陶瓷工程

陶瓷工程是使用無機非金屬材料製造物體的科學技術。陶瓷工程的研究範圍包括包括對原材料的提純、對需要的化學成分的研究和生產以及對產物的結構、成分和性質的研究。陶瓷材料可能含有全部或者部分的晶體結構，在原子層面上是大範圍有序的。玻璃陶瓷可能有不定型或類似玻璃的結構，幾乎沒有有序度或者只能小範圍有序。他們的製造方法可能透過是熔化物質冷卻凝固，透過加熱、或者在低溫下透過化學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、化學工程以及機械工程中得到很多應用。由於通常陶瓷非常耐熱，他們可以用於很多金屬和聚合物無法勝任的地方。陶瓷材料在工業中有廣泛的應用，包括採礦、航天、醫藥、精煉、軍事、食品和化學工廠、電子行業、工業輸電、以及光波導傳輸等等。歷史.陶瓷這個詞，意思是陶器。這個單詞和古印歐語詞根“燃燒”有關。在英語中，陶瓷可以用作單數名詞，指陶瓷材料或者陶瓷製品，或者作為形容詞使用。複數形式的陶瓷可以用來指使用陶瓷材料製作東西。和許多科學技術一樣，陶瓷工程經過了很大的發展，它在以前的含義和今天的標準有很大的不同。材料科學工程和陶瓷工程現在聚合在了一起。1709年，亞伯拉罕·達比在英國的什羅普首次使用了焦炭，以增加熔鍊過程的產量。現在焦炭在生產碳化物陶瓷中已經得到了廣泛的應用。1759年，陶工喬賽亞·韋奇伍德在英國的特倫特河畔斯托克開辦了第一家現代陶瓷工廠。1888年，奧地利化學家卡爾·拜耳為俄羅斯的紡織業開發了一種從礬土礦石中分離鋁的生產技術，這種技術被稱為拜爾法。現在，拜爾法仍然被用來為陶瓷工業和鋁工業提純鋁。皮埃爾·居里和雅克·居里兩兄弟在約1880年發現了酒石酸鉀鈉具有壓電特性，壓電性是電子陶瓷的關鍵特性之一。1983年，愛德華·古德里奇·艾奇遜透過加熱焦炭與粘土的混合物發明了碳化矽，或稱合成碳化矽。法國化學家亨利·莫瓦桑也幾乎同時在他的電弧爐中合成了碳化矽和碳化鎢。1923年，卡爾·施羅特在德國使用液相燒結是莫瓦桑的碳化物粒子與鈷結合。使用這種與金屬結合的碳化物製成刀刃可以大大延長加硬鋼製成的刀具的壽命。二十世紀二十年代，瓦爾特·能斯特開發了立方氧化鋯生產技術。這種材料在排氣系統中用作氧氣感應器。在工程中使用陶瓷的唯一限制是它的易碎性。軍用需求.第二次世界大戰中對陶瓷的軍用需求極大的促進了陶瓷工程的發展。戰爭產生了對高效能材料的需求，從而加速了陶瓷科學技術的發展。在二十世紀的六十年代和七十年代中，由於核技術、電子行業、通訊行業以及太空技術的要求，許多新型陶瓷被開發出來了。1986年，發現了陶瓷超導體，這引起了對陶瓷超導體的在電子器件、電動機和運輸裝置中的應用的研究興趣。軍隊部門對高強度的堅固的材料的有越來越高的需求，這種材料可以在可見光和中紅外波段傳輸光。這些材料可以用於需要透明裝甲的場合。透明裝甲一種材料或者一系列的材料，它們是透明的並且可以提供對彈片的防護。對透明裝甲的主要需求不僅僅是用來打敗有威脅的敵人，同時也可以提供一種最少干擾周圍區域的多打擊能力。透明裝甲的視窗必須與夜視裝備相容。人們正在尋找新的更薄、更輕，可以提供更強的防護能力的材料。這種固體的部件在許多不同場合都有著廣泛應用，如在光電方面可以用於傳輸光波的光纖、光開關、光放大器和透鏡，製造固體鐳射器主機和氣體鐳射器的透明窗的材料，以及用於導彈制導系統和紅外夜視系統的紅外線熱搜尋裝置教育歷史.捷克共和國日本德國波蘭西班牙美國現代工業.現在陶瓷工程已經是年產值達數十億美圓的行業。陶瓷工程和研究是科學中的一個重要領域，研究者不斷的開發新的材料，以滿足不同的需求，因此陶瓷材料的應用場合越來越廣。玻璃陶瓷.玻璃陶瓷通常指一種鋰和矽鋁酸鹽的混合物，包括一系列擁有引人注意的熱力學特性的材料。最具有商業意義的一種特性是他們能夠阻隔熱衝擊。這使得玻璃陶瓷在製造烹調檯面上有大量的用途。某些晶相具有負的熱膨脹係數，這種晶相可以於擁有正的熱膨脹係數的玻璃相混合，使他們的膨脹係數互相抵消。大約這種晶相佔70%的時候，玻璃陶瓷會擁有接近於0的熱膨脹係數。這種玻璃陶瓷有很好的力學特性，可以反覆快速加熱至1000°C而不會受損傷。玻璃陶瓷材料有許多玻璃與陶瓷的共同特徵。玻璃陶瓷具有一種無定形相和一種或多種晶體相。這種材料透過一種被稱為受控結晶的技術生產，而這種技術通常是在玻璃製作中需要避免的。玻璃陶瓷通常包含有一種均勻分佈的晶體相，佔其體積的30%到90%，這樣就產生了一種引人注意的熱力學特性。在生產玻璃陶瓷的過程中，熔融的玻璃在重新加熱和退火前需要緩慢的冷卻。在這個熱處理過程中，玻璃會發生部分的結晶。在大多數情況下，需要向其中新增一種被稱為“成核劑”的物質以控制結晶的過程。由於通常沒有施加壓力和燒結的過程，玻璃陶瓷中一般不會出現燒結陶瓷中常有的多孔現象。生產步驟.陶瓷生產步驟按照如下順序：粉碎→配料→混合→成型→乾燥→火燒→裝配。成型方法.陶瓷成型技術包括拋擲、注漿、流延、注射成型、幹壓、等靜壓、熱等靜壓以及其他方法。在許多領域的技術中都需要某種方法以將陶瓷粉末製造成複雜的形狀。例如，生產先進的高溫結構的零件如熱機零件、渦輪機零件就需要這些方法。用於成型過程的材料除了陶瓷以外可能還包括：木頭、金屬、水、石膏以及環氧物，但是這些物質的大多數都將在火燒過程中被燒掉。由於這些成型的技術可以提供具有維度穩定性、高表面品質、高密度和微結構一致性的工具和零件，這些技術很有名。而需要採用特殊方法成型的各種專門形狀陶瓷的廣泛應用又使得處理技術越來越多。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。最廣泛使用的形態是層狀結構，例如流延法制造電子器件襯底和封裝就是很好的方法。光刻法在精確製造半導體和其他如封裝的部件成型方面也有越來越廣的應用。流延法等成型技術在其它應用中也日漸引人注目，如像燃料單元這種開放的結構等等。層狀結構的另一個重要應用是加膜，這裡很重要的技術是熔融噴霧，但是也物理蒸汽沉澱和化學方法的應用也越來越廣泛。除了開放的結構，如蜂巢催化、包括各種泡沫材料的多孔結構都有日漸廣泛的應用。目前這種使用粉末材料製成的物體的緻密性都是透過無壓力燒結實現的。但是，使用透過熱壓進行壓力燒結的方法的情況越來越多，特別是在使用非氧化物和製造形狀簡單但是品質要求高的零件時，還有製造大型零件或者每次製造多個零件時，使用壓力燒結更為先進。燒結過程.基於燒結的方式的基本原理很簡單。火燒的溫度低於陶瓷的熔點。一旦製成了一個乾燥的坯，它將在窯中烘烤。在這裡原子和分子的擴散過程將使主要的微結構特徵發生重大改變。這些改變包括多孔性的逐漸消除，這通常是由於材料發生了收縮，整體變得更加緻密。這樣，物體中的細孔可能發生封閉，導致材料的密度變大，從而極大的提高了材料的強度和抗磨損性。高溫燒結過程的另一個主要變化是建立了固體中的多晶結構。這個改變會帶來一些非常小的晶粒分佈，這對材料最終的物理性質有很重要的影響。晶粒大小和最初的材料顆粒大小有關，也和在處理過程中開始幾個階段的碎石或材料顆粒的大小有關。產品的最終的微結構和物理屬性受到結構模板的形式或者在化學合成和物理成型的開始階段所創造的產物母體有關。因此，化學粉末和聚合物處理對合成工業陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷都有很重要的作用。在燒結過程中有些很多辦法可以改進產品質量。一些最普通的做法是對產品毛坯施加壓力，使其在一開始就非常緻密，於是減少了燒結所需要的時間。有時可以新增有機結合劑如聚乙烯醇以使產品毛坯結合得更緊密，而這些有機結合劑在溫度達到200–350 °C就會燃燒乾淨。有時在施加壓力的時候可以新增一些有機潤滑劑。一般這些方法都可以組合起來，比如將結合劑和潤滑劑都加入粉末中，然後對毛坯施壓。化學新增劑的成型本身是另一個問題了。這在製造高效能的陶瓷時有著非常重要的作用。這些重要的陶瓷被廣泛應用於電子器件、電容器、電感器、感測器等等。在需要使用粉末地方可以使用漿料，然後用漿料灌製成需要的形狀，然後將它進行乾燥並燒結。實際上，傳統的陶器就是使用了具有可塑性的混合物手工製作，與這種方法類似。如果不同材料的混合物一起應用在一種陶瓷裡，燒結溫度有時可能會超過其中某一種較少成分的熔點，這被稱為液相燒結。液相燒結所需要的時間要比固相燒結更短。陶瓷材料的強度.材料的強度與其微結構相關，在工程中透過對材料的處理以改變其微結構。可以改變材料的強度的機制有許多種，例如晶界強化這樣的技術。儘管材料的屈服強度隨著晶粒的尺寸減小而得到最大化，非常小的晶粒會導致材料變脆易碎。考慮到屈服強度是可以用來預測材料塑性變形的引數，我們可以根據材料微結構性質和理想的最終效果對怎樣增加材料的強度做出明智的決策。屈服應力和晶粒大小之間的關係可以使用霍爾佩奇方程來進行數學描述：formula_1其中"ky" 是強化係數，根據材料的不同而有所不同。"σo"是描述材料運動開始的位錯應力，或者是晶格位錯運動的阻力，"d"是晶粒的直徑，"σy"是屈服應力。理論上，如果晶粒可以做得無限小，那麼材料就可以變得無限堅硬。然而，由於晶粒尺寸的下界是材料晶胞的大小，材料的強度無法無限堅硬。即使這樣，如果材料的晶粒是單獨的一個材料晶胞，那麼這個材料由於沒有大範圍有序性，它實際上是無定形的，並不是晶體，而位錯是無法在無定形材料中定義的。在實驗中，已經觀察到材料的屈服強度最高時的晶粒大小大約是10奈米，更小的晶粒會產生另一種稱為晶界滑移的屈服機制。在實際的工業生產中生產這種理想的晶粒大小的材料相當困難，這是由於初始顆粒的尺寸受到奈米材料和奈米技術的限制。化學處理的理論.微結構的均勻性.在加工精細的陶瓷時，通常的材料不規則的顆粒大小和形狀會導致不均勻的堆積形態，從而導致粉末的堆積密度的變化。由於範德華力導致粉末會發生無法控制的結塊，這也會增加微結構的不一致性。。由於在乾燥的收縮過程中，微結構的不均勻性會產生差應力，這個應力的大小與溶劑消失的速度直接相關，因此它也和多孔性的分佈高度相關。這種應力一直伴隨著凝固體的塑性脆性的轉換過程，如果應力無法釋放，會導致未燒結的物體出現裂紋擴充套件現象。另外，在準備入窯的物體中任何堆積密度的不均勻都會在燒結過程中放大，導致不一致的緻密化過程。伴隨著密度變化的空洞和其他結構缺陷在燒結過程中起了有害的作用。這些缺陷在燒結過程中會發生增長，從而限制了燒結結束時的密度。由於不一致的緻密化過程而產生的差應力已經證明會導致內部裂縫的擴充套件，從而變成強度控制得缺陷。因此，最理想的情況是在材料加工過程中透過某種方式，使其成分和空洞的分佈均勻，而不僅僅是使用能夠最大化毛坯密度的顆粒分佈。為了使懸浮液中強烈相互作用的顆粒能夠形成均勻分散的集合，需要對顆粒之間的相互作用進行整體的控制。單分散膠體提供了這種可能性。例如，二氧化矽膠體中的單分散粉末可能會透過足夠的穩定來保證膠體晶體或者由於聚集產生的多晶膠體的高度有序性。有序度會受到建立大範圍相關性所需要的時間和空間的限制。有缺陷的多晶交替結構是亞微米膠體材料科學的基本元素，因此提供了對無機系統如多晶陶瓷的微結構演化機制更嚴格的理解的第一步。自組裝.自組裝是現代科學界中的一個常用術語，它用來描述顆粒的無需任何外力的自發聚集，這裡的顆粒指原子、分子、膠體、膠束等等。人們知道，這種顆粒形成的大型集團會將他們組裝成熱動力學穩定、結構良好的陣列，比如在冶金學和礦物學中發現的七個晶體系統之一的空間尺度。自組裝也是化學合成和奈米技術中的一種新方法。分子自組裝在很多生物系統中都可以觀察到，很多複雜的生物結構都是透過這種方法形成的。分子晶體、液晶、膠體、膠束、乳膠，相分離聚合物、薄膜以及自組裝單層都是透過這種方法能夠獲得的高度有序的結構的例子。這些方法的特點是不需要外力就會發生自組織。另外，生物陶瓷、聚合物複合材料、彈性體和細胞材料的主要力學特性和結構都在以仿生材料和結構為重點進行重新評估，而傳統的方法主要關心使用傳統合成材料來設計生物材料的方法。這包括一種新型的根據在自然界中發現得微結構特徵和設計生物材料的方法，這種生物材料在力學方面的效能更好。新的方法是透過使用具有自然生物系統特徵的加工方法來合成生物材料。這包括在奈米尺度上各種成分的自組裝和產生分層結構。陶瓷複合材料.近年來人們開始對製造陶瓷成分的複合材料有巨大的興趣。雖然目前對含有一種或多種非陶瓷成分的複合材料還有一定的興趣，但是所有成分都是陶瓷的複合材料引起了人們最大的注意力。這些材料通常包含兩種陶瓷成分，一個連續的基體，和分散地陶瓷顆粒，或者是剪斷的或連續的陶瓷纖維。和前面介紹的化學處理方法類似，這裡的挑戰是如何將陶瓷顆粒或纖維在基體中儘量均勻的分佈首先考慮加工顆粒狀複合材料的問題。最是感興趣的是四方氧化鋯的微粒相，因為它在從亞穩的四方晶相轉變為單斜晶相的相變過程中，韌性可以增加，這種現象又稱為相變增韌。人們對將堅硬的非氧化物相的物質如碳化矽、硼化鈦、碳化鈦、硼、碳以及氧化物基體如礬土和莫來石等等也有濃厚的興趣。此外，也有人對將其他陶瓷顆粒，特別是那些有各向異性熱膨脹特點的材料有興趣，比如氧化鋁、石墨和氮化硼。在加工顆粒複合材料的時候，需要考慮的問題不僅僅是分散物和基體的尺寸與空間分佈的均勻性，也需要對基體晶粒的大小進行控制。然而，現在有些內建的自控制方法，可以透過分散相來抑制基體晶粒生長。顆粒複合材料儘管抵抗損傷和故障的能力更強，它們仍然對成分的不均勻性非常敏感，同時加工時還會產生空洞等瑕疵。因此，為了使它們有效，需要對它們仔細的加工。顆粒複合物一般在簡單的混合兩種成分的粉末這一商用基礎上製造。儘管這種方法自身限制了所能達到的一致性，它可以很容易的透過調整當前的陶瓷生產技術來實現。其他方法也在研究之中從技術的角度來說，一種製造顆粒複合材料特別理想的方法是在基體或者是基體前身外面覆蓋分散物的細小顆粒，同時對分散顆粒的初始大小大小和基體表面塗層的厚度進行精確的控制。原則上可以透過這種方法達到最終的均勻分佈以及可以對複合材料的效能進行最佳化。這種方法也由其他的分支，如在某些條件下可以使多孔物體擁有更有用的複合材料效能，這樣可以對熱傳導性進行限制。也有可能使用熔融加工的方法來製造陶瓷、顆粒、晶須、短纖維和連續纖維複合材料。很明顯，顆粒符合材料和晶須複合材料可以透過熔融凝固後的固體沉澱來得到。它們在某些情況下也可以透過燒結來製造，比如沉澱增韌後部份穩定的氧化鋯。類似的，人們已經知道可以透過定向凝固共晶混合物陶瓷從而得到單軸對齊的纖維複合材料。這種複合材料只能有非常簡單的形狀，而加工的成本又很高，因此導致了嚴重的經濟問題。當然，這些方法中大多數都可能用到熔融澆鑄的方法。可能更理想的方法是使用熔融衍生的顆粒。這種方法需要對固溶體或細晶結構進行淬火。在這個過程中，顆粒會使用更常用的陶瓷粉末加工方法制成有用的物體。也有嘗試透過在熔融噴霧過程中引入分散顆粒、晶須或纖維的方式來製造複合物，儘管在材料加工方面有很多進展，纖維複合材料的最重要的需求是降低纖維成本。第二個重要需求是減少纖維複合材料、塗層或者複合材料加工中在氧化環境中高溫加熱所帶來的品質退化問題。應用.採用了先進技術的陶瓷產品包括太空梭計劃中使用的隔熱瓦、燃氣燃燒器噴嘴、防彈衣、二氧化鈾核燃料、植入物、噴氣發動機渦輪葉片以及導彈鼻錐。這些陶瓷產品的原材料不僅僅是粘土，而是根據它們需要的物理性質特殊挑選的。這些物質可以分類如下：陶瓷在很多技術工業中都有應用。例如，在美國航空航天局的太空梭上使用了陶瓷隔熱瓦，它可以保護太空梭以及未來的超音速空天飛機免受重入地球大氣層時與空氣摩擦產生的高熱的傷害。陶瓷材料在電子業和光學中也有廣泛應用。除了這裡列舉的應用，陶瓷也被用於作為許多工程案例中的塗層。例如，在飛機的鈦架上就會有一層陶瓷塗層。最近對陶瓷技術的研究除了對傳統的多晶材料進行研究以外，還包括對單晶體和玻璃光纖的研究，而這些材料的應用互有重疊，進展也非常快。生物材料.矽化在生物世界中是非常普遍的，在細菌、單細胞生物、植物以及動物中都可以觀察到這個現象。透過這個方式形成的晶體礦物質一般都有出色的物理性質，如強度、硬度、韌性等等。這種物質往往形成層次結構，在很大的長度上或空間尺寸內展示出其微結構的有序性。這些礦物通常在矽不飽和的環境裡結晶，環境的酸鹼度為中性，溫度也比較低。這種礦物可能在生物的細胞壁以內或以外形成，而使礦物沉澱的特殊的生物化學反應包括了脂類，蛋白質和碳水化合物。這種細胞機械非常的重要，目前已經有人進行細胞生物學方面的實驗技術研究，用以模擬這種生物環境，而且已經取得了重要的進展。大多數自然的材料都是複雜的複合材料，儘管組裝這些材料的成分效能都比較弱，但是組裝所得的複合材料的力學效能通常非常好。這些複雜的結構可能是經過上億年的進化才得到，它們可以激發人們對設計新型材料的靈感。這些新型的材料將會有非常優秀的物理性質，在不利的環境裡也有很高的效能。他們的特徵包括層次性、多功能性，還有自愈能力，人們正在研究這些特徵以期製造更好的材料。構建這些複合材料的原材料基本上開始於20種氨基酸，隨後被加工成為多肽、多糖、多肽糖。這些物質組成了基本的蛋白質，是大多數生物礦物軟組織的主要成分。儘管蛋白質的種類超過1000種，現在的研究主要集中於膠原蛋白，甲殼素，角蛋白和彈性蛋白。這些物質通常會被晶體礦物增加強度，而這些晶體所生長的生物環境決定了每個晶體的大小、形狀和分佈。生成晶體最重要的礦物被認為是羥基磷灰石，矽和文石。複合材料的幾個主要分類如生物陶瓷、聚合複合材料、彈性體和細胞物質的主要力學特徵和結構都已經發表。每一類別都有特定的系統被人們重點研究，以探索其微結構和力學性質的關係。自然界中無機材料的結晶可以在通常的溫度和壓力下完成。然而更重要的一點是生物可以不停的使用這些礦物質生產這些極其精確和複雜的結構。對活的生物體控制晶體礦物如二氧化矽的生長的研究可以幫助我們發展材料科學領域，同時為奈米複合材料的合成技術開啟一扇門。高解析度的掃描電子顯微鏡顯示了鮑魚貝殼珍珠層部分的微結構。這些貝殼在所有已知的非金屬物質中有最高的機械強度和斷裂韌性。鮑魚貝殼的珍珠層在材料科學中是最常研究的生物結構。在這些圖片裡可以很明顯的看到整齊堆疊的礦物層被有機薄片分隔開來，還有周期性更大的生長帶，這個結構被科學家們稱為層次化複合材料結構。生物材料領域未來的發展是透過使用生物系統特徵性的加工方法和策略來合成這些從生物中獲得靈感的材料，如奈米尺度的各種成分的自裝配和對層次化結構的進一步研究。