陶瓷由粘土、土元素、粉末和水混合而成，固化成所需的形状。
数千年来，陶瓷一直被用于各种领域，从陶器到先进的工程解决方案。由于其独特的机械和物理性能，陶瓷被广泛应用于建筑、医药、汽车和航空航天工程等各个行业。
今天的文章将聚焦陶瓷，从陶瓷的定义、特性以及优势入手，让我们一起深入了解！
陶瓷定义：什么是陶瓷？
图片说明：什么是陶瓷？
从科学角度来看，“陶瓷”是一种非金属无机材料。陶瓷与金属材料的性能不同， 盖毯子 在纺织品中。陶瓷是通过加热、烧结、压实和凝固制成的。
通常，陶瓷具有硬度、热稳定性和耐化学性的结合，使其在许多技术领域中得到应用。
一般来说，根据用途，我们把陶瓷分为两种类型：
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传统陶瓷
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先进陶瓷
传统陶瓷由天然或地球资源构成，例如长石、石英、粘土等。它们通过湿法成型工艺制成，广泛应用于各种日常家居用品，例如水壶、花瓶、花盆、花盆、家居建筑用品、瓷砖、餐具等。传统陶瓷微观结构的一个显著特征是，它们不像高级陶瓷那样高度均匀或光滑。此外，微观结构会根据粘土的成分而变化。
先进陶瓷是由人工合成的高纯度无机化合物制成的新型陶瓷，在严格的控制下，通过成型、烧结和其他必要的处理工艺制成。先进陶瓷具有耐磨、强度高、韧性强、耐热、耐化学腐蚀等特性，性能卓越。
陶瓷材料成分
陶瓷由多种不同物质组合而成，这些物质可能包括粘土、水以及用于特定增强效果的添加剂粉末等。陶瓷的机械、热和化学性质会随着特定混合物中原料的种类和比例而变化。混合物的特定成分反过来又决定了最终陶瓷的具体性能和用途。
图片说明：陶瓷的微观结构
主要成分
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黏土： 这些材料具有可塑性，使陶瓷在烧制前能够轻松成型。
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二氧化硅（SiO₂）： 许多陶瓷的主要成分，对陶瓷的硬度和耐热性有很大贡献。
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氧化铝（Al₂O₃）: 高强度、耐磨性和热稳定性的添加剂。
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氧化锆（ZrO₂）: 主要用于结构陶瓷，以增加韧性而闻名。
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碳化物和氮化物： 例如碳化硅（SiC）和氮化硼（BN），它们具有很高的耐磨性和热稳定性。
原材料种类
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自然的： 从地球上提取的粘土、长石、石英、高岭土和其他矿物。
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合成的： 专为高性能应用而设计的氧化铝、氧化锆、碳化硅和工程材料。
陶瓷的种类
各种类型的陶瓷主要根据其化学成分和用途分为几类。
氧化物陶瓷
“氧化物陶瓷”是由铝（Al）、锆（Zr）、钛（Ti）、镁（Mg）等金属氧化物复合而成，具有高热稳定性、耐腐蚀性和电绝缘性的特点。
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例子： 氧化铝 (Al2O₃)、氧化锆 (ZrO2)
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应用： 生物医学植入物、耐火材料、切割工具和电绝缘体。
碳化物陶瓷
“碳化物陶瓷”由碳原子与金属键合而成，经过烧结工艺加工而成。碳化物陶瓷具有极高的硬度、耐磨性和热稳定性，是先进工程领域的高性能材料。
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例子： 碳化硅（SiC）、碳化硼（B₄C）
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应用： 磨料、装甲板、高温元件、半导体元件。
氮化物陶瓷
“氮化物陶瓷”含有氮原子以及与金属形成的金属键，以其耐高温、优异的机械强度和良好的电气性能而闻名。
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例子： 氮化硅（Si₃N₄）、氮化硼（BN）
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应用： 航空航天、轴承、电子元件和高温应用。
陶瓷的独特性能
如前所述，陶瓷的性质取决于其特定的成分和原子微观结构。一般而言，陶瓷材料往往具有以下特点：
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高硬度
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耐磨
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耐腐蚀
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良好的热绝缘和电绝缘性能
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反铁磁性（即本质上非磁性）
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抗氧化
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惰性且化学稳定
陶瓷材料的机械性能
图片说明：陶瓷的物理特性
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耐磨且硬度高： 陶瓷具有高硬度和高耐磨性，非常适合制造动力切削工具和研磨材料。例如，碳化钨 (WC)，一种碳化物陶瓷，广泛用于工业钻头和切削工具。
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延展性和脆性低： 从科学角度来说，延展性是指材料在拉伸时能够永久变形而不断裂的能力。与大多数金属不同，陶瓷由于抗拉强度低，不会发生塑性变形。这意味着陶瓷由于其脆性，在施加应力时会变形。它们更容易断裂而不是变形。即使陶瓷中存在微小的微裂纹，也可能导致应力突然集中，从而导致脆性断裂。然而，有些陶瓷在室温下具有延展性，例如MgO、SrTiO3等。
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高抗压强度： 一般来说，陶瓷的特性使其能够承受极端的压缩载荷，这对于结构应用非常有用。这种特性使得陶瓷可以用于建筑领域。
陶瓷材料的热性能
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热导率： 陶瓷通常具有较低的导热性。这些特性特别适用于需要隔热或耐极端温度的工艺。例如，由耐火陶瓷制成的耐火砖在窑炉中用作绝缘体。然而，某些陶瓷（例如碳化硅 - SiC、氮化铝 - AlN）具有较高的导热性，因此在散热方面（例如电子设备、热交换器）非常有用。
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高熔点： 如前所述，陶瓷具有较高的熔点，在高温设置中具有良好的操作倾向。
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抗热震性差： 抗热震性是指任何材料承受突然温度变化的能力。大多数陶瓷，尤其是传统陶瓷，抗热震性较差。这意味着它们在突然的温度变化下容易开裂。
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低热膨胀： 一些陶瓷在温度变化时表现出极小的膨胀（例如熔融石英），从而提高了尺寸稳定性。同样，这种特性也有例外。一些陶瓷确实表现出较高的热膨胀性，例如氧化锆（ZrO₂），它会随着温度变化而显著膨胀。
陶瓷材料的化学性质
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高耐腐蚀性：大多数陶瓷化学性质非常稳定，且对自然界呈惰性。这进一步增强了它们对酸、碱和其他腐蚀性环境的耐化学性。它们本身也具有耐腐蚀性。
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惰性：它们对湿度、热量等环境因素具有惰性，使其成为生物医学和化学加工应用的理想选择。生物陶瓷羟基磷灰石因其不与体液发生反应，可用于骨移植。同样，耐腐蚀陶瓷氧化锆 (ZrO₂) 也广泛应用于世界各地的化学加工厂。
陶瓷材料的应用
生物医学应用
由于陶瓷具有生物相容性、强度和耐磨性等有用特性，因此被广泛用于医疗植入物。
部分应用如下：
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假肢和植入物 （由于其生物相容性，它们被用于髋关节和膝关节置换植入物）
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骨移植和填充物 （即很少有像羟基磷灰石（HA）这样的陶瓷显示出天然的骨状结构）
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牙科应用 （由于美观和机械性能，大多数牙种植体由氧化锆等陶瓷制成）
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医疗器械 （用于起搏器、手术器械和药物输送系统）
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生物活性玻璃 （它们还刺激有助于组织再生和损伤/伤口愈合的细胞生长）
航空航天应用
许多航空航天工程部件，例如涡轮叶片、隔热罩或鼻锥，都需要先进的材料特性，并且能够进行精密切割。先进陶瓷因其导热性、高熔点、高硬度等特性，非常适合用于制造此类部件。
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结构材料（由于强度高，许多陶瓷如碳化硅（SiC）被用于制造轻质、高强度的航空航天部件）
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热保护系统或 TPS（航天器中使用由二氧化硅和氧化铝制成的陶瓷砖来承受重返大气层时的极端温度）
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用于隔热罩的烧蚀陶瓷（这些类型的陶瓷通过逐渐侵蚀吸收热量来保护航天器在重返大气层时的安全）
电子和绝缘体
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多层陶瓷电容器 (MLCC) 和电阻器 （氧化铝等陶瓷对于提供绝缘并利用 MLCC 和电阻器将能量以热量形式耗散至关重要）
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集成电路和半导体 （陶瓷基板薄而平整，具有较低的介电常数和介电损耗，较高的热导率，以及良好的化学稳定性）
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半导体和陶瓷 PCB （陶瓷的电导率较低，用于对电绝缘要求较高的半导体和 PCB）
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高压绝缘子 （在高压功能中，瓷器和氧化铝基陶瓷对于电力传输线至关重要）
建筑材料
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砖瓦 （由于其耐久性、耐火性和隔热性等特性，粘土基陶瓷被广泛应用于砖瓦建筑）
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卫生洁具 （大多数马桶、水槽和浴缸行程都是由玻化陶瓷制成的，因为它们具有防潮、防污和防细菌生长等惰性特性）
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玻璃陶瓷 （锂铝硅酸盐等陶瓷材料因其美观和耐热特性而用于台面和建筑应用）
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外墙和涂层 （陶瓷被用作建筑物的外墙和涂层材料，因为它们具有必要的隔热和隔音性能）
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水泥和混凝土添加剂 （为了提高水泥或混凝土混合物的强度、耐久性和效率，通常使用粉煤灰和硅粉等陶瓷添加剂作为添加剂）
陶瓷材料的优势
图片说明：陶瓷的优势
耐用性和寿命
如前所述，陶瓷因其高硬度和惰性而具有持久的使用寿命。这意味着与金属不同，陶瓷在恶劣环境下不会氧化或腐蚀。此外，大多数陶瓷材料都耐酸、耐碱和其他腐蚀性化学物质。
轻量级属性
陶瓷不仅硬度高，而且重量轻，因此在航空航天工程和汽车工业中应用广泛。例如，碳化硅因其较高的强度重量比，被用于制造飞机刹车盘。
审美多样性
通过在成型过程中混合不同的物质，陶瓷可以呈现出各种视觉美感，例如颜色、纹理和饰面。例如，瓷砖因其美观的结构而闻名。一些陶瓷也因其透明度和光学特性而用于光学和显示领域（例如用于制造智能屏幕钢化玻璃的蓝宝石玻璃 (Al₂O₃)）。
陶瓷材料的局限性
脆性和易碎性
图片说明：陶瓷的脆性微观结构
虽然它们通常具有较高的抗压强度，但它们的延展性或抗拉强度非常低，使得它们在压力下变脆且易断裂，而不是像金属等延展性材料那样发生塑性变形。
生产成本
陶瓷成型需要经过烧结过程（即需要高温处理，有时温度高达1500摄氏度）。这种高温维持会增加陶瓷的总体生产成本。此外，对于先进陶瓷而言，制造成本以及使用数控机床或3D打印的高精度切割也会导致生产成本高昂。精密制造涉及热压、化学气相沉积 (CVD) 和放电等离子烧结 (SPS) 等昂贵的技术。
然而，值得注意的是，由于其独特的特性，总体结果对我们人类非常有利。
结论
我们熟悉了陶瓷材料、其相关特性及其优势。陶瓷材料因其独特的性能，例如耐用性、耐热性和化学稳定性，在我们的日常生活中发挥着重要作用。
随着材料科学的进步，我们将能够获得具有更好可构造性能的更先进的陶瓷。