陶瓷工程玻璃陶瓷

玻璃陶瓷材料有許多玻璃與陶瓷的共同特征。玻璃陶瓷具有一種無定形相和一種或多種晶體相。這種材料通過一種被稱為受控結(jié)晶的技術(shù)生產(chǎn)，而這種技術(shù)通常是在玻璃制作中需要避免的。玻璃陶瓷通常包含有一種均勻分布的晶體相，占其體積的30%到90%，這樣產(chǎn)生了一種具有引人注意的熱力學(xué)特性。

在生產(chǎn)玻璃陶瓷的過程中，熔融的玻璃在重新加熱和退火前緩慢的冷卻。在加熱過程中，玻璃會發(fā)生部分的結(jié)晶。在大多數(shù)情況下，需要向其中添加一種被稱為“成核劑”的物質(zhì)以控制潔凈的過程。由于通常沒有施加壓力和燒結(jié)，玻璃陶瓷一般不會出現(xiàn)燒結(jié)陶瓷中常有的多孔現(xiàn)象。

玻璃陶瓷通常指一種鋰和硅鋁酸鹽的混合物，包括一系列擁有引人注意的熱力學(xué)特性的材料。最具有商業(yè)意義的一種特性是他們能夠阻隔熱沖擊。這樣，玻璃陶瓷在制造烹調(diào)臺面上非常有用。某些擁有負(fù)的熱膨脹系數(shù)的晶相可以于擁有正的熱膨脹系數(shù)的玻璃相混合，這樣他們的膨脹系數(shù)就會互相抵消。大約晶相占70%的時候，玻璃陶瓷擁有接近于0的熱膨脹系數(shù)。這種玻璃陶瓷有很好的力學(xué)特性，可以反復(fù)快速加熱至1000°C。

統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)步驟按照如下順序：粉碎→配料→混合→成型→干燥→火燒→裝配。

現(xiàn)在陶瓷工程已經(jīng)是每年已經(jīng)有數(shù)十億美圓的產(chǎn)值的行業(yè)了。陶瓷工程和研究已經(jīng)是科學(xué)中的一 個重要領(lǐng)域。研究者不斷的開發(fā)新的材料，以滿足不同的需求，因此陶瓷材料的應(yīng)用場合越來越廣。

二氧化鋯陶瓷可以用來制造刀具。陶瓷刀具的刀刃比鋼制刀具的刀刃壽命更長，盡管它有些脆，在落到堅硬表面時容易折斷。

礬土、碳化硼和碳化硅等陶瓷可以用于防彈背心，以抵當(dāng)大口徑步槍的射擊。這種陶瓷板通常被稱為輕武器護層。由于它們一般比較輕，類似的材料可以用來保護一些軍用飛機的駕駛員座艙。

氮化硅零件被用于陶瓷球軸承。他們的高硬度意味著他們更加不易磨損，可以提供超過普通材料三倍的壽命。他們在負(fù)載下的形變也比較小，這意味著他么能接觸軸承支架邊緣的面積也比較小，這樣，它們滾動的速度就可以更快。在高速運動的場合里，滾動摩擦產(chǎn)生的熱量可能會對金屬軸承產(chǎn)生問題，但是這些問題可能通過使用陶瓷軸承得到緩解。陶瓷軸承通常擁有更加穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，因此可以用于潮濕的場合。在這種場合使用鋼鐵軸承會使他們生銹。在很多場合里，他們的電氣絕緣的特點經(jīng)常也對軸承很重要。陶瓷的主要缺點是它們高昂的成本。

二十世紀(jì)八十年代早期，豐田對一種絕熱的陶瓷發(fā)動機進行了研究。這種發(fā)動機可以在超過3300 °C的溫度下工作。陶瓷發(fā)動機不需要冷卻系統(tǒng)，因此可以減輕很大一部分重量，從而提高了燃料使用效率。而且根據(jù)卡諾熱機定理，燃料效率也會隨著溫度的升高而升高。在傳統(tǒng)的金屬發(fā)動機中，大多數(shù)燃料燃燒釋放的能量都作為廢棄排放到空氣中了，以防止金屬零件被熔化。盡管擁有這些可取的特點，這種發(fā)動機仍然沒有投入生產(chǎn)，這是因為制造符合精度要求和持久性要求的陶瓷零件非常困難。陶瓷中不完美的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致破裂，并且可能會引發(fā)危險的設(shè)備失效。這種發(fā)動機在實驗室環(huán)境里是可能的，但是大規(guī)模的生產(chǎn)在目前的技術(shù)條件下還不可行。

掃描電子顯微鏡下放大10000倍以后的骨骼礦物質(zhì)結(jié)晶。使用陶瓷制造渦輪發(fā)動機的零件的開發(fā)工作即將結(jié)束，目前，即使在發(fā)動機熱區(qū)使用超級合金制成的葉片也需要冷卻系統(tǒng)，同時限制工作的溫度。使用陶瓷制造的渦輪機的工作效率將會更高，使得飛機用同樣多的燃料能夠飛得更遠(yuǎn)，載更多的重量。

最近，生物陶瓷的研究取得很大的進展，如牙齒植入物和合成骨骼。羥基磷灰石是一種天然的骨骼礦物成分，這種物質(zhì)可以通過一些生物和化學(xué)原料合成，而且可以制成陶瓷材料。使用這些材料制成的骨科植入物可以更好地與骨骼和身體立德其他組織結(jié)合，而不會產(chǎn)生排異反應(yīng)和炎癥。由于這個原因，在基因傳遞和組織工程領(lǐng)域?qū)@種材料很感興趣。大多數(shù)的羥基磷灰石陶瓷都是多孔的，缺少足夠的機械強度，因此經(jīng)常被用于作為金屬涂層，以使其與骨骼結(jié)合的更緊密，或者作為骨骼的填充物。他們也可以用作骨科的塑料螺絲的填充物，以減輕炎癥，同時使塑料骨科材料更容易吸收。目前的工作是通過生產(chǎn)致密的納米級結(jié)晶羥基磷灰石陶瓷材料使它們更加強壯，能夠應(yīng)用于骨科的需要承受重量的設(shè)備，這樣就可以使用合成的但是天然存在于骨骼中德礦物質(zhì)來替代外來的金屬和塑料骨科制品了。對這些陶瓷進行研究的終極目標(biāo)是讓他們可以替代骨骼，或者結(jié)合膠原蛋白來合成骨骼。

手表制造業(yè)也使用高科技陶瓷來制造手表的外殼，這是由于這些材料重量更輕，耐劃，壽命更長，摸起來也更光滑。萬國表是制表業(yè)中最開始使用陶瓷的品牌，他們在2007年的雙計時飛行員手表Top Gun款中使用了高科技黑色陶瓷手工制造。

陶瓷工程是通過無機非金屬材料制造物體的科學(xué)核技術(shù)。陶瓷工程的研究范圍包括包括對原材料的純化 、對需要的化學(xué)成分的研究和生產(chǎn)、對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、成分和性質(zhì)的研究。

陶瓷材料可能擁有晶體或者部分的晶體結(jié)構(gòu)，在原子層面上是大范圍有序的。玻璃陶瓷可能有不定型或類似玻璃的結(jié)構(gòu)，幾乎沒有有序度或者只能小范圍有序。他們的制造方法可能通過是熔化物質(zhì)冷卻凝固，通過加熱、或者在低溫下通過化學(xué)手段如水熱或溶膠凝膠法得到。

陶瓷材料特性使其能夠在材料工程、電子工程、化學(xué)工程以及機械工程中得到很多應(yīng)用。由于通常陶瓷非常耐熱，他們可以用于很多金屬和聚合物無法勝任的地方。陶瓷材料在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，包括采礦、航天、醫(yī)藥、精煉、食品和化學(xué)工廠、電子行業(yè)、工業(yè)輸電、以及光波導(dǎo)傳輸?shù)鹊取?span id="6st8s51" class="show-img-hd" style="width:220px;height:194px;">

球磨。粉碎是指將材料從較大的體積轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小體積的過程。粉碎過程需要將黏合材料打碎， 每一個單獨的材料塊仍然有自己的外形，或者需要將材料弄成粉末。粉碎通常通過機械手段實現(xiàn)，包括摩擦（材料塊與塊之間碰撞，使得大塊被打碎，顆粒被削減，壓縮（施加壓力增大摩擦），還有沖擊（需要引入研磨介質(zhì)，或者材料顆粒自身會造成粉碎）。摩擦粉碎設(shè)備包括洗滌器，在水中有葉片，可以產(chǎn)生漩渦，是材料在其中發(fā)生碰撞而被打碎。壓縮粉碎設(shè)備包括顎式碾碎機，滾動碾碎機和錐形碾碎機。沖擊粉碎設(shè)備包括球磨，其中有一種介質(zhì)不停地翻動，砸碎材料。軸撞擊導(dǎo)致材料顆粒與顆粒間的摩擦和壓縮。

配料是根據(jù)配方對各種原材料稱重的過程，將原材料準(zhǔn)備好用于混合和干燥。

混合在配料過程之后進行，通常使用不同的機器來實現(xiàn)。在混合攪拌的過程中通常需要加入水。

成型是指將混合好的材料制成各種形狀。成型過程可能包括：1）擠出，如制造磚的過程；2）壓制成型；3）注漿成型，如在制造馬桶、洗臉盆和陶瓷雕像燈裝飾品的時候。成型過程將會生產(chǎn)出一個用于干燥的零件坯。零件坯比較軟，長時間放置會破壞它的形狀。處理待加工零件可能會改變它們的外形，如，沒有被燒制的磚可以被擠壓，而擠壓以后就保持了那個形狀。

干燥是將已成型材料中的水分或其他結(jié)合劑去除的過程。噴霧干燥現(xiàn)在被廣泛的用于準(zhǔn)備沖壓的粉末。其他的干燥機如管道干燥機、周期干燥機。在需要加熱的兩個階段中，都需要對其施加受控的熱量。首先，熱量將水分移除。這一步許要小心的控制，如果快速加熱，會產(chǎn)生裂紋和表面瑕疵。干燥后的零件將比零件坯更小，更容易碎，一點點很小的力量都可能造成零件破碎，因此必須需要更小心的處理。

火燒是將干燥的零件進行受控加熱的過程，這時原材料中的氧化物會發(fā)生化學(xué)變化，并引起燒結(jié)。通過火燒的零件將會比干燥的零件更小。

陶瓷成型技術(shù)包括拋擲、注漿、流延、注射成型、干壓、等靜壓、熱等靜壓以及其他方法。在許多領(lǐng)域的技術(shù)中都需要某種方法以將陶瓷粉末制造成復(fù)雜的形狀。例如，生產(chǎn)先進的高溫結(jié)構(gòu)的零件如熱機零件、渦輪機零件就需要這些方法。用于成型過程的材料除了陶瓷以外可能還包括：木頭、金屬、水、石膏以及環(huán)氧物，但是這些物質(zhì)的大多數(shù)都將在火燒過程中被燒掉。

由于這些成型的技術(shù)可以提供具有維度穩(wěn)定性、高表面質(zhì)量、高密度和微結(jié)構(gòu)一致性的工具和零件，這些技術(shù)很有名。而需要采用特殊方法成型的各種專門形狀陶瓷的廣泛應(yīng)用又使得處理技術(shù)越來越多。

增強纖維主要使用聚合物、溶膠凝膠、或者CVD 方法制造，但是也可能使用熔融的方法。最廣泛使用的的形態(tài)是層狀結(jié)構(gòu)，例如流延法制造電子襯底和封裝就是很好的方法。光刻法在精確制造半導(dǎo)體和其他如封裝的部件成型方面也有越來越廣的應(yīng)用。流延法等成型技術(shù)在其它應(yīng)用中也日漸引人注目，如像燃料單元這種開放的結(jié)構(gòu)等等。層狀結(jié)構(gòu)的另一個重要應(yīng)用是加膜，這里很重要的技術(shù)是熔融噴霧，但是也物理蒸汽沉淀和化學(xué)方法的應(yīng)用也越來越廣泛。除了開放的結(jié)構(gòu)，如蜂巢催化、包括各種泡沫材料的多孔結(jié)構(gòu)（如網(wǎng)狀泡沫）都有日漸廣泛的應(yīng)用。

目前這種使用粉末材料制成的物體的致密性都是通過無壓力燒結(jié)實現(xiàn)的。但是，使用通過熱壓進行壓力燒結(jié)的方法的情況越來越多，特別是在使用非氧化物和制造形狀簡單但是質(zhì)量要求高的零件時，還有制造大型零件或者每次制造多個零件時，使用壓力燒結(jié)更為先進。

基于燒結(jié)的方式的基本原理很簡單。火燒的溫度低于陶瓷的熔點。一旦制成了一個干燥的坯，它將在窯中烘烤。在這里原子和分子的擴散過程將使主要的微結(jié)構(gòu)特征發(fā)生重大改變。這些改變包括多孔性的逐漸消除，這通常是由于材料發(fā)生了收縮，整體變得更加致密。這樣，物體中的細(xì)孔可能發(fā)生封閉，導(dǎo)致材料的密度變大，從而極大的提高了材料的強度和抗磨損性。

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