronic ceramics, biological ceramics as well as the organization structure of zirconia ceramics, performance characteristics and application fields, and pointed out their development prospects and trends at the same time.

Keywords:special ceramics;the characteristics of performance;application development

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.02.009