陶瓷行業(yè)深度報告：先進陶瓷是新材料領域最具潛力賽道（上）

陶瓷行業(yè)深度報告：先進陶瓷是新材料領域最具潛力賽道（上）1先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分陶瓷是以粘土為主要原料，并與其他天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品，是陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以粘土等無機非金屬礦物為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)混煉、成形、煅燒而制成的各種制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物，因此它與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)同屬于“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。廣義上的陶瓷材料指的是除有機和金屬材料以外的其他所有材料，即無機非金屬材料。陶瓷制品的品種繁多，它們之間的化學成分、礦物組成、物理性質，以及制造方法，常?；ハ嘟咏诲e，無明顯的界限，而在應用上卻有很大的區(qū)別。因此，很難硬性地把它們歸納為幾個系統(tǒng)，詳細的分類法也說法不一，到現(xiàn)在國際上還沒有一個統(tǒng)一的分類方法。按陶瓷的制備技術和應用領域分類，可分為傳統(tǒng)陶瓷材料和先進陶瓷材料。傳統(tǒng)陶瓷：傳統(tǒng)意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品，通常會被稱為"普通陶瓷"或傳統(tǒng)陶瓷，例如日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷。先進陶瓷：按化學成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學特性等特點，主要包括絕緣和介質陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導體及其敏感陶瓷等；結構陶瓷主要基于材料的力學和結構用途，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點。1.1結構陶瓷：極端環(huán)境領域最具潛質的優(yōu)質材料結構陶瓷憑借其優(yōu)異的力學性能及熱學性能成為陶瓷材料的重要分支，約占整個陶瓷市場的30%左右。近二十年來，國家重大工程和尖端技術對陶瓷材料及其制備技術也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)：例如航天工業(yè)火箭發(fā)射中液氫液氧渦輪泵用的氮化硅陶瓷軸承在低溫極端條件下無滑狀態(tài)下高速運轉，要求陶瓷抽承強度高、初性好、耐磨損、表面加工精度高;核電站主泵用的大尺寸陶瓷密封環(huán)需要長壽命高可靠性，特別是地球衛(wèi)星拍攝地面目標的對地監(jiān)測使用的碳化硅陶瓷反射鏡，除了高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)和輕量化，要求高精度超鏡面和大尺寸，這對大尺寸結構陶瓷材料的成型技術、燒結技術、加工技術都是一個挑戰(zhàn);而光通訊中的光纖連接器陶瓷插芯，其內(nèi)孔為125微米，并且要求極高的表面光潔度與尺寸精度及同心度。力學性能方面，高熔點及使用溫度范圍廣奠定了陶瓷材料在結構領域中的應用基礎。有機材料大多是分子鍵結合，金屬材料則以金屬鍵結合為主，陶瓷材料主要以離子鍵及共價鍵結合，因而陶瓷材料熔點相較最高。同時陶瓷材料在承受載荷的長期使用溫度也均穩(wěn)定在1000℃以上，相較金屬材料中，當前使用溫度最高的為高溫合金，其使用溫度為1200℃以下，承受載荷情況時使用溫度在1000℃以上。此外，高強度及耐磨性能使得陶瓷材料在結構領域選材中脫穎而出。相較有機材料及金屬材料，在相同密度、比剛度及成本情況下，陶瓷材料的強度最強，因而決定了陶瓷材料可以更好適用于更加苛刻的環(huán)境中，此外，經(jīng)中南工大粉末冶金研究所測定，陶瓷材料耐磨性相當于錳鋼的266倍，高鉻鑄鐵的171.5倍。熱學性能方面，良好的導熱性能、熱膨脹性能及抗熱震性使得陶瓷材料在許多應用領域有著金屬等其它材料不可替代的地位。相比于有機材料，陶瓷材料及金屬材料的導熱性能更好，但在高溫情況下，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)及熱應力斷裂抵抗因子低于金屬材料，意味著陶瓷材料在高溫情況下可以經(jīng)受住較大的熱沖擊，是極端環(huán)境中最佳材料。結構陶瓷材料的致命弱點是脆性。目前結構陶瓷材料的研究及開發(fā)已從原先傾向于單相和高純度的特點向多相復合的發(fā)向發(fā)展，其中包括纖維（或者晶須）補強的陶瓷基復合材料、自補強陶瓷材料及納米復相陶瓷等等，使得結構陶瓷材料性能得到了極大的改觀。1.1.1氧化物陶瓷氧化物陶瓷材料的原子結合以離子鍵為主，存在部分共價鍵，因此具有許多優(yōu)良的性能。大部分氧化物具有很高的熔點，良好的電絕緣性能，特別是具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和抗氧化性，在工程領域已得到了較廣泛的應用。按組分可分為單一氧化物陶瓷（如氧化鋁、氧化鈹、二氧化鈦陶瓷等）及復合氧化物陶瓷（如尖晶石MgO·Al2O3，莫來石3Al2O3·2SiO2、鋯鈦酸鉛PZT陶瓷等）。氧化鋁陶瓷：發(fā)展最早及應用范圍最廣的結構陶瓷氧化鋁陶瓷制備方面，目前商用的方法有拜耳法、化學法、燒結片狀剛玉法及電熔剛玉法，其中拜耳法應用最為廣泛。拜耳法可制備得到純度為99.5%的氧化鋁粉末，但主要含有氧化鈉等雜質，后化學法出現(xiàn)，可制備出99.99%純度的氧化鋁高純細粉。應用端，氧化鋁陶瓷目前可應用于機械領域耐磨器件、電力領域耐高溫絕緣結構件、半導體領域陶瓷基板等。氧化鋯陶瓷：高性能結構陶瓷，增韌是制備的關鍵氧化鋯的傳統(tǒng)應用主要是作為耐火材料、涂層和釉料等的原料，但是隨著對氧化鋯陶瓷熱力學和電學性能的深入了解，使它有可能作為高性能結構陶瓷和固體電介質材料而獲得廣泛應用。特別是隨著對氧化鋯相變過程深入了解，在20世紀70年代出現(xiàn)了氧化鋯陶瓷增韌材料，使氧化鋯陶瓷材料的力學性能獲得了大幅度提高，尤其是室溫韌性高居陶瓷材料榜首。制備端，增韌是最核心的目標，最常見的方式就是添加穩(wěn)定劑。二氧化鋯都是由鋯砂和斜鋯石礦制得。鋯砂以硅酸鋯(ZrO2·SiO2)為主要成分，斜鋯石礦的主要成分為ZrO2，含有少量SiO2、TiO2等雜質。氧化鋯的制備以往全都以上述兩種天然礦物為原料，而工程陶瓷用的易燒結性二氧化鋯微粉是以這兩種天然礦物制備的鋯鹽為原料而制造的。氧化鉻有三種晶型：立方相(c)、四方相(t)和單斜相(m)。熱力學觀點分析表明，純氧化鋯單斜相在1170℃以下是穩(wěn)定的，超過此溫度轉變?yōu)樗姆较啵瑴囟鹊竭_2370℃則轉變?yōu)榱⒎较?，直?680-2700℃發(fā)生熔化。整個相變過程可逆。當從高溫冷卻到四方相轉變溫度時，由于存在相變滯后現(xiàn)象，故大約要在1050℃左右，即偏低100℃才由t相轉變成m相，稱之為馬氏體相變，與此同時相變會產(chǎn)生5％-9％的體積膨脹，這一體積變化足以超過ZrO2晶粒的彈性限度，從而導致材料開裂。因此從熱力學和晶體相變過程來看制備純ZrO2材料幾乎是不可能的。為了避免這一相變，可以來用二價氧化物(CaO，MgO，SrO)和稀土氧化物(Y2O3，CeO2)等的作為穩(wěn)定劑與ZrO2形成固溶體，生成穩(wěn)定的立方相結構。不過，這些穩(wěn)定劑氧化物金屬離子的半徑與Zr4+離子半徑相差小于40％時，才能起到穩(wěn)定作用。應用端，氧化鋯(特別是增韌的)陶瓷由于其優(yōu)良的性能，已在各工業(yè)及技術領域得到廣泛的應用。最主要的是，其憑借優(yōu)異的力學性能和耐高溫性能作為結構材料，應用于機械工程(做陶瓷刀具、量具、軸承、模具、密封件等)、冶金工業(yè)(坩堝、耐火材料、連鑄注口、抗壓支撐、導輥等)、軍事工業(yè)(火箭隔熱層、防彈裝甲板)以及化學工業(yè)、紡織工業(yè)、生物工程和日常生活等各方面。氧化鈹陶瓷：導熱系數(shù)最大的氧化物陶瓷，但粉末毒性限制了其應用BeO是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結構，由于BeO具有纖鋅礦型和強共價鍵結構，而且相對分子質量很低，因此，BeO具有極高的熱導率，是氧化鋁的10倍左右，其室溫熱導率可達250W/(m·K)，與金屬的熱導率相當，并且在高溫、高頻下，其電氣性能、耐熱性、耐熱沖擊性、化學穩(wěn)定性俱佳。但BeO陶瓷的致命缺點是其劇毒性，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至危及生命，并會對環(huán)境造成污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應用。應用端，氧化鈹陶瓷具有高的熱導率、高的耐火度、良好的核性能以及優(yōu)良的電性能，因而可應用于高級耐火材料、原子能反應堆以及各種大功率電子器件和集成電路等。然而，氧化鈹?shù)亩拘允遣豢珊雎缘?，隨著世界各國對環(huán)境保護的日趨重視，氧化鈹陶瓷的使用今后可能會受到一定的限制和影響。氧化鎂陶瓷：現(xiàn)代冶金行業(yè)的關鍵材料氧化鎂陶瓷是典型的新型陶瓷，也屬于傳統(tǒng)的耐火材料。氧化鎂本身對堿性金屬溶液有較強的抗侵蝕能力，制備的氧化鎂陶瓷坩堝具有優(yōu)異的化學性能和抵抗金屬侵蝕的穩(wěn)定性，與鎂、鎳、鈾、鋁、鉬等不起作用。在氧化氣氛或氮氣保護下氧化鎂陶瓷可穩(wěn)定工作到2400℃，因此氧化鎂是現(xiàn)代冶金工業(yè)先進工藝中的關鍵材料。制備方面，原材料源于礦物或海水，燒結過程需加入添加劑調(diào)節(jié)性能。自然界中含鎂的化合物很豐富，它以多種礦物形式存在于地殼和海洋之中，如菱鎂礦、白云石、水鎂石、滑石等。工業(yè)上主要從上述礦物中提取MgO,近來發(fā)展從海水中提取。從礦物或海水中提取MgO，大多先制成氫氧化鎂或碳酸鎂，然后經(jīng)煅燒分解成MgO，將這種MgO通過進一步化學處理或熱處理可得到高純MgO。制備時對MgO原料進行處理后，按組成進行配料。為了促進燒結以及能使晶粒稍微長大些，同時為了減少制備的水化傾向，可加入一些添加劑，如TiO2、Al2O3、V2O3等。如果要求具有高純度的MgO陶瓷，就不能采用加入添加劑的方法來促進燒結和晶粒長大，而是采用活化燒結的方法，即將Mg(OH)2在適當溫度下煅燒，得到具有很多晶格缺陷的活性MgO，用以制造燒結氧化鎂陶瓷。莫來石：鋁硅酸鹽組成的礦物統(tǒng)稱莫來石是一種優(yōu)質的耐火原料，這一類礦物比較稀少。莫來石是鋁硅酸鹽在高溫下生成的礦物，人工加熱鋁硅酸鹽時會形成莫來石。天然的莫來石晶體為細長的針狀且呈放射簇狀。莫來石礦被用來生產(chǎn)高溫耐火材料。在C/C復合材料中多作為熱障涂層，應用廣泛。莫來石AI2O3-SiO2元系中常壓下穩(wěn)定的二元固溶體，化學式為AI2O3-SiO2的天然莫來石非常少，通常燒結法或電熔法等人工合成。高溫工業(yè)大規(guī)模使用的莫來石按其制備方法分為電熔莫來石和燒結莫來石兩大類。莫來石是一種優(yōu)質的耐火材料。最早在蘇格蘭的莫爾島被發(fā)現(xiàn)而被命名。莫來石的鋁和硅的成分是一個范圍，其在常溫常壓下能夠穩(wěn)定存在。天然的莫來石比較稀少，通常是通過對鋁硅系化合物進行熱處理后制備莫來石。莫來石的合成可分為固相合成(包括傳統(tǒng)的溶膠-凝膠(SSG)工藝)，液態(tài)合成和氣態(tài)合成。固態(tài)合成和液態(tài)合成的莫來石根據(jù)加熱處理的溫度和鋁硅的組成，可以被分為燒結莫來石和熔融莫來石。燒結莫來石是指將合成莫來石的原料加熱到生成少量液相的溫度，促進燒結又不影響其固相燒結，繼而保溫，使莫來石結晶并發(fā)育長大，形成所需要的莫來石形貌和結構。而熔融莫來石則是將氧化鋁和二氧化硅的混合物加熱到莫來石熔點以上，在冷卻過程中結晶形成的莫來石。溶膠凝膠法制備莫來石也被稱為化學莫來石，是由化學反應、熱分解和莫來石化得到的莫來石，這種方法所制備的莫來石其性能高度依賴于化合物的純度、均勻性、結晶溫度以及致密度等條件。應用端，莫來石制備的耐火新材料，目前廣泛應用于馬弗爐、煅燒爐、鍋爐、回轉窯等高溫設備中。由莫來石制備耐高溫設備，不僅僅耐高溫，而且使用壽命長、耐腐蝕。莫來石與其他優(yōu)質的材料進行優(yōu)勢互補，復合合成更加優(yōu)良性能的耐火材料。如采用堇青石-莫來石復合合成陶瓷窯具材料，制備的材料具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性優(yōu)異、耐火度高、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。此外，莫來石在電性能領域的應用就體現(xiàn)在其作為一種優(yōu)秀的基片材料，它具有很低的介電常數(shù)，能承擔高的線路密度，莫來石陶瓷和莫來石質玻璃-陶瓷復合材料被用作高性能集成電路的優(yōu)良功能材料。1.1.2氮化物陶瓷氮化物陶瓷是氮與金屬或非金屬元素造成的陶瓷，是一類重要的結構與功能材料。氮化物陶瓷具有良好的力學、化學、電學、熱學及高溫物理性能，在冶金、航空、化工、陶瓷、電子、機械及半導體等行業(yè)具有廣泛的應用。但許多由氮元素和金屬元素構成的氮化物在高溫下不穩(wěn)定，易氧化，因而在自然界不能自由存在，只能靠人工合成。目前主要合成氮化物可分為氮化硼，氮化鋁，氮化硅等共價結合型。氮化硅陶瓷：先進陶瓷中綜合性能最好的材料之一隨著當代科學技術的發(fā)展，航空、航天能源等技術領域對結構材料的要求越來越高，耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、高強度、高硬度和綜合力學性能好的結構材料的開發(fā)和研究已經(jīng)變得十分重要。Si3N4陶瓷是先進陶瓷中綜合性能最好的材料之一，它的電學、熱學和機械性質十分優(yōu)良，在氧化氣氛中可使用到1400℃，在中性或還原性氣氛中可使用到1850℃。它既突出了一般陶瓷材料的堅硬、耐熱、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)點，又具備了抗熱震好、耐高溫蠕變、自潤滑好、化學穩(wěn)定性能佳等優(yōu)勢，還具有相對較低的密度以及低的介電常數(shù)、介電損耗等優(yōu)良的介電性能。氮化硅分子量140.28，按重量百分比，其中硅占60.28%，氮占39.94%。兩種元素電負性相近，氮化硅晶體中Si-N之間以共價鍵結合為主(其中離子鍵僅占30%)，鍵合強度高。氮化硅沒有熔點，在常壓下于1870°C升華分解，具有高的蒸汽壓和很低的擴散系數(shù)。Si原子與N原子以鍵強很強的共價鍵結合，導致氮化硅高強度、高硬度、耐高溫、絕緣等性能。因為Si原子與N原子之間強共價鍵，高溫下原子擴散很慢，所以燒結過程中需加入高溫形成液相的添加劑促進擴散，加快燒結致密。氮化硅陶瓷的性能與燒結方法密切相關。氮化硅的高溫力學性能在很大程度上取決于晶界玻璃相。為了改善氮化硅的燒結性能在原料中加入燒結助劑，高溫時燒結助劑形成玻璃相，冷卻后玻璃相存在于晶界處，必須經(jīng)過晶界工程處理才能保持和發(fā)揮氮化硅的這一高溫特性，否則晶界玻璃相在高溫下軟化造成晶界滑移，對高溫強度、蠕變和靜態(tài)疲勞中的緩慢裂紋擴展都有很大的影響，晶界滑移速度同玻璃相的性質（如粘度等）、數(shù)量及分布有關。應用端，Si3N4陶瓷是一種重要的結構材料，它是一種超硬物質，本身具有潤滑性，并且耐磨損；除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應，抗腐蝕能力強，高溫時抗氧化.而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂.正是由于Si3N4陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來制造軸承、氣輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構件。其中，利用Si3N4重量輕和剛度大的特點，可用來制造滾珠軸承、它比金屬軸承具有更高的精度，產(chǎn)生熱量少，而且能在較高的溫度和腐蝕性介質中操作。用Si3N4陶瓷制造的蒸汽噴嘴具有耐磨、耐熱等特性，用于650℃鍋爐幾個月后無明顯損壞，而其它耐熱耐蝕合金鋼噴嘴在同樣條件下只能使用1-2個月。氮化鋁陶瓷：微電子工業(yè)電路基板及封裝的理想結構材料氮化鋁(AlN)作為一種新型陶瓷材料，是近年來新材料領域的研究熱點之一。雖然早在一百多年前，AlN粉末便被合成制得，但由于它固有的難于燒結的缺點，在隨后的幾十年中，有關AlN的研究并不多，本世紀五十年代，AlN陶瓷才被第一次制得，但當時強度很低，限制了其工業(yè)應用。至七十年代，致密的氮化鋁陶瓷得以制備，其優(yōu)良的熱傳導性、可靠的電絕緣性、耐高溫、耐腐蝕、低的介電常數(shù)以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特點才顯現(xiàn)出來。尤其是近些年來，隨著微電子技術的迅速發(fā)展，電子器件日趨多功能、小型化、高集成度大功率的電子器件工作時產(chǎn)生大量熱量，為了避免電子器件因過熱而失效，需要采用具有高熱導率的基片將熱量帶帶。AlN具有優(yōu)良的導熱性能，是新一代基片的理想材料，在電子工業(yè)中的應用前景十分廣闊，其優(yōu)良的高溫耐蝕性、高溫穩(wěn)定性、較高的強度和硬度，使其在高溫結構材料方面的應用也很有潛力。氮化鋁作為共價鍵化合物，難以進行固相燒結，通常采用液相燒結機制，即向氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相的燒結助劑，并通過溶解產(chǎn)生液相，促進燒結。作為一種人工合成的材料，氮化鋁陶瓷的制備過程通常是先合成氮化鋁粉體，再將得到的粉體燒結制備成陶瓷。由于氮化鋁中的鋁-氮鍵（Al-N）具有較高的共價鍵成分，所以氮化鋁的熔點高，自擴散系數(shù)小，燒結活性低，因此是一種難燒結的陶瓷材料。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，當?shù)X粉體純度較高時，非常難以通過燒結達到完全致密，在陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在，這極大地限制了氮化鋁陶瓷的實際應用。引入合適的燒結助劑，一方面可以與AlN表面氧化形成的Al2O3反應生成較低熔點的第二相，由于液相表面的張力作用，促進AlN晶粒的重排，加速燒結體致密化進程。另一方面形成的第二相冷卻后，淀析凝結在晶界上，減少了高溫下氧進入晶格的可能，起到凈化晶格，提高熱導率的作用。目前常用的燒結助劑主要為氧化物和氟化物，氧化物主要為Y2O3，Sm2O3，La2O3，Dy2O3，CaO；而氟化物有CaF2，YF3等。其中Y2O3驅氧能力強，穩(wěn)定性好等綜合性能優(yōu)越，成為最常用的燒結助劑；而CaO由于液相形成溫度較低，在低溫燒結中的作用比較明顯。應用端，氮化鋁陶瓷室溫比較強度高，且不易受溫度變化影響，同時具有比較高的熱導系數(shù)和比較低的熱膨脹系數(shù)，是一種優(yōu)良的耐熱沖材料及熱交換材料，作為熱交換材料，可望應用于燃氣輪機的熱交換器上。此外，氮化鋁陶瓷是一種高溫耐熱材料，其熱導率高，較氧化鋁陶瓷高5倍以上，膨脹系數(shù)低，與硅性能一致。使用氮化鋁陶瓷為主要原材料制造而成的基板，具有高熱導率、低膨脹系數(shù)、高強度、耐腐蝕、電性能優(yōu)、光傳輸性好等優(yōu)異特性，是理想的大規(guī)模集成電路散熱基板和封裝材料。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)技術不斷升級，PCB基板小型化、功能集成化成為趨勢，市場對散熱基板與封裝材料的散熱性與耐高溫性要求不斷提升，性能相對普通的基板材料難以滿足市場需求，氮化鋁陶瓷基板行業(yè)發(fā)展迎來機遇。氮化硼陶瓷：陶瓷材料中的軟質陶瓷，機械加工性能好氮化硼問世于100多年前，最早的應用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼[簡稱：

h—BN，或a—BN，或g—BN(即石墨型氮化硼)]，h—BN不僅結構而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱白石墨。氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發(fā)現(xiàn)的化合物。國外對BN材料從第二次世界大戰(zhàn)后進行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發(fā)展起來的。美國金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投入了生產(chǎn)，1960年已生產(chǎn)10噸以上。1957年R·H·Wentrof率先試制成功CBN，1969年美國通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國宣布制成CBN刀具。1975年日本從美國引進技術也制備了CBN刀具。1979年Sokolowski首次成功采用脈沖等離子體技術在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。20世紀90年代末，人們已能夠運用多種物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)的方法制備c—BN薄膜。它有良好的耐熱性、熱穩(wěn)定性、導熱性、高溫介電強度，是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。氮化硼的化學穩(wěn)定性好，能抵抗大部分熔融金屬的浸蝕。它也有很好的自潤滑性。氮化硼制品的硬度低，可進行機械加工，精度為1/100mm。制備端，共價鍵化合物一般采取添加燒結助劑的辦法，BN常用的燒結助劑有B2O3、Si3N4、ZrO2、SiO2、BaCO3等。目前氮化硼粉體的制備方法有很多，根據(jù)其原理大致可以分為兩大類：其中一類是合成法，主要有高溫合成法、溶劑熱合成法、模板法和化學氣相沉積法(CVD)等；而另一類是剝離法，包括液相超聲剝離法、激光蝕刻剝離法、機械球磨法等。隨著對氮化硼的研究不斷深入，一些納米結構的氮化硼的性質逐漸被發(fā)現(xiàn)。一方面納米粉體比表面能高，燒結活性高，可以有效地促進h-BN陶瓷的致密化；另一方面，以納米粉體作為原料，可以降低燒結溫度，減小陶瓷燒結體晶粒尺寸，提高陶瓷的韌性，增強h-BN陶瓷的力學性能，為h-BN陶瓷工業(yè)化大規(guī)模應用奠定基礎。應用端，氮化硼可用于制造熔煉半導體的坩堝及冶金用高溫容器、半導體散熱絕緣零件、高溫軸承、熱電偶套管及玻璃成形模具等。通常制得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變?yōu)榻饎偸脑眍愃?，石墨型氮化硼在高溫?800℃）、高壓（800Mpa）下可轉變?yōu)榻饎傂偷稹＿@種氮化硼中B－N鍵長（156pm）與金剛石在C－C鍵長（154pm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。賽隆陶瓷：陶瓷材料中的軟質陶瓷，機械加工性能好賽?。╯ialon）是由Si、Al、O、N四種元素的合成詞，音譯為“賽隆”。賽隆陶瓷是Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系列化合物的總稱，是在Si3N4陶瓷基礎上開發(fā)出的一種Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷，由Al2O3中的Al原子和O原子部分置換Si3N4中的Si原子和N原子形成。賽隆陶瓷由日本的Oyama和Kamigaito（1971年）及英國的Jack和Wilson（1972年）發(fā)現(xiàn)，他們在對氮化硅陶瓷各種添加劑的研究中發(fā)現(xiàn)了金屬氮化物中的固溶體，即在SiO2-Al2O3系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了Si3N4的固溶體，這能有效地促進燒結，從而發(fā)現(xiàn)了sialon（賽?。Ｙ惵√沾傻闹饕悇e有β’-sialon、α’-sialon、O’-sialon三種，尤其以前兩種最為常見。制備端，在制備賽隆陶瓷時應選擇超細、高α相的Si3N4粉末，采用適當?shù)墓に嚧胧┛刂破渚Ы缦嗟慕M成和結構，才能獲得性能優(yōu)異的材料。由于賽隆陶瓷有很寬的固溶范圍，可通過調(diào)整固溶體的組分比例按預定性能對賽隆陶瓷進行組成設計，通過添加劑加入量的適當調(diào)節(jié)可以得到最佳α-sialon和β-sialon的比例，獲得最佳強度和硬度配合的材料。賽隆陶瓷通常采用無壓燒結或熱壓燒結，在1600-1800℃的惰性氣氛中燒結，可獲得接近理論密度的賽隆陶瓷燒結體，主要的添加劑為MgO、Al2O3、AlN、SiO2等。同時，添加Y2O3、Al2O3能獲得強度很高的賽隆陶瓷。此外，加入Y2O3可降低賽隆陶瓷的燒結溫度。常壓燒結賽隆陶瓷的制造工藝是將Si3N4粉與適量的Al2O3粉及AlN粉共同混合，成型之后在1700℃的N2氣氛中燒結。固溶體的性質隨其組成和處理溫度而異。應用端，賽隆陶瓷作為一種性能優(yōu)異的新型高溫結構陶瓷，在軍事工業(yè)、航空航天工業(yè)、機械工業(yè)和電子工業(yè)等方面都有廣闊的應用前景。賽隆陶瓷硬度高、耐磨性能好，已在機械工業(yè)上用于制造軸承、密封件、焊接套筒和定位銷及磨損件等。賽隆陶瓷還可以用作連鑄用的分流換、熱電偶保護套管、晶體生長器、坩堝、高爐下部內(nèi)襯、銅鋁合金管拉拔芯棒，以及滾軋、擠壓和壓鑄用模具材料。賽隆陶瓷還可以用來制作切削工具，其熱硬性優(yōu)于WC-Co硬質合金和氧化鋁，刀尖溫度大于1000℃時仍可進行高速切削。塞隆陶瓷還可制作透明陶瓷（高壓鈉燈燈管、高溫紅外測溫儀窗口），以及用作生物陶瓷、制作人工關節(jié)等。1.1.3碳化物陶瓷碳化物陶瓷以其優(yōu)良的高溫力學性能、高溫抗氧化性能、耐蝕耐磨性能和特殊的電、熱學等性能而倍受人們的青睞。作為一類新型工程陶瓷材料，碳化物陶瓷展現(xiàn)了極為廣闊的應用前景，并由此可能推動一些相關科技的進步,具有重要的研究價值。然而，碳化物陶瓷的研究進展和應用并不如人們想象的那么順利，存在的主要問題：一是制造的成本高，二是制品性能的可靠性和重現(xiàn)性差。為了研制具有工業(yè)應用價值的高性能和高可靠性產(chǎn)品，必須進一步提高它們的綜合性能。從研究結果看，碳化物復相陶瓷或其復合材料比單一材料具有更優(yōu)異的性能。另外，以超細粉末制備的納米材料，同樣具有很好的應用和研究價值，這些都有可能成為今后碳化物陶瓷發(fā)展的主要方向。另外，為了獲得組成和結構更均勻的復相陶瓷，已開始了“組成－結構－性能”的計算機輔助設計。目前，碳化物陶瓷的研究熱點是納米級復合材料合成和高溫自蔓燃（SHS法）納米復相陶瓷。在粉末的制備技術方面，溶膠－凝膠法（Sol－Gel法）、化學氣相法

（CVD法）和高溫自蔓燃（SHS法）合成三足鼎立；從低成本和實用化來看，無機溶膠－凝膠法（Sol－Gel法）和高溫自蔓燃（SHS法）合成較為優(yōu)勢；在成形技術方面，膠態(tài)分散成形、注漿成形和等靜壓成形引人注目；在燒結技術方面，除刀具外，一般更傾向于常壓燒結或氣氛燒結。碳化硅陶瓷：既古老又新型的陶瓷材料碳化硅是一種人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，才證實隕石中及地殼上偶然存在碳化硅，碳化硅的分子式為SiC，分子量為40.07，質量百分組成為70.045的硅與29.955的碳，碳化硅的理論密度為3.16-3.2g/cm3。SiC是以共價鍵為主的共價化合物，由于碳和硅兩元素在形成SiC晶體時，它的基本單元是四面體，所有SiC均由SiC四面體堆積而成，所不同的只是平行結合和反平行結合，從而形成具有金剛石結構的SiC。SiC共有75種變體，如3C-SiC、4HSiC、15R-SiC等，其中α-SiC、β-SiC最為常見。β-SiC的晶體結構為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；α-SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之間存在著一定的熱穩(wěn)定性關系，在溫度低于1600℃時，SiC以β-SiC形式存在。當高于1600℃時，β-SiC緩慢轉變成α-SiC的各種多型體。4H-SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型體均需在2100℃以上的高溫才易生成；對于6H-SiC，即使溫度超過2200℃，也是非常穩(wěn)定的。SiC中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質的固溶也會引起多型體之間的熱穩(wěn)定關系變化。制備端，在工業(yè)生產(chǎn)中，用于合成SiC的石英砂和焦炭通常含有Al和Fe等金屬雜質。其中雜質含量少的呈綠色，被稱為綠色碳化硅；雜質含量多的呈黑色，被稱為黑色碳化硅。一般碳化硅含量愈高、顏色愈淺，高純碳化硅應為無色。SiC是強共價鍵結合的化合物，燒結時的擴散速率相當?shù)?，即使?100℃的高溫下，C和Si的自擴散系數(shù)也僅為1.5×10-10cm2/s和2.5×10-13cm2/s。所以，很難燒結SiC，必須借助添加劑形成特殊的工藝手段促進燒結。目前制備高溫SiC陶瓷的方法主要有無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、反應燒結等。應用端，SiC的最初應用是由于其超硬性能，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，因而廣泛應用于機械加工行業(yè)。第二次世界大戰(zhàn)中又發(fā)現(xiàn)它還可以作為煉鋼時的還原劑以及加熱元件，從而促進了SiC的快速發(fā)展。SiC陶瓷在石油、化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光、礦業(yè)及原子能等工業(yè)領域獲得了廣泛的應用，碳化硅已經(jīng)廣泛應用于高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻范圍的電子設備零部件等領域。碳化硼陶瓷：僅次于金剛石、立方氮化硼的超硬材料碳化硼（B4C)是一種重要的工程陶瓷材料，其最突出的優(yōu)點就是高硬度和低密度：

常溫下其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，高溫下其恒定的硬度(>30GPa)甚至優(yōu)于金剛石和立方氮化硼；而密度僅有2.52g/cm3，遠小于Al2O3，SiC等其他結構陶瓷。同時，碳化硼陶瓷還具有高模量、良好的耐磨性、優(yōu)異的中子吸收性能、高熔點

（2450℃）、良好的熱電性、優(yōu)越的抗化學侵蝕能力等特點。制備端，無壓燒結碳化硼陶瓷材料是一種大批量生產(chǎn)形狀復雜零件的工藝方法，但其對粉末存在過于苛刻的條件，燒結溫度高且燒結溫度范圍窄，因此在大批量生產(chǎn)中工藝參數(shù)難以控制，制品的性能也參差不齊。隨著陶瓷燒結助劑的進一步研究，無壓燒結技術仍將不斷改善。熱壓