【新材料】正在崛起的新材料———特种陶瓷

    正在崛起的新材料———特种陶瓷

随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起，以及基础理论和测试技术的发展，陶瓷材料研究突飞猛进，为了满足新技术对陶瓷材料提出的特殊性能要求，与传统陶瓷有着很大差别的一类陶瓷———特种陶瓷应运而生了。有专家预言：现在是日用陶瓷、建筑卫生陶瓷的激烈竞争，在不久的将来肯定会发展成为一场世界范围内的特种陶瓷的激烈竞争。特种陶瓷发展前景广阔，那么，特种陶瓷经历了怎样的发展历程?现状如何?未来又将朝着什么方向发展?

■特种陶瓷发展历程

一般认为，特种陶瓷是采用高度精选或合成的原料，能精确控制化学组成，按照便于进行显微结构设计和控制的制造技术加工，并且具有高性能的一类陶瓷。按其特性和用途，可将特种陶瓷大致分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性，能作为工程结构材料使用。功能陶瓷具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性，且具有相互转化功能，大致上可分为电子陶瓷、透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、光学、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。

相关资料显示，我国从19世纪50年代开始研究特种陶瓷，材质以氧化铝陶瓷为主，60年代为适应我国电子技术与核技术的发展需要，特种陶瓷的研究与开发逐步得到了发展，氧化铍质、氧化钙质以及其它非氧化物等特种陶瓷不断问世。“七五”、“八五”期间，我国特种陶瓷的开发与应用又进入了一个新阶段，从事特种陶瓷开发研制的高等院校、科研院所和生产企业到目前为止已超过300家。其中从事功能陶瓷的单位占63.6%，从事结构陶瓷的单位占36.4%，主要分布在江苏、浙江、上海、山东、天津、北京、福建和广东沿海地区的城市。西南、西北偏远地区从事特种陶瓷研制的单位以原军工企业为主。1976年前后，清华大学就成功研制出以热压方法生产氮化硅增韧氧化铝刀具。江苏省陶瓷研究所于上世纪80年代初就致力于特种陶瓷的研究开发与批量生产，先后成功地开发了纺织瓷件ptc系列、陶瓷磨擦片、压电陶瓷、泡沫陶瓷、电真空管及陶瓷过滤板等，为我国特种陶瓷的发展作出了积极贡献。广东佛山陶瓷研究所于1991年率先建成了国内第一条年产10万支陶瓷辊棒的生产线，有力地促进了建筑陶瓷的蓬勃发展。天津大学研制的“轿车发动机电控喷射系统用新型氧传感器”、“al2o3拉晶杆”和“压电陶瓷微位补偿片”也获得了成功。其中“轿车发动机电控喷射系统用氧传感器”为国家“863”攻关项目，已形成了年产3万只的批量生产能力。“压电陶瓷微位移补偿片”是国防工程配套项目。“al2o3拉晶杆”填补了国内在该领域的空白。台湾地区生产的摩托车现正在逐步走向陶瓷汽缸时代，并准备打入欧、美等发达国家市场。

■我国特种陶瓷发展现状

从我国特种陶瓷的发展历程可以看到，在短短的几十年间，我国特种陶瓷制备技术发展迅猛，特种陶瓷已成为当今社会不可缺少的新材料之一。然而，特种陶瓷要在我国实现产业化仍受到多种因素制约。华南理工大学材料学院教授饶平根认为，原料、技术和设备是当前国内特种陶瓷在发展时遇到的瓶颈。特种陶瓷对原料的纯度和烧结活性要求高，而目前各种高端原料都在日本;在技术上，我国的特种陶瓷生产技术水平及总体实力与美国、日本相比差距较大，特别是在实际应用、生产水平和工业化程度上仍然与发达国家相差甚远;对于烧成设备，由于非氧化物如碳化物、硼化物、硅化物等材料对烧结设备要求很高，而我国使用的设备大都依靠国外进口，而且烧结设备非常昂贵。

据了解，特种陶瓷采用人工精制化工原料和合成原料为主要原料，由于原料是纯化合物，所以其成分由人工配比决定，与传统陶瓷采用天然矿物原料为主要原料，成分由粘土、长石、石英的产地决定有所不同。因此，有效地控制特种陶瓷制备的工艺过程，使其达到预定的结构，对于提高特种陶瓷材料的性能和进一步发掘其新的功能、提高使用效能都是十分重要的。目前，特种陶瓷材料的制备技术还不够成熟，尚有很多机理不是十分清楚，很难达到所需的性能和使用效能。特种陶瓷的烧成主要是在各种电窑或电炉中进行，如隧道窑、管式炉、钟罩炉、箱式炉、立式升降炉等窑炉，一般采用空气气氛进行烧成，也有的功能陶瓷产品采用还原气氛、氧化气氛、中性气氛或真空气氛进行烧成。

特种陶瓷耐腐蚀、高硬度、耐磨损、抗热震等特性使其应用范围进一步扩大，然而，作为陶瓷材料，特种陶瓷有其致命的弱点———脆性。陶瓷的脆性，其直观表现是：在外荷作用下断裂是无先兆的，爆发性的;间接表现是：无机械冲击性和温度急变性。脆性是由陶瓷材料的化学键性质和晶体结构所决定的，另外，陶瓷材料中存在大量的微裂纹，这些微裂纹易于引起应力的高度集中，导致陶瓷材料产生脆性断裂。

因此，如何改善陶瓷材料的脆性、提高韧性成为陶瓷工作者长期关注的问题之一。通过近几十年的研究，证实改善陶瓷脆性以及强化陶瓷的主要途径有：一、氧化锆相变增韧;二、微裂纹增韧和表面强化增韧;三、颗粒弥散补强增韧;四、纤维(晶须)补强增韧;五、纳米陶瓷增强增韧。

同时，陶瓷材料显微结构的不均匀性和复杂性直接决定了特种陶瓷材料所具备的特殊力学性能和物理性能。这些结构特点使陶瓷材料在具有高熔点、耐磨损、高强度、耐腐蚀等优点的同时，也存在脆性大、难加工、可靠性与重现性差等致命的弱点。

业内人士认为，现在不管是建筑陶瓷还是日用陶瓷，都已经达到一种饱和的状态，一些建陶企业想要加快转型升级，考虑进军特种陶瓷领域，但是国内特种陶瓷的技术仍有待加强。

■特种陶瓷的发展方向

作为一种新材料，特种陶瓷以其优越的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视。那么，特种陶瓷在未来有哪些发展方向呢?

第一，在纳米粉体的制备上，气相凝聚法将成为特种陶瓷粉体研究发展的重点。随着人们对特种陶瓷材料制品性能要求的提高，对其所用粉体性能的要求也将更加苛刻。采用传统的粉体制备法已无能为力，唯有气相凝聚法可以实现这一目标。气相凝聚法是直接利用气相或是通过各种手段将物质变为气体，使之在气体状态下发生化学反应或物理变化，最后在快速冷却过程中凝聚形成纳米陶瓷粉，其方法主要有气体蒸发法、化学气相反应法、电弧等离子体法、高频等离子体法、电子束法和激光法。

第二，在原材料上，纳米材料的应用将为特种陶瓷材料带来新的活力。纳米材料是指在纳米长度范围(1~100nm)内的微粒或结构，结晶或纳米复合的材料。纳米材料使特种陶瓷材料的脆性这一致命弱点得以根本的改善，可实现陶瓷的塑性变形甚至超塑性变形加工。在功能上，纳米功能陶瓷的电、光、热、磁性能产生突变，为微包覆、超级过滤、吸附、除臭、触媒、热传器、光学功能元件、电磁元件以及生活舒适化、改善环境等方面开辟了广泛的应用前景。

第三，在成型技术上，快速原型制造技术(rpm)和胶态成型将挑战传统成型技术。传统成型技术主要有挤制成型、干压成型、热压铸成型、轧膜成型、流延法成型、印刷成型、等静压成型、注浆成型、车坯成型等。与传统成型方法不同，rpm技术用积分法制造三维实体，在成型过程中，先由三维造型软体在计算机中变成部件的三维实体模型，然后将其用软件“切”出几个微米厚度的片层，再将这些片层的数据信息传递给成型机，通过材料逐层添加法制造出来，而不需要模具就能成型复杂的特种陶瓷零部件。

特种陶瓷的胶态成型技术结合了普通陶瓷注浆成型工艺和聚合物化学。该工艺技术利用有机单体聚合形成大分子网络将陶瓷粉料的浆料原位固化为坯体。

　　第四，在烧结方法上，微波烧结和放电等离子烧结(sps)是获得纳米块状陶瓷材料的有效方法。微波加热均匀，速度快(可达到500℃/min以上)，节能和能实现2000℃以上高温等诸多优点，同时还能用于陶瓷间的焊接，为复杂异形陶瓷的制作或陶瓷件的修复创造条件。放电等离子烧结是在瞬间产生几千度至一万度的局部高温，使晶粒接触点凝聚，加速蒸发凝聚的物质传递过程，在较短时间得到高质量的纳米块状陶瓷烧结体。

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