二氧化矽陶瓷基複合材料?■河南工業大學材料科學與工程學院 宋志健 劉世凱 孫亞光，今天小編就來說說關于二氧化矽陶瓷基複合材料?下面更多詳細答案一起來看看吧!

二氧化矽陶瓷基複合材料

■河南工業大學材料科學與工程學院 宋志健 劉世凱 孫亞光

近年來，陶瓷基複合材料的功能化發展與日俱進，可應用的領域也不斷擴大，其中氧化锆陶瓷基複合材料由于具有優異的物理和化學性能，并且具有其他陶瓷基複合材料無法比拟的良好韌性，在生物材料、結構材料、耐火材料、環保材料和電子材料等領域均有所應用。

高純的氧化锆呈白色，一般的呈黃色或灰色。氧化锆是一種弱酸性氧化物，具有良好的化學性質，除硫酸和氫氟酸外，對于其他酸、堿及堿熔體、玻璃熔體和熔融金屬都具有很好的穩定性。在大家的認知裡，陶瓷一般是又硬又脆的，但氧化锆陶瓷基複合材料具有優良的力學性能，因為氧化锆在常壓下溫度由高到低呈三種狀态存在，即單斜相（m）、四方相（t）、立方相（c）。随着溫度變化三種相會依次相互轉化，在此過程中會引起陶瓷基體的體積變化，進而在基體中會出現大量的微裂紋，可以分散尖端應力，提高其力學性能。部分穩定氧化锆力學性能優良、導熱系數低、抗熱震性良好，是一種應用前景廣闊的新型結構陶瓷。

可用于牙齒修複、骨關節修複、手術陶瓷刀等生物材料領域。作為齒科修複材料，首先需具有良好的生物相容性，無毒副作用；其次還需具有足夠的機械強度，能承受口腔内咬合力的頻繁變化；同時，伴随着人們對美觀需求的提高，要求齒科修複材料的色澤與天然牙無限接近。

氧化锆陶瓷具有優異的抗彎強度和斷裂韌性、良好的生物相容性等特性，且色澤美觀與天然牙一樣自然，被視為理想的全瓷修複材料，逐漸代替氧化鋁陶瓷，在修複硬組織損傷方面扮演着重要的角色。特别是氧化钇穩定氧化锆陶瓷憑借t-m相變增韌，強度可達1000MPa，斷裂韌性可達7.2MPa·m0.5。

此外，随着全瓷體加工技術CAD/CAM 的快速發展，氧化锆陶瓷現已被廣泛用作齒科修複材料，如牙根管、瓷樁、托槽、牙冠及固定局部義齒等。但是現在發現氧化锆陶瓷存在低溫老化現象，在低溫(30～300℃)潮濕條件下，如處于口腔或生物體内環境，氧化锆會自發地産生t-m相變，導緻其力學性能和美觀性下降，這種服役過程中的穩定性問題，降低了臨床應用效果。近年來，在保證其綜合力學性能的基礎上，學者針對這一問題以及如何抑制低溫老化現象進行了大量的體外時效研究。氧化锆陶瓷的低溫老化與晶粒尺寸、穩定劑、殘餘應力大小有關，可以從氧化锆陶瓷的微觀結構、制備工藝、開發設計三方面解決其存在的低溫老化問題。

可用作關節假體材料。每年關節置換手術的數量呈穩步增長的趨勢。目前，應用于髋關節假體的材料主要是以钛為代表的金屬材料。這類金屬材料一般使用壽命不超過20年，耐磨性能差，長期使用會導緻金屬磨削顆粒的産生，從而引起假體周圍組織炎症的發生。目前，氧化锆陶瓷植入物因其優異的生物相容性和長期耐磨性而被廣泛用作一種髋關節假體材料。與金屬材料相比，生物陶瓷能夠明顯降低植入物的磨損率。例如，3mol%氧化钇部分穩定的四方氧化锆（3Y-TZP），是一種具有優異機械性能的陶瓷材料，在骨科中有很好的應用前景。同時，氧化锆陶瓷材料具有極好的生物相容性、良好的耐腐蝕性，是能滿足長期使用要求的潛在替代材料。另外，由于氧化锆陶瓷具有良好的生物相容性、不積累電荷、不生鏽、耐磨、鋒利度高等特點，使其在醫療器械領域具有潛在用途，有可能用作新型醫用陶瓷手術刀片。

可用于陶瓷軸承、研磨球、刹車片等結構陶瓷領域。近年來，工業各領域對高性能材料的需求日益增多。随着社會的進步和科學技術的發展，服役于高速、高溫、強腐蝕、無磁、無潤滑等惡劣工況下的軸承需求越來越多，傳統的鋼軸承因在高速、高溫下壽命、強度、精度等都會下降的原因不能滿足工作要求，工程陶瓷性能要遠遠優于鋼軸承。陶瓷材料應用于軸承上能大幅提高軸承工作精度、使用壽命、動态剛度、散熱性能、潤滑條件等各方面指标，能有效改善機器的使用性能。陶瓷軸承套圈為薄壁環狀結構，套圈質量的好壞将影響成品軸承的綜合性能和使用壽命。陶瓷軸承加工成本高是制約其廣泛應用的關鍵性問題，其中磨削加工成本占比超過80%。

可用作高溫環境下的耐火材料。氧化锆陶瓷的熔點為2715℃，純緻密燒結體的變形溫度可達2400～2500℃，熱穩定性及高溫抗蠕變性能良好。氧化锆陶瓷的熱導率比其他陶瓷更低，并且高溫化學性能穩定，與多數熔融金屬不浸潤，是高溫隔熱及結構材料的理想材料，可應用于金屬熔煉、窯爐内襯以及高溫防護塗層等。

在環保方面有所應用。城鎮居民的人口密度越來越高，日常生活用水的環保處理意義重大。氧化锆陶瓷的化學性質穩定，抗腐蝕，有一定的強度和韌性，耐磨性能優良，并且無毒無害，可以用來制備陶瓷過濾膜。這種過濾膜使用後還可以回收利用。目前國内的氧化锆陶瓷過濾膜與國外的相比還有一定差距。金屬器件在日常使用過程中會發生腐蝕，在高溫環境下這種現象更為明顯，氧化锆陶瓷高溫塗層熱導率低，抗腐蝕，可以大幅延長金屬器件在高溫下的使用壽命，提高資源利用率。

在電子材料領域也得到廣泛應用。首先氧化锆陶瓷的韌性是其他種類的陶瓷無法企及的，既具有陶瓷的溫潤手感，又具有相對高的強度和耐磨性能，因此可以用來制作高端手機的後殼。氧化锆傳感器具有較高的測氧精度和良好的高溫穩定性，被廣泛應用于内能機尾氣排放中的氧含量檢測等領域。氧化锆壓電陶瓷由于性能參數多樣、振動模式的研究與開發利用增多、器件制作技術進步等因素，近年來得到廣泛應用，例如應用于壓電點火裝置和濾波器等。氧化锆陶瓷還能作為高頻感應爐的感應發熱體，主要是由它獨特的結構和電性能決定的。氧化锆具有負的電阻溫度系數，在室溫下，是很好的絕熱體，具有很高的電阻系數，但是随着溫度的升高，其電阻率急劇降低，在1500℃左右可以成為十分良好的導體。

氧化锆陶瓷基複合材料具有各種優良的使用性能，被廣泛應用到各個領域中，但仍存在一些問題，例如低溫老化問題、由于相變導緻的失效問題、陶瓷質材料與人體相适應問題、提高陶瓷器件使用壽命問題、制品産業化問題等，都需要我們繼續探究。

本文原載于《中國建材報》3月21日9版

責編：丁濤

校對：張健

監審：韓鳳鳳

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