先进陶瓷材料的应用

1.1   先进陶瓷定义

      先进陶瓷，又称为高性能陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷等，是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料，具有精确的化学组成、精密的制造加工技术和结构设计，并具有优异的力学、声、光、热、电、生物等特性的陶瓷。

1.2  先进陶瓷分类

      先进陶瓷按化学成分可分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分为：功能陶瓷和结构陶瓷两大类。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有电气性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点，主要包括绝缘和介质陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体及其敏感陶瓷等; 结构陶瓷主要基于材料的力学和结构用途，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点，主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。

1.3  先进陶瓷制备

针对陶瓷这一特定材料来说,烧结是它在制备过程中的一个重要环节。除了常用的烧结方法外,还提出了微波烧结、燃烧烧结、自蔓延高温烧结、智能烧结、喷涂烧结、低温烧结以及无压烧结等。

      先进陶瓷的烧结技术按照烧结压力主要分为：常压烧结、无压烧结、真空烧结以及热压烧结、热等静压烧结、气氛烧结等各种压力烧结。近些年通过特殊的加热原理出现微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延烧结等新型烧结技术。

      陶瓷粉体的制备方法主要分为固相反应法、液相反应法和气相反应法3大类。先进陶瓷成形方法种类繁多，除了传统的干压成形、注浆成形之外，根据陶瓷粉体的特性和产品的制备要求，发展出多种成形方法。总的来说可以归纳为4类：干法压制成形、塑性成形、浆料成形和固体无模成形，其中每一类成形又可细分为以下不同成形方法。

1）干法压制成形：干压成形、冷等静压成形；
2）塑性成形：挤压成形、注射成形、热蜡铸成形、扎膜成形；
3）浆料成形：注浆成形、流延成形、凝胶注模成形和原位凝固成形；
4）固体无模成形：熔融沉积成形、三维打印成形、分层实体成形、立体光刻成形和激光选取烧结成形。

根据世界先进陶瓷发展趋势和应用领域的发展情况，预计未来5 年内在高端陶瓷粉体、电子陶瓷、生物陶瓷、节能环保、新能源领域用陶瓷和航空航天用陶瓷等几个方向会增速较快。由于先进结构陶瓷具有耐高温、高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀和抗氧化等一系列优异性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，已成为许多新兴科学技术得以实现的关键，在能源、航空航天、机械、交通、冶金、化工、电子和生物医学等方面有着广泛的应用前景。

2.1  高端陶瓷粉体

      配方、配料是制造先进陶瓷主要的核心技术之一，也是先进陶瓷产业发展的关键。目前，国内厂商大量从国外购买高纯度高端陶瓷粉体，国内企业发展高端陶瓷粉体制备技术和生产能力落后，研制与生产高端陶瓷粉体替代国外企业潜力巨大。

2.2  电子陶瓷

      随着信息化产业、电子消费产业的快速发展，工业用电子产品、消费电子产品将保持快速发展趋势，对电子陶瓷的需求巨大，预计到2020年全球电子陶瓷需求将突破400亿美元。
      电子陶瓷是先进陶瓷中最成熟的技术产品，占先进陶瓷市场份额的65%。主要用于芯片、电容、集成电路封装、传感器、绝缘体、铁磁体、压电陶瓷、半导体、超导等。主要材料有钛酸钡、氧化锌、钛锆酸铅、铌酸锂、氮化铝、二氧化锆和氧化铝等。

2.3  结构陶瓷

      结构陶瓷主要用于切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器、生物部件和装甲装备等。主要材料有氮化硅、碳化硅、二氧化锆、碳化硼、二硼化钛、氧化铝和赛隆等。其典型特性为：高硬度、低密度、耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好。
      结构陶瓷优异的特性表现为高强度、高硬度、高的弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等。因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合。如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。

2.4  生物陶瓷

      生物陶瓷是指直接作用于人体或者与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料，广义讲，凡属于生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。作为生物陶瓷材料应具备以下功能:代替人体内有病的或损伤的部分,作为人体先天性缺损部分的代用品，有助于人体内组织的恢复。
      生物医用材料目前已成为各国科学家竞相研究和开发的热点，国内生物医学材料和制品70%~80%依赖进口，并基本属于仿制，我国的生物医用材料在全球的市场份额仅占2%，产品技术水平大多处于初级阶段。伴随社会人口的老龄化，到2020年，我国将需要人工关节80万套/年、血管支架160万个/年、眼内人工晶体140万个/年，对生物陶瓷材料需求将会大幅增加。
      生物陶瓷除用于测量、诊断、治疗外, 主要是作为生物硬组织的代用材料, 可应用在骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科、耳喉鼻科及普通外科等各个方面。

2.5  纳米陶瓷

      近年来纳米陶瓷倍受人们关注。当所选用的原料以及成材后晶粒达到纳米尺度时，将为陶瓷材料的制备科学、陶瓷学、陶瓷工艺以及最终的材料性能带来突变，从而开拓陶瓷材料更广泛的用途。
      目前精细陶瓷用纳米粉体制备方法有三大类：物理制备法、气相法、湿化学法。制备的纳米陶瓷粉体有：Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、Si₂N、SiC、BaTiO₃、TiO₂等。纳米陶瓷的研制，带动了一些新的快速烧结设备的开发，如真空烧结工艺、微波烧结工艺和等离子烧结技术(SPS)等。

2.6  低膨胀陶瓷

      热膨胀系数绝对值小于2 ×10⁻⁶ /℃的材料称为低膨胀材料，膨胀系数接近于零的材料为超低膨胀材料。低膨胀陶瓷，特别是零膨胀陶瓷或负膨胀陶瓷，可作为发动机主件，航空材料叶片，炉具垫片，电路基片，天文镜坯及天线罩，高温观察窗，精密计量等器件，载体及过滤器，核废料固定化，封接材料等高技术材料。

2.7  节能环保和新能源领域用先进陶瓷

      随着经济高速发展、能源需求迅速增加，工业及生活废弃物巨量产生，能源节约和环境保护已经成为国际社会日益关心的重大问题。在能源匮乏和环境恶化日益严重的情况下，先进、高效节能环保技术得以实现的节能蓄热式热力垃圾焚烧炉(RT0)和冶炼行业节能蓄热室用蜂窝陶瓷、热气体净化领域和水处理领域用的陶瓷膜及装备、特高压交流输电技术与装备用的系列超/特高压悬式瓷绝缘子、蓄热换热用的碳化硅陶瓷部件、光伏产业用系列陶瓷制品都将会获得难得的发展契机。

2.8  航空航天陶瓷

     应用主要涉及到直升机用防弹装甲陶瓷、飞机刹车盘材料、卫星电池用陶瓷隔膜材料、红外隐身/伪装涂料、陶瓷轴承、导弹用陶瓷天线罩材料等。目前在航空航天中的应用研究主要集中在火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦，复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等，尤其是对具有轻质耐热、耐烧蚀、高熔点高强度的陶瓷纤维的研发极为关注。
      从世界范围来看，先进陶瓷的发展有3种明显趋势：技术进步、全球化及稳定增长。美国在先进陶瓷的研究与开发方面居世界首位，日本则在除航天工业外的其它应用领域领先，美国的专利倾向于在基础知识上的创新，日本专利则倾向于在现有技术基础上的改进以期有更多的工程应用前景。全球化表现在国际间的合作与兼并，如美国Lanxide与日本Nihon Cement的合作，以及法国Saint-Gobain收购美国Norton。先进陶瓷将不断增长，结构陶瓷和电子陶瓷增长稳定。陶瓷复合材料与涂层将在较低的水平上以2位数的幅度增长。随着应用领域的拓宽，涂层/薄膜将成为主要的工业分支。
      先进陶瓷材料又称精密陶瓷材料，是新材料的一个重要组成部分。广泛应用于通讯、电子、航空、航天、军事等高技术领域，在信息与通讯技术方面有着重要的应用。电子技术、大规模集成技术电路，离不开压电、铁电和磁性陶瓷；电子计算机的记忆系统需要具有方形磁滞回线的铁磁体陶瓷；高速硬盘转动系统需要陶瓷轴承；在火箭和导弹的发射中，鼻锥和透波陶瓷天线罩是关键部件，它要承受高温气流的摩擦和冲刷，要求材料具有高的高温强度和好的抗氧化性能，只有陶瓷材料才能满足这些要求；作为新能源的磁流体发电机，需要采用陶瓷做电极材料；高温燃料电池、高能量蓄电池，需要采用陶瓷块离子导体做隔膜材料等等。目前，先进陶瓷已形成一个巨大的高新技术产业。全世界先进陶瓷产品的销售总额超过300亿美元，并以每年10%以上的速度增长。美国与日本在该领域处于领先地位。

先进陶瓷材料因其优异的高温力学性能及特有的光、声、电、磁、热性能组合或多功能复合效应在高新技术产业、传统产业改造和国防军工等领域发挥着越来越大的作用。需求是发展和创新的动力，各行各业对陶瓷产品越来越高的性能要求推动了先进陶瓷的不断发展。从原料、设备、成形、烧结到加工，相关陶瓷领域产生的技术进步又促进了应用行业的技术革新，推动了各行业整体的发展。