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,各國在基礎與應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用前景,筆者介紹了高性能陶瓷新材料的性能、應用范圍,市場的開發(fā)應用現(xiàn)狀和開發(fā)應用新領域,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 應用范圍 發(fā)展趨勢

1 高性能陶瓷材料的應用前景

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用前景,成為各工業(yè)技術特別是尖端技術中不可缺少的關鍵材料,在國防現(xiàn)代化建設中,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構陶瓷和功能陶瓷,有的還分為陶瓷涂層及陶瓷復合材料等。結構陶瓷主要是利用其耐高溫、高強度、耐磨的性能,應用于熱機部件、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)在很多領域,特別是諸多高技術領域獲得關鍵性的應用,在航空航天、國防及民用等高技術領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,廣泛應用于國防、航空航天、機械、化工、建筑等領域的絕緣子,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用,有機前驅體法工藝復雜,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,深入探討超高溫穩(wěn)定化機理,探索和設計其他超高溫材料系統(tǒng)(包括化學組成,相組成和顯微結構設計),將成為重要的研究內容。

自碳納米管(CN Ts)問世以來,無論是CN Ts的制備工藝還應用開發(fā)方面都開展了大量的卓有成效的工作。目前,有關CN Ts復合材料的研究成為復合材料領域的研究熱點之一,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域應用外,用作電磁波屏蔽材料在軍用和民用方面也具有廣闊的應用前景。國防、航空航天的輕質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,因此應用高性能陶瓷材料作為結構件可明顯地降低結構重量,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、喉襯等均有應用。在民用方面,高性能陶瓷應用更為廣泛,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,提高金屬鑄件的質量,不僅在國防軍工同時在現(xiàn)代交通等領域對高溫熔融金屬(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、轉化、處理和存儲顯示中應用廣泛,是信息技術中基礎元器件的關鍵材料,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、新工藝、新材料、新設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、技術含量高的新型電子信息產(chǎn)品和一些基礎電子產(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直入中國市場,目前已占據(jù)了國內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的高速發(fā)展,以信息技術為應用領域的功能陶瓷成為新材料研究中十分活躍的研究課題。而其應用領域正在從傳統(tǒng)的消費類電子產(chǎn)品轉向數(shù)字化的信息產(chǎn)品,包括通信設備、計算機和數(shù)字化音視頻設備等。

現(xiàn)代制造業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟的關鍵領域之一?，F(xiàn)代制造技術對新型刀具、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用。硬質合金刀具材料的發(fā)展主要是細晶粒和超細晶粒硬質合金材料及整體硬質合金刀具的開發(fā),使硬質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用領域的切削效率。國內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)應用新領域

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,顯微結構及性能不同于普通陶瓷,故稱為特種陶瓷或高技術陶瓷,在日本稱為精細陶瓷。由于其不同的化學組成和組織結構決定了它不同的特殊性質和功能(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構材料和功能材料應用于機械、電子、化工、冶煉、能源、醫(yī)學、激光、核反應、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的高溫結構材料、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、高溫反應容器、核反應堆等。導熱性優(yōu)良的特種陶瓷極有希望用作內部裝有大規(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、人工關節(jié)等研究,這方面的應用也引起了人們極大關注。

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,國外目前已將其應用于發(fā)動機高速軸承、活塞、密封環(huán)閥門導軌等要求轉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。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,并且熱障涂層技術得到了廣泛的應用,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可進一步提高渦輪進口溫度,但降低了熱效率,增加了結構復雜性和制造難度,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)動機用高溫結構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的先進渦輪技術應用計劃、美國國家宇航計劃(NASP)、美國國防關鍵技術計劃以及日本的月光計劃等都把高溫結構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)動機熱端結構首選材料。

高性能結構材料具有高溫強度好、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點。高溫結構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構、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:高性能陶瓷基礎技術的研究,例如燒結機理、檢測技術和粉末制備技術等;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。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構,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%,結構陶瓷占銷售額的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,相應的工業(yè)基礎又較薄弱,直接導致了我國陶瓷材料產(chǎn)業(yè)基礎薄弱,裝備差,質量低而不穩(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的研究和裝備攻關,走出一條利用較廉價的國產(chǎn)設備和生產(chǎn)工藝,實現(xiàn)高品質陶瓷生產(chǎn)的發(fā)展道路。

無機材料是現(xiàn)代信息與通信技術的基礎,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)中最為關鍵的材料;另外光通信中有源器件中的激光工作物質、無源器件中光纖連接器用的氧化鍺陶瓷材料等都是現(xiàn)代光通信領域內必不可少的關鍵材料?，F(xiàn)代制造業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟的關鍵領域之一。在此領域,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的發(fā)展,而高性能陶瓷材料是整個高新技術產(chǎn)業(yè)中一個不可或缺的基礎,同時也是高新技術產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的源泉。同時無機材料產(chǎn)業(yè)具有高技術含量,也往往需要較多的勞動力,具有技術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,加強材料基礎理論研究,加快先進無機材料高技術的開發(fā)與應用,必將使我國先進無機材料的高技術產(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)轉移的機會,積極開拓政府與民間的投入渠道,針對關鍵問題進行集中攻關和科技創(chuàng)新,整個高性能陶瓷的高技術研究與產(chǎn)業(yè)化將具有前所未有的廣闊前景。

1 張金升,張銀燕.陶瓷材料顯微結構與性能.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