[其他]新型陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明一般地说是关于一类新型陶瓷材料及其制备方法的。发明中涉及到的此种陶瓷材料具有致密的多晶态微观结构，与传统的陶瓷相比，常常是很结实和不易碎裂的。

形成本发明中陶瓷材料的方法是以发现下述条件为根据的，这些条件可使金属材料产生出奇的氧化行为。当把某种合适的金属或合金（后面会具体谈到）置于其熔点以上的特殊温度环境下的氧化气氛中时，此种液化了的金属将从它的表面朝外氧化，并沿着这样一些通道借抽吸作用而逐渐通向氧化气氛，这些通道取代了高能晶界，而以另一种形式形成了不透气的氧化物结构。通过液态金属与这种氧化蒸汽的反应，继续不断地形成新的氧化物材料，这样就沿着低能晶界上初步地“生长着”一种相互连接的陶瓷质氧化物结构。制得的材料还包含有母体金属或合金以金属形式分散于相互连接和弧立排列的微观结构中的一部分或其全部，而这要较多或较少地取决于将进一步严格确定的处理条件。这些均匀分散的金属材料和氧化物金属结构的致密性质，看来将关系到最终陶瓷材料能否有很高的抗破裂特性。

本发明的这种材料能够在其整个横截面上并沿厚度方向，以基本均匀的性质生长，而这是生产致密陶瓷结构的常规方法所不能奏效的。采用本发明中的方法，还能避免因准备均匀的细粉与压型技术所耗用的高成本，而后者又是陶瓷生产的常规方法中所必须的。

近年来，陶瓷日益增多地用作结构材料，以取代历史上习用的金属。之所以如此，是因为陶瓷具有许多优于金属的性质，如抗侵蚀、有合适的硬度和弹性摸量以及耐高温，加上这样的事实：许多现代化部件和系统在性能上的工程限度，现在已由于传统采用的材料具备了上述性质而得以开拓。预期可以进行这类替换的范围包括以下一些例子：发动机部件、热交换器、切削工具、轴承与磨耗面、泵与船用硬件。

然而，使陶瓷能在结构应用中代替金属的关键，在于以合算的成本提高了陶瓷的强度和抗破裂特性，使之能可靠地用于构制与张力负荷、振动和冲击有关的设施。时至今日，为生产出高强、可靠与整体式陶瓷件的努力都集中于改进粉末加工工艺，而真正能从当前技术工艺水平上改善陶瓷的性能特征，则是很复杂的而且在成本上也是不合算的。传统的粉末加工工艺着重以下两个领域：1）用溶胶-凝胶、等离子体与激光技术改进生产超细均匀粉料的方法，以及2）改进密实化与压坯方法、包括采用优良的烧结技术、热压与热等静压法。这种努力的目的是为了生产出致密、细粒度的无裂纹的微观结构，而这类方法事实上欲也改进了陶瓷的结构性能。但是，尽管在传统工艺范畴从事这类发展的结果，已使陶瓷的结构改进，却使用作工程材料类的这种陶瓷成本大大增加。

另一个限制陶瓷材料用于工程目的的问题则不仅未曾解决，反而在事实上因现代化的陶瓷加工技术的进步而恶化，变得捉摸不定。指向致密化（即消除粉粒间的空隙）的传统方法是和把陶瓷用作大型的单一构件的目的不相适应，例如用作炉子的整体内衬、高压锅体、锅炉与过热器的管子等。加工的滞留时间与压缩力等问题随着部件尺寸的加大而大大增加。加工设备的压力室壁厚（对于热等静压时）与模子尺寸（对于热压时），随着陶瓷制品尺寸的全面增加而按几何级数增加。

本文描述的发明采用一种较前述传统方法简单而又低廉的机理，来实现生产致密、高强和抗破裂的陶瓷微型构件。利用本发明，现在也能可靠地生产大尺寸和（或）厚截面的陶瓷件，这就给陶瓷材料的应用开辟了凭传统陶瓷生产工艺难以想象的新前景。

过去偶尔也曾把金属的氧化设想为一种形式氧化物型陶瓷体的理想的有吸引力的方法。本说明书及其所附权项范围中用到“氧化物”一词时，是指一种金属的任何这样一类氧化态，在此种氧化态下，该金属放出电子给其他元素或元素结合体以形成化合物，同时用“氧化物”一词来概括例如以氧、氮、卤素、碳、硼及其组合所形成的金属化合物等。形成本发明中陶瓷材料的基本过程反映出，已发现了使金属产生出色氧化行为的充分必要条件。为了恰如其份地评价这一发现的意义，简单回顾一下对一般氧化行为所掌握的知识以及过去限制把金属的氧化用作为生长陶瓷体的一种机理的事实，对读者是有帮助的。

传统上，金属按下述四种一般的方式氧化。第一种，某些金属当暴露在氧化环境下氧化而形成片、块状或多孔质的氧化物时，继续使金属表面暴露于氧化环境下。在这一过程中，并未因金属的氧化而形成独立的氧化物体，倒是形成一堆片状或粒状氧化物。例如，铁就是以这种方式氧化的。

在第二种方式中，已知有某些金属（例如铝、镁、铬、镍或其他类似元素）是按这种方式氧化成相当薄的保护性氧化物表层，此种表层迁移氧或金属的速率很低，因而有效地保护了表层下的金属免于进一步氧化。这种机理不能以足够的厚度生产出任何具有显著统一结构的独立氧化物。