一、前言

    隨著現代高新技術的發展,先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,成為許多高技術領域發展的重要關鍵材料,備受各工業發達國家的極大關注,其發展在很大程度上也影響著其他工業的發展和進步.

    由于先進陶瓷特定的精細結構和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、聲光、超導、生物相容等一系列優良性能,被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫學等國民經濟的各個領域.先進陶瓷的發展是國民經濟新的增長點,其研究、應用、開發狀況是體現一個國家國民經濟綜合實力的重要標志之一.

先進陶瓷精細結構

    先進陶瓷是"采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學組成,按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計,并且有優異特性的陶瓷".按其特性和用途,可分為2大類:

    結構陶瓷和功能陶瓷(詳見下表).

    結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性;結構陶瓷大致分為氧化物系、非氧化物系和結構用陶瓷基復合材料.

    功能陶瓷是指具有電、磁、光、聲、超導、化學、生物等特性,且具有相互轉化功能的一類陶瓷.功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷.

    由于先進陶瓷各種功能的不斷發現,在微電子工業、通訊產業、自動化控制和未來智能化技術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.

    二、國內外研究現狀及發展趨勢

先進陶瓷在國內航空發動機上的應用

    1、國外研究發展情況

    目前,全球范圍內先進陶瓷技術快速進步、應用領域拓寬及市場穩定增長的發展趨勢明顯.

    美國和日本在先進陶瓷的研制與應用領域居于領先地位.美國國家航空和宇航局(NASA)則在結構陶瓷的開發和加工技術方面正實施大規模的研究與發展計劃,重點對航空發動機、民用熱機中的關鍵閉環實現陶瓷替代,同時對納米陶瓷涂層、生物醫學陶瓷和光電陶瓷的研究、產業化進行資助.美國的"脆性材料設計"等10大計劃;美國聯邦計劃"先進材料與材料設備"中每年用于材料研究與工程費高達20億~25億美元,以提高其國際上的競爭力.日本先進陶瓷以其先進的制造設備,優良的產品穩定性逐步成為國際市場的引導者,特別是功能陶瓷領域包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等逐步壟斷國際市場.日本通產省精細陶瓷研究與開發的"月光計劃";300kW陶瓷燃氣輪機研制計劃.

    此外,歐盟各國,特別是德國、法國在結構陶瓷領域進行了重點研究,主要集中在發電裝備、新能源材料和發動機中的陶瓷器件等領域.歐盟包括德、法、英等國家也采取了一些發展新材料的相應措施,如"尤里卡計劃"等.美國陶瓷工業部門的統計數字顯示,美國、日本、歐盟的先進陶瓷市場年平均增長率為12%,其中歐盟先進陶瓷市場總值年平均增長率達15%~18%;美國先進陶瓷市場總值年平均增長率9.9%;日本精細陶瓷協會對日本先進陶瓷市場進行了預測,其年平均增長率為7.2%.目前先進陶瓷最大市場在日本和美國,其次是歐盟.

    2、國內研究發展情況

    20世紀80年代到90年代初,許多現代陶瓷理論和工藝在精細陶瓷的制備中得到應用.利用和金屬材料的相變理論、仿生學等學科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纖維補強復相陶瓷,陶瓷基復合材料的韌性得到較大提高,通過仿生學在精細陶瓷制備工藝中得到應用,層狀材料得到較大發展.聚合物裂解轉化、化學氣相沉(滲)積、溶膠工藝的采用,使得特種纖維的制造、連續纖維復合材料制備技術快速發展.納米技術在陶瓷中的應用使材料性能發生根本性變化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結溫度大大降低.

    進入21世紀,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年我國先進陶瓷產值及預測(圖1)可以看出,我國先進陶瓷產業進入了快速發展期,預計到2015年產值可達到450億元.精密小尺寸產品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結技術、低成本規?；苽浼夹g,陶瓷加工系統等領域不斷打破國外壟斷和技術封鎖.例如凝膠注模工藝生產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大公司的技術壟斷,在2007年率先實現國產化,通過近5年的不斷發展,已經形成110~1100mm系列產品(圖2),產能居于全球第1位.

    但是,國內先進陶瓷總體水平與美國、日本和德國相比還存在一定的差距.主要表現在3個方面:

    1.技術及新產品工程轉化極度匱乏

    2.高端粉體制備及分散技術遠遠落后

    3.制造裝備加工技術落后

    延伸閱讀

    先進陶瓷制備技術發展情況

    1.陶瓷粉體的制備方法

    陶瓷粉體的制備主要包含固相反應法、液相反應法和氣相反應法3大類.

    2.先進陶瓷的成型技術

    陶瓷粉體的成型技術主要包含:

    (1)干法壓制成型:干壓成型、冷等靜壓成型;

    (2)塑性成型:擠壓成型、注射成型、熱蠟鑄成型、扎膜成型;

    (3)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;

    (4)固體無模成型:熔融沉積成型、三維打印成型、分層實體成型、立體光刻成型和激光選取燒結成型.

    3.先進陶瓷的燒結技術

    先進陶瓷的燒結技術按照燒結壓力分主要有常壓燒結、無壓燒結、真空燒結以及熱壓燒結、熱等靜壓燒結、氣氛燒結等各種壓力燒結.

    近些年通過特殊的加熱原理出現微波燒結、放電等離子燒結、自蔓延燒結等新型燒結技術.

    4.陶瓷精密加工技術

    先進陶瓷屬于脆性材料,硬度高、脆性大.由于陶瓷加工性能差,加工難度大,稍有不慎就可能產生裂紋或者破壞.傳統的陶瓷加工技術主要體現在機械加工,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、激光加工和化學加工等加工技術逐步在陶瓷加工中應用.

責任編輯：周婭

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