■河南工业大学材料科学与工程学院 宋志健 刘世凯 孙亚光，今天小编就来说说关于二氧化硅陶瓷基复合材料?下面更多详细答案一起来看看吧!
二氧化硅陶瓷基复合材料
■河南工业大学材料科学与工程学院 宋志健 刘世凯 孙亚光
近年来，陶瓷基复合材料的功能化发展与日俱进，可应用的领域也不断扩大，其中氧化锆陶瓷基复合材料由于具有优异的物理和化学性能，并且具有其他陶瓷基复合材料无法比拟的良好韧性，在生物材料、结构材料、耐火材料、环保材料和电子材料等领域均有所应用。
高纯的氧化锆呈白色，一般的呈黄色或灰色。氧化锆是一种弱酸性氧化物，具有良好的化学性质，除硫酸和氢氟酸外，对于其他酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属都具有很好的稳定性。在大家的认知里，陶瓷一般是又硬又脆的，但氧化锆陶瓷基复合材料具有优良的力学性能，因为氧化锆在常压下温度由高到低呈三种状态存在，即单斜相（m）、四方相（t）、立方相（c）。随着温度变化三种相会依次相互转化，在此过程中会引起陶瓷基体的体积变化，进而在基体中会出现大量的微裂纹，可以分散尖端应力，提高其力学性能。部分稳定氧化锆力学性能优良、导热系数低、抗热震性良好，是一种应用前景广阔的新型结构陶瓷。
可用于牙齿修复、骨关节修复、手术陶瓷刀等生物材料领域。作为齿科修复材料，首先需具有良好的生物相容性，无毒副作用；其次还需具有足够的机械强度，能承受口腔内咬合力的频繁变化；同时，伴随着人们对美观需求的提高，要求齿科修复材料的色泽与天然牙无限接近。
氧化锆陶瓷具有优异的抗弯强度和断裂韧性、良好的生物相容性等特性，且色泽美观与天然牙一样自然，被视为理想的全瓷修复材料，逐渐代替氧化铝陶瓷，在修复硬组织损伤方面扮演着重要的角色。特别是氧化钇稳定氧化锆陶瓷凭借t-m相变增韧，强度可达1000MPa，断裂韧性可达7.2MPa·m0.5。
此外，随着全瓷体加工技术CAD/CAM 的快速发展，氧化锆陶瓷现已被广泛用作齿科修复材料，如牙根管、瓷桩、托槽、牙冠及固定局部义齿等。但是现在发现氧化锆陶瓷存在低温老化现象，在低温(30～300℃)潮湿条件下，如处于口腔或生物体内环境，氧化锆会自发地产生t-m相变，导致其力学性能和美观性下降，这种服役过程中的稳定性问题，降低了临床应用效果。近年来，在保证其综合力学性能的基础上，学者针对这一问题以及如何抑制低温老化现象进行了大量的体外时效研究。氧化锆陶瓷的低温老化与晶粒尺寸、稳定剂、残余应力大小有关，可以从氧化锆陶瓷的微观结构、制备工艺、开发设计三方面解决其存在的低温老化问题。
可用作关节假体材料。每年关节置换手术的数量呈稳步增长的趋势。目前，应用于髋关节假体的材料主要是以钛为代表的金属材料。这类金属材料一般使用寿命不超过20年，耐磨性能差，长期使用会导致金属磨削颗粒的产生，从而引起假体周围组织炎症的发生。目前，氧化锆陶瓷植入物因其优异的生物相容性和长期耐磨性而被广泛用作一种髋关节假体材料。与金属材料相比，生物陶瓷能够明显降低植入物的磨损率。例如，3mol%氧化钇部分稳定的四方氧化锆（3Y-TZP），是一种具有优异机械性能的陶瓷材料，在骨科中有很好的应用前景。同时，氧化锆陶瓷材料具有极好的生物相容性、良好的耐腐蚀性，是能满足长期使用要求的潜在替代材料。另外，由于氧化锆陶瓷具有良好的生物相容性、不积累电荷、不生锈、耐磨、锋利度高等特点，使其在医疗器械领域具有潜在用途，有可能用作新型医用陶瓷手术刀片。
可用于陶瓷轴承、研磨球、刹车片等结构陶瓷领域。近年来，工业各领域对高性能材料的需求日益增多。随着社会的进步和科学技术的发展，服役于高速、高温、强腐蚀、无磁、无润滑等恶劣工况下的轴承需求越来越多，传统的钢轴承因在高速、高温下寿命、强度、精度等都会下降的原因不能满足工作要求，工程陶瓷性能要远远优于钢轴承。陶瓷材料应用于轴承上能大幅提高轴承工作精度、使用寿命、动态刚度、散热性能、润滑条件等各方面指标，能有效改善机器的使用性能。陶瓷轴承套圈为薄壁环状结构，套圈质量的好坏将影响成品轴承的综合性能和使用寿命。陶瓷轴承加工成本高是制约其广泛应用的关键性问题，其中磨削加工成本占比超过80%。
可用作高温环境下的耐火材料。氧化锆陶瓷的熔点为2715℃，纯致密烧结体的变形温度可达2400～2500℃，热稳定性及高温抗蠕变性能良好。氧化锆陶瓷的热导率比其他陶瓷更低，并且高温化学性能稳定，与多数熔融金属不浸润，是高温隔热及结构材料的理想材料，可应用于金属熔炼、窑炉内衬以及高温防护涂层等。
在环保方面有所应用。城镇居民的人口密度越来越高，日常生活用水的环保处理意义重大。氧化锆陶瓷的化学性质稳定，抗腐蚀，有一定的强度和韧性，耐磨性能优良，并且无毒无害，可以用来制备陶瓷过滤膜。这种过滤膜使用后还可以回收利用。目前国内的氧化锆陶瓷过滤膜与国外的相比还有一定差距。金属器件在日常使用过程中会发生腐蚀，在高温环境下这种现象更为明显，氧化锆陶瓷高温涂层热导率低，抗腐蚀，可以大幅延长金属器件在高温下的使用寿命，提高资源利用率。
在电子材料领域也得到广泛应用。首先氧化锆陶瓷的韧性是其他种类的陶瓷无法企及的，既具有陶瓷的温润手感，又具有相对高的强度和耐磨性能，因此可以用来制作高端手机的后壳。氧化锆传感器具有较高的测氧精度和良好的高温稳定性，被广泛应用于内能机尾气排放中的氧含量检测等领域。氧化锆压电陶瓷由于性能参数多样、振动模式的研究与开发利用增多、器件制作技术进步等因素，近年来得到广泛应用，例如应用于压电点火装置和滤波器等。氧化锆陶瓷还能作为高频感应炉的感应发热体，主要是由它独特的结构和电性能决定的。氧化锆具有负的电阻温度系数，在室温下，是很好的绝热体，具有很高的电阻系数，但是随着温度的升高，其电阻率急剧降低，在1500℃左右可以成为十分良好的导体。
氧化锆陶瓷基复合材料具有各种优良的使用性能，被广泛应用到各个领域中，但仍存在一些问题，例如低温老化问题、由于相变导致的失效问题、陶瓷质材料与人体相适应问题、提高陶瓷器件使用寿命问题、制品产业化问题等，都需要我们继续探究。
本文原载于《中国建材报》3月21日9版
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