先進陶瓷材料又稱精密陶瓷材料,是新材料的一個重要組成部分,廣泛應用于通訊、電子、航空、航天、軍事等高技術領域,在信息與通訊技術方面有著重要的應用。電子技術、大規(guī)模集成技術電路,離不開壓電、鐵電和磁性陶瓷;電子計算機的記憶系統(tǒng)需要具有方形磁滯回線的鐵磁體陶瓷;高速硬盤轉動系統(tǒng)需要陶瓷軸承;在火箭和導彈的發(fā)射中,鼻錐和透波陶瓷天線罩是關鍵部件,它要承受高溫氣流的摩擦和沖刷,要求材料具有高的高溫強度和好的抗氧化性能,只有陶瓷材料才能滿足這些要求;作為新能源的磁流體發(fā)電機,需要采用陶瓷做電極材料;高溫燃料電池、高能量蓄電池,需要采用陶瓷塊離子導體做隔膜材料等等。目前,先進陶瓷已形成一個巨大的高新技術產業(yè)。全世界先進陶瓷產品的銷售總額超過300億美元,并以每年l0%以上的速度增長。美國與日本在該領域處于領先地位。先進陶瓷材料因其優(yōu)異的高溫力學性能及特有的光、聲、電、磁、熱或功能復合效應在高新技術產業(yè)、傳統(tǒng)產業(yè)改造和國防軍工等領域發(fā)揮著越來越大的作用。
先進陶瓷今后的重點發(fā)展方向是加強工藝-結構-性能的設計與研究,有效地控制工藝過程,使其達到預定的結構(包括薄膜化、纖維化、氣孔的含量、非晶態(tài)化、晶粒的微細化等),重視粉體標準化、系列化的研究與開發(fā)及精密加工技術,降低制造成本,提高制品的重復性、可*性及使用壽命。
(一)納米級原料制備技術與納米陶瓷據(jù)國外有關資料統(tǒng)計,2000年后,納米材料結構器件市場容量約為6375億美元,納米材料薄膜器件市場容量為340億美元,納米粉體、納米復合陶瓷及其復合材料的市場容量為5457億美元。目前精細陶瓷用納米粉體制備方法有三大類:物理制備法、氣相法、濕化學法。制備的納米陶瓷粉體有:Al203、Zr02、Si02、Si3N、SiC、BaTi03、Ti02等。納米陶瓷的研制,帶動了一些新的快速燒結設備的開發(fā),如真空燒結工藝、微波燒結工藝和等離子燒結技術(SPS)等。
(二)先進陶瓷的復合技術與制品取各種材料性能之長,進行組分設計,使新材料具有多種功能,以滿足各種工作條件下對材料和制品的要求。
(1)陶瓷基纖維復合材料。利用纖維的柔性來改善結構陶瓷的脆性是行之有效的途徑之一。近10年來,用晶須或短纖維來補強陶瓷材料以外的各種連續(xù)陶瓷纖維也相繼問世。
(2)疊層技術的發(fā)展。l990年根據(jù)仿生學原理提出的疊層陶瓷研究在國際上形成新的熱點,其斷裂韌性和斷裂功比常規(guī)的SiC陶瓷提高幾十倍,大大擴展了疊層陶瓷和制品的市場。
(3)梯度材料設計與膜材料。20世紀90年代日本首先提出一種稱為梯度材料的功能材料,為陶瓷新材料的復合提供了另一條工藝途徑。在此基礎上,將孔徑分布梯度化,就可以制成性能優(yōu)良的陶瓷膜材料。陶瓷膜已在催化反應、過濾與分離技術中發(fā)揮了巨大的作用。梯度材料設計與膜材料在化學工業(yè)、石油化工、食品工程、環(huán)境工程、電子行業(yè)中有著廣闊的發(fā)展前景。
(4)介孔材料(孔徑在2nm~50nm)是20世紀90年代開發(fā)的新材料,最具代表性的MCM-41材料具有孔道大小均勻、六方有序排列、孔徑可連續(xù)調節(jié)、高比表面積和較好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性等特性。在大分子催化、吸附分離等領域有廣闊的應用前景。
(三)廉價高效陶瓷制備工藝的發(fā)展先進陶瓷產品推向市場的最大障礙是價格昂貴。降低成本、增加可*性、提高制備效率是各陶瓷企業(yè)關注的焦點。
(1)廉價的原料制備技術。除改進固相合成工藝外,自蔓延高溫合成技術(SHS),濕化學法制備原料都是十分有效的。如Si3N4原料成本目前為60~350美元/公斤。美國Dowcorning公司已達到10美元/磅的水平。國內采用SHS法制備的粉末價格也大大降低。
(2)快速和近凈尺寸成型技術。如何減少先進陶瓷部件后加工量,降低燒結收縮和提高成型效率是各陶瓷生產企業(yè)改進工藝的重點。隨著凝膠注、直接凝固、高壓注射成型和壓濾成型等技術已從實驗室轉向產業(yè)化,先進陶瓷產品的成本將大幅降低。
(3)提高陶瓷后加工的效率,也是降低產品成本的重要方面。先進陶瓷部件的加工成本往往會占總成本的50%~75%。美國曾專門投資4520萬美元,研究陶瓷后加工方法。
(4)燒成設備的改進。主要朝著節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、提高效率的方向發(fā)展。微波燒結、連續(xù)燒結或快速燒結等新工藝及裝備也應運而生。
(四)無損檢測和標準化性能保證和產品標準化工作,是先進陶瓷產品推向市場的必要條件。對制品內部缺陷進行無損檢測十分必要。目前國際上已有專業(yè)的標準化機構,負責先進陶瓷性能、檢測方法和產品的標準化工作。