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先進(jìn)陶瓷材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

文章出處:原創(chuàng)網(wǎng)責(zé)任編輯:黃丹丹作者:未知人氣:-發(fā)表時(shí)間:2017-02-08 14:31:00【

  隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,成為許多高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要關(guān)鍵材料,備受各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的極大關(guān)注,其發(fā)展在很大程度上也影響著其他工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。由于先進(jìn)陶瓷特定的精細(xì)結(jié)構(gòu)和其高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光、半導(dǎo)體以及壓電、鐵電、聲光、超導(dǎo)、生物相容等一系列優(yōu)良性能,被廣泛應(yīng)用于國防、化工、冶金、電子、機(jī)械、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。先進(jìn)陶瓷的發(fā)展是國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn),其研究、應(yīng)用、開發(fā)狀況是體現(xiàn)一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。

  先進(jìn)陶瓷是“采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學(xué)組成,按照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并且有優(yōu)異特性的陶瓷”。按其特性和用途,可分為2大類:結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷(詳見表1)。結(jié)構(gòu)陶瓷是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷,它具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性;結(jié)構(gòu)陶瓷大致分為氧化物系、非氧化物系和結(jié)構(gòu)用陶瓷基復(fù)合材料。功能陶瓷是指具有電、磁、光、聲、超導(dǎo)、化學(xué)、生物等特性,且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。 

 

由于先進(jìn)陶瓷各種功能的不斷發(fā)現(xiàn),在微電子工業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)、自動(dòng)化控制和未來智能化技術(shù)等方面作為支撐材料的地位將日益明顯,其市場容量將不斷提升。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.國外研究發(fā)展情況

  目前,全球范圍內(nèi)先進(jìn)陶瓷技術(shù)快速進(jìn)步、應(yīng)用領(lǐng)域拓寬及市場穩(wěn)定增長的發(fā)展趨勢(shì)明顯。

  美國和日本在先進(jìn)陶瓷的研制與應(yīng)用領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位。美國國家航空和宇航局(NASA)則在結(jié)構(gòu)陶瓷的開發(fā)和加工技術(shù)方面正實(shí)施大規(guī)模的研究與發(fā)展計(jì)劃,重點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、民用熱機(jī)中的關(guān)鍵閉環(huán)實(shí)現(xiàn)陶瓷替代,同時(shí)對(duì)納米陶瓷涂層、生物醫(yī)學(xué)陶瓷和光電陶瓷的研究、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行資助。美國的“脆性材料設(shè)計(jì)”等10大計(jì)劃;美國聯(lián)邦計(jì)劃“先進(jìn)材料與材料設(shè)備”中每年用于材料研究與工程費(fèi)高達(dá)20億~25億美元,以提高其國際上的競爭力。日本先進(jìn)陶瓷以其先進(jìn)的制造設(shè)備,優(yōu)良的產(chǎn)品穩(wěn)定性逐步成為國際市場的引導(dǎo)者,特別是功能陶瓷領(lǐng)域包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等逐步壟斷國際市場。日本通產(chǎn)省精細(xì)陶瓷研究與開發(fā)的“月光計(jì)劃”;

  300kW陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)研制計(jì)劃。此外,歐盟各國,特別是德國、法國在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)研究,主要集中在發(fā)電裝備、新能源材料和發(fā)動(dòng)機(jī)中的陶瓷器件等領(lǐng)域。歐盟包括德、法、英等國家也采取了一些發(fā)展新材料的相應(yīng)措施,如“尤里卡計(jì)劃”等。美國陶瓷工業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示,美國、日本、歐盟的先進(jìn)陶瓷市場年平均增長率為12%,其中歐盟先進(jìn)陶瓷市場總值年平均增長率達(dá)15%~18%;美國先進(jìn)陶瓷市場總值年平均增長率9.9%;日本精細(xì)陶瓷協(xié)會(huì)對(duì)日本先進(jìn)陶瓷市場進(jìn)行了預(yù)測,其年平均增長率為7.2%。目前先進(jìn)陶瓷最大市場在日本和美國,其次是歐盟。

2.國內(nèi)研究發(fā)展情況

  20世紀(jì)80年代到90年代初,許多現(xiàn)代陶瓷理論和工藝在精細(xì)陶瓷的制備中得到應(yīng)用。利用和金屬材料的相變理論、仿生學(xué)等學(xué)科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)相陶瓷,陶瓷基復(fù)合材料的韌性得到較大提高,通過仿生學(xué)在精細(xì)陶瓷制備工藝中得到應(yīng)用,層狀材料得到較大發(fā)展。聚合物裂解轉(zhuǎn)化、化學(xué)氣相沉(滲)積、溶膠工藝的采用,使得特種纖維的制造、連續(xù)纖維復(fù)合材料制備技術(shù)快速發(fā)展。納米技術(shù)在陶瓷中的應(yīng)用使材料性能發(fā)生根本性變化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結(jié)溫度大大降低。

  進(jìn)入21世紀(jì),功能陶瓷的研究也得到了國家和各科研院所的高度重視。從1995—2015年我國先進(jìn)陶瓷產(chǎn)值及預(yù)測(圖1)可以看出,我國先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期,預(yù)計(jì)到2015年產(chǎn)值可達(dá)到450億元。精密小尺寸產(chǎn)品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結(jié)技術(shù)、低成本規(guī)?;苽浼夹g(shù),陶瓷加工系統(tǒng)等領(lǐng)域不斷打破國外壟斷和技術(shù)封鎖。例如凝膠注模工藝生產(chǎn)的大尺寸熔融石英陶瓷方坩堝打破了美國賽瑞丹、日本東芝和法國維蘇威3大公司的技術(shù)壟斷,在2007年率先實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,通過近5年的不斷發(fā)展,已經(jīng)形成110~1100mm系列產(chǎn)品(圖2),產(chǎn)能居于全球第1位。


圖1  1995—2015年我國先進(jìn)陶瓷產(chǎn)值及預(yù)測

資料來源:中國國工程院、中國科學(xué)院《我國建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀及邁入新世紀(jì)的咨詢報(bào)告》


圖2  太陽能熔融石英方坩堝(110~1100mm)

但是,國內(nèi)先進(jìn)陶瓷總體水平與美國、日本和德國相比還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:

1.技術(shù)及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏

  世界上開發(fā)了200多種陶瓷材料及2000多種應(yīng)用產(chǎn)品。雖然我國同樣能制備出性能良好的陶瓷材料,但絕大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室樣品上,有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問題,市場還不能接受,所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達(dá)國家相比相差甚遠(yuǎn)。

2.高端粉體制備及分散技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后

  我國對(duì)陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視,多種陶瓷粉料尚無專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè),許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。例如:高純氧化鋁粉,日本企業(yè)99.99%氧化鋁粉燒結(jié)溫度只需1300℃,而國內(nèi)需要到1600℃以上;高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國H.C.Stark的限制,國內(nèi)企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動(dòng)。同時(shí),粉體的高效分散技術(shù)也存在較大差距。

3.制造裝備加工技術(shù)落后

  雖然我國引進(jìn)了國外先進(jìn)的工藝裝備,像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注射成型機(jī)、流延機(jī)等來提高我國的技術(shù)裝備水平,但因投資大,在經(jīng)濟(jì)上給企業(yè)造成了很大壓力,從而限制了先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。而國內(nèi)仿制設(shè)備因加工水平差距,可靠性和穩(wěn)定性暫時(shí)無法與國外產(chǎn)品相比。

  我國在“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃中明確指出大力發(fā)展新型功能與智能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、納米材料、新型電子功能材料、高溫合金材料等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。實(shí)施高性能纖維及復(fù)合材料、先進(jìn)稀土材料等科技產(chǎn)業(yè)化工程。掌握新材料的設(shè)計(jì)、制備加工、高效利用、安全服役、低成本循環(huán)再利用等關(guān)鍵技術(shù),提高關(guān)鍵材料的供給能力,搶占新材料應(yīng)用技術(shù)和高端制造制高點(diǎn)。同時(shí),對(duì)先進(jìn)陶瓷主要應(yīng)用領(lǐng)域新能源、電子信息、環(huán)境保護(hù)、高端機(jī)械制造等同樣提出了規(guī)劃要求,將進(jìn)一步推動(dòng)我國先進(jìn)陶瓷向規(guī)?;?、應(yīng)用化、高端化發(fā)展。

一、先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)發(fā)展情況

1. 陶瓷粉體的制備方法

  粉體的特性對(duì)先進(jìn)陶瓷后續(xù)成型和燒結(jié)有著顯著的影響,特別是顯著影響陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。通常情況下,活性高、純度高、粒徑小的粉體有利于制備結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的陶瓷材料。

  陶瓷粉體的制備主要包含固相反應(yīng)法、液相反應(yīng)法和氣相反應(yīng)法3大類。其中固相反應(yīng)法特點(diǎn)是成本較低、便于批量化生產(chǎn),但雜質(zhì)較多,主要包括碳熱還原法〔碳化硅(SiC)粉體、氧氮化鋁(AlON)粉體)〕、高溫固相合成法(鎂鋁尖晶石粉體、鈦酸鋇粉體等)、自蔓延合成法氮化硅〔(Si3N4)粉體等300余種〕和鹽類分解法〔三氧化二鋁(Al2O3)粉體〕等。其中近幾年興起的沖擊波固體合成法可以大大降低反應(yīng)溫度,提高粉體活性。

  液相反應(yīng)法生產(chǎn)的粉料粒徑小、活性高、化學(xué)組成便于控制,化學(xué)摻雜方便,能夠合成復(fù)合粉體,主要包括化學(xué)沉淀法、溶膠——凝膠法、醇鹽水解法、水熱法、溶劑蒸發(fā)法。

氣相反應(yīng)法包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積2種。與液相反應(yīng)法相比,氣相反應(yīng)制備的粉體純度高、粉料分散性好、粒度均勻,但是投資較大、成本高。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,近10年來,粉體表面積大、球形度高、粒徑分布窄等特點(diǎn),為高性能陶瓷提供了基礎(chǔ)保障。

2.先進(jìn)陶瓷的成型技術(shù)

  先進(jìn)陶瓷成型方法種類繁多,除了傳統(tǒng)的干壓成型、注漿成型之外,根據(jù)陶瓷粉體的特性和產(chǎn)品的制備要求,發(fā)展出多種成型方法??偟膩碚f可以歸納為4類:干法壓制成型、塑性成型、漿料成型和固體無模成型,其中每一類成形又可細(xì)分為不同成形方法。

  干法壓制成型:干壓成型、冷等靜壓成型;

塑性成型:擠壓成型、注射成型、熱蠟鑄成型、扎膜成型;

  漿料成型:注漿成型、流延成型、凝膠注模成型和原位凝固成型;

  固體無模成型:熔融沉積成型、三維打印成型、分層實(shí)體成型、立體光刻成型和激光選取燒結(jié)成型。根據(jù)先進(jìn)陶瓷的發(fā)展進(jìn)程,重點(diǎn)介紹以下成型方法:

(1)冷等靜壓成型

  等靜壓成型是最常見的瘠性料先進(jìn)陶瓷成型工藝,通過將粉體放入柔性模具或包套中,通過對(duì)其施加各項(xiàng)均勻的壓力成型,是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的工藝,分為干袋式等靜壓和濕袋式等靜壓。其特點(diǎn)是成本低、模具簡單,生坯強(qiáng)度高,但尺寸不精確、復(fù)雜形狀成型較困難,濕袋式自動(dòng)化生產(chǎn)效率低。圖3所示為冷等靜壓成型超特高壓絕緣子。



圖3  冷等靜壓成型超特高壓絕緣子

(2)流延成型

  1945年,美國麻省理工學(xué)院首先對(duì)流延成型進(jìn)行了報(bào)道。其原理是粘度適合、分散性良好的料漿通過流延機(jī)漿料槽道口流到基帶上,通過基帶和刮刀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使料漿鋪展,在表面張力作用下形成有光滑表面的坯體。坯體具有良好的韌性和強(qiáng)度,可以制備幾個(gè)微米到1mm厚的陶瓷薄片材料,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電容器瓷片、Al2O3基片和壓電陶瓷膜片中,圖4所示為Al2O3基片。此外,可利用流延法制備Si3N4、SiC、氮化硼(BN)等疊層復(fù)合材料,從而制備出高韌性先進(jìn)陶瓷。


圖4  Al2O3陶瓷基片

(3)注射成型

  注射成型是將高分子聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結(jié)合發(fā)展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。圖5是國內(nèi)引進(jìn)瑞典首臺(tái)套中壓注塑成型設(shè)備。近幾年在國內(nèi)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,在小尺寸、高精度、復(fù)雜形狀陶瓷的大批量生產(chǎn)方面最具優(yōu)勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、滑動(dòng)軸承、陶瓷軸承球、光線連接器用陶瓷插芯、陶瓷牙、陶瓷手表等近幾年均實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。注射成型方法將是小尺寸陶瓷部件特別是復(fù)雜形狀陶瓷部件最具發(fā)展前景的成型方法。圖6為中壓注塑成型出的圓度很好的氮化硅軸承球坯體。



圖5  國內(nèi)引進(jìn)瑞典首臺(tái)套中壓注塑成型設(shè)備



圖6 中壓注塑成型制備圓度很好的氮化硅軸承球坯體

(4)凝膠注模成型

  凝膠注模成型,即注凝成型是借助料漿中有機(jī)單體聚合交聯(lián)將陶瓷料漿固化成型,可制備出大尺寸薄壁陶瓷或形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。其特點(diǎn)是近凈尺寸成型、有機(jī)物含量少,坯體強(qiáng)度高可進(jìn)行機(jī)械加工,適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)。

目前國內(nèi)注凝成型應(yīng)用最成熟的產(chǎn)品為大尺寸熔融石英坩堝、薄片Al2O3基片、二氧化鋯(ZrO2)陶瓷微珠等產(chǎn)品。我國的熔融石英坩堝尺寸達(dá)1200×1200×540(mm),是全球唯一采用注凝工藝生產(chǎn)石英坩堝的國家,其使用性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

5)固體無模成型

  陶瓷無模成型是直接利用CAD設(shè)計(jì)結(jié)果,通過計(jì)算形成可執(zhí)行的像素單元文件,然后通過類似計(jì)算機(jī)打印輸出設(shè)備將要成型的陶瓷粉體快速形成實(shí)際像素單元(尺寸可小至微米級(jí)),一個(gè)一個(gè)單元疊加的結(jié)果即可直接成型所需要的三維立體構(gòu)件。美國Rutgers大學(xué)和Argonne實(shí)驗(yàn)室利用熔融沉積成型技術(shù)制備了Al2O3噴嘴座,燒結(jié)密度98%,強(qiáng)度824±110MPa;麻省理工學(xué)院利用3D打印成型技術(shù)研制的四方氧化鋯陶瓷強(qiáng)度670MPa,斷裂韌性4MPa·m1/2,并制造出熱氣體陶瓷過濾器;英國布魯諾大學(xué)利用10%體積含量的ZrO2墨水采用噴墨打印機(jī)成型制備出相關(guān)陶瓷樣品。圖8為3D打印成型技術(shù)制備的各種精密陶瓷部件。


圖8  3D打印成型技術(shù)制備的陶瓷部件

雖然目前固體無模成型設(shè)備昂貴、技術(shù)封閉、材料性能不理想,但其與現(xiàn)代智能技術(shù)結(jié)合將進(jìn)一步提高陶瓷制備工業(yè)的水平,是成型技術(shù)發(fā)展的主要方向。

1. 先進(jìn)陶瓷的燒結(jié)技術(shù)

  陶瓷坯體通過燒結(jié)促使晶粒遷移、尺寸長大、坯體收縮、氣孔排出形成陶瓷材料,根據(jù)燒結(jié)過程中不同的狀態(tài),分為固態(tài)燒結(jié)和液相燒結(jié)。先進(jìn)陶瓷的燒結(jié)技術(shù)按照燒結(jié)壓力分主要有常壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、真空燒結(jié)以及熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)等各種壓力燒結(jié)。近些年通過特殊的加熱原理出現(xiàn)微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等新型燒結(jié)技術(shù)。

(1)熱壓燒結(jié)(HP)

  對(duì)共價(jià)鍵難燒材料如Si3N4、BN、二硼化鋯(ZrB2)需要在加熱過程中給予外加機(jī)械力,使其達(dá)到致密化,此種燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié),分為單向加壓和雙向加壓。熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)是可以低于常壓燒結(jié)溫度100~200℃的條件下接近理論密度,同時(shí)提高制品的性能如透明性、電導(dǎo)率及可靠性。熱壓燒結(jié)目前在國內(nèi)AlON、YAG等透明陶瓷、BN可切削陶瓷達(dá)到或接近國際水平。

但是熱壓燒結(jié)通常只能制造形狀單一產(chǎn)品,并且會(huì)加大后期的加工成本,因此該燒結(jié)方式制造成本較高。

(2)氣壓燒結(jié)(GPS)

  氣壓燒結(jié)是指在陶瓷高溫?zé)Y(jié)過程中施加一定的氣體壓力,范圍在1~10MPa以便抑制高溫下陶瓷材料的分解和失重,從而可以提高燒結(jié)溫度,促進(jìn)材料的致密化,是先進(jìn)陶瓷最重要的燒結(jié)技術(shù)之一。

  該技術(shù)最早由日本的Mitomo報(bào)道,其最大優(yōu)勢(shì)在于可以較低成本制備性能優(yōu)良、形狀復(fù)雜的共價(jià)鍵陶瓷,并可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。近30年來氣壓燒結(jié)在日本、美國、德國和中國得到了廣泛而深入的研究,燒結(jié)材料的范圍不斷擴(kuò)大與推廣,國內(nèi)在大尺寸氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方面突破了國外技術(shù)封鎖,實(shí)現(xiàn)技術(shù)國產(chǎn)化。


圖10為國內(nèi)最大規(guī)格(600×900mm)氣氛壓力燒結(jié)爐和制備的大尺寸(70mm)氮化硅陶瓷軸承球。

(2)氣壓燒結(jié)(GPS)

  氣壓燒結(jié)是指在陶瓷高溫?zé)Y(jié)過程中施加一定的氣體壓力,范圍在1~10MPa以便抑制高溫下陶瓷材料的分解和失重,從而可以提高燒結(jié)溫度,促進(jìn)材料的致密化,是先進(jìn)陶瓷最重要的燒結(jié)技術(shù)之一。

  該技術(shù)最早由日本的Mitomo報(bào)道,其最大優(yōu)勢(shì)在于可以較低成本制備性能優(yōu)良、形狀復(fù)雜的共價(jià)鍵陶瓷,并可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。近30年來氣壓燒結(jié)在日本、美國、德國和中國得到了廣泛而深入的研究,燒結(jié)材料的范圍不斷擴(kuò)大與推廣,國內(nèi)在大尺寸氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方面突破了國外技術(shù)封鎖,實(shí)現(xiàn)技術(shù)國產(chǎn)化。圖10為國內(nèi)最大規(guī)格(600×900mm)氣氛壓力燒結(jié)爐和制備的大尺寸(70mm)氮化硅陶瓷軸承球。

(1)放電等離子燒結(jié)

  放電等離子體燒結(jié)是利用等離子體所特有的高溫快速燒成特點(diǎn)的一種新型材料制備工藝方法,被譽(yù)為陶瓷燒結(jié)技術(shù)發(fā)展的一次突破,廣泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、透明陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料。其優(yōu)點(diǎn)是:燒結(jié)溫度低(比HP和HIP低200~300℃),燒結(jié)時(shí)間短(只需3~10min),晶粒細(xì)小,致密度高,是近凈尺寸燒結(jié)技術(shù)。此外,裝置相對(duì)較簡單,能量利用率高,運(yùn)行費(fèi)用低,易實(shí)現(xiàn)燒結(jié)工藝的一體化和自動(dòng)化。

(2)微波燒結(jié)技術(shù)

  微波燒結(jié)是微波電磁場與材料介質(zhì)相互作用導(dǎo)致介電損耗而使材料表面和內(nèi)部同時(shí)受熱。其優(yōu)點(diǎn)是:升溫速率快,可實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)和晶粒細(xì)化;陶瓷產(chǎn)品整體均勻加熱,內(nèi)部溫度場均勻;利用微波對(duì)材料的選擇性加熱,可以對(duì)材料某些部位進(jìn)行加熱修復(fù)或缺陷愈合;微波加熱高效節(jié)能,節(jié)能效率可達(dá)50%左右;無熱慣性,便于實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的瞬時(shí)升、降溫自動(dòng)控制。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Kinrey等人利用微波燒結(jié)1200℃制備了相對(duì)密度98.5%的Al2O3/ZrO2陶瓷材料;徐耕夫等借助微波燒結(jié)在1650℃制備了相對(duì)密度97.5%的β-SiAlON陶瓷。

4. 陶瓷精密加工技術(shù)

  先進(jìn)陶瓷屬于脆性材料,硬度高、脆性大。由于陶瓷加工性能差,加工難度大,稍有不慎就可能產(chǎn)生裂紋或者破壞,因此不斷開發(fā)高效率、高質(zhì)量、低成本的陶瓷材料精密加工技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)主要體現(xiàn)在機(jī)械加工,包括陶瓷磨削、研磨和拋光。近20年來,電火花加工、超聲波加工、激光加工和化學(xué)加工等加工技術(shù)逐步在陶瓷加工中應(yīng)用。圖11為精密加工的石英陶瓷輥。


圖11-左硅鋼線退火爐用石英陶瓷爐底輥(180×2150mm,空心)

圖11-右玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷輥(Φ8×765mm到Φ150×6000mm各種規(guī)格)

三、發(fā)展與展望
  在近20年,不論是六、七十年前發(fā)明的流延成型技術(shù)、常壓燒結(jié),還是一、二十年剛剛興起的注凝成型技術(shù)、放電等離子燒結(jié)技術(shù),為了滿足應(yīng)用和研究的需要,都進(jìn)行了大跨步的技術(shù)升級(jí),相關(guān)的理論研究也取得長足的進(jìn)展。國內(nèi)的先進(jìn)陶瓷體系不斷拓展,制備技術(shù)不斷豐富與進(jìn)步,應(yīng)用領(lǐng)域也從單一的軍事、航空航天推廣到環(huán)保、新能源、電子信息等更為廣泛的民用市場,陶瓷材料也從結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷向結(jié)構(gòu)——功能一體化發(fā)展。針對(duì)目前國內(nèi)先進(jìn)陶瓷現(xiàn)狀,筆者認(rèn)為仍需從幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究開發(fā):
 ?、偬沾杉夹g(shù)的基礎(chǔ)理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要匹配應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)陶瓷的發(fā)展要求,能夠?qū)π麦w系、新產(chǎn)品、新應(yīng)用和批量化轉(zhuǎn)化提供技術(shù)保障;
  ②陶瓷粉體技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化,要打破高端粉體仍受國外制約的現(xiàn)狀,滿足陶瓷材料發(fā)展的基本需要;
 ?、墼鲰g技術(shù)的研究是突破先進(jìn)陶瓷應(yīng)用局限性的關(guān)鍵之一,強(qiáng)韌化技術(shù)將實(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷應(yīng)用翻天覆地的變化;
 ?、芙档拖冗M(jìn)陶瓷生產(chǎn)成本是突破先進(jìn)陶瓷應(yīng)用局限性的另一個(gè)關(guān)鍵因素,特別是大批量化生產(chǎn)制備技術(shù)、生產(chǎn)裝備的精密制造技術(shù)、陶瓷精密加工技術(shù)的發(fā)展將決定成本降低的能力;
  ⑤注射成型、注凝成型和固體無模成型技術(shù)將成為最具批量化應(yīng)用潛力的成型技術(shù),微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)技術(shù)將會(huì)給陶瓷材料性能帶來質(zhì)的飛躍;
  ⑥結(jié)合“十三五”規(guī)劃的要求和工業(yè)發(fā)展的要求,能源轉(zhuǎn)化載體的儲(chǔ)能陶瓷、在環(huán)境保護(hù)中作用突出的過濾陶瓷(膜)等功能——結(jié)構(gòu)一體化陶瓷、以Si3N4為代表綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷、以AlON透明陶瓷為代表的光電陶瓷將成為應(yīng)用、研究的主力。
  我國從事先進(jìn)陶瓷研究的單位有300多家,技術(shù)積累日益豐厚,以中材高新材料股份有限公司、中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等為代表的單位在新體系研究設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化方面對(duì)我國先進(jìn)陶瓷發(fā)展發(fā)揮了重要推動(dòng)作用。當(dāng)今先進(jìn)陶瓷材料的發(fā)展不再局限于傳統(tǒng)技術(shù),而更多的是與現(xiàn)代信息、自動(dòng)化技術(shù)、不同材料的結(jié)合而形成新的技術(shù)科學(xué)(計(jì)算材料科學(xué)、功能——結(jié)構(gòu)一體化等),先進(jìn)陶瓷發(fā)展的新時(shí)代即將到來。

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