肖永清

(湖北十堰市新興化工材料公司，十堰 442001)

探秘新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料及其運用與發(fā)展

肖永清

(湖北十堰市新興化工材料公司，十堰 442001)

摘要:先進的結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于具有一系列優(yōu)異的性能，在節(jié)約能源、節(jié)約貴重金屬資源、促進環(huán)境保護、提高生產(chǎn)效率、延長機器設(shè)備壽命、保證高新技術(shù)和尖端技術(shù)的實現(xiàn)等方面都發(fā)揮了積極的作用，受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。根據(jù)先進的結(jié)構(gòu)陶瓷在工業(yè)工程中的應(yīng)用效益顯著，分析了先進結(jié)構(gòu)陶瓷的主要組成物、性能特點及其應(yīng)用領(lǐng)域，研究了先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的新產(chǎn)品開發(fā)，介紹了先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料在發(fā)動機上的運用實例，同時指出了先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的發(fā)展前景及趨勢。

關(guān)鍵詞:新型結(jié)構(gòu);陶瓷材料;運用發(fā)展

現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)對材料提出了更高的要求，具有特殊性能的新型材料備受青睞。其中，結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料越來越受到人們的重視。長期以來，先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料受到政府各部門的高度重視，通過科技攻關(guān)、產(chǎn)學(xué)研工程、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程等計劃的支持，在基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用研究以及新材料、新產(chǎn)品開發(fā)等多方面都取得顯著的成果。先進的結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于具有一系列優(yōu)異的性能，在節(jié)約能源、節(jié)約貴重金屬資源、促進環(huán)境保護、提高生產(chǎn)效率、延長機器設(shè)備壽命、保證高新技術(shù)和尖端技術(shù)的實現(xiàn)等方面都發(fā)揮了積極的作用，受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

1先進的結(jié)構(gòu)陶瓷在工業(yè)工程中的應(yīng)用效益顯著

按通常定義,陶瓷是無機非金屬材料,以氧化物,氮化物,碳化物等為基礎(chǔ),包括其混合物。盡管如此,還是有不少傳統(tǒng)陶瓷在現(xiàn)代技術(shù)中應(yīng)用,如絕緣體,催化劑載體等。陶瓷因具有一些引人注意的性能如極佳熱穩(wěn)定性,高耐磨和耐蝕性,特別電性能等,而被汽車制造業(yè)使用或作為研究中的系統(tǒng)構(gòu)件。幾十年來，陶瓷在工業(yè)技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用,尤其是近10年中,由于陶瓷在高技術(shù)領(lǐng)域所起的令人注目的作用,這類材料的重要性就更急劇地提高了。

結(jié)構(gòu)陶瓷具有優(yōu)越的強度、硬度、絕緣性、熱傳導(dǎo)、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、耐磨耗、高溫強度等特色，因此，在非常嚴苛的環(huán)境或工程應(yīng)用條件下，所展現(xiàn)的高穩(wěn)定性與優(yōu)異的機械性能，在材料工業(yè)上已倍受矚目，其使用范圍亦日漸擴大。而全球及國內(nèi)業(yè)界對于高精密度、高耐磨耗、高可靠度機械零組件或電子元件的要求日趨嚴格，因而陶瓷產(chǎn)品的需求相當(dāng)受重視，其市場成長率也頗可觀。根據(jù)用途不同，特種陶瓷材料可分為結(jié)構(gòu)陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于制作結(jié)構(gòu)零件。機械工業(yè)中的一些密封件、軸承、刀具、球閥、缸套等都是頻繁經(jīng)受摩擦而易磨損的零件，用金屬和合金制造有時也是使用不了多久就會損壞，而先進的結(jié)構(gòu)陶瓷零件就能經(jīng)受住這種“磨難”。

應(yīng)用性能優(yōu)異的先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷，特別是來源廣、價格低廉的氧化鋁陶瓷，作為泥漿泵葉輪、葉片、護套、護板、煤粉輸送管道、煤炭開采用旋流器部件等表面貼附材料或整體材料，對于不同工況條件下，耐沖蝕陶瓷材料的選擇和進一步研究開發(fā)經(jīng)濟實用、抗磨損性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有積極的指導(dǎo)作用；對于推進高技術(shù)陶瓷材料在實際工業(yè)工程中的應(yīng)用，改進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)具有十分重大的工程意義。

釆用結(jié)構(gòu)陶瓷代替金屬制造發(fā)動機部件的探索開始于上世紀40年代,目的是提高熱機效率,降低燃料消耗,改善環(huán)境污染和節(jié)約戰(zhàn)略物資。由于當(dāng)時結(jié)構(gòu)陶瓷材料的性能水平較低,而且缺乏合理的陶瓷部件設(shè)計方法,這項研究沒有取得成功。1971年,在當(dāng)時“能源危機”的刺激下,美國國防部提出一項名為“脆性材料設(shè)計”的規(guī)劃,研制陶瓷燃氣輪機。1975年,美國陸軍又提出一項研制陶瓷絕熱柴油機的規(guī)劃。從此,全世界又一次掀起了研制陶瓷發(fā)動機的高潮。美國、西德、日本、瑞典等先進工業(yè)國都投入數(shù)以億計的美元和大量人力物力,競相研究開發(fā)主要用于汽車的陶瓷燃氣輪機和陶瓷柴油機。經(jīng)過20多年的努力,取得了很大進展。各種先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的性能和陶瓷發(fā)動機部件的制備工藝水平均有顯著提高,陶瓷電熱塞、渦輪增壓器陶瓷轉(zhuǎn)子等多種汽車發(fā)動機部件已實際應(yīng)用并投入商業(yè)生產(chǎn),裝有多種陶瓷部件的柴油機和燃氣輪機已進行了幾百到幾千小時的臺架和道路試驗，但陶瓷發(fā)動機的研究開發(fā)也存在許多困難,其發(fā)展速度不如預(yù)期的快。

近年來，工程閥門市場競爭日益激烈,為適應(yīng)市場經(jīng)濟的發(fā)展,新產(chǎn)品不斷被研發(fā)運用,尤其陶瓷閥門具備四大優(yōu)勢：一是閥座采用工藝技術(shù)較復(fù)雜的熱鑲嵌技術(shù)，對工程陶瓷閥座進行三次時效處理，讓工程陶瓷進行充分的時效穩(wěn)定；二是保護唇專利技術(shù)。對于管道流體內(nèi)含有較大顆粒的陶瓷閥門采用了保護唇專利技術(shù)，可防止大直徑固體顆粒損壞工程陶瓷內(nèi)圈；三是工程陶瓷環(huán)安裝后的精加工ZTA工程陶瓷環(huán)安裝后，還要進行最后的精加工，以確保閥門的密封性能；四是采用結(jié)構(gòu)工程陶瓷耐磨(刀)閘閥采用雙面密封，達到雙面耐磨的效果。閥門內(nèi)腔沖刷過流處還襯有ZTA工程陶瓷，保護了閥體鋼構(gòu)件沖刷損壞。目前主要應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、采礦、污水處理等工業(yè)領(lǐng)域，被業(yè)內(nèi)人士美譽為“強腐蝕、高磨損、高溫高壓”失效問題解決專家。陶瓷閥門的出現(xiàn)使這些行業(yè)煥然一新。

多年來，我國材料研究工作者在先進結(jié)構(gòu)陶瓷方面做了大量工作：一是緊緊圍繞國民經(jīng)濟發(fā)展的急需，有的放矢進行新材料、新產(chǎn)品研究，取得立竿見影的效果。如陶瓷缸套、閥門、軸承和其它耐磨、耐腐蝕零部件，在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，并帶來顯著的社會經(jīng)濟效益；二是緊緊抓住能源與環(huán)境兩大嚴峻課題，最大限度發(fā)揮陶瓷的優(yōu)勢，開拓節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。如陶瓷熱交換器、電光源透明陶瓷、陶瓷切削刀具、蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷等；三是緊緊跟蹤國際科技前沿，對新理論、新觀點、新技術(shù)、新工藝和新材料，進行廣泛探索。如凝膠注模成型、放電等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)、納米與納米復(fù)相陶瓷、晶須或纖維增韌陶瓷和層狀復(fù)合材料。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷發(fā)動機的研究和開發(fā)在中國受到重大關(guān)注已有十年以上的時間。經(jīng)過幾年的預(yù)研以后,一項名為“先進結(jié)構(gòu)陶瓷和絕熱柴油機”的國家計劃正式制定。該計劃以促進中國結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷柴油機技術(shù)的發(fā)展為目的,研究工作由中國科學(xué)院、大學(xué)和工業(yè)部門研究院所共同進行,并由國家科委進行協(xié)調(diào)，現(xiàn)已取得了許多重大進展。材料設(shè)計和材料工藝這項研究的目的是研制開發(fā)出一批能在先進熱機嚴酷環(huán)境中和其他高技術(shù)領(lǐng)域中使用的高性能、高可靠性先進結(jié)構(gòu)陶瓷和復(fù)合材料。

2先進結(jié)構(gòu)陶瓷的主要組成物、性能特點及其應(yīng)用領(lǐng)域

結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指發(fā)揮其機械、熱、化學(xué)等性能的一大類新型陶瓷材料，它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役，因而成為許多新興科學(xué)技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)陶瓷同金屬材料相比,陶瓷的最大優(yōu)點是優(yōu)異的高溫機械性能、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、比重小(約為金屬的1/3),因而在許多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應(yīng)用到金屬材料根本無法勝任的場合,如發(fā)動機氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。

結(jié)構(gòu)陶瓷材料是工程材料中剛度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500Hv以上。陶瓷的抗壓強度較高，但抗拉強度較低，塑性和韌性很差。結(jié)構(gòu)陶瓷材料一般具有高的熔點(大多在2000℃以上),且在高溫下具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性;陶瓷的導(dǎo)熱性低于金屬材料，陶瓷還是良好的隔熱材料。同時陶瓷的線膨脹系數(shù)比金屬低,當(dāng)溫度發(fā)生變化時，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。大多數(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷具有良好的電絕緣性，因此大量用于制作各種電壓(1～110kV)的絕緣器件。鐵電陶瓷具有較高的介電常數(shù),可用于制作電容器，鐵電陶瓷在外電場的作用下，還能改變形狀，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，可用作擴音機、電唱機、超聲波儀、聲納、醫(yī)療用聲譜儀等。少數(shù)陶瓷還具有半導(dǎo)體的特性，可作整流器。陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。陶瓷材料還有獨特的光學(xué)性能，可用作固體激光器材料、光導(dǎo)纖維材料、光儲存器等，透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等。磁性陶瓷在錄音磁帶、唱片、變壓器鐵芯、大型計算機記憶元件方面的應(yīng)用有著廣泛的前途。

結(jié)構(gòu)陶瓷材料的特性主要由其化學(xué)鍵晶體結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷等決定。從晶體結(jié)構(gòu)看陶瓷材料的原子間結(jié)合力主要為離子鍵、共價鍵或離子、共價混合鍵。這些化學(xué)鍵不僅結(jié)合強度高而且還具有方向性。晶體缺陷特別是線缺陷和位錯可以在晶體中運動。位錯沿最密排面、最密排方向運動所需的臨界切應(yīng)力很小，這種位錯的大量運動使晶面產(chǎn)生明顯的滑移現(xiàn)象，并產(chǎn)生宏觀塑性變形，變形前后金屬鍵的結(jié)合強度并不明顯改變，但是陶瓷中的離子鍵共價鍵則不同，因陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜對稱性低，當(dāng)位錯沿滑移面運動時晶體結(jié)構(gòu)難以復(fù)原，因破壞了正負離子排列的最小能量狀態(tài)，可能導(dǎo)致原子鍵的破壞出現(xiàn)毫無塑性變形的脆性斷裂。

陶瓷材料結(jié)構(gòu)的另一個特點是顯微結(jié)構(gòu)的不均勻性和復(fù)雜性。金屬材料通常是從相當(dāng)均勻的金屬熔體狀態(tài)凝固而成，隨后還可以通過冷熱加工等手段來改善材料的顯微結(jié)構(gòu)使之均勻化。金屬材料不含或含極少量氣孔而陶瓷材料一般由粉料成型、燒結(jié)而成不可避免地存在一定數(shù)量的氣孔，不同成分和粒度的粉料雖經(jīng)球磨混料仍難以達到十分均勻的程度，此外陶瓷晶界上還經(jīng)常存在與基體成分、結(jié)構(gòu)不同的玻璃相。

陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點決定了材料的各項性能包括力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能。陶瓷材料形變是壓縮時的彈性模量大大高于拉伸時的彈性模量。影響彈性模量的因素溫度，由于原子間距以及結(jié)合力隨溫度的變化而變化所以彈性模量對溫度變化很敏感。溫度升高原子間距離增大彈性模量降低。由于結(jié)合鍵存在差異陶瓷與金屬的硬度存在較大差異。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV和莫氏硬度等。陶瓷材料的化學(xué)鍵決定了其在室溫下幾乎不能產(chǎn)生滑移或位錯運動因此很難產(chǎn)生塑性變形室溫下的強度測定只能得到一個斷裂強度。陶瓷材料的強度主要包括抗彎強度、抗拉強度、抗壓強度等。

結(jié)構(gòu)陶瓷的熱學(xué)性能和抗熱震性陶瓷材料的熱學(xué)性質(zhì)如熔點、熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等，不僅對陶瓷的制備具有重要意義還直接影響它們在工程中的應(yīng)用。熔點與金屬材料相比耐高溫是陶瓷材料優(yōu)異的特性之一。材料的耐熱性一般用高溫強度抗氧化性以及耐燒蝕性等因子來判斷。但成為耐熱材料首先熔點必須高。熔點是維持晶體結(jié)構(gòu)的原子間結(jié)合力強弱的參數(shù)結(jié)合力越強原子的熱振動越穩(wěn)定越能將晶體結(jié)構(gòu)維持到更高溫度熔點就越高。

熱導(dǎo)率不同陶瓷材料在熱導(dǎo)率性能上可以有很大的差別。有些材料是極為優(yōu)良的絕熱材料有些又會是熱的良導(dǎo)體。通常低溫時有較高熱導(dǎo)率的材料隨溫度升高熱導(dǎo)率降低而低熱導(dǎo)率的材料則有相反的變化特征?？篃嵴鹦蕴沾刹牧蠠釕?yīng)力大小取決于材料的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，并且還受構(gòu)件幾何形狀和環(huán)境介質(zhì)的影響，所以作為陶瓷材料抵抗溫度變化能力大小標(biāo)志的抗熱震性也必將是其力學(xué)性能和熱學(xué)性能對應(yīng)于各種受熱條件的綜合表現(xiàn)。

氧化鋁陶瓷主要組成物為Al2O3，一般含量大于45%。氧化鋁陶瓷具有各種優(yōu)良的性能。耐高溫，一般可要1600℃長期使用，耐腐蝕，高強度，其強度為普通陶瓷的2～3倍，高者可達5～6倍。其缺點是脆性大，不能接受突然的環(huán)境溫度變化。用途極為廣泛，可用作坩堝、發(fā)動機火花塞、高溫耐火材料、熱電偶套管、密封環(huán)等，也可作刀具和模具。

氮化硅陶瓷主要組成物是Si3N4，這是一種高溫強度高、高硬度、耐磨、耐腐蝕并能自潤滑的高溫陶瓷，線膨脹系數(shù)在各種陶瓷中最小，使用溫度高達1400℃，具有極好的耐腐蝕性，除氫氟酸外，能耐其它各種酸的腐蝕，并能耐堿、各種金屬的腐蝕，并具有優(yōu)良的電絕緣性和耐輻射性。可用作高溫軸承、在腐蝕介質(zhì)中使用的密封環(huán)、熱電偶套管、也可用作金屬切削刀具。碳化硅陶瓷主要組成物是SiC，這是一種高強度、高硬度的耐高溫陶瓷，在1200～1400℃使用仍能保持高的抗彎強度，是目前高溫強度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷還具有良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性、導(dǎo)電性和高的沖擊韌度。是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料，可用于火箭尾噴管噴嘴、熱電偶套管、爐管等高溫下工作的部件；利用它的導(dǎo)熱性可制作高溫下的熱交換器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂輪、磨料等。

六方氮化硼陶瓷主要成分為BN，晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系。氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體?；瘜W(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纖鋅礦氮化硼(WBN)六方氮化硼的結(jié)構(gòu)和性能與石墨相似，故有“白石墨”之稱，硬度較低，可以進行切削加工具有自潤滑性，可制成自潤滑高溫軸承、玻璃成形模具等。六方氮化硼是陶瓷材料中導(dǎo)熱最大的材料之一，導(dǎo)熱率為石英的十倍，高導(dǎo)熱系數(shù)熱壓制品為33W/M.K和純鐵一樣；膨脹系數(shù)相當(dāng)于石英，是陶瓷中最小的，抗熱震性能很好，氮化硼也是陶瓷中最好的高溫絕緣材料。

3先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的新產(chǎn)品開發(fā)

結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指發(fā)揮其機械、熱、化學(xué)等性能的一大類新型陶瓷材料，它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役，因而成為許多新興科學(xué)技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。

在空間技術(shù)領(lǐng)域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和溫度急變、強度高、重量輕且長壽的結(jié)構(gòu)材料和防護材料，在這方面，結(jié)構(gòu)陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船即開始使用高溫與低溫的隔熱瓦，碳-石英復(fù)合燒蝕材料已成功地應(yīng)用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。未來空間技術(shù)的發(fā)展將更加依賴于新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，在這方面結(jié)構(gòu)陶瓷尤其是陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料遠遠優(yōu)于其他材料。

高新技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代戰(zhàn)爭制勝的法寶。在軍事工業(yè)的發(fā)展方面，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷占有舉足輕重的作用。例如先進的亞音速飛機，其成敗就取決于具有高韌性和高可靠性的結(jié)構(gòu)陶瓷和纖維補強的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用。光通信產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前世界上發(fā)展最為迅速的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，全世界產(chǎn)值已超過30億美元。其所以發(fā)展如此迅速主要依賴于光纖損耗機理的研究以及光纖接頭結(jié)構(gòu)材料的使用。我所已成功地運用氧化鋯增韌陶瓷材料開發(fā)出光纖接頭和套管，性能優(yōu)良，很好地滿足了我國光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。

隨著半導(dǎo)體器件的高密度化和大功率化，集成電路制造業(yè)的發(fā)展迫切需要研制一種絕緣性好導(dǎo)熱快的新型基片材料。80年代中后期問世的高導(dǎo)熱性氮化鋁和碳化硅基板材料正逐步取代傳統(tǒng)的氧化鋁基板，在這一領(lǐng)域，我國研制成功的高熱導(dǎo)氮化鋁陶瓷性能居世界前列。氮化鋁-玻璃復(fù)合材料，已成為當(dāng)代電子封裝材料領(lǐng)域的研究熱點，其熱導(dǎo)率是氧化鋁-玻璃的5～10倍，燒結(jié)溫度在1000℃以內(nèi)，可與銀、銅等布線材料共燒，從而制造出具有良好導(dǎo)熱和電性能多層配線板，很好地滿足了大規(guī)模集成電路小型化、密集化的要求。

熔融石英陶瓷是一種以熔融石英為原料，采用陶瓷生產(chǎn)工藝制成的熔融石英材料。其生產(chǎn)工藝為：制備料漿—澆注成型—毛坯干燥—燒結(jié)—切割磨削加工—成品。相關(guān)的產(chǎn)品應(yīng)用：浮法玻璃窯爐中的閘板磚、流道蓋板；多晶硅錠生產(chǎn)中的方形坩堝；連續(xù)澆鑄鋼水的水口；其他耐高溫耐腐蝕的應(yīng)用。目前，國外生產(chǎn)熔融石英陶瓷制品的廠家主要有美國、法國、日本及俄羅斯的幾家公司。國內(nèi)技術(shù)可以和國外競爭的廠家有蘇州創(chuàng)新陶瓷有限公司其產(chǎn)品主要有玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷輥、浮法玻璃窯用閘板磚、浮法玻璃退火爐用空心輥、鑄鋼用水口、金屬帶材熱處理爐用空心輥、玻璃及冶金窯爐用水口、沖頭、坩堝、爐體、科硫、勻科筒、攪拌棒、料盆、旋轉(zhuǎn)管、焦?fàn)t爐門及上升管內(nèi)襯以及絕緣插件、微波屏、滅弧罩、高效間歇爐用熱絕緣器、激光反射器和其它光學(xué)零件、石英光源用光反射和吸收零件等。此外，在導(dǎo)彈、火箭、雷達等方面也有少量應(yīng)用。其中，玻璃水平鋼化爐用瓷輥、浮法玻璃窯用閘板磚、鑄鋼用水口、玻璃和冶金窯爐用坩堝、爐體、沖頭等制品已形成了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)能力，其產(chǎn)品己在世界范圍內(nèi)銷售，并有部分產(chǎn)品銷售到我國境內(nèi)。金屬帶材熱處理爐用空心輥及滓法玻璃退火爐用空心輥，均是取代耐熱鋼輥、石墨輥及陶瓷涂層輥于近幾年開發(fā)成功的新產(chǎn)品．對推動有關(guān)行業(yè)技術(shù)進步發(fā)揮了積極的作用。

在冶金、建材、化工、航空航天等許多領(lǐng)域，有很多部件都要承受高溫、熱沖擊、腐蝕等惡劣的環(huán)境，采用金屬和有機材料都是難以適應(yīng)的。例如金屬帶材熱處理爐的輥道，以往用石墨制作，由于不耐磨而且易高溫氧化，只能在還原氣氛950℃溫度以下工作，壽命也只有2～4個月。采用具有很好抗熱震性和耐腐蝕性的熔融石英陶瓷，我國研制成功的金屬帶材熱處理爐的熔融石英陶瓷空心輥道，可在氧化、還原或中性氣氛1100℃溫度下使用，壽命一年以上。生產(chǎn)玻璃水平鋼化爐用的熔融石英陶瓷輥棒，打破了進口石英陶瓷輥棒在國內(nèi)的壟斷地位，成為世界上第3個能生產(chǎn)該產(chǎn)品的國家。這種熔融石英陶瓷還用于浮法玻璃窯的多種制品、太陽能多晶硅熔煉用的坩堝、導(dǎo)彈天線罩等，目前已形成年產(chǎn)幾千噸的規(guī)模。

多晶硅鑄錠用石英坩堝的形態(tài)上的發(fā)展趨勢是：大件(G6石英方坩堝規(guī)格達到1040mm×1040mm×500mm)、壁薄(16～20mm)、冷卻過程初始需要快速冷卻(熔融石英的結(jié)晶工藝要求)。準(zhǔn)單晶鑄錠用的熔融石英坩堝還對產(chǎn)品提出了更高的綜合性能，如更好的強度與熱傳導(dǎo)性、更低的顯氣孔率與熱膨脹系數(shù)、更均勻的密度分布等等。對此，業(yè)界窯爐供應(yīng)商ASBKILNS在2011年10月份推出了“復(fù)合脈沖燃燒控制技術(shù)”和“快速冷卻系統(tǒng)”，并將其應(yīng)用至石英方坩堝窯爐設(shè)備中，能使大件壁薄的石英方坩堝制品在升溫與保溫過程獲得更均勻的熱場和快速的冷卻速度，大大提高石英方坩堝的燒成合格率。

4先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料在發(fā)動機上的運用實例

陶瓷早已在汽車零部件中占有一席。用陶瓷做的作為汽車增壓器的轉(zhuǎn)速每分鐘可達10萬次,使壓縮空氣更好地燃燒,而且陶瓷比金屬更能承受其產(chǎn)生的熱量。汽車發(fā)動機發(fā)動后會產(chǎn)生熱量。眾所諸知,減少摩擦,降低發(fā)動機的溫度,減少冷卻液,就可制造出高效率的發(fā)動機。陶瓷發(fā)動機的最大間題是它的脆性。波音公司和它的大學(xué)的學(xué)者正在研制微觀結(jié)構(gòu)陶瓷,把最小的粒子從原材料中分離出來。目前已進入實驗室的研制階段,最終可能發(fā)展成大規(guī)模的生產(chǎn)程序。從電子顯微鏡中可以看到這種結(jié)構(gòu)的均勻性。最終,就是這種在分子甚至在原子基礎(chǔ)上的陶瓷提純法將能排除導(dǎo)致斷裂的雜質(zhì)。在世界上,正掀起一股研制陶瓷發(fā)動機的熱潮。幾年前日本就制定了一個令人矚目的計劃,以便在高技術(shù)陶瓷領(lǐng)域中使日本領(lǐng)先。德國、法國、英國和澳大利亞等國也正在和美國爭奪這一陣地。據(jù)報道，美國和日本在技術(shù)上激烈競爭的下一個戰(zhàn)場將是陶瓷。在美國的產(chǎn)品中,這門古老的陶瓷制造藝術(shù)已發(fā)展到向金屬和塑料制品挑戰(zhàn)的地步。

結(jié)構(gòu)陶瓷具有高溫工況下強度高、耐磨性好、隔熱性好、低密度和低膨脹系數(shù)等性能，廣泛用于發(fā)動機和熱交換零件的制造。陶瓷發(fā)動機的優(yōu)越性為：可以提高發(fā)動機的工作溫度，從而大大提高效率。例如，對內(nèi)燃機而言，目前作為其制造材料的鎳基耐熱合金，工作溫度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，則可以將工作溫度提高到1300℃，使發(fā)動機效率提高30%左右；工作溫度高，可使燃料燃燒充分，所排廢氣中的有害成分大為降低，這不僅降低了能源消耗，而且減少了環(huán)境污染；陶瓷的熱傳導(dǎo)性比金屬低，這使發(fā)動機的熱量不易散發(fā)，節(jié)省能源；陶瓷具有較高的高溫強度和熱傳導(dǎo)性，可延長發(fā)動機的使用壽命。

陶瓷耐腐蝕性強，在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性，被廣泛地用作汽油機點火系統(tǒng)的火花塞的基體。為提高發(fā)動機熱效率、節(jié)約能源，可利用陶瓷材料的耐熱、耐磨、耐腐蝕、高彈性模量(低膨脹系數(shù))、低密度、隔熱性好等特點制作陶瓷絕熱發(fā)動機心，這樣既可防止汽缸內(nèi)熱能損失，又簡化了發(fā)動機的總體構(gòu)造，降低了發(fā)動機重量。近年來的研究表明，由于部分穩(wěn)定氧化鋯具有低熱導(dǎo)率、強度韌性好，低彈性模量，高抗熱沖擊性，高工作溫度(110℃)，ZrO2增韌陶瓷在內(nèi)燃機中的應(yīng)用是成功的。在絕熱發(fā)動機中，韌性氧化鋯還可用做汽缸內(nèi)襯、活塞頂、氣門導(dǎo)管、進氣和排氣閥座、軸承、挺桿、凸輪、凸輪隨動件和活塞環(huán)等零件。

陶瓷活塞一般用于柴油機，在渦流室柴油機中用陶瓷材料代替貴重金屬，可進一步減少冷卻裝置，因此整體成本有望降低。直噴式柴油機中利用晦瓷材料的耐高溫性能在活塞頂部鑲?cè)颂沾蓧K，熱效率、噪聲與排放情況均有所改善。陶瓷活塞中鑲塊的尺寸和形狀應(yīng)選擇適當(dāng)，否則由于材料熱膨脹系數(shù)的差異，會在陶瓷鑲塊上產(chǎn)生應(yīng)力，影響活塞的使用壽命：另外，用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纖維活塞，因其良好的耐磨性，可防止鋁臺金活塞由于熱膨脹系數(shù)大而產(chǎn)生的“冷敲熱拉”現(xiàn)象。根據(jù)不同的需要，陶瓷氣缸套可有以下三種形式：一是缸套內(nèi)表面全部噴涂陶瓷材料。日本小松發(fā)動機即采用此結(jié)構(gòu);二是僅用陶瓷材料做成缸套上圈;三是用金屬和陶瓷材料復(fù)合制成全陶瓷缸套。采用全陶瓷缸套代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣缸套，可防止汽缸內(nèi)熱能損失，簡化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，進而提高熱效率和降低發(fā)動機質(zhì)量。

利用陶瓷材料低密度、耐熱和耐磨的特點，用陶瓷材料制造氣門、氣門座、挺柱、氣門彈簧和搖臂，可以減少氣門座的變形和落座時的彈跳，降低噪聲與振動，延長使用壽命。我國492QA型發(fā)動機在采用陶瓷配氣機構(gòu)后，各種工況下可節(jié)油2%～8%。三菱公司采用陶瓷制成發(fā)動機搖臂，五十鈴公司用氮化硅制成的陶瓷氣門，在使用中也取得了較好的效果。

汽車上應(yīng)用特種陶瓷材料制成的元件還有利用陶瓷絕緣性制成的陶瓷加熱器、利用陶瓷高溫高強度制成的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)化器、熱交換器、發(fā)熱元件接頭和渦輪充電機以及燃氣渦輪機上的渦輪葉輪等零部件。日產(chǎn)公司制造的陶瓷一鋁復(fù)合排氣管，是用Al-Si合金短纖維和陶瓷復(fù)合材料制成排氣管骨架，再澆注熔化的鋁液制成。對于800～900℃的排氣來說，陶瓷絕熱排氣管可取消絕熱板，增加了發(fā)動機室的容積。采用該排氣管可使排氣凈化效果提高2倍，大大降低了排氣污染。阻礙陶瓷發(fā)動機實用化的主要障礙是陶瓷的脆性和由此導(dǎo)致的低可靠性。若能解決這個問題，將會給人類社會的發(fā)展提供強大的推動力。

5先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的發(fā)展前景及趨勢

從世界范圍來看，先進陶瓷的發(fā)展有三種明顯趨勢：技術(shù)進步、全球化及穩(wěn)定增長。美國在先進陶瓷的研究開發(fā)方面居世界首位，日本則在除航天工業(yè)外的其它應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先。

美國的專利傾向于在基礎(chǔ)知識上的創(chuàng)新，日本專利則傾向于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的改進以期有更多的工程應(yīng)用前景。全球化表現(xiàn)在國際問的合作與兼并，如美國Lanxide與日本Nibon Cement的合作,以及法國Saint-Gobain收購美國Nortoo。先進陶瓷將不斷增長，結(jié)構(gòu)陶瓷和電子陶瓷增長穩(wěn)定，陶瓷復(fù)合材料與涂層將在較低的水平上以2位數(shù)的幅度增長。

在美國，先進陶瓷每年獲得的收入超過8億美元，平均增長速度為8%，主要增長行業(yè)來自于電子領(lǐng)域。陶瓷絕緣體，封裝，基板，電容等陶瓷元件不僅在傳統(tǒng)角色中增長顯著，而且結(jié)構(gòu)陶瓷在半導(dǎo)體制造上也發(fā)揮了重要作用。這種發(fā)展的主要驅(qū)動力是來源于碳化硅，氮化鋁，氮化硅和氧化鋁陶瓷在腐蝕環(huán)境下的防腐性能。隨著越來越多的行業(yè)走向“綠色”(無公害)制造，將有耐磨，耐腐蝕陶瓷將更多應(yīng)用在工業(yè)機械上。

美國先進陶瓷發(fā)展的重點為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，目前在航天技術(shù)、汽車、航空器、核工程、醫(yī)療設(shè)備及機械動力等方面進入大范圍使用階段。以氮化硅、碳化硅、氧化鋯陶瓷為主的精密材料陶瓷制品產(chǎn)量占世界總量的60%以上。美國生產(chǎn)的陶瓷軸承，工作溫度高達1300℃以上，其工作強度為普通金屬軸承的5倍以上。美國研制的生物陶瓷產(chǎn)品也已大量用于骨骼修復(fù)，瓷牙修補的臨床應(yīng)用。目前美國特陶工業(yè)界還加緊軍用先進陶瓷的研制開發(fā)，期待逐步加強在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。美國先進陶瓷協(xié)會和美國國家能源部共同推動先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用發(fā)展,到2020年，先進陶瓷以其優(yōu)越的高溫性能以及其他獨特性能，成為一種經(jīng)濟適用的首選材料，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)、能源、航天、交通、軍事以及消費品制造等領(lǐng)域。

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加強，結(jié)構(gòu)陶瓷作為機械行業(yè)在飛速發(fā)展的同時也面臨著激烈的市場競爭。目前我國各行業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的材料多為金屬，金屬材料的使用已有上百年的歷史，其間雖然也經(jīng)過結(jié)構(gòu)及材料的改進，但受金屬材料自身條件的限制，越來越不能適應(yīng)高磨損、強腐蝕等惡劣工況的需要，主要體現(xiàn)在使用壽命短、磨損嚴重，大大影響了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的金屬部件急需從材料、設(shè)計及制造工藝等方面徹底革新。陶瓷材料作為21世紀的新材料，具有非常高的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量和硬度。優(yōu)異的性能使之受到了越來越多的科學(xué)工作者的重視。

結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研發(fā)必需以市場為導(dǎo)向，應(yīng)用為目標(biāo)，提高陶瓷材料的斷裂韌性，降低性能離散性，提高使用可靠性．降低制造成本等為首要任務(wù)。進一步加強基礎(chǔ)研究和制備過程的關(guān)鍵技術(shù)的研究。陶瓷材料的離散性和性能的可靠性是密切相關(guān)的，主要取決于結(jié)構(gòu)陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)及均勻性。分析整個材料的制備過程不難發(fā)現(xiàn)，粉體制備、制品成型及燒結(jié)過程均會對材料性能的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，深入研究結(jié)構(gòu)陶瓷材料制備科學(xué)與技術(shù)問題是十分重要的。國內(nèi)外發(fā)展趨勢是要求制各出具有超細、解聚與分散性好的粉體。在各種粉體制備工藝的基礎(chǔ)上研究粉體的結(jié)構(gòu)及微量雜質(zhì)對性能的影響，采用了多種方法對超細粉體進行表面處理、分散以達到均勻、超細與基本無團聚的粉體。

高性能結(jié)構(gòu)陶瓷精密異型部件(包括特大或特小尺寸精密部件)的成型是制備工藝中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的干壓成型由于粉料與模具的摩擦阻力，壓力傳遞的梯度效應(yīng)等易導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，而注漿成型易造成素坯分層，素坯強度也較低等缺點。九十年代，美國橡樹嶺國家實驗室首次提出了凝膠注模成型技術(shù)，該技術(shù)低成本、適于批量化、近凈尺寸成型與原位凝固技術(shù)特點，操作方法簡，且成本低廉，所得素坯強度高，易于精密加工。適應(yīng)復(fù)雜形狀的制各要求。同時，與壓力注漿相比，凝膠注模成型更易于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，這對降低成本是至關(guān)重要的。研究材料內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生、遺傳、變異的規(guī)律和通過對缺陷的消除與控制，提高可靠性缺陷是材料微觀結(jié)構(gòu)中不可避免的，如何盡量減少它的產(chǎn)生，了解它的性質(zhì)及控制的方法是保證可靠性至關(guān)重要的問題，研究缺陷的性質(zhì)及其發(fā)展的關(guān)系可以指導(dǎo)控制缺陷。缺陷在燒結(jié)過程生成理論不僅與工藝過程有關(guān)，還與原材料的純度、表面特性、均勻性及固有缺陷相關(guān)。研究這方面的學(xué)科問題具有重要意義。

研究可靠性的評價系統(tǒng)與評價技術(shù)基礎(chǔ)。材料可靠性的評價涉及粉體表面特征及表征、坯體和燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)特征及其表征：涉及到材料中缺陷產(chǎn)生、遺傳、變異過程的動態(tài)觀察與分析表征；涉及材料顯微結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系：涉及建立材料及工藝因素對材料性能影響的數(shù)據(jù)庫。采用電境顯微術(shù)對粉體、坯體和燒結(jié)體的靜態(tài)和動態(tài)觀察與分析。從微觀力學(xué)與宏觀力學(xué)方面的理論與實驗，結(jié)合先進實驗分析手段對材料的可靠性進行評價，研究微缺陷元存在、發(fā)生和發(fā)展的理論，為控制缺陷提供指導(dǎo)，并結(jié)合無損評價技術(shù)對材料檢測為其評價提供依據(jù)。對結(jié)構(gòu)陶瓷素坯及成品的無損檢測，是保障結(jié)構(gòu)陶瓷材料可靠性的重要措施，同時，對研究結(jié)構(gòu)陶瓷材料缺陷的產(chǎn)生及變化也有十分重要的作用。

未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，先進陶瓷市場將繼續(xù)增長并帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益，如減少維護費用、提高設(shè)備使用壽命、減少生產(chǎn)能耗、減少環(huán)境污染等。

6結(jié)束語

多來年，中國陶瓷材料研究工作者堅持科研為國民經(jīng)濟服務(wù)、為國防建設(shè)服務(wù)的方針，以國民經(jīng)濟各部門發(fā)展所提出的急需來選擇科研課題，有的放矢地開展結(jié)構(gòu)陶瓷新材料新產(chǎn)品的研究，取得立竿見影的效果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，陶瓷材料配方、成型、加工及裝配工藝等各方面的技術(shù)更加趨于成熟和完備，先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料越來越多地在高新技術(shù)工程領(lǐng)域中的運用，其優(yōu)異的性能會得到越來越多的業(yè)內(nèi)人士和消費者的認同。

Explore New Structure Ceramic Materials and Its Application and Development

Xiao Yongqing

(Hubei shiyan new chemical materials company,Shiyan 442001)

Abstract:The structure of advanced ceramic material with a series of excellent performance, in saving energy, saving precious metal resources, promote the environmental protection, improve production efficiency, extend the life of machinery and equipment, ensure the realization of high and new technology and cutting-edge technology has played a positive role in such aspects as, received extensive attention of the industry. According to the advanced structural ceramics in the application of industrial engineering benefit is remarkable, analyzes the main composition of advanced structural ceramics, performance characteristics and application fields of research for new product development of advanced structural ceramics, introduces the advanced structure ceramic materials on the engine using instance, at the same time points out the prospect and tendency of the development of advanced structural ceramics materials.

Key words:new structure; ceramic materials; development

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.02.007