試論我國精細陶瓷發展趨勢

劉成功

遼寧大學輕型產業學院，遼寧沈陽 110036

精細陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制工藝燒結的高性能陶瓷，因此，又稱先進陶瓷或精細陶瓷。精陶材料將成為名副其實的耐高溫的高強度材料，從而可用作包括飛機發動機在內的各種熱機材料、燃料電池發電部件材料、核聚變反應堆護壁材料、無公害的外燃式發動機材料等。

1 精細陶瓷與傳統陶瓷的主要區別

在原料上，突破了傳統陶瓷以粘土為主要原料的界限，精細陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等為主要原料。在成分上，傳統陶瓷的組成由粘土的成分決定，所以不同產地和爐窯的陶瓷有不同的質地。由于精細陶瓷的原料是純化合物，因此，成分由人工配比決定，其性質的優劣由原料的純度和工藝，而不是由產地決定。在制備工藝上，突破了傳統陶瓷以爐窯為主要生產手段的界限，廣泛采用真空燒結，保護氣氛燒結、熱壓、熱靜壓等手段。在性能上，精細陶瓷具有不同的特殊性質和功能，如高強度、高硬度、耐腐蝕、導電、絕緣以及在磁、電、光、聲、生物工程各方面具有的特殊功能，從而使其在高溫、機械、電子、宇航、醫學工程各方面得到廣泛的應用。

2 精細陶瓷的制作工藝

2.1 成形方法與結合劑的選擇

精細陶瓷成形方法有很多種，生產中應根據制品的形狀選擇成形方法，而不同的成形方法需選用的結合劑不同。常見陶瓷成形方法、結合劑種類。

結合劑可分為潤滑劑、增塑劑、分散劑、表面活性劑（具有分散劑和潤滑功能）等，為滿足成形需要，通常采用多種有機材料的組合。結合劑的分子量大小要適中。要想充分潤濕，希望分子量小，但內聚力弱。隨著分子量增大，結合能力增強。但當分子量過大時，圍內聚力過大而不易被潤濕，且易使坯體產生變形。為了幫助分子內的鏈段運動，此時要適當加入增塑劑，在其容易潤濕的同時，使結合劑更加柔軟，便于成形。為保證產品質量，還需要防止從結合劑、原材料和配制工序混入雜質，使產品產生有害的缺陷。

2.2 陶瓷注射成形和成形用結合劑

氮化硅等精細陶瓷材料具有高強度、高耐磨性、低密度（輕量化）、耐熱性、耐腐蝕性等優良性能，適用于制造渦輪加料機葉輪、搖臂式燒嘴、輔助燃燒室等汽車用陶瓷部件。這些部件要求復雜的形狀、高精度尺寸和高可靠性。不允許有內在缺陷（裂紋、氣孔、異物等）和表面缺陷。能滿足這些質量要求的成形技術之一，就是陶瓷注射成形法。陶瓷注射成型技術來源于高分子材料的注塑成型，借助高分子聚合物在高溫下熔融、低溫下凝固的特性來進行成型的，成型之后再把高聚物脫除。比傳統的陶瓷加工工藝要簡單的多，能制造出各種復雜形狀的高精度陶瓷零部件，且易于規模化和自動化生產。

2.3 陶瓷擠壓成形和成形用結合劑

堇青石由于具有耐熱性、耐腐蝕性、多孔質性、低熱膨脹性等優良材料特性，所以廣泛用作汽車尾氣凈化催化劑用載體。堇青石蜂窩狀物利用原料粒子的取向，產生出蜂窩狀結構體的低熱膨脹，可用擠壓成形法來制造。

原料粉末、結合劑、助劑（潤滑劑、界面活性劑等）及水經機械混練后，用螺桿擠壓機連續式擠壓或用油壓柱塞式擠壓機擠壓成形。一般來說，擠壓成形使用的結合劑只要用低濃度水溶液，便可顯示出高粘性的結合性能。常用的有甲基纖維素（MC）、羧甲基纖維素（CMC）、聚氧乙烯（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、羥乙基纖維素（HEC）等。MC能很好溶于水中，當加熱時很快膠化。CMC能很好溶于水中，分散性、穩定性也高。PVA 廣泛地用于各種成形。潤滑劑可減少粉體間的摩擦，界面活性劑可提高原料粉末與水的潤濕性。有機材料是精細陶瓷的主要結合劑，合理選用這些有機材料是保證產品質量的關鍵。在生產中，應根據粉料的特性、制品的形狀、成形方法綜合進行選擇。

3 精密陶瓷發展趨勢

3.1 精細陶瓷的發展方向主要集中在高溫結構陶瓷方面

目前，在航天科技、汽車、航空器、軍工、核工程、醫療設備及機械動力等方面，已經進入大規模與大范圍使用階段。美國的氮化硅、碳化硅、氧化鋯陶瓷為主的精密陶瓷材料研究與推廣生產，已取得快速發展，產品的產量已占到世界總產量的60%以上。陶瓷軸承工作溫度高達1 300oC以上，其工作強度為普通金屬材料5倍以上。耐熱氧化鋯陶瓷瓦可以忍耐高達6 000oC的航天高溫摩擦，被大量用作航天飛機的盔甲。其研制的生物陶瓷產品已經被應用于骨骼修復、瓷牙修補等方面。陶瓷活塞蓋、排氣管內襯、渦輪增壓轉子及燃氣輪轉子等研究工作正在有條不紊地進行。

3.2 精細陶瓷制品傾向于精密陶瓷敏感元件

精密陶瓷敏感元件，已占據國際市場主要份額。包括熱敏、壓敏、磁敏、光敏、氣敏材料在內的各種精密陶瓷產品，壟斷了很大部分的國際市場。如采用了大量精密陶瓷材料的新型數碼相機與新一代的高清晰電視機等產品中，均使用了大量的敏感陶瓷元器件。此外，目前，正在試驗的高性能陶瓷電池，以固態材料替代液態酸溶液，要比傳統的電池重量輕2/3，且對環境污染小，尤其適應于電動汽車及航天器使用。此外，眾所周知，開發研制的陶瓷汽車發動機，已經部分得到了應用。我國作為傳統陶瓷生產大國，目前也正在將發展目標緊盯在高科技的特殊陶瓷與精密陶瓷研制與創新方面。首先，我國載人航天神舟飛船工程中，大量采用了高溫陶瓷材料及精密敏感陶瓷產品。這些極具各種優越、特殊功能的陶瓷材料與敏感元器件，支撐著航天事業的快速進展。另外，在傳統的機械加工方面，已經先后推廣使用了新一代的金屬切削工具如陶瓷刀具；作為世界上最大的日用家電產品生產國，許多家電產品中的各類敏感元件的使用范圍更廣，數量更多，熱敏、磁敏、光敏陶瓷材料等方面的生產正在蓬勃興起。這樣對國內精細陶瓷產品的研制與生產，提出了更多的要求。

精細陶瓷是新型材料中特別值得注意的一種，它有廣闊的發展前途。這種具有優良性能的精細陶瓷，有可能在很大的范圍內代替鋼鐵以及其他金屬而得到廣泛應用，達到節約能源、提高效率、降低成本的目的；精細陶瓷和高分子合成材料相結合，可以使交通運輸工具輕量化、小型化和高效化。

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