先进陶瓷即是在原料、工艺方面有别于传统陶瓷,通常采用高纯、超细原料,通过组成和结构设计并采用精确的化学计量和新型制备技术制成性能优异的陶瓷材料。近些年来,先进陶瓷的重要性日益增强,它逐渐的被广泛应用于生产和生活。
我国从20世纪50年代开始着手研究先进陶瓷,并且取得了一些丰硕的成果。
表1 20世纪早期我国研究先进陶瓷的进程
从基础理论的研究到如今的重点领域的科技攻关,我国在尖端高技术陶瓷的理论研究和实验水平处于世界先进行业。普通电子陶瓷和结构陶瓷如IC基板、瓷介电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件,中铝瓷,高铝瓷,电空真瓷,SiC,纺织瓷件,电熔石英、电熔刚玉等等,在我国已能大批量生产,产品质量稳定,并能够占领一定的国际市场。
尽管如此,与发达国家相比较,我国在技术和产业化水平等方面都存在明显差距,在全球数百亿美元的先进陶瓷年销售额中,我国的销售额仅占1%~2%,还有很大的发展空间。例如我国手机市场中使用的片式压电陶瓷滤波器几乎全部是进口,市场很大。
图1 2000年世界先进陶瓷市场结构
表2 各国先进陶瓷产业市场规模及其增长率
我国先进陶瓷领域不足之处主要体现在以下几个方面:
1.企业规模普遍较小
2.专业化分工不足
3.自主创新能力不强
4.科技投入不足
目前先进陶瓷产业的产品门类越来越多,高科技性能更加齐全,应用范围愈来愈广阔,成为当前国际上最具活力的陶瓷行业。先进陶瓷产品在微电子技术、自动化装置、汽车发动机、敏感传感器、新能源等方面被广泛采用,形成生产高潮与激烈的市场竞争局面。
随着材料科学的发展和制造工艺的改进,陶瓷的内部组织构造渐趋精细化、致密化而使材料性能大幅度提高,以致出现新的特殊功能。在其发展过程中,大批的多功能、高性能先进陶瓷应运而生。
日常生活
我们这里举一个和日常生活相关的例子——陶瓷不粘锅
图2
陶瓷涂层的表面由于大多富含甲基官能团,其表面张力通常是21~23dyn/cm,也有良好的不粘性,而且比含氟物质更加安全。特富龙风波曝光之后,有相当一部分的无烟锅企业把无机陶瓷涂层作为主要的宣传卖点之一。
加工制造业
在加工工业应用的最广泛的则是陶瓷刀具的出现。在金属切削普遍面临着对切削刀具材料高硬度、高耐磨性、高强度和高断裂韧性、高热硬度、良好的抗热震性、抗侵蚀和抗黏着性等更大挑战的时候,陶瓷刀具以其在高速切削条件下保持高的强度、硬度、耐磨性和使用寿命长等优良性能应运而生。
图3 超硬刀具的车削
20世纪70年代初美国生产的多晶金刚石刀具和多晶立方氮化硼刀具开始投放市场,它们超群的硬度和耐磨性立刻吸引了世人的眼球。但是由于当时人造金刚石和立方氮化硼的制造工艺复杂,价格昂贵,没有被广泛地使用。随着超硬材料制造技术的日渐成熟和制造工艺的不断进步,超硬刀具材料等都得到了快速的发展,促进了加工制造业的技术进步。
汽车工业
高性能结构陶瓷材料由于其具有密度小、热导率低、耐高温、耐磨损以及耐腐蚀等特性,成为制造发动机的理想材料。
图4 汽车用陶瓷零件
早在20世纪40年代,就有人用陶瓷取代金属制造发动机燃烧室部件进行实验,这类研究到20世纪50年代末形成热潮,但限于当时的历史条件和技术水平,没有取得成功。20世纪70年代,世界石油危机,节能问题使得利用陶瓷材料制作发动机部件的研究再次引起人们重视。另一方面,人们环境保护意识的增强,也加速了陶瓷发动机的研究进程。
军事应用
在我国纤维补强陶瓷基复合材料独创性地应用于战略导弹上的同时,军事家们也将眼光瞄向了这种先进陶瓷材料。
图5 用陶瓷发动机装备的坦克
坦克的红外辐射是其被红外探测器发现、并被红外制导武器摧毁的根源,因此降低坦克红外辐射也是隐形技术发展的一个重要方面。步兵战车用效率高、热损耗较小的绝热陶瓷发动机可降低坦克的红外辐射,使其不易被红外探测器发现并被红外制导武器所摧毁,起到良好的隐身效果,提高了生存率。
航空航天
图6 航天飞机穿过大气层时产生的热量变化
图7 固体火箭发动机喷管
在航天飞机再次进入大气层时,由于速度快、热流密度高、气流冲刷严重、气动外压作用显著会导致舱体本身与空气摩擦产生高达1400℃左右的高温,因此,航天飞机机身的耐热性就要做到万无一失。而陶瓷复合材料做成的隔热瓦很好的解决了这个问题,也正是采用了这样的措施才能保证航天飞机在空间多次往返。另外,陶瓷基复合材料也是制作固体发动机C/C 喷管和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料。
从世界范围来看,先进陶瓷的发展有三种明显趋势: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。全球化表现在国际问的合作与兼并,如美国Lanxide与日本NibonCement的合作,以及法国Saint-Gobain收购美国Nortoo。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。