肖九梅

（湖北武漢藍天化學建材公司 武漢 430055）

低碳經(jīng)濟驅(qū)動新型陶瓷材料行業(yè)的未來＊

肖九梅

（湖北武漢藍天化學建材公司 武漢 430055）

新型陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等特性。近些年來，在開發(fā)新能源和有效利用石油能源的呼聲中，發(fā)達國家相繼掀起了新型陶瓷材料研究開發(fā)的熱潮。針對新型陶瓷材料的獨特性能，綜述了工程陶瓷材料用途廣泛和功能陶瓷材料的應用前景，以及陶瓷基復合材料的發(fā)展趨勢；介紹了廣泛應用于工程領域的陶瓷閥門材料和切削性能優(yōu)良的新型陶瓷刀具，同時指出了陶瓷材料產(chǎn)業(yè)的應用開發(fā)趨勢。

低碳經(jīng)濟 陶瓷材料 應用開發(fā)

Abstract：The new ceramic materials with high strength，high hardness，corrosion resistance，high temperature and other characteristics.In recent years，the development of new energy and energy efficient use of the voice of the oil，the developed countries have set off a new wave of research and development of ceramic materials.For the unique properties of new ceramic materials were reviewed widely used engineering ceramics and ceramic materials with special performance features extensive prospect；and ceramic matrix composites have a wide range of development trends；introduced the widely used engineering materials and ceramic valves excellent new ceramic cutting tools；also pointed out that the application of ceramic materials industry development trends.

Key words：Low－carbon economy；Ceramic materials；Application development

當代科技文明都與新材料的發(fā)明及應用分不開。同時工業(yè)技術(shù)的發(fā)展又不斷向材料研究工作者提出新的課題，不斷需求性能超越現(xiàn)有材料的新材料。與金屬材料和高分子材料相比，新型陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等特性。近些年來，在開發(fā)新能源和有效利用石油能源的呼聲中，發(fā)達國家相繼掀起了新型陶瓷材料研究開發(fā)的熱潮。

1 新型陶瓷材料性能獨特

新型陶瓷材料在性能上有其獨特的優(yōu)越性。在熱性能和機械性能方面，有耐高溫、隔熱、高硬度、耐磨耗等特點；在電性能方面有絕緣性、壓電性、半導體性、磁性等特點；在化學方面有催化、耐腐蝕、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作為生物結(jié)構(gòu)材料等。但其也有缺點，如脆性。因此研究開發(fā)新型功能陶瓷是材料科學中的一個重要領域。

新型陶瓷材料屬于新型材料的一種。最常用的氮化物陶瓷為氮化硅和氰化硼。氮化硅陶瓷具有很高的硬度，有自潤滑作用，摩擦系數(shù)小，耐磨性好，抗氧化能力強，抗熱振性大大高于其他陶瓷。它具有精良的化學穩(wěn)定性，能耐除氫氟酸以外的其他酸和堿性溶液的腐化，以及抗熔融有色金屬的侵蝕，它還具有精良的絕緣性能及低的熱膨脹性。其中，由熱壓燒結(jié)法制成的氮化硅陶瓷的強度、韌性都高，主要用于制作形狀簡單、精度要求不高的零部件，如切削刀具、高溫軸承等。由反應燒結(jié)法制成的氮化硅陶瓷工藝性好，硬度較低，用于制作形狀復雜、精度要求高的零件以及用于要求耐磨、耐蝕、耐熱、絕緣性能等場合，如泵密封環(huán)、熱電偶掩護套、高溫軸承、增壓器轉(zhuǎn)子、缸套、活塞環(huán)、電磁泵管道和閥門等。氮化硅陶瓷還是制作新型陶瓷發(fā)動機的重要材料。

2 工程陶瓷材料用途廣泛

陶瓷有著古老的歷史，早在公元前10世紀，人類就開始利用它做生活用具。近年來，由于精度的不斷提高和制造工藝的日臻完善，陶瓷又成為具有電磁功能、光學功能、熱功能、機械功能及生物化學功能的新型材料，在各個領域中得到廣泛的應用。

普通的陶瓷制品中往往存在許多微細裂紋，當受到外力作用時，微細裂紋會不斷擴展，并匯集成粗大裂紋，以至碎裂，從而形成了陶瓷的脆性，給陶瓷更廣泛地使用帶來了困難。針對陶瓷的這一弊端，科學家們研究出了防止微細裂紋擴展的有效方法，并進而制成了難以打碎的“韌性”陶瓷。經(jīng)過特殊工藝處理制成的韌性陶瓷，除了可以去掉脆性之外，還具有強度大、硬度高、耐化學腐蝕等優(yōu)點，因此，應用范圍更加廣泛?，F(xiàn)在，韌性陶瓷已經(jīng)廣泛用來制作切菜刀、剪刀、螺絲刀、榔頭、鋸、斧頭等日常工具，其堅硬程度可以與鋼鐵制品相媲美。而且，還不會帶鐵銹味和磁性，更適宜切生吃食物和熟食，以及用于剪接磁帶等帶有磁性物質(zhì)的制品。與此同時，韌性陶瓷還可以用來制作切削刀具、防彈盔甲、人造骨骼、人造關(guān)節(jié)、手表外殼等。日、美、德等一些技術(shù)發(fā)達國家還采用韌性陶瓷代替金屬材料來制造發(fā)動機，這種發(fā)動機的體積小、重量輕、熱效率高，用同樣的燃料可以使汽車多跑30%的路程，是一種有效的節(jié)能型發(fā)動機。

在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷稱為工程陶瓷，它主要在高溫下使用，也稱高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這類陶瓷以氧化鋁為主要原料，具有在高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優(yōu)點，可以耐1 980℃的高溫，是空間技術(shù)、軍事技術(shù)、原子能及化工等領域中的重要材料。工程陶瓷目前有氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC），硅化鎢（WSi2）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）等。這些材料具有耐熱、高硬度、耐磨、耐腐蝕、相對密度小等特點。若能用于燃氣輪機，可使工作溫度從目前的1 100℃提高到1 370℃，而熱效率從60%提高到80%，應是理想的發(fā)動機材料。但其致命缺點是脆性。近期研究表明：用不同配比的各種原料和陶瓷復合材料制成的納米級原材料經(jīng)燒結(jié)可提高韌性，這一發(fā)現(xiàn)吸引了許多研究者，成為國際上研究的熱點。預期合成陶瓷研究將使全陶瓷內(nèi)燃機盡快成為現(xiàn)實，這是21世紀的新挑戰(zhàn)，將使汽車發(fā)動機、噴氣發(fā)動機、刀具、模具等方面面貌一新。

工程陶瓷有許多種類，但目前世界上研究最多，認為最有發(fā)展前途的是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物3類材料。氮化硅高強度陶瓷以強度高著稱，可用于制造燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪等。氮化硅、碳化硅等新型陶瓷還可用來制造發(fā)動機的葉片、切削刀具、機械密封件、軸承、火箭噴嘴、爐子管道等，具有非常廣泛的用途。精密陶瓷氮化硅代替金屬制造發(fā)動機的耐熱部件，能大幅度提高工件溫度，從而提高熱效率，降低燃料消耗，節(jié)約能源，減少發(fā)動機的體積和重量，而且又可代替如鎳、鉻、鈉等重要金屬材料，所以，被人們認為是對發(fā)動機的一場革命。

中國磷復肥工業(yè)協(xié)會副秘書長徐曉君分析當前磷復肥市場走勢。她指出，在傳統(tǒng)化肥產(chǎn)能過剩、效益低迷的背景下，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化綠色化發(fā)展的總體形勢下，發(fā)展高效環(huán)保的新型肥料成為化肥行業(yè)新的焦點，也成為企業(yè)利潤增長的關(guān)鍵。隨著氮磷鉀化肥的大量使用，單位面積土壤上作物產(chǎn)量不斷提升，但土壤中的中微量元素養(yǎng)分卻沒有得到補給，且范圍越來越廣，氮、磷、鉀是作物不可或缺的大量營養(yǎng)元素，但鈣、鎂、硫、鐵、鋅、硼、鋼、鉬等中微量元素作用也不可小視，營養(yǎng)均衡全面對作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)非常重要。

3 特殊性能的功能陶瓷材料應用前景廣闊

氧化鋁陶瓷同傳統(tǒng)的白熾燈泡相比，同等功率的鹵素等離子燈發(fā)出的光線更清晰更明亮。如果能增長其內(nèi)部壓力的話，那么它們的效率會更高，壽命也會更長。然而這一點卻由于用來制作電子射線管和燈泡的材料的耐高溫性受到限制。通常應用的石英玻璃和陶瓷材料質(zhì)地太軟，不能適應燈泡內(nèi)部的高壓，甚至會使燈管產(chǎn)生爆炸。有一種材料能經(jīng)受如此的高溫，那就是氧化鋁，亦稱礬土或金剛砂。純的金剛砂同它自然形狀的藍寶石和紅寶石一樣，在2 000℃以下不會融化，然而粉末狀的金剛砂很難用傳統(tǒng)的玻璃制作工藝進行融化，并將它吹制及澆鑄成要求的形狀，因為當熔融液凝固時會形成晶體。所以，目前的生產(chǎn)工藝是讓溫度把它在低于熔點2 000℃，在這個溫度下小顆粒產(chǎn)生燒結(jié)，并在表面上混雜在一起，同時速度增大。它們之間的小微粒和孔隙就能流傳光線。這些被廣泛應用的高效陶瓷材料為乳白色，同乳白玻璃一樣。

目前開發(fā)出的新型氧化鋁幾乎是透明的，而且硬度是以前的2倍?？茖W家們成功地將氧化鋁陶瓷制成各種形狀，除了可用于制作中空燈泡外，它還可用作掃描儀上的抗劃盤或特別光學儀器的窗口。獲得透明度的主要因素是使原材料的粒度小于1／3μm，在成品中，顆粒的粒度也不能超過1／2μm，因此它們幾乎不擴散任何光線。新的制作工藝比傳統(tǒng)工藝的溫度低600℃。此外，陶瓷材料的形成和燒結(jié)工藝同時也影響顆粒的大小和孔隙率。該材料正在被進一步完善，最后的成品幾乎沒有任何孔隙，強度很高，可用于制作新型燈具。

超硬陶瓷材料金剛石是一種天然“陶瓷”，人造金剛石已進入工業(yè)生產(chǎn)，因為金剛石以碳結(jié)構(gòu)為主，其高溫抗氧化性能較差?，F(xiàn)已研制出氮化硼材料，硬度僅次于金剛石，但高溫抗氧化性能好，金剛石在800℃開始氧化，而立方氮化硼在1 200℃才開始氧化，這使它在耐高溫超硬陶瓷材料方面有良好應用前景。

半導體熱敏陶瓷（PTC）具有正的溫度系數(shù)，當溫度上升到相變溫度時，電阻急劇增大，可用于各種溫控元件，如電熱器、電飯堡、烤箱、干燥器等。熱敏元件ZnO—Li2O—Cr2O3—V2O5，其相對濕度為90%，電阻4.24Ω，可用于空調(diào)機。

壓電陶瓷是一種能將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓δ芴沾?，就像聲波震動產(chǎn)生的微小壓力也能夠使其發(fā)生形變，從而使陶瓷表面帶電。壓電陶瓷是一種具有能量轉(zhuǎn)換功能的陶瓷，在機械力的作用下發(fā)生形變時，會引起表面帶電。帶電強度的大小，可以和施加電場的強度成正比，也可以成反比。因此，能夠在各個領域中得到廣泛應用。在制造生產(chǎn)壓電陶瓷過程中，對原材料有著很嚴格的要求，在晶體結(jié)構(gòu)上應當是不具有對稱中心的晶體。經(jīng)過選擇，氧化鉛、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈮、氧化鎂、氧化鋅以及碳酸鋇等金屬化合物最為適合。將這些原料在高溫下致密燒結(jié)，然后，在直流高壓電場下進行極化處理，就可以得到各種具有能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動和頻率控制功能的壓電陶瓷制品。生物醫(yī)學工程是壓電陶瓷應用的重要領域，可以用來制作探測人體信息的壓電傳感器和進行壓電超聲治療。當壓電陶瓷發(fā)出的超聲波在人體內(nèi)傳輸時，體內(nèi)各種不同組織對超聲波有不同的發(fā)射和透射作用，反射回來的超聲波經(jīng)壓電陶瓷接收器轉(zhuǎn)換成電信號并顯示在屏幕上，據(jù)此就可以檢查內(nèi)臟組織的情況，判斷是否發(fā)生病變。進入人體的超聲波達到一定強度時，能使組織發(fā)熱并輕微震動，這種作用可以對一些疾病起到治療作用。

利用壓電陶瓷制造的電子振蕩器和電子濾波器，頻率穩(wěn)定性好、精度高、使用壽命長，特別是在多路通信設備中能提高抗干擾性。目前，已經(jīng)在電子設備和通信領域大顯身手，用來取代電磁振蕩器和電磁濾波器。由于壓電陶瓷在交變電場的作用下會產(chǎn)生伸縮振動，在水中可以發(fā)出很強的聲波并傳至上百公里，用來制成探魚儀，可以有效地探測魚群的分布情況、規(guī)模、種類以及其他有關(guān)的資料，便于捕撈作業(yè)的順利進行。此外，在人們的生活中壓電陶瓷還可以用來制成壓電打火機，用壓電陶瓷柱代替普通火石制成的氣體電子打火機，能夠連續(xù)打火幾萬次，使用方便，安全可靠，使用壽命長，是一種新型的高檔打火機。

電氣陶瓷以氧化鋁為主體，經(jīng)1 500～1 900℃燒結(jié)而成。具有壓電陶瓷性能，就可實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)變，用于壓電振子、電波濾波器、壓電變換器、通話器、聲納探傷器、點火器、毛發(fā)乾燥器等。透明陶瓷的主要成分有氧化鎂、氧化鈣、氟化鈣等。透明陶瓷不但能透過光線，還具有很高的機械強度和硬度。透明陶瓷是一種很好的透明防彈材料，還可以用來制造車床上的高速切削刀、噴氣發(fā)動機的零件等，甚至可以代替不銹鋼。

功能陶瓷是利用陶瓷對聲、光、電、磁、熱等物理性能所具有的特殊功能而制造的，具有電、磁、聲、光、熱、力、化學或生物功效等的介質(zhì)材料。功效陶瓷材料種類繁多，用途各異。例如，根據(jù)陶瓷電學性質(zhì)的差異可制成導電陶瓷、半導體陶瓷、介電陶瓷、絕緣陶瓷等電子材料，用于制作電容器、電阻器、電子工業(yè)中的高溫高頻器件，變壓器等各種電子零件。利用陶瓷的光學性能可制造固體激光材料、光導纖維、光儲存材料及各種陶瓷傳感器。此外，陶瓷還用作壓電材料、磁性材料、基底材料等。包含鐵電、壓電、介電、熱釋電、半導體、電光和磁性等功效各異的新型陶瓷材料。它是電子信息、集成電路、移動通信、能源技巧和國防軍工等現(xiàn)代高新科技領域的重要基礎材料。功效陶瓷及其新型電子元器件對信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和綜合國力的加強具有重要的戰(zhàn)略意義。電子信息的集成化和微型化的發(fā)展趨向，推動電子產(chǎn)品日益向微型、輕量、薄型、多功效和高可靠的方向發(fā)展。功效陶瓷元器件多層化、片式化、集成化、模塊化和多功效化以及高性能、低成本是其發(fā)展總趨向。

多層片式陶瓷電容器（MLCC）是一種量大面廣的重要電子元器件，廣泛用于電子信息產(chǎn)品的各種表面貼裝電路中。大容量、薄層化、低成本、高可靠等是MLCC發(fā)展的重要方向。MLCC是陶瓷介質(zhì)材料、相關(guān)輔助材料以及精致制備工藝相聯(lián)合的高科技產(chǎn)品。陶瓷介質(zhì)材料是影響MLCC諸多性能的主要因素，鈦酸鋇鐵電陶瓷是MLCC的主流材料。

新型陶瓷材料發(fā)展較快，超導材料實際上也是一種新型陶瓷，當然由于陶瓷材料的特殊性能，在研究和開發(fā)其應用前景時，需要不同學科交叉，共同來研究和探索出新的功能材料。總之，新型陶瓷材料幾乎遍及現(xiàn)代科技的每一個領域，應用前景十分廣闊。

4 陶瓷基復合材料的發(fā)展趨勢

陶瓷材料的最大缺點是韌性低，使用時會產(chǎn)生不可預測的突然性斷裂，陶瓷基復合材料主要是為了改善陶瓷韌性?；谔岣唔g性的陶瓷基復合材料主要有兩類：氧化鋯相變增韌和陶瓷纖維強化復合材料。氧化鋯相變增韌復合材料是把部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末同其他陶瓷粉末（如氧化鋁、氮化硅）混合后制成的高韌性材料，其斷裂韌性可以達到10Pa·以上，而一般陶瓷的韌性僅有3Pa·左右。這類材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常廣泛的應用。

陶瓷基復合材料不是傳統(tǒng)意義上的陶瓷，陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。它以陶瓷材料為基體，纖維、晶須、顆粒等為增強體組成的復合物，它的主要基體有玻璃陶瓷、氧化鋁、氮化硅等。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、耐腐蝕性、膨脹系數(shù)低、隔熱性好及低密度等優(yōu)異性能，而且資源也比較豐富。但其致命的弱點是脆性，處于應力狀態(tài)時會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂，導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料，無論在抗機械沖擊性，還是在抗熱沖擊性方面都有了很大的提高，在很大程度上克服了陶瓷的脆性，同時又保持了陶瓷原有的許多優(yōu)異性能。

纖維強化被認為是提高陶瓷韌性最有效和最有前途的方法。纖維強度一般比基體高得多，所以它對基體具有強化作用；同時纖維具有顯著阻礙裂紋擴展的能力，從而提高材料的韌性。目前韌性最高的陶瓷就是纖維強化的復合材料，例如碳化硅長纖維強化的碳化硅基復合材料韌性高達30Pa·以上，比燒結(jié)碳化硅的韌性提高10倍。但因為這類材料價格昂貴，目前僅在軍械和航空航天領域得到應用。另一引人注目的增強材料是陶瓷晶須。晶須是尺寸非常小但近乎完美的纖維狀單晶體，其強度和模量接近材料的理論值，適用于陶瓷的強化。目前這類材料在陶瓷切削刀具方面已經(jīng)得到廣泛應用，主要體系有碳化硅晶須－氧化鋁－氧化鋯、碳化硅晶須－氧化鋁和碳化硅晶須－氮化硅。陶瓷基復合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構(gòu)件、發(fā)動機制件、能源構(gòu)件等。由于陶瓷材料具有優(yōu)良的機械性能和低密度特點，世界各國都在大力發(fā)展，努力改善其基本性能和工藝技術(shù)，以求降低成本，提高可靠性。法國已將長纖維增強碳化硅復合材料應用于制造高速列車的制動件。由于這種材料具有優(yōu)異耐磨損性能，已取得滿意的使用效果。這種打不破的陶瓷目前雖只是初露端倪，但將來肯定有著廣闊的發(fā)展前景。

5 先進的陶瓷閥門材料廣泛應用于工程領域

目前我國各行業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的閥門為金屬閥門，金屬閥門的使用已有上百年的歷史，其間雖然也經(jīng)過結(jié)構(gòu)及材料的改進，但受金屬材料自身條件的限制，越來越不能適應高磨損、強腐蝕等惡劣工況的需要。主要體現(xiàn)在使用壽命短，泄露嚴重，大大影響了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的金屬閥門急需從材料、設計及制造工藝等方面進行徹底革新。先進陶瓷材料作為21世紀的新材料，已被越來越多的科學工作者所重視，把它應用于工業(yè)閥門是一項大膽和有益的創(chuàng)新。

陶瓷材料變形量很小，比金屬具有高得多的結(jié)合強度，一般情況下組成陶瓷材料的晶體離子半徑小，而且離子電價高，配位數(shù)大，這些性質(zhì)決定了陶瓷材料的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、硬度等都非常高。然而陶瓷本身的“脆”及 難加工限制了它的應用范圍，近十幾年來，由于馬氏體相變增韌技術(shù)、復合材料技術(shù)及納米陶瓷概念的發(fā)展及進步，已使陶瓷的“脆性”得到了大大改進，其韌性和強度得到了極大的提高，應用范圍不斷擴展。

近年來，新型陶瓷材料在石油、化工、機械等領域的應用非?；钴S，利用陶瓷的耐磨性、耐腐性制作耐磨耐腐零部件代替金屬材料，是近幾年來高技術(shù)材料市場的重要發(fā)展方向之一。陶瓷應用過程中解決陶瓷脆性問題，提高陶瓷韌性；控制收縮率，提高陶瓷材料的燒制成品率；開發(fā)研制高溫窯爐；研制陶瓷加工設備；實現(xiàn)陶瓷件與金屬閥體的精密配合。陶瓷閥門在電力、冶金、化工等多個行業(yè)的廠家得到廣泛的應用，具有巨大社會經(jīng)濟效益。

采用高技術(shù)新型陶瓷結(jié)構(gòu)材料制作閥門的密封部件和易損部件，提高了閥門產(chǎn)品的耐磨性、防腐性及密封性，大大延長了閥門的使用壽命。陶瓷閥門的使用可以大大降低閥門的維修更換次數(shù)，提高配套設備運行系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，減輕工人的勞動強度，節(jié)約設備維修費用。陶瓷閥門的使用能提高工業(yè)管路系統(tǒng)的密封性，同時能最大限度地杜絕泄露，對環(huán)境保護將起到積極的推進作用。制造陶瓷的原料廣泛，成本低廉，用鋁、碳、硅等普通元素就能制造出性能優(yōu)越的陶瓷材料，可以節(jié)約大量金屬材料和稀有的礦產(chǎn)資源。

耐磨陶瓷閥門主要應用于電力、石油、化工、冶金、采礦、污水處理等工業(yè)領域，尤其是面對高磨損、強腐蝕、高溫、高壓等惡劣工況，更顯示出它卓越的性能，能滿足高磨損、強腐蝕的使用環(huán)境，尤其突出的特點是超長的使用壽命，其性能價格比遠遠優(yōu)于其它同類金屬閥門。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，陶瓷材料從配方、成形、加工及裝配工藝等各方面的技術(shù)更加趨于成熟和完備，陶瓷閥門以其優(yōu)異的性能越來越得到業(yè)內(nèi)人士的認同。制造陶瓷閥門的成功經(jīng)驗還可以被推廣應用于更廣泛的工程領域。

6 新型陶瓷刀具優(yōu)良的切削性能將處于工業(yè)生產(chǎn)領域主導地位

在切削過程中，判定刀具切削性能的優(yōu)劣，往往從刀具切削部分的材料、幾何形狀和刀具結(jié)構(gòu)方面進行分析，而刀具材料的分析則以傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金為重要的研究對象。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難勝任或根本無法實現(xiàn)對某些高強度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、硬度，適于加工高硬材料。即使在1 200～1 350℃的高溫下仍能持續(xù)切削，且與金屬親和力小，切屑不易粘刀，不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度值小。它還可以進行高速切削，減少換刀次數(shù)和由于刀具磨損而引起的尺寸誤差，大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，因而受到人們的重視。由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化學穩(wěn)性好的性能，因此，實用于干切削加工鑄鐵和淬火鋼，以及適于現(xiàn)代高速切削工藝的要求。

近年來，特別是工業(yè)發(fā)達國家，非常重視干式切削，為了貫徹環(huán)保政策，更是大力研發(fā)和采用這種新型加工方法。長期以來，利用切削液一直是提高刀具壽命和加工質(zhì)量的重要工藝因素，但也導致了生態(tài)環(huán)境的惡化，而且也增長了制作成本。根據(jù)美國企業(yè)的統(tǒng)計，在冷卻加工系統(tǒng)中，切削液占總成本的14%～16%，刀具成本占2%～4%。因此，經(jīng)濟發(fā)達國家都非常重視干式加工的研究。據(jù)測，一般情形下，如減少切削液的應用可以節(jié)省10%～15%的加工成本。歐洲的工業(yè)界在大批量生產(chǎn)中，有10%～15%的切削加工已經(jīng)采用了干式切削。因此，未來切削加工的發(fā)展方向是盡量少用切削液。干式切削刀具設計時，應當考慮刀具的幾何角度、刀具材料、刀片涂層等，而陶瓷和金屬陶瓷刀具具有耐熱性、高溫硬度、化學穩(wěn)性好的特點，因此，適合于干式切削鑄鐵和淬硬鋼。隨著金屬切削技巧的發(fā)展，零件的毛坯制作精度的提高，實現(xiàn)零件的少無切削加工已是現(xiàn)代制作技術(shù)的一種發(fā)展趨向。采用陶瓷刀具可以實現(xiàn)以車代磨，減少工序，縮短工藝路線，提高生產(chǎn)率，特別是對一些滾動軸承內(nèi)外環(huán)的加工效果更好。

陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質(zhì)合金有更好的化學穩(wěn)固性，可在高速前提下切削加工并持續(xù)較長的時間，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3～10倍。它可以實現(xiàn)以車代磨，提高零件加工表面質(zhì)量。新型陶瓷刀具對切削加工高速、高效、高精度發(fā)展將產(chǎn)生很大推動作用，它的推廣利用將給金屬切削加工工藝帶來變革，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的刀具材料和切削技術(shù)，節(jié)省工時、電力、機床占用臺數(shù)，節(jié)省貴重金屬，從而帶來很大的經(jīng)濟效益。

7 陶瓷材料產(chǎn)業(yè)的應用開發(fā)趨勢

目前先進陶瓷產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品門類越來越多，高科技性能更加齊全，應用范圍愈來愈廣闊，成為當前國際上最具活力的陶瓷行業(yè)。先進陶瓷產(chǎn)品在微電子技術(shù)、自動化裝置、汽車發(fā)動機、敏感傳感器、新能源等方面被廣泛采用，形成生產(chǎn)高潮與激烈的市場競爭局面。近年來一直將精細陶瓷看作是決定未來競爭力前途的高科技產(chǎn)業(yè)，不遺余力地不斷加大投資力度，其生產(chǎn)的先進陶瓷敏感元件已占據(jù)國際市場部分份額。包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等在內(nèi)的各種特陶產(chǎn)品壟斷著一大部分市場。

日本在材料科學領域一直走在世界的前沿，特別是在新型陶瓷材料方面占有領先的地位。一般來看，日本和歐美乃至中國在陶瓷材料研究方面上水平相差并不大，但在新型陶瓷材料的產(chǎn)業(yè)方面日本在世界上占有絕對領先的優(yōu)勢。盡管日本近幾年來經(jīng)濟停滯不前，新型陶瓷材料沒有像預想的那樣在汽車工業(yè)得到廣泛的應用，但是近5年來陶瓷產(chǎn)業(yè)的平均遞增率接近6%，日本陶瓷工業(yè)之所以能形成如此強大的優(yōu)勢，是與以下因素分不開：一是日本有很多從事材料的生產(chǎn)和研究的大公司，這些公司的中心研究所擁有先進的實驗設備和一大批優(yōu)秀的技術(shù)力量；二是日本的其他工業(yè)技術(shù)發(fā)達，國內(nèi)新型陶瓷材料的需求市場較大；三是日本政府多年來啟動了不少大型陶瓷應用開發(fā)科研項目來鞏固其陶瓷產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。

美國先進陶瓷發(fā)展的重點為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，目前在航天、汽車、核工程、醫(yī)療設備及機械動力等方面進入大范圍使用階段。以氮化硅、碳化硅、氧化鋯陶瓷為主的精密材料陶瓷制品產(chǎn)量占世界總量的60%以上。美國生產(chǎn)的陶瓷軸承，工作溫度高達1 300℃以上，其工作強度為普通金屬軸承的5倍以上。目前美國特陶工業(yè)界還加緊軍用先進陶瓷的研制開發(fā)，期待逐步加強在軍事領域的應用。美國先進陶瓷協(xié)會實施了陶瓷發(fā)展計劃，主要面向先進陶瓷工業(yè)界，旨在將基礎研究、應用開發(fā)和產(chǎn)品使用環(huán)節(jié)有機地結(jié)合在一起，共同推動先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應用發(fā)展。目標是到2020年，先進陶瓷以其優(yōu)越的高溫性能、可靠性以及其他獨特性能，成為一種經(jīng)濟適用的首選材料，并廣泛應用于工業(yè)制造業(yè)、能源、航天、交通、軍事以及消費品制造等領域。

歐盟各國在功能陶瓷與高溫結(jié)構(gòu)陶瓷兩方面不斷加大投資力度。目前研究的重點為發(fā)電設備中應用的新型材料技術(shù)，如陶瓷活塞蓋、排氣管內(nèi)襯、蝸輪增壓轉(zhuǎn)子及燃氣輪轉(zhuǎn)子。由于在冷卻部分采用陶瓷材料，大幅度降低了能源與熱損耗。陶瓷熱交換器則具備由鍋爐或其它高溫裝置中回收余熱的能力。陶瓷管可提高耐腐蝕的能力，增加熱交換效率，對許多行業(yè)領域的節(jié)能發(fā)揮了重要的作用。目前先進陶瓷產(chǎn)品的年產(chǎn)值達數(shù)百億美元，并以每年超過10%的速度增長，潛力巨大。

陶瓷材料作為材料行業(yè)的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用?，F(xiàn)階段我國主要是采用工程陶瓷（又稱結(jié)構(gòu)陶瓷），因其具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕、導熱性能好等優(yōu)點，得到了廣泛應用。隨著納米技術(shù)的廣泛應用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生。運用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是運用納米粉體對現(xiàn)有陶瓷進行改性，通過在陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達到納米水平，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁光學等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應用開拓了新領域。納米陶瓷作為一種高科技產(chǎn)品，其優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性，在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有了廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來新型陶瓷材料的開發(fā)和不斷的利用，在工業(yè)生產(chǎn)上以其優(yōu)越的性能和低廉的價格在材料領域?qū)恢币I主導地位。先進陶瓷市場將繼續(xù)增長并帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。高技術(shù)陶瓷的發(fā)展，前途無量，任重而道遠。

1 張玉軍，張偉儒.結(jié)構(gòu)陶瓷材料及其應用.北京：化學工業(yè)出版社，2005

2 金志浩，高積強，喬冠軍.工程陶瓷材料.西安：西安交通大學出版社，2000

3 何賢昶.陶瓷材料概論.上海：上?？茖W普及出版社，2005

4 陶曉文.組建綠色建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)由大變強的必由之路.全國性建材科技期刊——陶瓷，2010（6）：12～14

5 同繼鋒，苑克興.我國建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和科技創(chuàng)新.全國建材性科技期刊——陶瓷，2010（11）：16～19

Low－Carbon Economy Drive the Future of New Ceramic Materials Industry

Xiao Jiumei（Wuhan Blue Sky Chemical Building Materials Company，Wuhan，430055）

TQ174

B

1002－2872（2011）02－0012－05

＊ 肖九梅（1958－），大學本科，工程師；主要從事建材技術(shù)工作。E－mail：scxjun＠sina.com.cn