研制新型韧性陶瓷的秘决

2008-11-26 15:24:30

近年来，科学家们在对传统陶瓷进行悉心研究后发现，它之所以脆弱，主要有两个原因： 　　第一，由于陶器的烧成温度比较低，通常在800~1000℃，因此气孔率比较高。在陶器碎片的断面上，不难看见许多小孔洞，且组成陶器的颗粒也比较粗大。瓷器的烧成温度虽然要比陶器高得多（通常为1200~1400℃），组成的结构也比陶器细密多了，用肉眼可能看不出有什么细微的缺陷，但是，如果你通过显微镜观察，在瓷器碎片的断面上，就可以看到有许多细微的伤痕、裂纹、气孔、夹杂物。要是你把瓷器碎片放在倍数更大的电子显微镜下，那么，你还可以发现瓷器在晶体结构方面的缺陷，例如空位、位错等。而所有这些细微的裂纹、气孔、夹杂物、晶体缺陷和表面伤痕，都可能成为陶瓷裂纹的发源地。 　　第二，由于陶瓷属于脆性材料，一旦出现裂纹，它不像金属那样具有塑性变形能力，所以，只好"打破沙锅（纹）到底"了。至于在热冲击的条件下，由于陶瓷的导热性较差，热膨胀系数大，热应力由此增加，因此，裂纹的扩展速度更会进一步加剧。在日常生活中，如果我们用砂锅炖（煮）食物，只能用文火慢慢加温，要是一开始就用猛火急烧，就会出现砂锅炸裂事故。即使是烧好后，也不能用水急冷。 　　那么采用什么具体办法才能制造出不怕撞击、不怕猛火急烧成韧性陶瓷呢？ 　　所谓韧性陶瓷，必须克服普通陶瓷脆性这一缺点。经过许多科学家的不懈努力，现在人们终于找到了克服陶瓷脆性的“药方”。 　　首先，从改善内部结构着手。研究表明，在氧化锆陶瓷的原料中，添加少量的氧化钇、氧化镁、氧化钙等粉未，经高温烧制成氧化锆陶瓷后，其中的氧化锆便生成两种晶体，它们叫立方晶体和四方晶体。当陶瓷受到外力作用时，四方晶体便变成一种单斜晶体，体积迅速"膨胀"。由于晶体的体积急速增大，进而可阻止陶瓷中原先存在的细微裂纹的扩展。这样，陶瓷就不会破裂了。 　　其次，可在改善陶瓷的表面状态方面下功夫。一般说来，陶瓷的断裂大部分从表面的缺陷开始，因此，改善陶瓷的表面状态，犹如为防止陶瓷的破损设下了第一道屏障。具体方法为：通过化学或机械抛光技术消除陶瓷的表面缺陷：对氮化硅、碳化硅等非氧化物，只要通过控制表面氧化技术，便可消除表面缺陷或者使裂纹尖端变纯；通过热处理也可达到表面强化和增韧的目的。 　　第三，将纤维均匀地分布于陶瓷原料之中，以提高陶瓷的强度和韧性。其原理与我们在石灰石加入纸筋相类似。这是因为，将纤维加入陶瓷料中，具有三大作用：纤维不易拉断，在工作时可承担大部分外加负荷，从而减轻了陶瓷负担，进而使裂纹不易产生；　　纤维与陶瓷体结合在一起以后，具有很大的摩擦力，于是陶瓷的韧性可大大提高。　　即使陶瓷出现了细微裂纹，纤维也能将它们紧紧拉住，使裂纹不至于进一步扩展开来。　　韧性陶瓷可以制成陶瓷榔头、陶瓷菜刀、陶瓷剪刀等工业产品和生活用具。从外观上看，这些陶瓷制品与普通的钢铁制品并没有什么不同，只是毫无钢铁的成分。 　　韧性陶瓷除了不怕撞击不怕摔打的优点以后，还具有强度大、硬度高，抗化学腐等优点。它除了可以制作榔头和刀剪以外，还可以制造开瓶器、螺丝刀、斧头、锯子等器具。至于说到这些新产品的长处，那是显而易见的；用陶瓷菜刀切食物。不会在食物上留下令人讨厌的铁腥味，它特别适合于生吃的食物和熟食；陶瓷剪刀的锋利程度不亚于钢制剪刀，可以用来截剪纸张、绸布等。由于它不会带磁性，因此特别适宜于剪接录音磁带和录像磁带。韧性陶瓷还可以用来制作手表壳，制造加工金属用的切削工具、防弹盔甲、人造骨骼和关节。不过，科学家对韧性陶瓷最感兴趣的是利用它代替金属材料制造发动机。近几年，伊朗的建筑卫生陶瓷工业发展很快，但制造墙地砖及卫生洁具的设备则全部依赖进口，大多来自意大利和德国。伊朗工业部正在大力扶持国内的陶瓷机械及配套产品的开发，自1999年开始，进口陶机类产品受到严格的限制。所以有关专家指出，若能在伊朗开发陶瓷机械产品，必将大有前途。