■編者按
在人們的印象中，陶瓷是一種堅(jiān)硬但易碎的物體，缺乏韌性，缺乏塑性。當(dāng)我們的記者走進(jìn)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，卻發(fā)現(xiàn)了陶瓷的“另一面”。
新型陶瓷改陶瓷易碎的舊形象，既堅(jiān)且韌，有些新型陶瓷則有著很好的彈性，可以制作成陶瓷彈簧。近年來還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷具有超塑性，斷裂前的應(yīng)變可達(dá)到300％左右，這更是傳統(tǒng)陶瓷所難以想象的。實(shí)驗(yàn)室主任告訴我們：“新型陶瓷的應(yīng)用則更是豐富多彩。目前新型陶瓷已經(jīng)成為材料科學(xué)與工程方面，非�；钴S、極富挑戰(zhàn)的前沿研究領(lǐng)域。”
新型陶瓷：不再是易碎品
記者：唐婷 陳瑜
主任：潘偉
時(shí)間：2007年11月9日
地點(diǎn)：清華大學(xué)逸夫樓
冬日暖暖的午后，記者二人走進(jìn)了清華校園，道路兩旁的銀杏葉子在陽光的照耀下顯得分外的透明、澄黃。在迷宮似的逸夫樓里，記者幾經(jīng)周折才找到了新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任潘偉的辦公室。
潘偉辦公室里最引人注目的是掛在柜子上的一串五顏六色的千紙鶴。難道潘偉愛做手工？走近一瞧，才看到最大的一只紙鶴上面寫著對(duì)潘偉老師的新年祝福，落款是全體學(xué)生，下面墜著的每只小紙鶴上都寫著一個(gè)名字。看來，潘偉的學(xué)生緣還真不錯(cuò)。
記者：潘老師您好，陶瓷在日常生活里隨處可見，那實(shí)驗(yàn)室研究的新型陶瓷和日常生活里的陶瓷有什么區(qū)別呢？
潘老師：是的，日常生活里用到陶瓷的地方很多，比如我們喝水的陶瓷杯子，地上鋪的瓷磚等等都是用陶瓷做的，做這些用途的陶瓷就叫傳統(tǒng)陶瓷，傳統(tǒng)陶瓷主要是采用天然的巖石、礦物、黏土等材料做原料制成的。
而新型陶瓷則采用人工合成的高純度無機(jī)化合物為原料，在嚴(yán)格控制的條件下經(jīng)成型、燒結(jié)和其他處理而制成具有一定結(jié)晶組織的無機(jī)材料。它具有一系列優(yōu)越的物理、化學(xué)和生物等性能，其應(yīng)用范圍是傳統(tǒng)陶瓷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的，這類陶瓷又稱為特種陶瓷或精細(xì)陶瓷。
在許多人的印象中，陶瓷是一種堅(jiān)硬但易碎的物體，缺乏韌性，缺乏塑性。而許多新型陶瓷則是既堅(jiān)且韌，一改陶瓷易碎的舊形象。例如，相變增韌氧化鋯陶瓷就非常堅(jiān)韌，可以制備陶瓷機(jī)械零部件和日用的水果刀等。
日本的企業(yè)家和陶瓷科學(xué)家為了改變?nèi)藗儗?duì)陶瓷的傳統(tǒng)印象，特別把這種高技術(shù)陶瓷改制成剪刀和水果刀作為禮品，贈(zèng)送給公司、企業(yè)的客人，稱之為永不卷刃、永不生銹、永不磨損的刀具。
有些新型陶瓷則有著很好的彈性，可以制作成陶瓷彈簧。近年來還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷具有超塑性，斷裂前的應(yīng)變可達(dá)到300％左右，這更是傳統(tǒng)陶瓷所難以想象的。新型陶瓷的應(yīng)用則更是豐富多彩。目前新型陶瓷已經(jīng)成為材料科學(xué)與工程方面，非�；钴S、極富挑戰(zhàn)的前沿研究領(lǐng)域。
記者：哦，原來新型陶瓷有著這些奇妙的功能，那新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要研究些什么呢？
潘偉：我們實(shí)驗(yàn)室主要集中在五個(gè)方面開展研究工作，一是信息功能陶瓷材料研究，即現(xiàn)代信息通信技術(shù)用微型（片式）電子元器件材料與技術(shù)研究；二是高性能結(jié)構(gòu)陶瓷研究，即苛刻環(huán)境及精密機(jī)械部件用陶瓷材料及加工制造技術(shù)；三是陶瓷材料設(shè)計(jì)與微加工研究，即陶瓷新材料、新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和陶瓷元器件的微加工技術(shù)研究；四是功能復(fù)合陶瓷材料研究，即新型陶瓷基復(fù)合材料及設(shè)計(jì)理論；五是能源與環(huán)境材料研究，即新型能源與環(huán)境友好材料及工藝。
在信息功能陶瓷材料及器件的研究上，我們圍繞高性能信息功能陶瓷致密化新技術(shù)與控制原理，低溫?zé)Y(jié)和集成技術(shù)，高性能鐵性陶瓷及薄膜的組成—結(jié)構(gòu)—功能關(guān)聯(lián)、設(shè)計(jì)理論和調(diào)控，新型信息功能陶瓷材料體系進(jìn)行了探索研究，對(duì)相關(guān)元器件進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)。
在高性能結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的研究上，我們主要圍繞高性能陶瓷的結(jié)構(gòu)與組分設(shè)計(jì)理論、陶瓷工藝與材料性能的可*性研究,脆性材料的斷裂與破壞機(jī)理的研究，極端環(huán)境下的陶瓷新材料探索、陶瓷材料的低成本高性能制備技術(shù)，無污染、近凈尺寸陶瓷成型技術(shù)，新型耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性，耐腐蝕、耐磨損陶瓷材料及其部件的成型與燒結(jié)制備技術(shù)，耐高溫低導(dǎo)熱陶瓷材料及其熱障涂層，透明陶瓷材料及其制備技術(shù)等方面開展研究工作。
記者：圍繞上述研究領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室取得了哪些研究成果呢？
潘偉：我們實(shí)驗(yàn)室的研究人員的“陶瓷膠態(tài)成型新工藝”課題獲得863計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。通過對(duì)該課題的研究，發(fā)明了陶瓷水基膠態(tài)注射成型新工藝，提出壓力誘導(dǎo)陶瓷濃懸浮體固化機(jī)制，創(chuàng)造性的實(shí)現(xiàn)了陶瓷非塑性漿料的注射成型，克服了由溫度梯度導(dǎo)致的坯體固化不均勻現(xiàn)象。該工藝自動(dòng)化程度高，成型的陶瓷產(chǎn)品有機(jī)物含量低、坯體均勻性好、燒結(jié)體性能優(yōu)異、制造成本低。
在該項(xiàng)目研究過程中，研制成功了國際上第一臺(tái)膠態(tài)注射成型機(jī)，并已成功用于多種高技術(shù)陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。該項(xiàng)目的研究成果中已經(jīng)獲授權(quán)的中國發(fā)明專利有14項(xiàng)、獲授權(quán)的實(shí)用新型專利有2項(xiàng)。該項(xiàng)目的研究獲得了2005年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
面向電感類元件片式化和集成化工藝的核心技術(shù)問題，在國家863計(jì)劃的支持下我們對(duì)低溫?zé)Y(jié)鐵氧體材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出并發(fā)展了新穎的軟磁鐵氧體陶瓷低溫?zé)Y(jié)技術(shù)路線，這項(xiàng)研究的成果獲得了2005年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
該成果的基本特點(diǎn)是不僅僅采用通常的低燒添加劑來降低燒成溫度的辦法，而是通過高燒結(jié)活性的納米陶瓷前驅(qū)體、配合復(fù)合燒助劑協(xié)同作用，將低溫?zé)Y(jié)—控制顯微結(jié)構(gòu)—材料改性相結(jié)合，設(shè)計(jì)獨(dú)特的材料配方和燒結(jié)工藝，達(dá)到了低溫?zé)Y(jié)與性能改善的雙重目的，解決了鐵氧體材料低溫?zé)Y(jié)與高性能難以兼顧的技術(shù)難題，發(fā)展出了三大類新型高性能低溫?zé)Y(jié)鐵氧體材料系統(tǒng)，拓展了片式電感類元件的感量、頻率和用途空間。
近幾年來，通過發(fā)展格林函數(shù)理論及微擾方法（多重散射理論），本實(shí)驗(yàn)室研究人員較系統(tǒng)地對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)與性能（包括線性、非線性、耦合及非線性耦合性能）之間關(guān)系進(jìn)行了系列理論模擬，形成了描述及預(yù)測材料顯微結(jié)構(gòu)─性能定量關(guān)系的基本理論框架：顆粒多重散射理論。特別是在這個(gè)框架中，建立了信息功能陶瓷材料的多場耦合效應(yīng)新理論。該項(xiàng)目主要成果獲得了2005年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
記者：據(jù)我們所知，實(shí)驗(yàn)室在注重基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也非常注重科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化工作，而且在這方面也取得了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
潘偉：是這樣的。
我們利用陶瓷膠態(tài)成型新工藝成果建立了陶瓷膠態(tài)（注射）成型中試基地，研制成功具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝裝備，開發(fā)了造紙機(jī)全陶瓷脫水元件、高功率金紅石陶瓷電容器、超大功率新型復(fù)合陶瓷臭氧發(fā)生器薄壁管、高性能陶瓷系列微珠等產(chǎn)品。
我們在河北邯鄲高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)建立陶瓷膠態(tài)注射成型成果轉(zhuǎn)化和規(guī)模化生產(chǎn)基地，占地166畝，現(xiàn)已建成近萬平方米的生產(chǎn)車間和年產(chǎn)5000噸陶瓷微珠生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值2億元，利稅5000—6000萬元。還以該技術(shù)為核心成立了邯鄲市先進(jìn)陶瓷工程技術(shù)研究院，整體提升和改造邯鄲市的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
近年來，根據(jù)常壓燒結(jié)技術(shù)及缺陷化學(xué)原理，我們研制出細(xì)晶、高介、抗還原BaTiO3基陶瓷，為新一代高性能*金屬內(nèi)電極多層陶瓷電容器薄層化、微型化提供了關(guān)鍵材料技術(shù)，在新型*金屬內(nèi)電極片式多層陶瓷電容器領(lǐng)域擁有了多項(xiàng)發(fā)明專利成果。高性能低燒多層陶瓷壓電變壓器及背光電源已在西安康鴻公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這一具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性成果在國家有關(guān)部委及國家863計(jì)劃的支持下，在西安建立了片式壓電變壓器生產(chǎn)基地。目前該基地年產(chǎn)值過億元，對(duì)支援西部經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要作用。
我們還在磁性陶瓷材料的低溫?zé)Y(jié)方面開展了一系列開拓性研究，解決了一系列工藝技術(shù)和應(yīng)用的實(shí)際問題，發(fā)展出了若干種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)(擁有多項(xiàng)發(fā)明專利成果)新型片式電感器材料和技術(shù)。其成果在山東同方魯穎電子企業(yè)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化，在清華同方公司建立了年產(chǎn)10億只片式電感器的生產(chǎn)基地，推動(dòng)了國內(nèi)片式元件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
