国外特种陶瓷发展新动向

1、前言

特种陶瓷有热压铸、热压、静压及气相沉积等多种成型方法，这些陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷或高技术陶瓷，在日本称为精细陶瓷。特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。

由于性能特殊，这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。一些经济发达国家，特别是日本、美国和西欧国家，为了加速新技术革命，为新型产业的发展奠定物质基础，投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷，因此特种陶瓷的发展十分迅速，在技术上也有很大突破。特种陶瓷在现代工业技术，特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。本世纪初特种陶瓷的国际市场规模预计将达到 500 亿美元，因此许多科学家预言：特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，必定会占据十分重要的地位。

2、生产工艺技术方面的新进展

（1）粉末制备

在粉末制备方面，目前最引人注目的是超高温技术。利用超高温技术不但可廉价地研制特种陶瓷，还可廉价地研制新型玻璃，如光纤维、磁性玻璃、混合集成电路板、零膨胀结晶玻璃、高强度玻璃、人造骨头和齿棍等。此外，利用超高温技术还可以研制出钽、钼、钨、钒铁合金和钛等能够应用于太空飞行、海洋、核聚变等尖端领域的材料。例如日本在 4000—15000℃和一个大气压以下制造金刚石，其效率比现在普遍采用的低温低压等离子体技术高一百二十倍。

超高温技术具有如下优点：能生产出用以往方法所不能生产的物质；能够获得纯度极高的物质；生产率会大幅度提高；可使作业程序简化、易行。目前，在超高温技术方面居领先地位的是日本。据统计，2000 年日本超高温技术的特种陶瓷市场规模也将会超过 20 万亿日元。此外，溶解法制备粉末、化学气相沉积法制备陶瓷粉末、溶胶-凝胶法生产莫来石超细粉末以及等离子体气相反应法等也引起了人们的关注。在这几种方法中，绝大部分是近年开发研究出来的或是在近期得以完善的。

（2）成型及烧结

在成型及烧结方面，热等静压法最为引人注目。该法与热压法相比能使物料受到各向同性的压力，因而瓷质均匀；此外热等静压法可以施加几千个大气压的高压，材料能够在更低温度下完成烧结。目前市面上热等静压设备常规最高使用温度及压力为 2000℃，2000 个大气压。

（3）特种陶瓷精密加工

在特种陶瓷的精密加工方面，真空扩散焊接法是一种最有前途的方法。采用真空扩散焊接法不仅可获得高强度、高致密度、高几何尺寸精度的金属陶瓷制品 (泄漏率不大于 5×10ˉ¹¹ 立方米・帕 / 秒)，而且无需使用贵重的稀有焊料，可用于制作各种形状、各种尺寸，特别是大规格的金属陶瓷制品。

另外，采用刀具加工陶瓷也引起了人们的极大兴趣。目前，这方面的工作仅处于研究实验阶段，由于用超高精度的车床和金刚石单晶车刀进行加工，以微米数量级的微小吃刀深度和微小的走刀量，能获得 0.1 微米左右的加工精度，因而许多国家把这种加工技术作为超精密加工的一个方面而加以开发研究。

3、应用方面的新发展

特种陶瓷由于拥有众多优异性能，因而用途广泛，按材料性能分类如下：

• 耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于原子能相关高温结构材料、高温电极材料等；
• 隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料，用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等；
• 导热性优良的特种陶瓷极有希望用作大规模集成电路、超大规模集成电路电子器件的散热片；
• 耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛，当前研发集中在轴承、切削刀具方向；
• 高强度陶瓷可用于燃气轮机燃烧器、叶片、涡轮、套管等；也可用于机床床身、轴承、燃烧喷嘴等机械部件。美国、日本、德国投入大量资源布局，代表材料有氮化硅、碳化硅、塞隆、氮化铝、氧化锆等；
• 具备自润滑特性的六方氮化硼陶瓷备受关注，国外正在加紧研发；
• 生物陶瓷方向，氧化铝、磷灰石材料用于人工牙齿、人工骨、人工关节的研究持续推进。

4、今后研究与开发的重点

• 特种陶瓷基础技术研究：烧结机理、检测技术、粉体制备技术等；
• 超导陶瓷的研究；
• 特种陶瓷薄膜化、非晶化技术，是提升陶瓷功能的重要方向；
• 陶瓷纤维化技术，重点是碳化硅、氮化硅陶瓷纤维及晶须增强金属基复合材料；
• 多孔陶瓷材料开发；
• 陶瓷基复合材料研发：陶瓷增强陶瓷、陶瓷纤维增强金属；
• 非氮化物陶瓷方向：陶瓷发动机、高压热交换器、陶瓷刀具；
• 生物陶瓷，适配生物医学场景的新材料开发。