特种陶瓷到底指什么？
在工业界，**特种陶瓷**并非日用瓷器的升级版，而是一类以高纯人工合成无机非金属粉末为原料，通过精确控制微观结构而获得电、磁、光、热、机械等特定性能的**高技术陶瓷**。它区别于传统陶瓷的核心在于：原料纯度≥99.9%、晶粒尺寸可控制在微米甚至纳米级、性能可设计。
（图片来源网络，侵删）
特种陶瓷有哪些种类？
为了便于选型，业内通常按**功能**与**化学体系**交叉分类：
按功能划分
- 结构陶瓷：追求高硬度、高耐磨、耐高温，如氮化硅轴承球、碳化硅喷嘴。
- 功能陶瓷：突出电、磁、光特性，如氧化锆氧传感器、钛酸钡PTC热敏电阻。
- 生物陶瓷：强调生物相容性，如羟基磷灰石人工骨、氧化铝牙冠。
按化学体系划分
- 氧化物系：Al₂O₃、ZrO₂、MgO，优点是抗氧化、易烧结。
- 非氧化物系：Si₃N₄、SiC、AlN，优点是高温强度高，但烧结助剂体系复杂。
- 复合陶瓷：ZTA（氧化锆增韧氧化铝）、Si₃N₄-SiC，兼顾高韧性与高导热。
特种陶瓷生产工艺流程分几步？
从粉末到零件，需经历**“粉→形→烧→精”**四大阶段，每一步都决定最终性能。
第一步：粉体制备——纯度与粒径的较量
问：为什么同样的配方，不同厂家的粉体烧结密度差3%？
答：**杂质含量与颗粒形貌**决定烧结活性。高纯粉体通常采用：
- 共沉淀法：获得纳米级、球形颗粒，流动性好。
- 溶胶-凝胶法：分子级均匀混合，适合多组分体系。
- 碳热还原法：制备Si₃N₄、SiC等非氧化物，需控制氮化/碳化温度梯度。
第二步：成型——把粉末变成生坯
常见工艺对比：
| 工艺 | 密度 | 复杂形状 | 成本 |
|---|---|---|---|
| 干压 | 55-60% | 差 | 低 |
| 等静压 | 65-70% | 中等 | 中 |
| 注射成型 | 60-65% | 优 | 高 |
| 流延成型 | 55% | 薄片 | 中 |
对于超薄氧化锆手机背板，流延成型可将厚度控制在0.3 mm以内，烧结后翘曲≤0.05 mm。
（图片来源网络，侵删）
第三步：烧结——让原子“长”成晶粒
问：常压烧结与热等静压（HIP）差在哪？
答：常压烧结靠**表面能降低**驱动致密，但闭口气孔难消除；HIP在200 MPa氩气中二次烧结，**致密度可达99.9%**，适合航空叶片用Si₃N₄。
- 无压烧结：加入Y₂O₃-Al₂O₃助剂，ZrO₂相对密度≥98%。
- 反应烧结：Si粉坯体渗氮，尺寸精度±0.1%，但残留Si影响高温强度。
- SPS放电等离子烧结：脉冲电流快速加热，10分钟完成致密化，抑制晶粒长大。
第四步：精密加工——把毛坯做成零件
由于陶瓷硬度仅次于金刚石，传统车铣无法胜任，需：
- 金刚石砂轮磨削：表面粗糙度Ra 0.1 μm，但效率低。
- 激光切割：适合氧化锆牙科冠，切缝宽度0.02 mm。
- 超声辅助加工：降低Si₃N₄崩边率50%。
如何根据应用场景选型？
自问：半导体设备用陶瓷加热器，该选哪种材料？
自答：需同时满足**高导热、绝缘、耐腐蚀**，AlN导热率≥180 W/(m·K)，且介电常数低，是首选。
- 轴承球：氮化硅，密度3.2 g/cm³，比钢轻60%，转速提升30%。
- 防弹片：碳化硼，硬度HV 30 GPa，厚度仅为氧化铝的1/2。
- 燃料电池电解质：氧化钇稳定氧化锆，工作温度800 ℃，氧离子电导率0.1 S/cm。
未来工艺趋势：绿色与增材制造
随着碳中和压力，**水基流延**、**无烧结结合剂喷射3D打印**成为研发热点。德国Fraunhofer研究所已用LCM光固化技术打印Si₃N₄涡轮叶片，烧结后抗弯强度达900 MPa，与传统等静压持平，却减少材料浪费70%。
特种陶瓷的边界仍在扩展，从5G滤波器到核聚变第一壁，每一次工艺突破都在重新定义“不可能”。
（图片来源网络，侵删）
评论列表