“有关陶瓷领域的最新动态”

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随着现代高新技术的迅速发展，先进陶瓷逐渐成为新材料的重要组成部分和多个高新技术行业快速发展的重要因素材料，受到各工业发达国家的高度重视，其快速发展也极大地影响着其他领域的快速发展和进步。 高级陶瓷广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空空、航天、生物医药等国民经济的各个行业。 由于这些特有的微细结构、高强度、高硬度、耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温性、导电性、磁性、透光性、半导体性、压电性、铁电性、声光性、超导性、生物相容性。 先进快速发展是国民经济新的增长点其研究、应用和快速发展状况是反映国家国民经济综合实力的重要标志之一。

高级陶瓷是指原料高度选择或合成，化学成分控制精确，制造工艺可控，结构设计方便，性能优良的陶瓷。 根据其优势和用途，大致分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类(详细情况见表1 )。 结构陶瓷是指可以用作工程结构材料的陶瓷。 高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损性、耐热冲击性优异。 结构陶瓷大致分为氧化物类、非氧化物类、结构陶瓷类复合材料。 功能陶瓷是指具有电、磁、光、声音、超导、化学和生物特征以及相互转换功能的陶瓷。 功能陶瓷约占先进陶瓷的70%，其余为结构陶瓷。

先进陶瓷的各种功能的发现，使其在微电子工业、通信工业、自动化控制和未来智能技术中作为支撑材料的地位越来越明显，市场容量不断增加。

1、海外开发

目前，世界先进陶瓷技术的快速进步、应用行业的扩大和市场的稳定增长明显。

美国和日本在先进陶瓷的研究和应用方面处于领先地位。 美国国家航空空航天局( nasa )正在实施大规模结构陶瓷开发和加工技术的研发计划，主要重点是用陶瓷代替航空发动机和民用热机中的重要闭环，成为纳米陶瓷 美国脆性材料设计等10个计划美国联邦每年将向先进的材料和材料设备投入20亿~ 25亿美元以提高国际竞争力。 以日本先进的制造设备和优良的产品稳定性，特别是在包括热、压、磁、气、光敏感的功能陶瓷行业，逐渐成为国际市场的领头羊。 日本国际贸易工业部精细陶瓷研究开发月光计划

陶瓷燃气轮机的快速发展计划。 此外，欧盟各国，特别是德国和法国在结构陶瓷行业开展了重要研究，首要集中在发电设备、新能源材料和发动机中的陶瓷器件等行业。 欧盟在德国、法国、英国等国家也采取了开发尤里察计划等新材料的措施。 根据美国陶瓷领域的统计数据，美国、日本、欧盟先进陶瓷市场的年均增长率为12%，其中欧盟先进陶瓷市场的年均增长率为15% ~ 18%。 美国先进陶瓷市场平均增长率为9.9%； 日本精细陶瓷协会预测了日本先进陶瓷市场，年均增长7.2%。 现在先进陶瓷的最大市场是日本和美国，其次是欧盟。

从20世纪80年代到90年代初，多种现代陶瓷的理论和技术被应用于精细陶瓷的制造。 相变理论和金属材料仿生学的交叉，大大改善了材料的性能。 纤维增强多相陶瓷和陶瓷基复合材料的韧性大大提高。 仿生学在精细陶瓷制造技术中的应用使层状材料得到了很大的快速发展。 随着聚合物的分解转化、化学气相沉积(渗透)和溶胶-凝胶工艺的使用，特种纤维的制备技术和连续纤维复合材料的制备技术得到了迅速发展。 纳米技术在陶瓷中的应用从根本上改变了材料的性能，使陶瓷超塑性化，或大大降低了陶瓷的烧结温度。

21世纪，功能陶瓷的研究受到国家和科室陶瓷领域最新动态研究机构的重视。 从年中国先进陶瓷产值和预测(图1 )来看，中国先进陶瓷产业已进入高速发展期，预计年产值将达到450亿元。 在精密小型产品、大型陶瓷器件成型、烧结技术、低价大规模制造技术、陶瓷加工系统等行业，海外垄断和技术封锁不断被打破。 例如，用凝胶注射成型技术生产的大规模熔融旬陶瓷坩埚，打破了美国赛斯坦、日本东芝、法国维苏威三大企业的技术垄断，于2007年首次实现国产化。 经过近5年的快速发展，形成了110系列产品(图2 )，生产能力居世界第一。

来源:中国工程院、中国科学院《中国建筑材料快速发展现状与进入新世纪的咨询报告》

图2太阳能熔融时的坩埚( 110 ~)

但是，与美国、日本、德国相比，国内先进陶瓷的整体水平还有一定的差距。 主要表现在三个方面。

世界上开发了200多种陶瓷材料和2000多种应用产品。 虽然在中国也可以制造性能良好的陶瓷材料，但大部分还停留在实验室的样品上，有些产品由于价格高、可靠性差而无法进入市场。 因为这个产品的销售额远远落后于发达国家。

(2)高端粉体的制造和分散技术远远落后

中国对陶瓷粉末的制造不够重视，多种陶瓷粉末也没有专业的生产公司，所以必须有多家公司生产和销售自己的产品。 例如，日本公司的高纯度氧化铝粉烧结温度只有1300，中国需要1600以上。 高纯氮化硅粉末仍然受到日德ube的限制，国内公司粉末质量波动仍然很大。 另外，粉体的有效分散技术存在很大差异。

1 .陶瓷粉体制造方法

粉体的特点对先进陶瓷的后续成形和烧结有显著的影响，特别是显著的影响陶瓷的微结构和机械性能。 一般来说，活性高、纯度高、粒径小的粉体，有利于制造结构均匀、性能优异的陶瓷材料。

陶瓷粉体的制备主要包括固相反应法、液相反应法、气相反应法三种。 其中，固相反应法价格低廉，批量生产性优异，但杂质多，含有碳热还原法〔碳化硅( sic )粉体、氮氧化铝( alon )粉体〕、高温固相合成法(镁铝尖晶石粉体、钛酸钡粉体等)、自身

液相反应法生产的粉体粒径小、活性高、化学组成可控、化学掺杂容易，可合成复合粉体，主要包括化学沉淀法、溶胶-凝胶法、醇盐水解法、水热法、溶剂蒸发法。

气相反应法有物理气相沉积和化学气相沉积两种。 与液相反应法相比，气相反应制备的粉体纯度高、粉体分散性好、粒度均匀，但投资大、价格高。 随着纳米技术的迅速发展，近十年来粉体具有表面积大、球形度高、粒径分布窄等优势，为高性能陶瓷提供了基础保障。

先进的陶瓷成型方法多种多样，除了以前流传下来的干压成型、浇注成型外，还根据陶瓷粉体的特点和产品的制造要求，迅速发展了多种成型方法。 总结为4种，即干式冲压成形、塑性成形、浆料成形、固体无模成形，其中各类成形可以细分为不同的成形方法。

干压成形:干压成形、冷等静压成形；

浆料成形:浇注成形、流延成形、凝胶注射成形及原位凝固成形；

无固体模具成型:熔融堆积成型、三维印刷成型、叠层实体成型、立体光刻成型、激光选择性烧结成型。

(1)冷等静水压成形

静压成形是最常见的贫瘠材料先进的陶瓷成形技术，将粉体放入柔软的模具或套管中，再加以均匀的压力成形，是目前国内最广泛、最成熟的工艺，可分为干袋式除尘器等静压和湿袋式过滤器等静压 其优点是价格低、模具简单、面料强度高，但尺寸不准确、数量多、形状复杂、湿臭虫自动化生产效率低。 图3表示冷等静压成形的超特高压绝缘子。

(2)流延成型

1945年，美国麻省理工学院首先报道了对流延成型。 其原理是，粘度适当、分散性良好的浆料通过流延机的浆料槽的道口流向基带上，浆料通过基带与叶片的相对运动而延伸，通过表面张力形成光滑表面的坯料。 素体具有良好的韧性和强度，可制备数微米至1mm厚的陶瓷片材料，目前广泛应用于电容瓷、al2o3基板、压电陶瓷膜片，图4表示al2o3基板。 另外，通过流延法可以制造si3n4、sic、氮化硼( bn )等层压复合材料，制造高韧性先进陶瓷。

(3)注射成型

注射成型是高分子聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合快速发展的制造陶瓷零件的新工艺。 图5为国内引进瑞典首台中压注射成型设备。 近年来，国内发展迅速，在小尺寸、高精度、多形状复杂的陶瓷的大量生产中最具特点。 发动机转子叶片、滑动轴承、陶瓷轴承球、光连接器用陶瓷套圈、陶瓷齿、陶瓷手表等近年来批量生产。 注塑成型方法是小型陶瓷零件，特别是多形状复杂的陶瓷零件最有迅速发展前景的成型方法。 图6是利用中压注射成型的圆度良好的氮化硅轴承球坯。

图6利用中压注射成型制造圆度良好的氮化硅轴承坯体

(4)凝胶注射成型

凝胶注射成型，即注凝成型通过浆料中有机单体的聚合交联将陶瓷浆料固化成型，可以制造大尺寸的薄壁陶瓷和形状多而复杂的产品。 其优点是近净尺寸成型、有机物含量少、坯体强度高、可机械加工，适合大规模批量生产。

目前国内注凝成型最成熟的产品有大尺寸熔融石英坩埚、薄片al2o3基板、氧化锆( zro2 )陶瓷微珠等产品。 我国熔融石英坩埚的尺寸达到****(mm )，是世界上唯一采用注凝技术生产石英坩埚的国家，其采用性能达到国际先进水平。 图7是中材高科技材料株式会社在国内首次引进机械手进行注凝成型，生产大尺寸石英陶瓷坩埚的图。

(5)固体无模具成形

陶瓷成形是直接利用cad设计的结果，制作可通过计算执行的像素单元文件，然后，像用计算机印刷输出装置成形的陶瓷粉体那样，迅速形成实际的像素单元(可以小型化到微米级)，将每个单元重叠，结果是需要的 美国rutgers大学和argonne实验室采用熔融沉积成型技术制造al2o3喷嘴片，烧结密度98%，强度824110mpa； 麻省理工学院利用3d打印成形技术开发的四方氧化锆陶瓷强度670mpa、断裂韧性4mpam1/2，制造了热气陶瓷过滤器。 英国布鲁诺大学利用10体积%的zro2墨水，使用喷墨打印机进行成型，制作了相关陶瓷样品。 图8是利用3d打印成形技术制造的各种精密陶瓷部件。

目前，固态无模具成型设备价格昂贵、技术封闭、材料性能不理想，但结合现代智能技术，进一步提高陶瓷制造工业的水平，是成型技术快速发展的首要方向。

3 .先进陶瓷的烧结技术

陶瓷坯体通过烧结促进晶粒移动、尺寸生长、坯体收缩、气孔排出，根据烧结过程的状态，分为固体烧结和液相烧结。 先进的陶瓷烧结技术按烧结压力分为常压烧结、无压烧结、真空烧结及热压烧结、热等静压烧结、气氛烧结等各种压力烧结。 近年来，由于特殊的加热原理，出现了微波烧结、放电等离子烧结、自扩散烧结等新的烧结技术。

共价键阻燃材料，如si3n4、bn、二硼化锆( zrb2 )，在加热过程中需要施加机械力使其致密化，该烧结方法为热压烧结，分为单向加压和双向加压。 热压烧结的优点是在比常压烧结温度低100~200℃的条件下可以接近理论密度，提高了透明性、导电率、可靠性等产品的性能。 热压烧结目前在国内的alon、yag等透明陶瓷、bn可切削陶瓷中已经达到或接近国际水平。 图9为北京中材人工晶体研究院有限企业采用热压烧结开发的alon透明陶瓷。

图9热压烧结制备的alon透明陶瓷

但是，热压烧结一般只能制造形状单一的产品，后期的加工价格会很高。 因为这种烧结方法的制造价格很高。

气压烧结是指在陶瓷高温烧结过程中施加一定的气体压力，为了抑制高温下陶瓷材料的分解和重量减少，范围为1~10mpa，可以提高烧结温度，促进材料的致密化，是先进陶瓷最重要的烧结技术之一

该技术最早由日本mitomo报道，其最大特点是价格低、性能好、可制造形状多、复杂的共价键陶瓷，可批量生产。 近30年来，气压烧结在日本、美国、德国和中国得到广泛深入的研究，烧结材料的范围不断扩大和宣传，国内在大气压烧结氮化硅陶瓷方面突破了国外技术封锁，实现了技术国产化。 图10是国内最大规格( 600900mm )氛围压力烧结炉和制造的大型( 70mm )氮化硅陶瓷轴承球。

陶瓷是以粘土为主要原料，加入各种天然矿物，粉碎、混合、成形、煅烧而成的材料和产品。 陶瓷是陶瓷的总称。

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