不可小觑的材料——工业陶瓷

Original 友绿人友绿网 2022-06-01

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Photo from precision-ceramics

陶瓷，通常由常见易得的材料组成，例如碳，硅，氧和氮，它们在高温高压下固结后，可以形成陶瓷材料，可用于家用的各种产品。工业陶瓷（也称为工程陶瓷或高性能陶瓷）则通常包含更复杂的化合物，包括氧化铝，碳化物，氮化物，硼化物和氧化锆等。工业陶瓷在不同配方或工艺下能获得某些工程特性或特定的几种特性组合，从而能经常在各种应用中替代金属、聚合物和耐火材料。

工业陶瓷可获得的优异工程特性主要有：

高硬度和刚度

工业陶瓷最常见的特性之一是极高的硬度和刚度，有些是不锈钢的4倍以上。如此高的硬度直接转化为出色的耐磨性，这意味着它们可以具有比其他任何材料都更长久地保持精确、高公差表面处理的能力。

低密度

工业陶瓷的另一个常见特性是密度低，为2至6 g / cc。它比不锈钢（8 g / cc）和钛（4.5 g / cc）轻得多，只有更软的铝具有相似的密度。这就意味着可以使产品更轻便，这对许多产品来说，比如航空航天，是至关重要的。

耐超高温能力

一些陶瓷可以在超过1750°C的温度下正常运行，这使它们能成为超高温材料。事实证明，这些陶瓷在发动机、涡轮机和轴承等高温应用中具有不可估量的价值，它们可以延长使用寿命，提高性能和提高效率。

优良的电气性能

工业陶瓷往往是优良的电绝缘体（高介电强度）。在高温环境中，其他材料的机械和热性能都趋于下降，但工业陶瓷则能继续保持性能稳定。一些陶瓷具有低电损耗和高介电常数，这些通常用于电容器和谐振器等电子应用。另外，将作为绝缘体的陶瓷与结构部件结合的能力带来了许多产品创新。

不同的导热性能

不同类型的工业陶瓷材料的导热性能差异很大。有些陶瓷（含氮化铝）具有很高的导热性，在许多电气应用中通常用作散热器或热交换器。有些陶瓷的导热性要差得多，所以可以根据实际需要选择合适的工业陶瓷材料，从而可以有广泛的应用场景。

极高的抗压强度

工业陶瓷具有很高的强度，但是，只有在压缩时才具有这种强度。例如，许多工业陶瓷可以承受1000至4000 MPa的极高负载。相比之下，钛被认为是非常坚固的金属，其抗压强度也仅为1000 MPa。

化学惰性和耐腐蚀

工业陶瓷化学性质非常稳定，化学溶解度低，因此高度耐腐蚀，金属和聚合物类材料则无法达到。这使得陶瓷在许多商业和工业应用中成为极具吸引力的选择，特别是在还需要耐磨性的情况下。

除此之外，工业陶瓷还可以具有：生物相容性、食品相容性、低热膨胀性等重要特性，这些特定的特性可以按需求开发、优化和匹配，也可以组合不同的属性，还可用于设计高级组件，以最佳的精度执行所需的任务，并且在相应的应用领域中可以比其他竞争性材料（例如金属或塑料）更有优势。

Photo from modernceramics

以下是工业陶瓷几个常见的应用举例：

高级发动机技术——工业陶瓷的高硬度刚度和超耐高温性，为开发汽车高级发动机（如绝热柴油发动机，燃气轮机和斯特林发动机）提供了更好的材料选择。因为汽车发动机的高温环境需要高度耐用且耐高温的材料来承受这些条件，工业陶瓷材料的使用确保最高的发动机性能，同时还延长了发动机和所有发动机组件的整体使用寿命。

焊接技术——工业陶瓷非常适合用于焊接技术。由氧化锆制成的部件，例如定心销，由于其韧性高且在焊接过程中不易磨损而特别适合。特别是在自动化生产过程中，由工业陶瓷制成的组件还具有明显的成本优势，产品的质量更高并且机器的使用寿命明显更长。

流体技术——在流体技术领域，对组件的关键要求是耐腐蚀性，耐磨性，和低比重。由工业陶瓷制成的部件具有这些特性，并且还具有生物相容性，这意味着它们也可以用于食品工业和医疗技术。

机械工业——陶瓷组件在机械和工厂工程应用中需要满足不同的要求。这些包括高机械强度、耐磨性、隔热或电绝缘性能以及导热性。这些都是工业陶瓷可以具备的特性。

感应技术——工业陶瓷在感应领域的应用非常广泛。氮化硅最常被用作一种材料，因为这种材料具有耐磨、电绝缘和非磁性的特性。另外，它对温度变化具有极大的抵抗力。

当然，工业陶瓷的用途远不止以上的行业或技术，但是它们也具有拉伸强度差（可以比金属拉伸强度低15倍）、点受力强度差、脆，以及难以设计的缺点，这些造成工业陶瓷不能像金属、玻璃、塑料、聚合物、耐火材料等其他通用性材料那样普遍使用。但是，它们在工程特性上的优异表现，使得高度专业化陶瓷材料制成的组件越来越成为解决传统技术无法克服的技术难题的唯一解决方案。并且各行各业也都在积极尝试用这些特性来实现之前不能达成的各种创新应用，或对现有的产品进行更新升级，以实现更佳性能、更长的使用寿命。迄今为止，全球工业陶瓷市场行业的价值约为600多亿美元。

Photo from modernceramics

就拿环保这一领域来说，在过去的几年中，将工业陶瓷材料纳入环境保护行业的各个领域的趋势一直在持续增长，在用于控制空气污染水平、生物燃料、碳固存、煤气化、环境修复、绿色建筑技术、大容量储能、太阳能技术等的先进核心技术中，都可以找到一些工业陶瓷的最新应用。其中某些产品（例如，固体氧化物燃料电池（SOFC）系统）完全由工业陶瓷组成，此外，用陶瓷代替单个关键组件（例如绝缘材料）同样具有益处。

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固体氧化物燃料电池（SOFC）——自从2002年首次投放市场以来，SOFC表现出了作为高效、无污染能源的巨大潜力，与所有其他不可再生能源相比，已证明SOFC释放的温室气体（GHG）排放量最低。而SOFC就需要使用氧化物导电陶瓷材料作为电解质，以确保释放电子并产生电。上图为SOFC工作原理示意图。

工业陶瓷和太阳能——最近，普渡大学的一组研究人员开发了一种新型的碳化锆和钨的陶瓷-金属复合材料，以取代目前太阳能发电厂的热交换器中使用的材料。与不锈钢或镍合金基热交换器相比，该复合材料已显示出了改善热交换的效果，同时还大大降低了成本。

过去几年来，对工业陶瓷材料的开发，已经发展到能对其特定的微观结构的控制和操纵，这将大大扩张其在各行各业的应用范畴。所以，工业陶瓷被认为是当今最有效的材料之一。

参考：

https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=866

https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=16875

https://www.cv-technology.com/en/technical-ceramics/applications/

https://www.modernceramics.com/ceramic-applications

https://precision-ceramics.com/about-technical-ceramics/

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