簡介
非金屬工藝學(Ceramic engineering)是由無機非金屬製造出物質的科學和技術。這由加熱或在較低溫度從高純化學溶液脫溶反應而成。內容包括純化原料,研究和產生有關化學化合物,研究它們的結構,成份和性質。
非金屬材料可有晶體或部分晶體結構,具原子長程有序。玻璃陶瓷可有非或玻璃結構,具有有限或短程有序。它們從高溫大塊材料冷下固化,或從低溫化學合成,如水熱或溶膠合成。
陶瓷材料的特性在材料工程,電工程,化學工程和機械工程中有許多套用。陶瓷能耐熱,它能用在許多像金屬和高分子材料不合用的地方。陶瓷材料在工業廣大範圍內套用;包括採礦,航空航天,醫學,精煉廠,食品和化學工業,包裝科學,電子學,工業電傳送等。
現代陶瓷工業
現代的陶瓷工業是一個重要的科學領域;它每年有數十億元工業產值。由於研究不同新陶瓷,使它的套用面不斷擴大。
鋯氧化物陶瓷是用來製造刀的材料。陶瓷刀片可保持峰利的時間長得多。雖然它較易碎。
鋁,硼碳化物和矽碳化物的陶瓷已用來做大口徑來福槍防彈衣。類似材料用來做軍隊飛機坐艙保護衣,因它重量輕。
矽氮陶瓷用作陶瓷軸承球,它的硬度高,三倍耐磨壽命。
1980年Toyota研究了絕熱陶瓷機,它在3300度攝氏下不用冷卻系統工作,重量減輕,省能。
現在發展氣體渦輪機,使其效率更高,近來陶瓷獲得進步,包括生物陶瓷,如牙植入和合成骨.骨的自然礦物成份羥磷灰石已由陶瓷代替,高技術陶瓷已可用在鐘錶製造。
玻璃陶瓷
玻璃陶瓷具有玻璃和陶瓷的性質;它有一個非晶相和一或多個晶體相。而由“控制晶化”生產。
玻璃陶瓷主要為鋰和鋁矽的混合物,具有令人感興趣的熱機械性質;它不會因熱而炸裂,成為廚房的烹具。晶化陶瓷相的熱膨脹係數(TEC)為負;而玻璃相的(TEC)為正。約在70%晶化相時,玻璃陶瓷的(TEC)接近零。這種玻璃陶瓷有優越的機械性能;能忍受高達1000度溫度快速變化。
加工程式
傳統陶瓷加工程式如下:球磨—配料—混合—成型—燒結—裝配。
球磨是把材料尺寸從大變小的過程。一般用機械方法,如球磨機。
乾燥是把水和粘合劑從粉料中移去。一般用噴霧乾燥方法。
燒結是把物品經過一定加熱過程,使其氧化,發生化學變化而燒結或鏈結。經燒結後的體積比燒前的小。
成型方法
陶瓷成型技術包括粉漿澆鑄,流延成型,噴射造型法等靜壓和熱靜壓等。
燒結過程
在陶瓷溶點下的溫度燒結。經成型後的物體稱綠色體。它在爐內烤;原子和分子擴散過程使綠色體的微結構發生重要變化;包括慢慢消失孔洞,體積縮小,強度增加。在此烘烤或燒結過程的另一變化,就是體內形成多晶結構;引入晶粒尺寸分布,這對材料的物理性質有重要影晌。晶粒尺寸和起始顆粒大小有關;也可能與燒結初始顆粒團聚有關。
陶瓷強度
材料的強度由它的微結構決定;而加工過程又可以改變材料的微結構。改變材料強度的機制包括晶粒邊界強度的機制。晶粒尺寸減少可增加強度,但晶粒太小;則使材料變脆。
陶瓷加工過程中,一般粉的顆粒大小和形狀不規則,導致壓後密度不勻。由於溫得爾力吸引,粉結團也使微結構不均勻。
不均勻乾燥收縮導致不同應力和溶劑移去不同;影晌孔洞分布的均勻。微分應力分布不同;可使強度減低。
複合陶瓷
近年,對複合陶瓷有興趣;所有組元都是陶材的興趣更大。典型的例是:一種為連續的母體;另一種為顆粒,或長,短的陶瓷纖維。困難在;如何可使這些纖維能均勻地分布。
套用
航空和航天
防護飛機發動機不受損壞
用作高應力,高溫和輕軸承和結構成份。
火箭鼻心
空間梭子瓷磚
空間碎片衝擊防護
生物醫學
人工骨:牙的材料
生物可降解的夾板
深植入材料
電子學
電容器
積分電路架
感測器
光學
光纖
開關
雷射放大器
透鏡
紅外熱探索器