眾所周知，金屬具有較好的韌性和力學性能，但高溫下化學穩定性較差，易氧化。陶瓷能夠耐高溫，化學穩定性好，但脆性大，抗機械沖擊能力差。金屬陶瓷作為一種高溫復合材料，其性能也是相當“硬核”，它兼顧了金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點、耐腐蝕和耐磨損等特性，在航空航天、溫度測量、核能及加工制造等領域中擁有廣闊的應用前景。
(圖片來源于網絡)
可以說，金屬陶瓷是一種具有金屬和陶瓷綜合性能的先進高溫結構材料，目前具體的應用對象主要包括高溫耐磨部件、測溫元件、高溫涂層、高速切削刀具、沖壓模具等。
定義
金屬陶瓷屬于一種高溫復合材料，與金屬基復合材料和陶瓷基復合材料既有聯系又有區別，很難精確界定。有研究者給出的金屬陶瓷的定義是：由一種金屬或合金與一種或幾種陶瓷組成的非均質復合材料，其中陶瓷占15%～85%(體積分數)，在制備溫度下金屬和陶瓷之間的溶解度較小，彼此之間不發生化學反應，或僅限于表面發生輕微的化學反應和擴散滲透。此外，有相關工作者把“硬質合金”歸入“金屬陶瓷”中，從材料組成來看，這種觀點也有一定道理。
金屬陶瓷的制備原則
為了更好地彌散分布并與金屬結合，金屬陶瓷中的非金屬相(陶瓷)通常是近于等軸狀的細顆粒，粒度一般為1-100μm。而金屬陶瓷制備成功與否，取決于在制備過程中能否生成一種對其陶瓷、金屬組元都能潤濕結合的“粘結劑”，并且這種“粘結劑”能夠與陶瓷通過擴散生成有限固溶體。若“生成的粘結劑”與陶瓷發生強烈的化學反應，則會產生不良后果，造成材料性能降低，因為反應生成的通常是脆性的金屬間化合物。在燒結制備過程中，以下4種因素對金屬陶瓷的性能有決定性影響：
(陶瓷金屬熱擠壓模具：圖片來源于網絡)
(1)金屬和陶瓷的物理化學性質，包括膨脹系數、導熱系數、彈性模量和金屬材料的塑性等;
(2)金屬潤濕陶瓷的程度;
(3)金屬與陶瓷的相和組織結構特征，包括相分布、晶粒尺寸與形狀以及相的連續性等，相似的晶體結構、晶格常數和鍵合類型有助于形成固溶體;
(4)高溫制備過程中金屬與陶瓷間的反應程度。
分類及應用
根據金屬陶瓷中主要非金屬相的種類，金屬陶瓷可分為五種類型：氧化物基、碳化物基、碳氮化物基、硼化物基和含有石墨或金剛石狀碳的金屬陶瓷。
01
氧化物基金屬陶瓷
(1)Al2O3基金屬陶瓷
Al2O3基金屬陶瓷可用作切削工具，適于高速切削。用Cr作金屬組分的Al2O3基金屬陶瓷比Al2O3陶瓷機械強度高，并隨組成中Cr含量增加，抗折和抗張強度有所增加。采用Cr-Mo合金效果更好，可在許多高溫條件下應用。例如作為噴氣火焰控制器、導彈噴管的襯套、熔融金屬流量控制針、“T”形澆口、爐管、火焰防護桿以及熱電偶保護套管和機械密封環等。Al2O3-Fe基金屬陶瓷硬度高、耐磨、耐腐蝕、熱穩定性高，廣泛用作機械密封環，以及農用潛水泵機械密封用，另外還可以在要求耐高溫、導熱、導電場合下作為高溫部件用。該環使用壽命長，而且不會因臨時啟動產生大量的熱而使環破碎。
(2)ZrO2基金屬陶瓷
ZrO2基金屬陶瓷是另一種能用金屬粘結的陶瓷，可以制成有用的耐火材料。用5%～10%原子濃度的Ti粘結的ZrO2基金屬陶瓷，可以制成適用于制造稀有和活性金屬的坩堝材料。
(3)其它氧化物基金屬陶瓷
BeO基金屬陶瓷用W作粘結金屬，其熱抗熱震性較好，在較高溫度下才軟化，這種材料以用來制作坩堝。由W或Mo作粘結金屬的ThO2基金屬陶瓷，可以制成許多用于電子工業的產品。由Al、不銹鋼或W粘結的可裂變的UO2組成的金屬陶瓷可用作為核反應堆堆芯的燃料元件。這種金屬陶瓷可以較好地抑制裂變產物，導熱性好，從而可防止在高溫工作時熔化。
02
碳化物基金屬陶瓷
(1)WC基金屬陶瓷
WC基金屬陶瓷是碳化物基金屬陶瓷中研究最多、應用最廣的一類金屬陶瓷。迄今，能保證材料高機械性能的最好的結構組合和原子間相互作用的古典示例，仍然是WC-Co基金屬陶瓷。因為它們在20℃時相組元的結構參數相接近，并且Co的高溫變態是通過孿生法從面心立方晶格轉變到六方晶格。這種轉變是由Co排列缺陷的低能量引發的，在Co內產生強烈的位錯分裂，從而保證高的屈服極限。
(2)TiC基金屬陶瓷
在碳化物基金屬陶瓷中，除WC外，以TiC為基的金屬陶瓷也研究得相當成熟，其應用也很廣。由于TiC陶瓷的熔點(3250℃)高于WC(2630℃)、耐磨性好、密度只有WC的1/3，抗氧化性遠優于WC，而且都能被Co潤濕，可用來替代目前廣泛使用在切削刀具工業中的WC-Co基金屬陶瓷而大大降低成本，因而引起了人們的極大興趣。
(3)Cr3C2基金屬陶瓷
以Cr3C2為主要組分，用Ni、Ni-Cr或Ni-W作粘結金屬的金屬陶瓷具有密度低、耐磨、耐腐蝕性好、熱膨脹系數低、高溫抗氧化性好等一系列優良的性能，從而在工具方面和化學工業中得到了應用?？梢杂米鼷}水捕魚桿導圈、抗熱鹽水腐蝕與磨損的軸承與密封材料、塊規、千分尺接頭和其它測量工具、黃銅擠壓模具、高溫軸承、制造油井閥門的閥球等。
03
碳氮化物基金屬陶瓷
Ti(C,N)基金屬陶瓷是在TiC基金屬陶瓷基礎上發展起來的一種具有高硬度、高強度、優良的高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、導熱率高的新型金屬陶瓷。其主要成分是TiC-TiN，以Co-Ni為粘結劑，以其它碳化物為添加劑，如WC，Mo2C，(Ta,Nb)C，Cr3C2，VC等。
目前，Ti(C,N)基金屬陶瓷應用于加工領域已成現實，以制成各種微型可轉位刀片，用于精鏜孔和精孔加工以及“以車代磨”等精加工領域，且由于Ti(C,N)基金屬陶瓷有低密度、低摩擦系數、高耐磨性、良好的耐酸堿腐蝕性能和穩定的高溫性能，還可用于：各類發動機的高溫部件，如小軸瓦、葉輪根部法蘭、閥門、閥座、推桿、搖臂、偏心輪軸、熱噴嘴以及活塞環等;也可用于石化工業中各種密封環和閥門，還適合作各種量具，如滑規、塞規、環規。
04
硼化物基金屬陶瓷
(1)TiB2基金屬陶瓷
由于TiB2陶瓷具有某些獨特的物理化學性能，例如：高溫硬度極高、密度和電阻率低、彈性模量高、熱傳導性好、與金屬的粘著性和摩擦系數低、抗氧化性高、化學穩定性好等，因而被認為是制造新一代金屬陶瓷的很有發展前途的硬質相。
(2)ZrB2基金屬陶瓷
用質量分數0.02～0.05的B粘結ZrB2的ZrB2基金屬陶瓷可以在極高溫度下使用，包括燃燒室、火箭發動機和噴氣發動機的反應系統。用質量分數0.15的SiC和ZrB2反應，這種固結的金屬陶瓷可進一步增強ZrB2的抗氧化性，能經受得住1900～2500℃范圍內的氧化環境。這種金屬陶瓷可應用于處理熔融金屬的系統，如在壓鑄機上壓鑄液態合金所用泵的葉輪和軸承;霧化金屬粉末用的噴嘴以及與熔融活性金屬或蒸氣接觸的爐子零部件。
05
含石墨或金剛石狀碳的金屬陶瓷
制造電觸頭用的石墨-金屬組合物材料可用于：電動機和發動機的金屬電刷，其金屬相為銅或青銅;較低摩擦速度和低接觸壓力下的滑動觸頭，金屬相為銀。此外，這類材料還廣泛用來制造制動器襯面和離合器襯片。在金屬基體內加入從粗的碎片到細的粉末狀金剛石組成的金屬陶瓷，可制造研磨、拋光、鋸開、切割、修整和整形工具。