高性能新型陶瓷材料的介紹與研究現狀

藍天旺 黃南興

摘 要：本文講述了高性能新型陶瓷的幾種分類，包括透明陶瓷、納米陶瓷膜和汽車發動機陶瓷。同時探討了這幾種陶瓷的基本狀況、制備工藝及應用等問題。

關鍵詞：透明陶瓷;納米陶瓷膜;發動機陶瓷

1 高性能新型陶瓷的基本概況

高性能陶瓷也稱精細陶瓷、先進陶瓷、高技術陶瓷、特種陶瓷、新型陶瓷等。它以其特有的輕質、高強度、高硬度、耐摩擦、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等一系列優異的性能，為金屬、有機高分子材料所無法匹敵，成為航天、新能源、新材料、微電子、激光、海洋工程和生物工程等高技術的重要組成部分和不可缺少的物質基礎。因此，各國科學家、政府及產業部門投入了大量的研究人力和物力，競相占領這一制高點。然而，目前尚需研究和解決的問題很多，其中成型工藝及其基礎理論的研究是制備高性能陶瓷材料及其部件的關鍵，是材料設計和配方實現的前提，是限制高性能陶瓷實用化和產業化的主要問題之一。

近年來，隨著高性能陶瓷的應用和研究日益活躍，傳統的成型方法如干壓成型、注漿成型等已不能滿足各行業對陶瓷材料用途和制品形狀的要求，新的成型工藝不斷涌現。本文旨在對高性能陶瓷成型工藝的重要性及目前研究進展作一綜述，并對今后新工藝的研究與開發提出作者的見解。

陶瓷制品及材料的種類繁多，其用途和制品形狀也涉及許多方面，故它們的制備工藝也多種多樣。一般來說，陶瓷的制備工藝可概括為四步，即粉體的制備與處理技術（包括配料與混料技術）、成型、燒結和最終制品的精加工。這一看似簡單的過程，實則包含著相當復雜的內容。

陶瓷作為一門粉體科學技術，顆粒的特性諸如形狀、大小、分布及表面特性、純度等直接影響著材料及制品的成型與燒結性能。因此，高質量的粉體是陶瓷制備工藝的基礎。為了制備高性能的陶瓷材料及其制品，其粉體向高純、超細方面發展。但由于范德華引力的存在，顆粒團聚無處不在。團聚體的存在將直接影響成型坯體的性能（如：均勻性、密度、氣孔分布等）及制品燒結過程中的變形、開裂及其它燒結行為;另外，陶瓷復合材料如晶須或纖維復相陶瓷、納米復相陶瓷等要求兩相或多相顆粒在坯體中均勻分散，以發揮材料潛力，達到增強增韌的目的。

2 透明陶瓷

2.1 透明陶瓷特點

自1962年R.L.Coble首次報道成功制備了透明氧化鋁陶瓷材料以來，為陶瓷材料開辟了新的應用領域。這種材料不僅具有較好的透明性，且耐腐蝕，能在高溫高壓下工作。還有許多其它材料無可比擬的性質，如強度高、介電性能優良、低電導率、高熱導性等，所以逐漸在照明技術、光學、特種儀器制造、無線電子技術及高溫技術等領域獲得日益廣泛的應用。近38年來，世界上許多國家，尤其是美國、日本、英國、俄羅斯、法國等對透明陶瓷材料作了大量的研究工作，先后開發出了Al2O3、Y2O3、MgO、CaO、TiO2、ThO2、ZrO2等氧化物透明陶瓷以及AlN、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2等非氧化物透明陶瓷。

2.2 透明陶瓷的制備工藝

透明陶瓷的制備過程包括制粉、成型、燒結及機械加工的過程。為了達到陶瓷的透光性，必須具備以下條件：①致密性高;②晶界沒有雜質及玻璃相，或晶界的光學性質與微晶體之間差別很小;③晶粒較小而且均勻，其中沒有空隙;④晶體對入射光的選擇吸收很小;⑤無光學各向異性，晶體的結構最好是立方晶系;⑥表面光潔度高。因此，對制備過程的每一步，都必須精確調控，以制備出良好的透明陶瓷材料。

2.2.1 粉料制備

透明陶瓷的原料粉有四個要求：①具有很高的純度和分散性;②具有較高的燒結活性;③顆粒比較均勻并呈球形;④不能凝聚，隨時間的推移也不會出現新相。

傳統的粉料制備方法主要有固相反應法、化學沉淀法、溶膠-凝膠法以及不發生化學反應的蒸發-凝聚法和氣相化學反應法。除此之外，新的陶瓷制粉工藝也不斷地涌現出來，如激光等離子體法、噴霧干燥法和自蔓延法等。

制備粉料的方式對陶瓷的透光性有很大的影響。金屬氧化物球磨方法制備粉料，粉料的細度不能得到保證;固相反應時粉料的活性低、顆粒粗;即使采用熱壓法燒結也不易形成高密度的陶瓷，且陶瓷的化學組成和均勻性差。而化學工藝制備粉料的顯著特點是能獲得純度均勻、細顆粒的超微粉，合成溫度顯著下降。這種粉料制備的陶瓷，其致密度可達到理論密度的99.9%或更高。一般的化學方法，包括沉淀法、溶膠-凝膠法等制備出的原料粉具有高的分散度，從而保證其良好的燒結活性。這是因為高分散度的顆粒具有較大的表面能，而表面能是燒結的動力。同時，用化學方法制備陶瓷原料粉能較好的引入各類添加劑。他們將金屬鋁和鎂分別與異丙醇、乙醇反應生成醇鹽化合物，再將其混合、水解、干燥、高溫煅燒，即得到性能良好的尖晶石粉料以制備透明鋁酸鎂陶瓷。

2.2.2 成型技術

透明陶瓷成型可以采用各種方法，如泥漿澆注、熱塑泥漿壓鑄、擠壓成型、干壓成型以及等靜壓成型等。

干壓成型是將粉料加少量結合劑，經過造粒然后將造粒后的粉料置于鋼模中，在壓力機上加壓形成一定形狀的坯體。干壓成型的實質是外力作用下，借助內摩擦力牢固地把各顆粒聯系起來，保持一定的形狀。實踐證明，坯體的性能與加壓方式、加壓速度和保壓時間有較大的聯系。干壓成型具有工藝簡單、操作方便、周期短、效率高、便于實行自動化生產等優點。而且制出的坯體密度大、尺寸精確、收縮小、機械強度高、電性能好。但干壓成型也有不少缺點，如模具磨損大、加工復雜、成本高、加壓時壓力分布不均勻。這種不均勻導致密度不均勻和收縮不均勻，以致產生開裂、分層等現象。

等靜壓成型是利用液體介質不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法，它將配好的坯料裝入塑料或橡膠做成的彈性模具內，置于高壓容器中，密封后打入高壓液體介質，壓力傳遞至彈性模具對坯體加壓。等靜壓成型有以下特點：①可以生產形狀復雜、大件及細長的制品，而且成型質量高;②成型壓力高，而且壓力作用效果好;③坯體密度高而且均勻，燒成收縮小，不易變形;④模具制作方便、壽命長、成本較低;⑤可以少用或不用粘結劑。

2.2.3 燒結方法

透明陶瓷的燒結方法多種多樣，最常用的是常壓燒結。這種方法生產成本低，是最普通的燒結方法。除此之外，人們還采用不少特種燒結方法，如熱壓燒結、氣氛燒結、微波燒結及SPS放電等離子燒結技術。

熱壓燒結是在加熱粉體的同時進行加壓，因此燒結主要取決于塑性流動，而不是擴散。對于同一種材料而言，壓力燒結與常壓燒結相比，燒結溫度低很多，而且燒結體中氣孔率也低;另外由于在較低的溫度下燒結，就抑制了晶粒的成長，所得的燒結體致密，且具有較高的強度。熱壓燒結的特點是加熱、冷卻時間長，而且必須進行后加工，生產效率低，只能生產形狀不太復雜的制品。

氣氛燒結是透明陶瓷常用的一種燒結工藝。為了使燒結體具有優異的透光性，必須使燒結體中氣孔率盡量降低（直至零）。但在空氣中燒結時，很難消除燒結后期晶粒之間存在的孤立氣孔。相反，在真空或氫氣中燒結時，氣孔內的氣體被置換而很快地進行擴散，氣孔就易被消除。除了Al2O3透明陶瓷外，MgO、BeO、Y2O3等透明陶瓷均可以采用氣氛燒結。

微波燒結是利用在微波電磁場中材料的介電損耗使陶瓷及其復合材料整體加熱至燒結溫度而實現致密化的快速燒結的新技術。微波燒結的速度快、時間短，從而避免了燒結過程中陶瓷晶粒的異常長大，最終可獲得高強度和高致密度的透明陶瓷。微波燒結工藝中的關鍵是如何保證燒結試樣的溫度均勻性和防止局部區域熱斷裂現象，這可以從改進電場的均勻性和改善材料的介電、導熱性能等方面考慮。

SPS放電等離子燒結是90年代發展并成熟的一種燒結技術，其裝置如圖1所示。SPS裝置設備非常類似于熱壓燒結爐，所不同的是這一過程給一個承壓導電模具加上可控脈沖電流，脈沖電流通過模具，也通過樣品本身，并有一部分貫穿樣品與模具間隙。通過樣品及間隙的部分電流激活晶粒表面，擊穿孔隙內殘余氣體，局部放電甚至產生等離子體，促進晶粒間的局部結合。通過模具的部分電流加熱模具，給樣品提供一個外在加熱源。所以，在SPS過程中樣品同時被內外加熱，加熱可以很迅速。又因為僅僅模具和樣品導通后得到加熱，截斷后它們即實現快速冷卻，冷卻速度可達300℃/min以上。

3 納米陶瓷膜

納米陶瓷膜產生于21世紀初，是氧化樹脂的氧化物，利用光譜篩選的隔熱原理，用最先進的納米技術與優越的噴濺技術制造生產而成。將1米的10億分之一的納米陶瓷物質，均勻涂層在高透明、高品質的聚酯薄膜上，就制成了世界上最先進的能夠具有光譜選擇性，只篩選可見光的納米陶瓷隔熱膜。納米陶瓷膜具有分離效率高、效果穩定、化學穩定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機械強度高、膜再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護簡便、膜使用壽命長等眾多優勢，并且對GPS信號無任何屏蔽作用。納米陶瓷隔熱膜是21世紀的航天領域高科技產品，該產品起先應用于美國軍事、航空、航天領域，如美國航天飛機表面的蜂窩陶瓷涂層等。

3.1 納米陶瓷膜的性能特點

陶瓷隔熱膜系列既不是染色膜也不是金屬膜，由導電性物質氮氧化物組成，具有獨特的分子結構，它是一種性能獨特并持久耐用的復合陶瓷膜結構。由于納米陶瓷膜的特殊結構使其具有眾多優異特性。其具有阻隔紅外線、分離效率高、效果穩定、化學穩定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染等眾多優勢。能夠保持最高的可見光透射率的同時，又能提供最高的紅外線和遠紅外線的反射，顏色持久度高達10年以上。另外它還大大改善了霧度的問題，收縮能力也大大加強，施工安裝變得非常容易。表1是納米陶瓷膜與傳統金屬膜特性的對比。

3.2 納米陶瓷膜的研究現狀及應用

納米陶瓷膜目前主要采用納米材料積淀技術，有別于PET表面涂布納米陶瓷，而是將納米陶瓷材料混合到PET基材顆粒，從而使產品性能達到前所未有的穩定。在金屬膜的技術上通過納米陶瓷技術，采用先進的真空磁控濺射工藝，用精微的納米狀陶瓷物質來制造，從而使產品對光進行智能濾光篩選，最大限度阻隔熱量，性能大大優于單純金屬薄膜。此外，納米陶瓷膜的生產還采用了高隔熱低反光技術，一方面可以使薄膜有效隔熱率超過90%，提高室內舒適度和節省能源;另一方面卻沒有增加薄膜的反光（通常提高隔熱能力的同時，總是要加強隔熱膜的反光，這樣會使得室內可見光大量損失，并且使得通信信號大幅減弱;強烈的內反光極易干擾視線，引起視覺疲勞）。

對于建筑物門窗玻璃、汽車車窗玻璃、船艦玻璃對可見光的透過性有較高的要求，但在滿足采光需要而使可見光透過的同時，太陽光的熱量也隨著傳遞。因此，對室內溫度和空調制冷能耗產生很大影響。特別是在夏季，透過玻璃窗進入室內的太陽熱量構成了空調負荷的主要因素。通?？照{的設定溫度與負荷具有如下關系：設定的制冷溫度提高2℃，制冷電力負荷將減少約20%;設定的制熱溫度調低2℃，制熱電力負荷將減少約30%。為了節約能源，人們采用了金屬鍍膜熱反射玻璃和各種熱反射貼膜，用以反射部分太陽光中的能量，從而達到隔熱降溫的目的。但是，這些產品存在的在可見光區的不透明性和高反射率問題，限制了它們的應用范圍。而且，有的產品隔熱效果不佳，有的透光率較低，有的則需要昂貴的設備，工藝條件的控制也很復雜。納米陶瓷膜的出現，為透明隔熱問題的解決提供了新的途徑，具有廣闊的應用前景及市場價值。

4 汽車發動機陶瓷

汽車發動機陶瓷是碳化硅和氮化硅等無機非金屬燒結而成。與以往使用的氧化鋁陶瓷相比，強度是其3倍以上，能耐1000℃以上高溫，新材料推進了汽車上新用途的開發。例如：要將柴油機的燃耗降低30%以上，可以說新型陶瓷是不可缺少的材料。現在汽油機中，燃燒能量中的78%左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的，柴油機熱效率為33%，與汽油機相比已十分優越，然而仍有60%以上的熱能量損失掉。因此，為減少這部分損失，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進行隔熱，進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量，有實驗證明，這樣可把熱效率提高到48%。

同時，由于新型陶瓷的使用，柴油機瞬間快速啟動將變得可能。采用新型陶瓷的渦輪增壓器，它比當今超耐熱合金具有更優越的耐熱性，而比重卻只有金屬渦輪的三分之一。因此新型陶瓷渦輪可以補償金屬渦輪動態響應低的缺點。其它正在進行研究的還有——采用新型陶瓷的活塞銷和活塞環等運動部件。由于重量的減輕，發動機效率可望得到提高。

由于陶瓷材料具有優良的耐熱性、耐磨性、隔熱性及重量輕等優點，故使用陶瓷材料替代金屬制備熱機部件的技術受到了世界各國的高度重視。目前，發動機的主要零部件，如活塞、氣缸蓋、氣門、排氣管、渦輪增壓器、氧傳感器及火花塞等都可用先進的陶瓷材料來制造，并研制出了無水冷的絕熱陶瓷發動機。另外為了防止汽車廢氣對大氣環境的影響，各國都采取措施，制定嚴格的排放標準，這些都促進了汽車工業用新技術的開發以及新材料的研究，特別是在發動機用先進陶瓷材料方面取得了較大的進展，并在近年來的技術創新中發揮著更重要的作用。

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