葛偉青

（唐山學(xué)院，唐山：063000）

特種陶瓷也稱為先進(jìn)陶瓷、現(xiàn)代陶瓷、新型陶瓷、高性能陶瓷、高技術(shù)陶瓷和精細(xì)陶瓷，突破了傳統(tǒng)陶瓷以黏土為主要原料的界限，主要以氧化物、炭化物、氮化物、硅化物等為主要原料，有時還可以與金屬進(jìn)行復(fù)合形成陶瓷金屬復(fù)合材料，是一種采用現(xiàn)代材料工藝制備的、具有獨特和優(yōu)異性能的陶瓷材料。已成為現(xiàn)代高性能復(fù)合材料的一個研究熱點。特種陶瓷于二十世紀(jì)發(fā)展起來，在近二、三十年內(nèi)，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，特別是在高技術(shù)、新技術(shù)領(lǐng)域中的地位日趨重要。許多科學(xué)家預(yù)言：特種陶瓷在二十一世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，必將占據(jù)十分重要的地位。

特種陶瓷不同的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定了它不同的特殊性質(zhì)和功能，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(xué)、激光、核反應(yīng)、宇航等領(lǐng)域。一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，特別是日本、美國和西歐國家，為了加速新技術(shù)革命，為新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，投入大量人力、物力和財力研究開發(fā)特種陶瓷，因此，特種陶瓷的發(fā)展十分迅速，在技術(shù)上也有很大突破。

1 概述

特種陶瓷通常包括結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷（電子陶瓷）和生物陶瓷等.結(jié)構(gòu)陶瓷具有高強度、高硬度、高耐磨、耐高溫、耐腐蝕等特性，功能陶瓷具有導(dǎo)電、半導(dǎo)性、絕緣、壓電、透光、光電、電光、聲光、磁光等性能，生物陶瓷具有醫(yī)療（人工關(guān)節(jié).骨、牙齒等）和催化等功能，在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域中的地位日趨重要。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所所長羅宏杰在佛山市加快發(fā)展特種陶瓷推介會上發(fā)言說，特種陶瓷具備傳統(tǒng)陶瓷不具備的多種特性，消耗低、利潤高，應(yīng)用前景十分廣闊。預(yù)計2010年全國的市場規(guī)模將達(dá)到400億元。世界的市場規(guī)模將達(dá)到1500億美元。中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，將為特種陶瓷制造業(yè)提供廣闊的市場與發(fā)展空間。

目前，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷研究的主要目標(biāo)仍然是燃?xì)廨啓C、活塞發(fā)動機和磁流體發(fā)電機用的材料。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用在汽車、飛機、火箭等領(lǐng)域獲得了成功。福特公司研制的汽車用輪機的機頭、定子和葉輪都是用氮化硅制作的，熱交換器是用蜂窩狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶化玻璃制成的。超音速飛機發(fā)動機和火箭燃燒室內(nèi)壁、隔熱襯層等高溫部位都利用到了陶瓷材料。美國研制成功了AGT100和AGT101型全陶瓷汽車發(fā)動機，其進(jìn)口溫度分別達(dá)到了 1290℃和 1370℃，比超合金高 200～260℃。

2 粉末制備技術(shù)進(jìn)展情況

目前最引人注目的粉末制備技術(shù)是超高溫技術(shù)。利用超高溫技術(shù)可廉價地研制特種陶瓷。

超高溫技術(shù)具有如下優(yōu)點：能生產(chǎn)出用以往方法所不能生產(chǎn)的物質(zhì)，能夠獲得純度極高的物質(zhì)，生產(chǎn)率會大幅度提高，可使作業(yè)程序簡化、易行。目前，在超高溫技術(shù)方面居領(lǐng)先地位的是日本。此外，溶解法制備粉末、化學(xué)氣相沉積法制備陶瓷粉末、溶膠-凝膠法生產(chǎn)莫來石超細(xì)粉末以及等離子體氣相反應(yīng)法等也引起了人們的關(guān)注。

3 特種陶瓷成形方法及特點

3.1 干法成型

干法成型包括鋼模壓制成型、等靜壓成型、超高壓成型、粉末電磁成型等方法。

3.1.1 鋼模壓制成型（干壓法）

將含有少量增塑劑、具有一定粒度配比的陶瓷粉末放在金屬模內(nèi)，在壓機上受壓，使之密實成型。鋼模壓制的優(yōu)點是易于實現(xiàn)自動化，所以在工業(yè)生產(chǎn)中得到較大的應(yīng)用。

3.1.2 等靜壓成型

等靜壓成型是通過施加各項同性壓力而使粉料一邊壓縮一邊成型的方法。等靜壓力可達(dá)300MPa左右。在常溫下成型時稱為冷等靜壓成型，在幾百攝氏度到2000℃溫區(qū)內(nèi)成型時稱為熱等靜壓成型。等靜壓有兩種方式：干袋法和濕袋法。濕袋法是將粉末或顆粒密封于成型橡膠模型內(nèi)，置于高壓容器中的液體內(nèi)，施加各向同性壓力而被壓縮成型。干袋法介于濕袋法和干壓法之間，用液體作壓力傳遞介質(zhì)，但壓力只施加于柱狀模具的徑向外壁，模具軸向基本上不受力。等靜壓制有以下優(yōu)點：能壓制具有凹形、空心、細(xì)長件以及其他復(fù)雜形狀的零件；摩擦損耗小，成型壓力低；壓力從各個方面?zhèn)鬟f，壓坯密度分布均勻、壓坯強度高，模具制作方便，壽命長，成本較低。但等靜壓制也有缺點：壓坯尺寸和形狀不易精確控制，生產(chǎn)率較低，且投資大，操作較復(fù)雜，成型在高壓下操作，容器及其它高壓部件需要特別防護(hù)。

表1 特種陶瓷分類及應(yīng)用Tab.1 Classification and application of special ceram ics

3.1.3 超高壓成型

超高壓成型是一種發(fā)展很快的成型方法，多用于納米陶瓷的成型中。納米陶瓷的粒徑受燒結(jié)溫度影響很大，燒結(jié)溫度越低，粒徑越小，越容易得到納米陶瓷；而通過加大成型壓力，提高素坯的初始密度，可以降低納米陶瓷的燒結(jié)溫度，因此超高壓成型應(yīng)運而生。，超高壓成型明顯地改變了素坯的燒結(jié)性能，從而更加容易得到納米陶瓷。

3.1.4 粉末電磁成型

粉末電磁壓制是一種利用強脈沖電磁力作用于粉末體使其致密化的高效率成型新工藝。這種方法通常用于金屬材料的成型，可獲得非常高的致密度。粉末電磁壓制法成型的樣品致密度均達(dá)到了95％以上，具有較好的壓電與介電性能。

3.2 濕法成型

與干法成型相比，濕法成型可以較容易地控制坯體的團(tuán)聚以及雜質(zhì)的含量，減少坯體的缺陷，并可制備各種形狀復(fù)雜的陶瓷部件。濕法成型大致可分為塑性成型和膠態(tài)澆注成型兩大類。

3.2.1 塑性成型

塑性成型也稱濕壓法，是指將已制成塑性的物料在剛性模具中壓制成型的一種成型方法?？伤苄晕锪鲜怯晒滔唷⒁合?、氣相組成的塑性粘性系統(tǒng)，由粉料、粘結(jié)劑、增塑劑和溶劑組成。

塑性成型包括擠壓成型、注射成型、軋膜成型（壓延成型）等幾種：

（1）擠壓成型

將粉料、粘接劑、潤滑劑等與水均勻混合充分混練，然后利用液壓機推動活塞，將已塑化的坯料從擠壓嘴擠出。擠壓成型得到的陶瓷膜管具有較大的孔隙率、密度和耐壓強度，且孔徑分布集中，氣體的滲透通量很大，是一種優(yōu)良的陶瓷膜管。

（2）注射成型

注射成型又稱熱壓鑄成型，該技術(shù)通過加入一定量的聚合物及添加劑組元并微熱，賦予金屬粉末、陶瓷粉末與聚合物相似的流動性，在壓力下將料漿注滿金屬模中，冷卻后脫坯得到坯件。被美國等發(fā)達(dá)國家列為重要的"國家關(guān)鍵技術(shù)"。注射成型技術(shù)能以低成本生產(chǎn)大批量復(fù)雜形狀的高性能零件，具有很多特殊的技術(shù)和工藝優(yōu)勢：原材料利用率高，可快速自動地進(jìn)行批量生產(chǎn)，可制備體積小、形狀復(fù)雜、尺寸精度高的異形件，由于流動沖模，使生坯密度均勻，燒結(jié)產(chǎn)品性能優(yōu)越，在一定程度上克服了傳統(tǒng)干壓法成型產(chǎn)品存在的密度、組織和性能不均的現(xiàn)象。注射成型是一種近凈尺寸成型工藝，不需后續(xù)加工或只需微量加工，大大降低了生產(chǎn)成本。

（3）軋膜成型（壓延成型）

將粉料、添加劑和水均勻混合制成塑性物料，然后將物料經(jīng)兩個相向轉(zhuǎn)動軋輥軋制，從而成為板狀素坯的成型方法。軋膜成型所得坯體密度高，適于片狀、板狀物件的成型。

3.2.2 膠態(tài)澆注成型

膠態(tài)澆注成型是將具有流動性的漿料制成可自我支撐形狀的一種成型方法。該法利用漿料的流動性，使物料干燥并固化后得到一定形狀的成型體。主要包括以下幾種方法。

（1）注漿成型

注漿成型方法是將制備好的泥漿注入石膏模型中，由于石膏模型具有透氣和吸水性能，泥漿接觸模型以后，泥漿中的水分會逐漸被吸入模型壁中，泥漿中的細(xì)小顆粒會隨著模型的形狀而均勻地排列成一個稠泥層，當(dāng)稠泥層達(dá)到人們預(yù)期的厚度時，即可將模型中多余的泥漿倒出。待稠泥層中的水分被模型繼續(xù)吸收達(dá)到獨立成型后，即可將坯體取出，干燥待修。注漿成型工藝成本低，過程簡單，易于操作和控制，但成型形狀粗糙，注漿時間較長，坯體密度、強度也不高。

（2）注凝成型

美國橡樹嶺國家重點實驗室（Oak ridge national laboratory）于90年代初發(fā)明了一種新穎的陶瓷成型技術(shù)-注凝成型。注凝成型是在懸浮介質(zhì)中加入乙烯基有機單體，然后利用催化劑和引發(fā)劑通過自由基反應(yīng)使有機單體進(jìn)行交聯(lián)，坯體實現(xiàn)原位固化。其顯著優(yōu)點是坯體強度高，便于機械加工。此法的缺點是致密化過程中坯體的收縮率比較大，導(dǎo)致坯體彎曲變形，且所使用的有機單體有毒性，反應(yīng)氣氛不易控制。

（3）流延成型

流延成型是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑等成分，得到分散均勻的穩(wěn)定漿料，在流延機上制得所要求厚度薄膜的一種成型方法。該法具有設(shè)備簡單、可連續(xù)操作、生產(chǎn)效率高、自動化水平高、工藝穩(wěn)定、坯體性能均一等一系列優(yōu)點，在陶瓷材料的成型工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

（4）直接凝固成型

直接凝固成型是20世紀(jì)90年代瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院Gauckler教授的研究小組將生物酶技術(shù)、膠態(tài)化學(xué)與陶瓷工藝學(xué)相結(jié)合而發(fā)明的一種全新概念的凈尺寸原位陶瓷成型技術(shù)。該成型方法不需或只需少量的有機添加劑（小于1w t ％），坯體不需脫脂，坯體密度均勻，相對密度較高，而且可成型大尺寸復(fù)雜形狀的陶瓷部件，但其坯體強度往往不夠高。

（5）膠態(tài)振動注模成型

膠態(tài)振動注模成型是1993年alifornia大學(xué)Santa Barbara分校F.F.Lange教授發(fā)明的一種膠態(tài)成型技術(shù)。將制備好的含有高離子強度的稀懸浮體（20％～30％（vol））通過壓濾或離心獲得高固相含量的坯料，然后在振動作用下進(jìn)行澆注，實現(xiàn)原位固化。該成型方法可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，并可成型復(fù)雜形狀的陶瓷部件。但素坯強度較低，脫模時坯體易于開裂和變形。

3.3 固體無模成型

可分為：激光選區(qū)燒結(jié)成型、三維打印成型、熔融沉積成型、分層制造成型、立體光刻成型等。這些技術(shù)具有以下顯著的優(yōu)點：高度柔性，技術(shù)的高度集成，快速性，自由成型制造等。該技術(shù)目前存在的主要問題有：設(shè)備價格高，軟件開發(fā)，材料開發(fā)，成型精度和質(zhì)量等問題。

總體來說，鋼模壓制、等靜壓成型等干法成型技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)成熟度高，自動化程度高，是目前特種陶瓷成型的主要方法，但由于精確尺寸控制得不力，限制了其在高性能精細(xì)陶瓷成型方面的應(yīng)用。超高壓成型、粉末電磁成型等是人們?yōu)榱说玫礁咝阅芴胤N陶瓷材料應(yīng)運而生的成型方法。濕法成型中的塑性成型方法主要用于某些特殊陶瓷器件的制作，且生產(chǎn)成本低。以注凝成型和流延成型為代表的膠態(tài)成型方法是濕法成型中的新技術(shù)，不僅具備低成本的優(yōu)點，而且自動化程度較高，能實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，代表了特種陶瓷成型方法的發(fā)展方向，例如陶瓷精密注射成型方法，已應(yīng)用于陶瓷發(fā)動機、通訊產(chǎn)業(yè)中光纖連接器陶瓷插芯、計算機工業(yè)中光盤和磁盤驅(qū)動用陶瓷軸承以及生物醫(yī)學(xué)用陶瓷制品等精密陶瓷件的制造等。快速無模成型由于具有高度柔性和高度集成、快速等優(yōu)點，預(yù)示了未來材料制造的發(fā)展趨勢。

4 特種陶瓷成型技術(shù)未來的研究發(fā)展方向

（1）進(jìn)一步開發(fā)已經(jīng)提出的各種無模成形技術(shù)在制備不同陶瓷材料中的應(yīng)用；（2）性能更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層以及在層內(nèi)的穿插、交織、連接結(jié)構(gòu)和成分三維變化的設(shè)計；（3）大型異形件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造；（4）陶瓷微結(jié)構(gòu)的制造及實際應(yīng)用；（5）進(jìn)一步開發(fā)無污染和環(huán)境協(xié)調(diào)的新技術(shù)。

5 燒結(jié)

目前，特種陶瓷的主要燒結(jié)方法有：常壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)/熱等靜壓燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法、液相燒結(jié)法、微波燒結(jié)法、電弧等離子燒結(jié)法、自蔓延燒結(jié)法、氣相沉積法等。

6 精密加工

特種陶瓷屬于脆性材料，硬度高、脆性大，加工性能差，加工難度大。近年來興起的磨削加工方法主要有：（1）超聲波振動磨削加工方法；（2）在線電解修整金剛石砂輪磨削加工方法；（3）電解、電火花復(fù)合磨削加工工藝；（4）電化學(xué)在線控制加工方法。

采用刀具加工陶瓷還處于研究實驗階段，由于用超高精度的車床和金剛石單晶車刀進(jìn)行加工，以微米數(shù)量級的微小吃刀深度和微小的走刀量，能獲得0.1微米左右的加工精度，因而許多國家把這種加工技術(shù)作為超精密加工的一個方面而加以開發(fā)研究。在我國，清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室在這方面的研究成果已位居世界前列。

7 特種陶瓷應(yīng)用新發(fā)展

特種陶瓷具有眾多優(yōu)異性能，用途廣泛。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）耐熱性能優(yōu)良的特種陶瓷可望作為超高溫材料用于原子能有關(guān)的高溫結(jié)構(gòu)材料、高溫電極材料等；（2）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；（3）導(dǎo)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；（4）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；（5）高強度的陶瓷可用于燃?xì)廨啓C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。這類陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化鋁、氧化鋯等；（6）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；（7）生物陶瓷方面目前正在進(jìn)行將氧化鋁、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)用引起人們極大關(guān)注。

8 特種陶瓷今后主要研究方向與重點

（1）加強基礎(chǔ)技術(shù)研究，例如燒結(jié)機理、檢測技術(shù)和粉末制備技術(shù)等；（2）超導(dǎo)陶瓷的研究；（3）多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能研究，已引起各界的重視；（4）陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它材料復(fù)合（陶瓷纖維增強陶瓷，陶瓷纖維增強金屬）問題是現(xiàn)階段的研究重點。（5）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)容而加以研究；（6）陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復(fù)合增強材料等的重要基礎(chǔ)，目前國外，尤其是日本對陶瓷纖維及晶須增強金屬復(fù)合材料的研究極為重視，其研究主要集中于碳化硅及氮化硅；（7）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；（8）隨著生物化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)這些新興學(xué)科的發(fā)展，生物陶瓷的開發(fā)研究也變得越來越重要。