由于上述基本特性,陶瓷材料能够在各种苛刻的服役条件下(如高温、腐蚀和辐照环境下)工作,成为一种非常有发展前途的工程结构材料。另一方面,陶瓷材料具有性能和用途的多样性与可变性,使它在磁性材料、介电材料、半导体材料、光学材料等方面占据了重要的地位,并展现了愈来愈广阔的应用前景,成为一种非常有发展前途的功能材料。

一些典型的特种陶瓷的性能和用途,如表9-2所示。

当前,先进工程材料的研制主要集中在高强重比材料、高温高强度结构材料和具有各种特殊性能的功能材料方面。其中,陶瓷材料具有巨大的潜力。陶瓷材料是以地球上最富有的元素(如Si、Al、O、Mg、Cd、Na等)制得的,它的原料可以说是取之不尽用之不竭,不像金属材料那样受自然资源的限制。另外,使用这些元素,通过改变它们的配比和排列方式又可合成具有各种特殊功能特性的无机新材料。但是,由于这些化合物耐高温,不易使它们变成气体或液体状态,又具有高的化学稳定性,难以进行化学合成,因此,长期以来,它的发展不像聚合物材料那样快。但是,近年来超高温和高压技术得到了飞速发展,大大推动了金属化合物的合成和处理方面的研究工作,新的陶瓷材料和制造方法也在不断地研制成功。在这方面突出的例子是高温高强度结构陶瓷的开发和各种功能陶瓷的应用。

众所周知,热机的效率随工作温度的提高而增加。根据计算,若发动机的工作温度提高55.5℃,则其热效率可增加11%。20世纪70年代初发展起来的弥散强化和定向凝固镍基超合金的极限使用温度为1100℃左右。在更高温度下使用,将发生高温氧化和蠕变等问题。但是,为了大幅度提高发动机的热效率,降低燃料的消耗,减少大气污染,人们希望发动机的工作温度能提高到1200℃以上。在这样高的工作温度下,最有希望的材料是氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)陶瓷材料。这两种材料具有优良的高温强度,而且与金属相比热传导性低,工作中产生的热量不易逸散,从而可以提高能源的利用率;同时利用它们制造发动机还可以节约资源,不用或少用战略物资如Ni、Co、Cr及W等。为了开发原子能、核聚变能等新的能源,需要一种能耐2000℃高温的耐热材料,目前只能使用陶瓷。(www.daowen.com)

表9-2　特种陶瓷的性能和用途

随着新技术革命的兴起,功能材料愈来愈受到世界各国的重视。功能陶瓷材料品种日益增多,应用愈来愈普遍。例如,一种通电后能在50μs时间内从透明变为不透明的陶瓷材料已经试制成功。应用这种材料可制作防护用眼镜、飞机的防护窗及每秒传输50亿位的计算机信息输入装置等。石英电子钟表不仅价格便宜,而且走时准确。其原理是利用了石英单晶的压电效应。又如光导纤维的出现,不但通讯量大,而且抗干扰,还十分经济。例如铺设10000km的电缆,需要5000t铜和20000t铅,而采用光导纤维只需几十公斤石英就够了。综上所述,陶瓷材料无论作为结构材料还是功能材料都很有发展前途。当然,陶瓷材料要作为一种高温高强度结构材料使用,还需作大量的研究工作。