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知识解读丨一文读懂陶瓷3D打印材料
发布时间:2025-06-10
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陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料,它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点,与金属材料、高分子材料是当今社会应用最广泛的三大材料。

按陶瓷的概念和用途进行分类,陶瓷制品大致可以分为普通陶瓷与先进陶瓷两大类,这两类陶瓷在原材料选择、加工工艺、性能特点以及应用领域上都有显著差异。

陶瓷的分类


  •  普通陶瓷(传统陶瓷)

普通陶瓷,主要是指以天然原料(如黏土、高岭土、石英等)为基础,经过简单的粉碎、混合、成型和高温烧制等传统工艺制得的陶瓷制品。这类陶瓷工艺历史悠久,产品类型丰富,广泛应用于我们日常生活中。


普通陶瓷的特点是生产成本低、工艺成熟,但其在性能上(如强度、韧性、耐热冲击性等)与现代工业需求相比存在一定局限性。

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  •  先进陶瓷(特种陶瓷)

先进陶瓷,又称功能陶瓷或工程陶瓷,是指采用高纯度、合成或经过严格筛选的无机非金属原料,通过现代化、可控的制造工艺加工而成的高性能陶瓷材料。


这类陶瓷不仅拥有传统陶瓷的高硬度、耐磨性、耐高温等优点,还具备更优异的力学性能、电学性能、磁性、热学、光学等功能属性,适用于高端工业与科技领域。是推动高科技产业发展的关键材料之一。

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先进陶瓷的分类


先进陶瓷按其特性和用途可分为结构陶瓷功能陶瓷和生物陶瓷


结构陶瓷具有优良的强度、硬度、绝缘性、导热性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨、高温强度等特性,它可以用于非常恶劣的环境或工程条件,表现出高稳定性和优异的机械性能。结构陶瓷的主要材料有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、六方氮化硼陶瓷等。

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生物陶瓷是指可在生物体内使用、对组织有良好生物相容性或生物活性的陶瓷材料,主要用于骨科、牙科与组织工程。主要材料有羟基磷灰石、磷酸三钙等。

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功能陶瓷是一类具有独特电、磁、光、声或化学特性的先进陶瓷,通过组分和微观结构设计实现特定功能。典型材料包括压电陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷和半导体陶瓷等,广泛应用于电容器、传感器、换能器、存储器及电子器件中,是现代电子信息、能源转换和智能系统的关键材料。

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常见3种先进陶瓷介绍


一、氧化物陶瓷

氧化物陶瓷是以金属氧化物为主要成分的先进陶瓷,具有高熔点、优异的化学稳定性和绝缘性能。氧化铝是最典型的代表,其硬度高、耐磨耐腐蚀,广泛用于机械密封件、切削工具和电子基板,但其脆性较大。氧化锆通过添加氧化钇等稳定剂可形成高韧性陶瓷,应用于牙科种植体、轴承和燃料电池电解质。氧化物陶瓷工艺成熟,但高温下易发生晶粒粗化,需通过纳米掺杂或复相结构优化性能。

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二、碳化物陶瓷

碳化物陶瓷由金属/类金属与碳结合而成,以高硬度、耐高温和优异抗热震性著称。碳化硅是典型代表,其硬度接近金刚石,用于航天器热防护、半导体晶圆夹具及核反应堆包壳管。碳化硼是自然界第三硬材料,中子吸收能力强,应用于防弹装甲和核电站控制棒。碳化钛和碳化钨常作为金属基复合材料的增强相,提升刀具或耐磨部件的寿命。碳化物陶瓷的缺点是高温易氧化,且烧结难度高,常采用热压烧结或反应烧结工艺。近年来,碳化硅纤维增强复合材料在航空发动机叶片领域备受关注。

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三、氮化物陶瓷

氮化物陶瓷以金属与氮结合为特征,兼具高强度、耐腐蚀和独特功能特性。氮化硅是明星材料,抗弯强度强,热膨胀系数低,用于发动机涡轮转子、轴承和金属熔液输送部件,其高断裂韧性源于自增强的β-Si₃N₄柱状晶结构。氮化铝热导率接近氧化铍且无毒,是高性能电子封装基板的首选。氮化硼分为六方和立方两种形态,h-BN润滑性类似石墨,用于高温模具脱模剂;c-BN硬度仅次于金刚石,制成超硬切削刀具。氮化物陶瓷合成需高纯氮气环境,成本较高,但功能可调性强,在新能源和电子领域潜力巨大。

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结语


陶瓷材料目前其应用领域正在不断拓展。从古老的普通陶瓷到高性能的先进陶瓷,陶瓷技术的发展不仅见证了材料科学的进步,也推动了现代工业、电子信息、生物医疗等高端技术的革新。随着纳米技术、复合材料技术和3D打印等先进制造工艺的融合应用,陶瓷材料将展现出更强的设计灵活性和功能多样性,成为未来高性能材料体系中不可或缺的重要组成部分。


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