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1、国内外精密陶瓷材料的发展趋势0810121611 陆怡青前言：近年来， 世界各国正从传统陶瓷向新型陶瓷转变，陶瓷已不仅仅局限于艺术、日常等领域，因其良好的耐热性、生物相容性等性能，被广泛应用与热传导、热机械、敏感传感器、光学领域、医疗领域及新能源等领域，成为目前各国研究的重点。正文：新型陶瓷在耐高温、耐腐蚀、耐磨损、超硬性、超软性、超导性，远比传统陶瓷、现存的金属或非金属材料优越。新型陶瓷还具有光敏、气敏热敏、湿敏压电等性能， 这些性能便是制造人工智能材料的基础。所以当前一些国家，特别是经济、 技术比较发达的国家都把发展新型陶瓷材料放到重要的战略地位，把大批的工程技术人员和资金转向新型陶瓷材料
2、的研制与开发。精密陶瓷，又称高性能陶瓷，工程陶瓷等。就主要成分而言，可分为碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等。目前最重要的研究和发展对象是Si3N4 和 SiCr 就用途而言，可分为结构陶瓷、切削陶瓷和功能陶瓷(主要利用其电、磁性能)三类。普通陶瓷在建材和轻工学行业已得到了广泛的应用。但作为精密陶瓷，它与普通陶瓷的主要区别是：精密陶瓷的原料经过严格的精选即求最大限度地获得符合要求的高纯度原科，而且所用材料的粒度尽可能细其次要精确地控制其化学组成，避免混入不希望的杂质和发生各成分的飞扬或挥发损失，再就是做到控制形成微细结构，对烧结粒子的粒度，粒子的界面 气孔等都要十分注意。在这一系列的努力下，陶瓷
3、所特有的各种优异性毹才得以充分体现。现代工业技术的发展，对材料性毹的要求有的已经超出了金属材料或塑料等所具有的性能。例如，以节能为目标的高效率窑炉，要求材料在l500。C 以上的高温下工作，但金属材料的高温性能极限只在l200。C 左右， 因此这些高温机械部件只有求助于陶瓷材料。陶瓷材料除了耐高温之外，还具有高强度，高绝缘等特殊优异性能。利甩陶瓷的高强度，它可制做切飘材料或研磨材料，制造各种刀具模具等 利用陶瓷的高绝缘性，可用于各种集成电路板或电器 利用陶瓷的压电性可用于高精度钟表的晶体振荡元件或电子点火器内的点火元件等。在工业上应用精密陶瓷所进行研究的主要课题是如何提高陶瓷材料的韧性以更大地
4、满足使甩要求目前，结构陶瓷研究得比较活跃的是氮化硅、碳化硅、氯化锆相变增韧陶瓷氮化硅 (si sN )和碳化硅 (sic)陶瓷的主要研究工作为细粉的制造(细粉既可以提高强度又可以增加韧性 )，成形和烧结及表面加工与焊接等工艺研究。氧化物 (包括氧化锫和氧化铝等)陶瓷的主要研究工作为粉束的制备和处理，氧化物陶瓷的增韧，即在陶瓷中加第二相粒子诱发微裂纹，造成新的吸能机制或降低热膨胀系数，或在表面造成压应力等研究成果表明，几种主要陶瓷材料性能的比较大体如下：高温强度： Si3N4、SiC ZrO 2 、Al2O3 ；室温强度：部份稳定的ZrO2，Si3N4 SiC A12O3 ：硬 度： SiC A
5、12O3 Si3N4 、ZrO4：热冲击性： Si3N4 SiC ZrO2 、A12O3 ；隔热性： ZrO2 A12O3 、Si3N4 SiC ；价 格： Si3N4 SiC ZrO2 Al2O3；陶瓷基复合材料不仅比普通精密陶瓷具有更高的强度，而且主要的有更高的韧性，也是且前研究比较活跃的领域。陶瓷复合材料增韧的机理是。裂缝遇到_纤维时而改变方向，或由于要使纤维断裂而消耗能量，或由于纤维的产出而吸收能量，其中界面状态是个重要因素，它对优化纤维增韧起着关键的作用。近年来，国外精细陶瓷总的发展趋势是；门类越来越多，品种更加齐全，应用范围愈来愈广阔， 成为当前国际上最具活力的陶瓷行业。精细陶瓷产
6、品已在微电子技术，自动化装置，汽车发动机，敏感传感器，新能源等方面广为采用，形成生产高潮与激烈的市场竞争局面。美国精细陶瓷发展的重点为高温结构陶瓷，目前在航天技术，汽车，航空器，核工程，医疗设备及机械动力等方面进入大范围使用阶段。以氮化硅， 碳化硅， 氧化锆陶瓷为主的精密材料陶瓷制品产量世界总量的60%以上。 美国生产的陶瓷轴承工作温度高达1300 度以上，其工作强度为普通金属轴承的5倍以上。美国研制的生物陶瓷产品也已大量用于骨骼修复，瓷牙修补的临床应用。目前美国特陶工业界还加紧军用精细陶瓷的研制开发，期待逐步加强在军事领域的应用。日本近年来一直将精细陶瓷看作是决定未来竞争力前途的高科技产业，
7、不余遗力地不断加大投资力度。 其生产的精细陶瓷敏感元件已占据国际市场主要分额。包括热敏， 压敏，磁敏，气敏，光敏等在内的各种特陶产品垄断着一大部分市场。日本正在试验高性能陶瓷电池，它是采用固态陶瓷材料代替酸性电解液，重量较传统电池减轻三分之二且污染小，尤适宜用于汽车及航空航天工业需要。此外日本在开发陶瓷发动机方面也走在世界前列。欧盟各国则在功能陶瓷与高温结构陶瓷两方面不断加大投资力度。目前研究的重点为发电设备中应用的新型材料技术，如陶瓷活塞盖， 排气管里衬， 蜗轮增压转子及燃气轮转子。由于在冷却部分采用陶瓷材料，大幅度降低了能源与热损耗。陶瓷热交换器则具备由锅炉或其它高温装置中回收余热的能力。
8、陶瓷管可提高耐腐蚀的能力，增加热交换效率。今后对于陶瓷工业烧成在内许多行业的节能发挥重要的作用。俄罗斯、 乌克兰两国在精密陶瓷的研究、开发和生产方面,历史悠久 ,基础扎实 ,设备齐全 ,实力雄厚 ,内容涉及到世界上最前沿的课题,而且取得了很好的结果,其中有一些则处于国际领先地位。在先进结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面,不论是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复相陶瓷或者是陶瓷基复合材料,如氧化铝、增韧氧化锆、莫来石、氮化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅、硼化钛、硅化钼以及石英-石英复合材料、碳-碳复合材料、各种粒子、晶须、纤维补强增韧的陶瓷基复合材料等,不但在实验室研制成功,而且开发成有明确应用目的的制品,相当
9、一部分已投入商业生产。我国作为传统陶瓷生产大国，目前也正在将发展目标紧盯在高科技的特殊陶瓷与精密陶瓷研制与创新方面。首先， 我国载人航天神舟飞船工程中，大量采用了高温陶瓷材料及精密敏感陶瓷产品。 这些极具各种优越、特殊功能的陶瓷材料与敏感元器件，支撑着航天事业的快速进展。 另外， 在传统的机械加工方面，已经先后推广使用了新一代的金属切削工具如陶瓷刀具； 作为世界上最大的日用家电产品生产国，许多家电产品中的各类敏感元件的使用范围更广、数量更多，热敏、磁敏、光敏陶瓷材料等方面的生产正在兴起。这就对国内特种陶瓷产品的研制与生产，提出了更多的要求。在满足了国内需求的同时，部分产品也正在大量出口到国际市
10、场。总结：精密陶瓷已经闪耀出场，目前已进入转折， 为了在今后作为真正意义止的工业材料引导先进技术， 需要进一步的研究开发。尤其重要的是在今后向新领域进行挑战之类创造性的研究。从最新的动向讲，金属、高分子和陶瓷等相互间的关系已经相当多地混杂在一起.这是因为来自材料需求者的要求更高了，拘泥于一种材料的作法已经不能适应这些要求。在这个意义上， 在研究开发和应用精密陶瓷之际是否也可用包括了其它材料的形式进行探讨。也就是说，在材料上是没有极限边界的，应该以广泛的认识去从事精密陶瓷的开发研究。今后对精密陶瓷功能材料所要求的材料特性，将是如何显现新的功能。作为功能材料的材质已经进行了相当多的研究，但还有利用
11、各种元素的缝合来发现新型化台物的可能性。这将需要相当大的偶然性或者有组织的系统研究。那么作为下一步手段可以考虑的就是有意地引入杂质或者缺陷。这是历来陶瓷的老一套手段，在压敏电阻或热敏电阻等电子材料中业已实现， 如果再前进一步就可以进行原子和分子水平上的混合。例如已经制成了使用CVD ( 化学汽相淀积 )法的陶瓷毫微混合材料。这是利用多维体系的CVD 合成的复合陶瓷，通过把分散相的大小极度缩小到毫微米级来显现新的特性。依靠这种设想还可以想出更新的工艺，届时将出现更优异的材料。关于精密陶瓷的制造工艺，历来是采取调制愿料成型、烧成、加工和接合等工序。这套工艺也许在今后也不会有很大的改变，但还可期待出现更新的工艺。这是因为人们考虑要为降低成本等做出贡献， 而成本正是目前很多精密陶瓷结构材料的弱点之一已经开始利用一些新的技术， 例如依靠不使用高分子粘结剂等的注射模塑成型方法、爆炸成型方法和加压自燃方法，实现精密陶瓷的合成同时烧结、超塑性加工、高温挤出加工、单轴定向性陶瓷合成，利用超骤冷方法台成陶瓷等。这些新的工艺还仅是刚刚找到头绪，从技术方面甚至从理论方面还有很多应做探讨的问题。根据今后的发展，将对陶瓷的加工给予较大影响。参考文献：1.建材工业信息1994 年第 21 期2.硅酸盐通报1996 年第 4 期3.现代材料动态2008 年第 7期
