李 婷

(湖北武漢風神汽車修理廠 武漢 430055)

高性能陶瓷材料的研究與應(yīng)用

李 婷

(湖北武漢風神汽車修理廠 武漢 430055)

高性能陶瓷材料是具有特殊優(yōu)越性能的新型材料,各國在基礎(chǔ)與應(yīng)用研究以及工程化方面,均給予了特殊重視,特別是在信息、國防、現(xiàn)代交通與能源產(chǎn)業(yè)中均將其置于重要地位。根據(jù)高性能陶瓷材料的應(yīng)用前景,筆者介紹了高性能陶瓷新材料的性能、應(yīng)用范圍,市場的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀和開發(fā)應(yīng)用新領(lǐng)域,以及正在研發(fā)的高性能陶瓷材料;同時介紹了高性能陶瓷材料的發(fā)展趨勢。

陶瓷材料 應(yīng)用范圍 發(fā)展趨勢

1 高性能陶瓷材料的應(yīng)用前景

高性能陶瓷是新材料的一個組成部分,它在國民經(jīng)濟中的能源、電子、航空航天、機械、汽車、冶金、石油化工和生物等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景,成為各工業(yè)技術(shù)特別是尖端技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料,在國防現(xiàn)代化建設(shè)中,武器裝備的發(fā)展也離不開特種陶瓷材料。隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高,人民生活的不斷改善以及國防現(xiàn)代化的需要,迫切地需要大量的特種陶瓷產(chǎn)品,市場前景十分廣闊。石油化工行業(yè)需要大量的耐磨耐腐蝕的陶瓷部件,如球閥、缸套等。紡織行業(yè)需要大量的耐磨陶瓷件,如陶瓷剪刀、導絲輪等。國防工業(yè)需要的具有特殊性能的陶瓷材料,如防彈裝甲陶瓷,耐射照高溫輕質(zhì)隔熱材料,航空航天用的反射鏡陶瓷材料,激光器用的聚光腔陶瓷材料,紅外吸收、紅外發(fā)射。

高性能陶瓷一般分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷,有的還分為陶瓷涂層及陶瓷復合材料等。結(jié)構(gòu)陶瓷主要是利用其耐高溫、高強度、耐磨的性能,應(yīng)用于熱機部件、耐磨部件,如刀具、軸承、密封環(huán)、閥門等熱交換器,防彈材料及生物陶瓷等。主要材料有Si3N4、SiC、ZrO2、A l2O3、SiALON等。

高性能陶瓷材料已經(jīng)在很多領(lǐng)域,特別是諸多高技術(shù)領(lǐng)域獲得關(guān)鍵性的應(yīng)用,在航空航天、國防及民用等高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛且不可替代的作用,高性能陶瓷材料每年以7%～10%的速度發(fā)展。功能陶瓷主要是利用其上述功能特性,廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、機械、化工、建筑等領(lǐng)域的絕緣子,集成電路的基片、電容器、壓電和鐵電及敏感元件等,已成為四大類材料(金屬、陶瓷、高分子和復合材料)之一。主要的材料有Ba TiO3、ZnO、Ph)O3、A IN、ZrO2等。陶瓷粉料是發(fā)展高性能陶瓷的基礎(chǔ)材料,是高性能陶瓷的重要組成部分,對特種陶瓷的發(fā)展起著十分重要的作用。

2 高性能陶瓷材料的性能特點

一般高溫陶瓷材料的預期使用溫度在1 400℃～1 500℃,而超高溫材料是指能在1 800℃以上使用的材料,主要包括過渡金屬(Ti、Zr、Ta等)的硼化物、碳化物以及近年出現(xiàn)的Si-B-C-N超高溫陶瓷材料等,還包括碳(石墨)和氮化硼等。這類材料的主要特點是超高溫熔點、超高溫穩(wěn)定、超高溫耐腐蝕性,應(yīng)用于國防、航天、超高溫電極、超高溫耐腐蝕容器或保護器(與熔融金屬接觸),超高溫涂層等。近年來,對Si -B-C-N超高溫陶瓷材料的研究發(fā)展很快,制備工藝主要是采用有機前驅(qū)體法,對超高溫穩(wěn)定化機理的研究主要集中在硼的作用上。目前正在探索其作為超高溫涂層材料方面的應(yīng)用,有機前驅(qū)體法工藝復雜,操作嚴格,成本高,對超高溫穩(wěn)定化機理還缺乏深層的理解。因此,探索和開發(fā)新的制備技術(shù),深入探討超高溫穩(wěn)定化機理,探索和設(shè)計其他超高溫材料系統(tǒng)(包括化學組成,相組成和顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計),將成為重要的研究內(nèi)容。

自碳納米管(CN Ts)問世以來,無論是CN Ts的制備工藝還應(yīng)用開發(fā)方面都開展了大量的卓有成效的工作。目前,有關(guān)CN Ts復合材料的研究成為復合材料領(lǐng)域的研究熱點之一,其中聚合物基CN Ts復合材料的研究主要集中在其介電、電磁性能方面,而對于陶瓷基CN Ts復合材料的研究主要集中在力學性能方面,雖然最近報道了CN Ts在貯氫等方面的廣闊應(yīng)用前景,CN Ts陶瓷基復合材料除了用作吸波材料在航空飛行器等軍事領(lǐng)域應(yīng)用外,用作電磁波屏蔽材料在軍用和民用方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。國防、航空航天的輕質(zhì)化和小型化對先進陶瓷材料的需求日趨強烈。高性能陶瓷材料密度僅為高溫合金的1/3～1/4,使用溫度高達1 500℃以上,因此應(yīng)用高性能陶瓷材料作為結(jié)構(gòu)件可明顯地降低結(jié)構(gòu)重量,同時還可起到耐腐蝕耐磨損等功能作用。我國在航空發(fā)動機熱端部件等開始應(yīng)用,提高了航空發(fā)動機的推重比,縮小航空發(fā)動機與國際先進發(fā)動機的差距。又如在導彈天線罩、噴管、喉襯等均有應(yīng)用。在民用方面,高性能陶瓷應(yīng)用更為廣泛,如在礦山、發(fā)電、冶金用耐磨耐腐蝕陶瓷部件,其壽命比高鉻鐵制品壽命提高8～10倍,僅寶鋼每年就有數(shù)千萬件需求;礦山、電子部門用渣漿陶瓷內(nèi)襯比現(xiàn)有產(chǎn)品使用壽命提高2～3倍。用陶瓷熔融金屬過濾器,提高金屬鑄件的質(zhì)量,不僅在國防軍工同時在現(xiàn)代交通等領(lǐng)域?qū)Ω邷厝廴诮饘?鋼)夾雜物過濾器的市場需求越來越大。

3 高性能陶瓷成為支柱產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵新材料

功能陶瓷是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學和生物等信息的檢測、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲等功能為主要特征的陶瓷材料,主要包括鐵電、壓電、介電、半導體、超導和磁性陶瓷等。功能陶瓷在信息的檢測、轉(zhuǎn)化、處理和存儲顯示中應(yīng)用廣泛,是信息技術(shù)中基礎(chǔ)元器件的關(guān)鍵材料,對發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)等許多高科技產(chǎn)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義。

功能陶瓷在小型化和便攜式電子產(chǎn)品中占有十分重要的地位,世界各國元器件生產(chǎn)企業(yè)都在電子陶瓷及其元器件的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備方面投入巨資進行研究開發(fā)。高投入的研發(fā)使得電子陶瓷及元器件成為一個創(chuàng)新活躍、競爭激烈的領(lǐng)域,每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件問世。

近年來,在國家諸多重點科研計劃的支持和推動下,我國在功能陶瓷材料的科學研究與產(chǎn)業(yè)化方面有了很大發(fā)展,但總體來看,我國的電子信息產(chǎn)業(yè),特別是一些附加價值高、技術(shù)含量高的新型電子信息產(chǎn)品和一些基礎(chǔ)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)水平與發(fā)達國家相比仍存在很大差距,不少高端產(chǎn)品在相當大的程度上被外資企業(yè)所控制。國外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托羅拉等近年來長驅(qū)直入中國市場,目前已占據(jù)了國內(nèi)片式元器件特別是高檔片式元器件市場相當大的份額。我國信息產(chǎn)業(yè)正面臨著產(chǎn)品升級換代的機遇和挑戰(zhàn),尤其是隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展,以信息技術(shù)為應(yīng)用領(lǐng)域的功能陶瓷成為新材料研究中十分活躍的研究課題。而其應(yīng)用領(lǐng)域正在從傳統(tǒng)的消費類電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向數(shù)字化的信息產(chǎn)品,包括通信設(shè)備、計算機和數(shù)字化音視頻設(shè)備等。

現(xiàn)代制造業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟的關(guān)鍵領(lǐng)域之一?，F(xiàn)代制造技術(shù)對新型刀具、模具材料需求越來越迫切,先進陶瓷材料在此領(lǐng)域的重要地位日益突出。陶瓷、金屬陶瓷、陶瓷涂層等刀具材料以其良好的硬度、耐高溫、抗氧化和高溫抗蠕變能力,在高速、精密切削加工方面逐步占據(jù)主要地位,在刀具材料中的比例逐年上升。僅以陶瓷刀片為例,其占可轉(zhuǎn)位刀片的比例約為:美國3%～5%、俄羅斯5%～7%、日本7%～9%、德國9%～12%,英國、法國、瑞典等也在大力推廣應(yīng)用。硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展主要是細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金材料及整體硬質(zhì)合金刀具的開發(fā),使硬質(zhì)合金的抗彎強度大大提高,可替代高速鋼造小規(guī)格鉆頭、立銑刀和絲錐等量大面廣的通用刀具,使其切削速度和刀具壽命遠遠超過高速鋼。隨著整體硬質(zhì)合金刀具的使用,將顯著提高原先用高速鋼刀具的大部分應(yīng)用領(lǐng)域的切削效率。國內(nèi)高速切削刀具最具有優(yōu)勢的是陶瓷刀具,研究開發(fā)的水平與國際相當。目前已有陶瓷刀具30多個品種,其中氧化鋁基20多個、氮化硅基近10個,包括帶孔和不帶孔陶瓷刀具的生產(chǎn)能力也很大。

4 高性能陶瓷材料的開發(fā)應(yīng)用新領(lǐng)域

傳統(tǒng)陶瓷是以粘土為主要原料燒制而成,其成分中含硅酸鹽。近代發(fā)展了不含硅酸鹽的化合物陶瓷,如由氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硅化物、硫化物或其它無機非金屬材料制成的陶瓷,此外還有在陶瓷中摻入金屬的,金屬陶瓷和以金屬纖維或無機非金屬纖維的增強陶瓷。

傳統(tǒng)陶瓷的成形方法大致有壓坯、澆注和旋坯等幾種,而高性能陶瓷有熱壓鑄、熱壓、等靜壓及氣相沉積等多種成形方法,這些陶瓷由于其化學組成,顯微結(jié)構(gòu)及性能不同于普通陶瓷,故稱為特種陶瓷或高技術(shù)陶瓷,在日本稱為精細陶瓷。由于其不同的化學組成和組織結(jié)構(gòu)決定了它不同的特殊性質(zhì)和功能(如高強度、高硬度、高韌性、耐腐蝕、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、光電、電光、聲光、磁解等)。由于性能特殊,這類陶瓷可作為工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用于機械、電子、化工、冶煉、能源、醫(yī)學、激光、核反應(yīng)、宇航等方面。

高性能陶瓷由于擁有眾多優(yōu)異性能,因而用途廣泛。耐熱性能優(yōu)良的特種陶瓷可望作為超高溫材料用于與原子能有關(guān)的高溫結(jié)構(gòu)材料、高溫電極材料等。隔熱性優(yōu)良的特種陶瓷可作為新的高溫隔熱材料,用于高溫加熱爐、熱處理爐、高溫反應(yīng)容器、核反應(yīng)堆等。導熱性優(yōu)良的特種陶瓷極有希望用作內(nèi)部裝有大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路電子器件的散熱片。耐磨性優(yōu)良的硬質(zhì)特種陶瓷用途廣泛,目前的工作主要是集中在軸承、切削刀具方面。高強度的陶瓷可用燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪、套管等;在加工機械上可用于機床身、軸承、燃燒噴嘴等。目前,這方面的工作開展得較多,許多國家如美國、日本、德國等都投入了大量的人力和物力,試圖取得領(lǐng)先地位。這類陶瓷有氮化硅、碳化硅、塞隆、氮化鋁、氧化鋁等。具有潤滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼極為引人注目,目前國外正在加緊研究。生物陶瓷方面目前正在進行氧化鋁、磷石炭等用作人工牙齒、人工骨、人工關(guān)節(jié)等研究,這方面的應(yīng)用也引起了人們極大關(guān)注。

5 高性能陶瓷材料的研發(fā)現(xiàn)狀

由于陶瓷材料具有高耐磨性、耐高溫和抗侵蝕能力,國外目前已將其應(yīng)用于發(fā)動機高速軸承、活塞、密封環(huán)閥門導軌等要求轉(zhuǎn)速高和配合精度高的部件。此外,有許多陶瓷基復合材料的發(fā)動機高溫構(gòu)件正在研制之中。由于提高了燃燒溫度,取消或減少了冷卻系統(tǒng),預計發(fā)動機熱效率可從目前的26%提高到46%。未來航空發(fā)動機高壓壓氣機葉片和機殼、高壓與低壓渦輪盤及葉片、燃燒室、加大燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等都將采用陶瓷基復合材料。

為了提高航空發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高發(fā)動機的渦輪進口溫度,而渦輪進口溫度與熱端部件材料的最高允許工作溫度直接相關(guān)。上世紀60年代,發(fā)動機熱端都部件材料主要是鑄造高溫合金,其使用溫度為800℃～900℃;進入80年代以后,相繼開發(fā)出了高溫單晶合金、彌散強化超合金以及金屬間化合物等,并且熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,使熱端部件的使用溫度提高到1 200℃～1 300℃,已接近這類合金熔點的80%,雖然通過各種冷卻技術(shù)可進一步提高渦輪進口溫度,但降低了熱效率,增加了結(jié)構(gòu)復雜性和制造難度,且對小而薄型的熱端部件難以進行冷卻,因而再提高的潛力極其有限。

進入21世紀來,世界各工業(yè)發(fā)達國家對于發(fā)動機用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料的研究與開發(fā)-直十分重視,相繼制定了各自的國家發(fā)展計劃,并投人了大量的人力、物力和財力,對這一新型材料寄予厚望。如美國NASA制定的先進高溫熱機材料計劃(H ITEM P)、DOE/NA sA的先進渦輪技術(shù)應(yīng)用計劃、美國國家宇航計劃(NASP)、美國國防關(guān)鍵技術(shù)計劃以及日本的月光計劃等都把高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復合材料作為重點研究對象,其研制目標是將發(fā)動機熱端部件的使用溫度提高到1650℃或更高,從而提高發(fā)動機渦輪進口溫度,達到節(jié)能、減重、提高推重比和延長壽命的目的,滿足軍事和民用熱機的需要,陶瓷基復合材料有望替代金屬及其合金的發(fā)動機熱端結(jié)構(gòu)首選材料。

高性能結(jié)構(gòu)材料具有高溫強度好、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韌氧化鋯陶瓷和纖維增強無機合成材料等。如在內(nèi)燃機中用陶瓷代替金屬可減少燃料消耗30%,提高熱效率50%。高性能復合材料可根據(jù)要求進行設(shè)計,能夠使材料揚長避短,當前的研究重點有:纖維增強塑料、碳/碳復合材料、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料。高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機合成材料,每年的遞增速度達到14%。此外,美國科學家還發(fā)現(xiàn)了一種可與玻璃結(jié)合的化合物,這種硅烷化合物能夠粘在磷酸鹽玻璃表面,形成一個單一分子層和多分子層,從而可以保護玻璃表面,將腐蝕減少到最小程度,這一發(fā)現(xiàn)對提高玻璃的抗腐蝕性有重要意義。

6 高性能陶瓷材料的發(fā)展趨勢

高性能陶瓷雖然發(fā)展很快,但是有些問題目前尚不十分清楚,技術(shù)上也沒有達到完善及實用的階段,例如還不能有效地控制其顯微結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的形狀及尺寸等。因此,為了使高性能陶瓷產(chǎn)品早日實現(xiàn)商品化,國外正在進行更廣泛的研究:高性能陶瓷基礎(chǔ)技術(shù)的研究,例如燒結(jié)機理、檢測技術(shù)和粉末制備技術(shù)等;超導陶瓷的研究;特種陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法,因而許多國家都把它作為一項主要內(nèi)容加以研究;陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復合增強材料等的重要基礎(chǔ)。尤其日本對陶瓷纖維及晶須增強金屬復合材料的研究極為重視,其研究主要集中于碳化硅及氨化硅;多孔陶瓷由于具有特殊的結(jié)構(gòu),所以引起了各界的重視;陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它材料復合(陶瓷纖維增強陶瓷,陶瓷纖維增強金屬)問題也是現(xiàn)階段的研究重點;在非氮化物陶瓷中,目前國外研究最多的是陶瓷發(fā)動機,高壓熱交換器及陶瓷刀具等;隨著生物化學,生物醫(yī)學這些新興學科的發(fā)展,生物陶瓷的開發(fā)研究也變得越來越重要。

目前全球各類高性能陶瓷材料及其產(chǎn)品的市場銷售總額每年達數(shù)百億美元,年增長率達8%,結(jié)構(gòu)陶瓷占銷售額的30%左右。在發(fā)達國家,由于政府對陶瓷材料研究的持續(xù)支持與大企業(yè)積極參與,加上工業(yè)基礎(chǔ)好,陶瓷產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模成長很快。我國政府支持力度小,民間參與程度低,相應(yīng)的工業(yè)基礎(chǔ)又較薄弱,直接導致了我國陶瓷材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,裝備差,質(zhì)量低而不穩(wěn)。因此,一方面要加大投入,另一方面要針對這樣的薄弱環(huán)境,大力進行工程化工藝技術(shù)的研究和裝備攻關(guān),走出一條利用較廉價的國產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝,實現(xiàn)高品質(zhì)陶瓷生產(chǎn)的發(fā)展道路。

無機材料是現(xiàn)代信息與通信技術(shù)的基礎(chǔ),高性能陶瓷材料是不可替代的。大型集成電路中的各類陶瓷基片和襯底材料,光纖通信中的石英光纖等是整個信息產(chǎn)業(yè)中最為關(guān)鍵的材料;另外光通信中有源器件中的激光工作物質(zhì)、無源器件中光纖連接器用的氧化鍺陶瓷材料等都是現(xiàn)代光通信領(lǐng)域內(nèi)必不可少的關(guān)鍵材料?，F(xiàn)代制造業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。在此領(lǐng)域,對先進陶瓷的需求更為廣泛。高性能陶瓷材料將在國防、航空航天、信息產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)用、現(xiàn)代交通、新能源、環(huán)保和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造中發(fā)揮越來越大的作用。

我國高性能陶瓷的發(fā)展具有一定優(yōu)勢和機遇,也同樣具有發(fā)展前景和突破機會。我國是世界上經(jīng)濟發(fā)展最快的發(fā)展中國家,發(fā)展?jié)摿σ沧畲?這必將為無機材料的發(fā)展和應(yīng)用提供越來越多的機會。但我國又是一個相對比較落后、資源比較匱乏的國家,未來國家的發(fā)展將更加依賴于高新技術(shù)的發(fā)展,而高性能陶瓷材料是整個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中一個不可或缺的基礎(chǔ),同時也是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的源泉。同時無機材料產(chǎn)業(yè)具有高技術(shù)含量,也往往需要較多的勞動力,具有技術(shù)密集和勞動密集的特征,十分適合我國的國情。如果我們能夠把握住機會,加強材料基礎(chǔ)理論研究,加快先進無機材料高技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,必將使我國先進無機材料的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)獲得更大、更好的發(fā)展,為國民經(jīng)濟做出更大貢獻。如果能抓住當前國家經(jīng)濟發(fā)展和國外產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的機會,積極開拓政府與民間的投入渠道,針對關(guān)鍵問題進行集中攻關(guān)和科技創(chuàng)新,整個高性能陶瓷的高技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化將具有前所未有的廣闊前景。

1 張金升,張銀燕.陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)與性能.北京:化學工業(yè)出版社,2007

2 張玉龍,馬建平.實用陶瓷材料手冊.北京:化學工業(yè)出版社,2006

3 李榮久.陶瓷金屬復合材料.北京:冶金工業(yè)出版社, 2006