陶瓷—陶瓷材料、连接技术及其应用

    陶瓷是众多材料中的一个不可思议的特殊家族，其成员包含了从传统的陶瓷（例如陶器，耐火材料）及直到当今在电子设备、航空配件和切割工具中所使用的工程陶瓷（例如氧化铝，氮化硅）。20世纪80年代对使用先进陶瓷材料（例如完全用陶瓷制造发动机）的过分渲染很大程度上已经被证明是不可取的，但可以肯定地说，陶瓷已经成为非常重要的工程材料。当陶瓷与其他材料（一般为金属材料）连接时，一旦确定好适当的接头设计及连接技术时，陶瓷将给部件提供附加功能并改善其应用性能。

陶瓷材料

    陶瓷是非常坚固的离子/共价结合（比金属键更强），这种结合使陶瓷具有相关的特性：高硬度，高压缩强度，低导热、导电性及化学不活泼性。
这种坚固的结合也显示了它的一些不好的特性：例如低延伸性和低拉伸强度。然而，陶瓷更广泛的特性并没有被认识到。例如，我们一般认为陶瓷是电/热绝缘体，而陶瓷氧化物（以Y-Ba-Cu-O为基）却具有高温超导性。金刚石、氧化铍和碳化硅比铝或铜有着更高的导热性。
    控制显微组织可以克服其固有的坚硬性并生产出陶瓷弹簧。已经投产的陶瓷复合物，其断裂韧性可达钢的一半。
    工程陶瓷按其主要成分分类有氧化物、氮化物及碳化物。表中给出以往应用的大部分陶瓷的一般特性。

    氧化物
    氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）是最为广泛应用的工程级氧化物陶瓷，而就应用的总吨位和价值而言，氧化铝是最广泛使用的陶瓷材料。

    氮化物
    在现代工程陶瓷中主要的氮化物是氮化硅（Si3N4）和氮化铝（AlN）。这种材料有各种级别和类型，尤其是每一级别的氮化物有着特定的性质。

    碳化物
    尽管碳化硅（SiC）作为一种工程陶瓷其韧性比一些氮化硅低，但是由于具有高的热传导性、高耐腐蚀性和高硬度而被广泛地应用。碳化硼（B4C）在工业材料中的硬度排名第三（仅次于金刚石和立方氮化硼），用于需要高耐磨性能的部件。

    陶瓷基复合物
    陶瓷可作为复合物系统如GRP（玻璃钢）和金属基体复合物如加氧化铝强化的铝（Al/Al2O3）的增强剂。现代陶瓷材料也可用作复合物的基质材料。目前最广泛应用的是以碳化硅和碳为基质的陶瓷材料。

normal style="LINE-HEIGHT: 125%">连接

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 陶瓷与陶瓷的连接及陶瓷与不同材料间的连接有很多可行的技术，这些技术包括利用机械装置连接和直接连接。图一给出了陶瓷连接技术的概况。

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 制造一个特定的部件采用何种技术取决于很多因素，包括：

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 所需要的零件的功能，例如强度、电绝缘性或耐磨性

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 与陶瓷连接的材料

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 工作温度

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 外加应力

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 要求达到的连接紧密性

normal style="TEXT-INDENT: 12pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 零件设计

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 价格

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 虽然所有的这些注意事项均应考虑，但一般来说，重要的两个因素是连接的材料及其所要求的温度承受能力的相似性。图二列出了一些连接方法承受温度的范围。

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 当陶瓷与金属连接时，需要在连接材料之间作一个界面。通常界面必须符合以下几点要求：

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 不同的热膨胀系数

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 结合类型，也就是离子/共价

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 陶瓷与金属间晶格的错配

normal style="LINE-HEIGHT: 125%">应用

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 相对于金属和塑料，陶瓷的硬度高，不易燃，不活泼。因此陶瓷可用在高温、腐蚀性强、高摩擦性的环境中。应用时要综合考虑工业陶瓷的每一种特性，包括：

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 高温条件下各种物理性质的持久稳定性

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 低的摩擦系数（尤其在重载荷、低润滑条件）

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 低膨胀系数

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 抗腐蚀性

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 热绝缘性

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 电绝缘性

normal style="MARGIN-LEFT: 11.25pt; LINE-HEIGHT: 125%">● 低密度

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 很多工业部门应用工程陶瓷制造部件，包括电子装置的陶瓷基片（图3），涡轮增压器的转子（图4）和汽车发动机中的挺杆头。现代陶瓷应用的其他例子有：食品加工设备中使用的无油润滑轴承、航空涡轮叶片、原子核燃料棒、轻质装甲板、切割工具、磨料、热隔板及熔炉和窑炉等设备。

normal style="LINE-HEIGHT: 125%">小结

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 当选择一种材料制作特定的元件时，应仔细考虑被选材料的可用性和适用性。如果要选择陶瓷材料，则应当考虑的“合乎使用原则”包括：
● 工作环境—氛围、温度、外加应力、疲劳、辐照时间

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 可预见的非正常情况—包括机械碰撞、快速加热及冷却

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 设计—陶瓷材料对截面突变的情况（缺口、孔、棱角）比较敏感

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> ● 连接—接头的作用，接头的工作条件、性能要求和适于生产的连接技术

normal style="LINE-HEIGHT: 125%">      ● 成本—正如所有的材料选择和元件设计的一样，原材料的价格和来源以及所需的制造技术都必须根据可以制造出一个性能满足要求、价格有竞争力的元件这样的原则来加以考虑。
    未来的发展很可能来自提高材料的加工制造技术，以降低元件成本和改善性能，以及对高性能材料提出更高标准的要求并需要使用更多的陶瓷。尽管对新材料难以预料，但是现有材料的改善是可以预见的。陶瓷基复合材料可能成为最重要的发展领域。
    尽管通过提高加工技术将可改善现有的以碳化硅为基的复合材料并减少气孔，但以氧化物为基的高温复合材料的发展在不久的将来可能提供一种适应性更宽并能与之相抗衡的材料体系。不久我们能够看到这些复合材料对工业增长和技术发展做出更大的贡献。

normal style="LINE-HEIGHT: 125%"> 陶瓷的物理性质

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>陶瓷

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>熔点

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>（^oC）

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>密度

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>（g/cm³）

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>强度

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>（MPa）

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>热膨胀
系数（×10^-6/^oC）

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>导热性

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>（W/m.k）

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>弹性
系数
（GPa）

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>Beo

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2530

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.1

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>246

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>7.4

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>210

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>400

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>Al₂O₃

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2050

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>4.0

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>455

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>8.0

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>40

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>380

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>ZrO₂

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2700

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>5.6

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>175

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>10.5

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>19

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>140

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>AlN

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>1900

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.3

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>441

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>4.4

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>180

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>320

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>Si₃N₄

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>1900

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.2

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>210

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.0

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>17

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>175

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>B₄C

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2350

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2.5

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>350

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>4.3

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>25

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>450

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>SiC

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2700

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.2

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>140

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>4.3

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>50

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>210

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>WC

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2377

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>15.8

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>600

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>5.2

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>-

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>700

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>Diamond

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3000

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>3.5

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>1500

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>0.5

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>2000

normal style="LINE-HEIGHT: 125%; TEXT-ALIGN: center" align=center>500

</DIV>