氧化铝、氮化铝、碳化硅陶瓷基板的先进发展及简介
2018-4-9 9:35:29
来源:网络
责任编辑:ztt

先进陶瓷材料又称精密陶瓷材料,是指采用精制的高纯、超细的无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品。根据工程技术对产品使用性能的要求,制造的产品可以分别具有压电、铁电、导电、半导体、磁性等或具有高强、高韧,高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热或良好生物相容性等优异性能。

 根据用途不同,先进陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。

一、结构陶瓷

结构陶瓷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。

1、氧化铝陶瓷(Al2O3)

氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3,一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温,一般可要1600℃长期使用,耐腐蚀,高强度,其强度为普通陶瓷的2~3倍,高者可达5~6倍。其缺点是脆性大,不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛,可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等,也可作刀具和模具。


2、氮化铝陶瓷(Si3N4)

氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4,这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷,线膨胀系数在各种陶瓷中最小,使用温度高达1400℃,具有极好的耐腐蚀性,除氢氟酸外,能耐其它各种酸的腐蚀,并能耐碱、各种金属的腐蚀,并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。

3、碳化硅陶瓷(SiC)

碳化硅陶瓷主要组成物是SiC,这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷,在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度,是目前高温强度最高的陶瓷,碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料,可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件;利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料;利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。

4、六方氮化硼陶瓷(BN)

六方氮化硼陶瓷主要成分为BN,晶体结构为六方晶系,六方氮化硼的结构和性能与石墨相似,故有“白石墨”之称,硬度较低,可以进行切削加工具有自润滑性,可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。

二、工具陶瓷

 结构陶瓷主要材料有硬质合金、金刚石天然金刚石(钻石)、立方氮化硼(CBN)等。

1、硬质合金

硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂,碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等,粘结剂主要为钴(Co)。硬质合金与工具钢相比,硬度高(高达87~91HRA),热硬性好(1000℃左右耐磨性优良),用作刀具时,切削速度比高速钢提高4~7倍,寿命提高5~8倍,其缺点是硬度太高、性脆,很难被机械加工,因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用,硬质合金主要用于机械加工刀具;各种模具,包括拉伸模、拉拔模、冷镦模;矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等。

2、金刚石天然金刚石(钻石)

金刚石天然金刚石(钻石)作为名贵的装饰品,而合成金刚石在工业上广泛应用,金刚石是自然界最硬的材料,还具备极高的弹性模量;金刚石的导热率是已知材料中最高的;金刚石的绝缘性能很好。金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具;金刚石工具进行超精密加工,可达到镜面光洁度。但金刚石刀具的热稳定性差,与铁族元素的亲和力大,故不能用于加工铁、镍基合金,而主要加工非铁金属和非金属,广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。

3、立方氮化硼(CBN)

立方氮化硼(CBN)具有立方晶体结构,其硬度高,仅次于金刚石,其热稳定性和化学稳定性比金刚石好,可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝模等。

其他工具陶瓷其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷,但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。

三、功能陶瓷

功能陶瓷通常具有特殊的物理性能,涉及的领域比较多,常用功能陶瓷的特性及应用见表。

先进陶瓷材料的发展

先进陶瓷材料是新材料的一个重要组成部分,广泛应用于通讯、电子、航空、航天、军事等高技术领域,在信息与通讯技术方面有着重要的应用。大部分功能陶瓷在电子工业中应用十分广泛,通常也称为电子陶瓷材料。如用于制造芯片的陶瓷绝缘材料、陶瓷基板材料、陶瓷封装材料以及用于制造电子器件的电容器陶瓷、压电陶瓷、铁氧体磁性材料等。  电子技术、大规模集成技术电路,离不开压电、铁电和磁性陶瓷;电子计算机的记忆系统需要具有方形磁滞回线的铁磁体陶瓷;高速硬盘转动系统需要陶瓷轴承;在火箭和导弹的发射中,鼻锥和透波陶瓷天线罩是关键部件,它要承受高温气流的摩擦和冲刷,要求材料具有高的高温强度和好的抗氧化性能,只有陶瓷材料才能满足这些要求;作为新能源的磁流体发电机,需要采用陶瓷做电极材料;高温燃料电池、高能量蓄电池,需要采用陶瓷块离子导体做隔膜材料等等。

目前先进陶瓷已形成一个巨大的高新技术产业。全世界先进陶瓷产品的销售总额超过300亿美元,并以每年l0%以上的速度增长。美国与日本在该领域处于领先地位。先进陶瓷材料因其优异的高温力学性能及特有的光、声、电磁、热或功能复合效应在高新技术产业、传统产业改造和国防军工等领域发挥着越来越大的作用。