一、前言
随着现代高新技术的发展,先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分,成为许多高技术领域发展的重要关键材料,备受各工业发达国家的极大关注,其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步.
由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济的各个领域.先进陶瓷的发展是国民经济新的增长点,其研究、应用、开发状况是体现一个国家国民经济综合实力的重要标志之一.
先进陶瓷精细结构
先进陶瓷是"采用高度精选或合成的原料,具有精确控制的化学组成,按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计,并且有优异特性的陶瓷".按其特性和用途,可分为2大类:
结构陶瓷和功能陶瓷(详见下表).
结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷,它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、抗热震等特性;结构陶瓷大致分为氧化物系、非氧化物系和结构用陶瓷基复合材料.
功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷.功能陶瓷在先进陶瓷中约占70%的市场份额,其余为结构陶瓷.
由于先进陶瓷各种功能的不断发现,在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益明显,其市场容量将不断提升.
二、国内外研究现状及发展趋势
先进陶瓷在国内航空发动机上的应用
1、国外研究发展情况
目前,全球范围内先进陶瓷技术快速进步、应用领域拓宽及市场稳定增长的发展趋势明显.
美国和日本在先进陶瓷的研制与应用领域居于领先地位.美国国家航空和宇航局(NASA)则在结构陶瓷的开发和加工技术方面正实施大规模的研究与发展计划,重点对航空发动机、民用热机中的关键闭环实现陶瓷替代,同时对纳米陶瓷涂层、生物医学陶瓷和光电陶瓷的研究、产业化进行资助.美国的"脆性材料设计"等10大计划;美国联邦计划"先进材料与材料设备"中每年用于材料研究与工程费高达20亿~25亿美元,以提高其国际上的竞争力.日本先进陶瓷以其先进的制造设备,优良的产品稳定性逐步成为国际市场的引导者,特别是功能陶瓷领域包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等逐步垄断国际市场.日本通产省精细陶瓷研究与开发的"月光计划";300kW陶瓷燃气轮机研制计划.
此外,欧盟各国,特别是德国、法国在结构陶瓷领域进行了重点研究,主要集中在发电装备、新能源材料和发动机中的陶瓷器件等领域.欧盟包括德、法、英等国家也采取了一些发展新材料的相应措施,如"尤里卡计划"等.美国陶瓷工业部门的统计数字显示,美国、日本、欧盟的先进陶瓷市场年平均增长率为12%,其中欧盟先进陶瓷市场总值年平均增长率达15%~18%;美国先进陶瓷市场总值年平均增长率9.9%;日本精细陶瓷协会对日本先进陶瓷市场进行了预测,其年平均增长率为7.2%.目前先进陶瓷最大市场在日本和美国,其次是欧盟.
2、国内研究发展情况
20世纪80年代到90年代初,许多现代陶瓷理论和工艺在精细陶瓷的制备中得到应用.利用和金属材料的相变理论、仿生学等学科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纤维补强复相陶瓷,陶瓷基复合材料的韧性得到较大提高,通过仿生学在精细陶瓷制备工艺中得到应用,层状材料得到较大发展.聚合物裂解转化、化学气相沉(渗)积、溶胶工艺的采用,使得特种纤维的制造、连续纤维复合材料制备技术快速发展.纳米技术在陶瓷中的应用使材料性能发生根本性变化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的烧结温度大大降低.
进入21世纪,功能陶瓷的研究也得到了国家和各科研院所的高度重视.从1995-2015年我国先进陶瓷产值及预测(图1)可以看出,我国先进陶瓷产业进入了快速发展期,预计到2015年产值可达到450亿元.精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧结技术、低成本规模化制备技术,陶瓷加工系统等领域不断打破国外垄断和技术封锁.例如凝胶注模工艺生产的大尺寸熔融石英陶瓷方坩埚打破了美国赛瑞丹、日本东芝和法国维苏威3大公司的技术垄断,在2007年率先实现国产化,通过近5年的不断发展,已经形成110~1100mm系列产品(图2),产能居于全球第1位.
但是,国内先进陶瓷总体水平与美国、日本和德国相比还存在一定的差距.主要表现在3个方面:
1.技术及新产品工程转化极度匮乏
2.高端粉体制备及分散技术远远落后
3.制造装备加工技术落后
延伸阅读
先进陶瓷制备技术发展情况
1.陶瓷粉体的制备方法
陶瓷粉体的制备主要包含固相反应法、液相反应法和气相反应法3大类.
2.先进陶瓷的成型技术
陶瓷粉体的成型技术主要包含:
(1)干法压制成型:干压成型、冷等静压成型;
(2)塑性成型:挤压成型、注射成型、热蜡铸成型、扎膜成型;
(3)浆料成型:注浆成型、流延成型、凝胶注模成型和原位凝固成型;
(4)固体无模成型:熔融沉积成型、三维打印成型、分层实体成型、立体光刻成型和激光选取烧结成型.
3.先进陶瓷的烧结技术
先进陶瓷的烧结技术按照烧结压力分主要有常压烧结、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.
4.陶瓷精密加工技术
先进陶瓷属于脆性材料,硬度高、脆性大.由于陶瓷加工性能差,加工难度大,稍有不慎就可能产生裂纹或者破坏.传统的陶瓷加工技术主要体现在机械加工,包括陶瓷磨削、研磨和抛光.近20年来,电火花加工、超声波加工、激光加工和化学加工等加工技术逐步在陶瓷加工中应用.
