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精细陶瓷的应用与研究

西安电子科技大学2011学年第 2 学期

课程电子陶瓷工艺原理课程题目精细陶瓷的应用与研究

学生姓名吴宪洋

学号05091065

班级05091102

任课教师张显

专业电子科学与技术

所属学院技术物理学院

精细陶瓷的应用与研究

摘要:

精细陶瓷在社会上被人们所认识已经历了相当一段时间,这期间,在产业界以及大学、研究机构等部门,许多技术人员和研究人员对精细陶瓷产生了兴趣,并进行了研究开发。随着对上述精细陶瓷兴趣的增长以及研究的深入,就提出了各种各样关于精细陶瓷的问题,这对于精细陶瓷来说,也是令人非常欣喜的事情。也就是说,由于许多人对此产生了兴趣,想出了关于精细陶瓷的各种利用方法,其应用范围就逐渐扩大了。但是,另一方面,也恐怕有对精细陶瓷的认识停滞在一知半解的水平上,从而对精细陶瓷抱有过大希望的可能,精细陶瓷它以抗高温、超强度、多功能等优良性能,在新材料世界独领风骚。本文主要论述了精细陶瓷的制作工艺及其发展趋势。

关键词:精细陶瓷、特种陶瓷、功能陶瓷、烧结技术、成型方法与粘合剂引言:

新材料是发展高新技术的物质基础,也是改造传统产业的必备条件,因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域(生物、信息、能源、材料、空间技术和海洋工程)之一。特种陶瓷(又称高性能陶瓷,先进陶瓷,精细陶瓷,高技术陶瓷等)是新材料的一个组成部分,由于它具有其他材料所没有的各种优良性能,例如:耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀、优异的电、磁、声、光、热学件能等,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料,在国防现代化建设中,武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。除此之外,在当今世界各国把环境保护作为重要的问题来考虑时,以环境保护、生活优化为背景的环境净化功能陶瓷的研究与开发也必然对改善人类生存环境,实施可持续发展战略起到积极的推

动作用。由此可见,特种陶瓷在国民经济建设及国防建设中的作用和地位是十分重要的。

目前特种陶瓷的研发方向主要有一下几个方面:

①特种陶瓷基础技术的研究,例如烧结机理、检测技术和粉末制备技术等;

②超导陶瓷的研究;

③特种陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法,因而许多国家都把它作为一项主要内容而加以研究;

④陶瓷的纤维化是研制隔热材料、复合增强材料等的重要基础,目前国外,尤其是日本对陶瓷纤维及晶须增强金属复合材料的研究极为重视,其研究主要集中于碳化硅及氮化硅;

⑤多孔陶瓷由于具有特殊结构,所以引起了各界的重视;

⑥陶瓷与陶瓷或陶瓷与其它材料复合(陶瓷纤维增强陶瓷,陶瓷纤维增强金属)问题也是现阶段的研究重点。

⑦在非氮化物陶瓷中,目前国外研究最多的是陶瓷发动机,高压热交挽器及陶瓷刀具等;

⑧随着生物化学,生物医学这些新兴学科的发展,生物陶瓷的开发研究也变得越来越重要。

但是结构陶瓷本身面临最大的问题是成本高、可靠性和重复性的问题。因此,研究开发低成本、高可靠性的制备技术是扩大特种陶瓷应用领域,保证其持续发展的重要问题。这就要求在新的科研理论和实践成果来为精细陶瓷业的稳步发展提供更加先进的技术支持。

一、精细陶瓷的简介:

fine ceramics 又称高性能陶瓷、高技术陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷两大类。前者主要利用它们的高硬度、高熔点、耐磨损、耐腐蚀性能,又称结构陶瓷;后者主要利用它们的光、声、电、热、磁等物理特性,又称电子陶瓷。按化学组成可分成氧化物类和非氧化物类。前者包括各

种氧化物和含氧酸盐;后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一类一般作功能陶瓷用,后一类作工程陶瓷用。有些品种用于制造发动机部件、汽车部件、电视机、吹风机、火灾警报器、高温挤型模具等。还可用于制造耐高温喷嘴,适合国防的需要。

特种陶瓷是二十世纪发展起来的,在现代化生产和科学技术的推动和培育下,它们"繁殖"得非常快,尤其在近二、三十年,新品种层出不穷,令人眼花缭乱。按照化学组成划分有:

①氧化物陶瓷:氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铍、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、二氧化钍、三氧化铀等。

②氮化物陶瓷:氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化铀等。

③碳化物陶瓷:碳化硅、碳化硼、碳化铀等。

④硼化物陶瓷:硼化锆、硼化镧等。

⑤硅化物陶瓷:二硅化钼等。

⑥氟化物陶瓷:氟化镁、氟化钙、三氟化镧等。

⑦硫化物陶瓷:硫化锌、硫化铈等。

⑧砷化物陶瓷:硒化物陶瓷,碲化物陶瓷等。

除了主要由一种化合物构成的单相陶瓷外,还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。例如,由氧化铝和氧化镁结合而成的镁铝尖晶石陶瓷,由氮化硅和氧化铝结合而成的氧氮化硅铝陶瓷,由氧化铬、氧化镧和氧化钙结合而成的铬酸镧钙陶瓷,由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧结合而成的锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等等。此外,有一大类在陶瓷中添加了金属而生成的金属陶瓷,例如氧化物基金属陶瓷,碳化物基金属陶瓷,硼化物基金属陶瓷等,也是现代陶瓷中的重要品种上。近年来,为了改善陶瓷的脆性,在陶瓷基体中添加了金属纤维和无机纤维,这样构成的纤维补强陶瓷复合材料,是陶瓷家族中最年轻但却是最有发展前途的一个分支。

二、精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别

精细陶瓷与传统陶瓷的根本区别在于可以从原料的选择制备、后续的制

造工艺方法实施严格控制,可以制造得到实际中需要的具有不同性能要求的陶瓷材料。

①在原料上,突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限,特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。主要区别在于精细陶瓷原料的各种化学组成、形态、粒度和分布等得到可以精确控制。

②在成分上,传统陶瓷的组成由粘土的成分决定,所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷的原料是纯化合物,因此成分由人工配比决定,其性质的优劣由原料的纯度和工艺,而不是由产地决定。

③在制备工艺上,成型上多用等静压、注射成型和气相沉积等先进方法,可获得密度分布均匀和相对精确的坯体尺寸,坯体密度也有较大提高;烧结方法上突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限,广泛采用真空烧结,保护气氛烧结、热压、热静压、反应烧结和自蔓延高温烧结等等手段。

④在性能上,特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能,如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能,从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应用。

制作工艺:

一、成形方法与结合剂的选择:

特种陶瓷成形方法有很多种,生产中应根据制品的形状选择成形方法,而不同的成形方法需选用的结合剂不同。常见陶瓷成形方法、结合剂种类及用量如下所示:

特种陶瓷成形方法、结合剂种类和用量

成形方法结合剂举例 <结合剂用量(质量%)

千压法聚乙烯醇缩丁醛等 1~5

浇注法丙烯基树脂类 1~3

挤压法甲基纤维素等 5~15

注射法聚丙烯等 10~25

等静压法聚羧酸铵等 0~3 结合剂可分为润滑剂、增塑剂、分散剂、表面活性剂(具有分散剂和润滑功能)等,为满足成形需要,通常采用多种有机材料的组合。选择结合剂,要考虑以下因素:

①结合剂能被粉料润湿是必要条件。当粉料的临界表面张力(yoc)或表面自由能(yos)比结合剂的表面张力(yoc)大时,才能很好地润湿。

②好的结合剂易于被粉料充分润湿,且内聚力大。当结合剂被粉料润湿时,在相互分子间发生引力作用,结合剂与粉料间发生红结合(一次结合),同时,在结合剂分子内,由于取向、诱导、分散效果而产生内聚力(二次结合)。虽然水也能把杨料充分润湿,但水易挥发,分子量较小,内聚力小,不是好的结合剂。按各种有机材料内聚力大小顺序,用基表示可排列如下:

一CONH一>-CONH2>一COOH>一OH>-NO2>-COOC2H5>一COOCH5>-CHO>=CO>-CH3>= CH2>-CH2

③结合剂的分子量大小要适中。要想充分润湿,希望分子量小,但内聚力弱。随着分子量增大,结合能力增强。但当分子量过大时,围内聚力过大而不易被润湿,且易使坯体产生变形。为了帮助分子内的链段运动,此时要适当加入增塑剂,在其容易润湿的同时,使结合剂更加柔软,便于成形。

④为保证产品质量,还需要防止从结合剂、原材料和配制工序混人杂质,使产品产生有害的缺陷。

在原料配制中,用粉碎、混合等机械方法和结合剂、分散剂配合,达到分散,尽可能不含有凝聚粒子。结合剂受到种类及其分子量,粒子表面的性质和溶剂的溶解性等影响,吸附在原料粒子表面上,通过立体稳定化效果,起到防止粉末原料凝聚的作用。在成形工序中,结合剂给

原料以可塑性,具有保水功能,提高成形体强度和施工作业性。一般来说,结合剂由于妨碍陶瓷的烧结,应在脱脂工序通过加热使其分解挥发掉。因此,要选用能够易于飞散除去以及不含有害无机盐和金属离子的有机材料,才能确保产品质量。

二、陶瓷注射成形和成形用结合剂

氮化硅等特种陶瓷材料具有高强度、高耐磨性、低密度(轻量化)、耐热性、耐腐蚀性等优良性能,适用于制造涡轮加料机叶轮、摇臂式烧嘴、辅助燃烧室等汽车用陶瓷部件。这些部件要求复杂的形状、高精度尺寸和高可靠性。不允许有内在缺陷(裂纹、气孔、异物等)和表面缺陷。

能满足这些质量要求的成形技术之一,就是陶瓷注射成形法。陶瓷注射成型技术来源于高分子材料的注塑成型,借助高分子聚合物在高温下熔融、低温下凝固的特性来进行成型的,成型之后再把高聚物脱除。比传统的陶瓷加工工艺要简单的多,能制造出各种复杂形状的高精度陶瓷零部件,且易于规模化和自动化生产。

目前,由清华大学材料科学与工程系杨金龙教授发明的CiM(陶瓷胶态注射成型方法及装置)技术在国内该领域中处于领先水平。

陶瓷的注射成型技术有着诸多优点,用它制备复杂形状的陶瓷元件,不仅产品尺寸精度高、表面条件好,而且省去了后加工操作,降低了生产成本,缩短了生产周期,还具有自动化程度高、适合于大规模生产的特点。该工艺一般包括下列步骤:陶瓷粉的选取、粘结剂的选取、陶瓷粉与粘结剂的均匀混合、注射成型、脱脂、烧结。其中脱脂是关键。

起初的陶瓷成型注射技术是将大量的高分子树脂与陶瓷粉体混练在一起后得到混合料,然后装入注射机于一定温度注入模具,迅速冷凝后脱模而制成坯体。该技术适合制备湿坯强度大,尺寸精度高,机械加工量少,坯体均一的产品,适于大规模生产。对形状复杂、厚度较薄产品的制备有着明显的优越性。但是由于含有大量的高分子粘结剂,使陶瓷

坯体的脱脂成为不可逾越难题,并且有毛坯易变形,容易形成气孔等缺点。

粘结剂能使粉末填充成预期形状,它对整个工艺有重要的影响。理想的粘结剂应该具有以下特点:

①在成型温度下纯粘结剂的粘度在1Pa?s以下,流动时不发生与粉体的分离,冷却后有足够的强度和硬度;

②为惰性物质,与粉体不发生反应;

③在成型和混合温度以上才分解,分解的产物无毒、无腐蚀性且残余灰分少;

④膨胀系数低,由热膨胀或结晶引起的残余应力低;

⑤符合环保要求,价廉、安全、不吸湿、无易挥发组分,贮藏寿命长。

目前使用的大多数粘结剂可分为3类:蜡基或油基粘结剂、水基粘结剂和固体聚合物溶液。

①蜡基粘结剂通常含3-4个组分,聚合物控制着流动粘度、生品(烧结前的坯体)强度和脱脂的特征。短分子链的成型性能好且可使成型元件中的定向作用减至最小。蜡或油是主填充剂,在脱脂的初期被除去。表面活性剂用于改善粉末与粘结剂的相容性。增塑剂用来调节聚合物的流动特性。

②水基粘结剂含有水溶性聚合物、凝胶或水玻璃。这类粘结剂通常采用低压成型以避免粉末与粘结剂的分离和减少模具磨损及残余应力。由于水易于除去,这使得制造较厚的元件成为可能。粘结剂溶液的凝固或胶凝使生品具有了强度。在烧结前,水从生品中蒸发或升华出去,使变形降至最低程度。

③新型的、采用聚苯乙烯的固体聚合物溶液的粘结剂配方已经被采用以避免变形。主填充剂用溶液浸渍法除去。由于聚苯乙烯的骨架结构没法被削弱,所以避免了生品的变形。主填充剂是一种小的有机物分子,它既有苯环又有极性集团。苯环使它在混合时可溶于聚苯乙烯,极性集团则使它在脱脂时可溶于水或醇等溶剂中。

常见的粘结剂有聚丙烯(PP)、无规则聚丙烯(APP)、聚乙烯(PE)、乙烯一醋酸乙烯共聚体(EVA)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸系树脂等。其中PE具有优异的成形性;EVA与其他树脂的相溶性好,流动性、成形性也好;APP具有与其他树脂相溶性好、富于流动性和脱脂性的特征;PS 流动性好。助剂有蜡石石蜡、微晶石蜡、变性石蜡、天然石蜡、硬脂酸、配合剂等。成形材料的流动性可以使用高式流动点测定器和熔化分度器进行评价。当脱脂具有结合剂的含量多时,则脱脂性有降低的倾向,助剂的石蜡多者,脱脂性好。如果有机材料在特定的温度区域不能全部飞散掉,就会影响陶瓷的烧结,因此,需要考虑热分解特性,加以选择。

三、陶瓷挤压成形和成形用结合剂

堇青石由于具有耐热性、耐腐蚀性、多孔质性、低热膨胀性等优良材料特性,所以广泛用作汽车尾气净化催化剂用载体。堇青石蜂窝状物利用原料粒子的取向,产生出蜂窝状结构体的低热膨胀,可用挤压成形法来制造。

根据堇青石分子组成(2MgO·2Al2O3·5SiO2),原料可选用滑石、高岭土和氧化铝。成形用坯土从口盖里面的供给孔进入口盖内,经过细分后,向薄壁扩展,再结合,由此求得延伸性和结合性好的质量。另外,作为挤压成形后的蜂窝状体,为了保持形状,坯土的屈服值高者好,也就是说,选择结合剂应使坯土的流动性和自守性两个性能达到最佳化。

原料粉末、结合剂、助剂(润滑剂、界面活性剂等)及水经机械混练后,用螺杆挤压机连续式挤压或用油压柱塞式挤压机挤压成形。一般来说,挤压成形使用的结合剂只要用低浓度水溶液,便可显示出高粘性的结合性能。常用的有甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)、聚氧乙烯(PEO)、聚乙烯醇(PVA)、羟乙基纤维素(HEC)等。MC能很好溶于水中,当加热时很快胶化。CMC能很好溶于水中,分散性、稳定性也高。PVA 广泛地用于各种成形。润滑剂可减少粉体间的摩擦,界面活性剂可提高原料粉末与水的润湿性。

缺乏可塑性,具有膨胀特性的坯土使挤压不够光滑,表面缺陷增加。因此,对结合剂的性能应有评价指标。评价还土的可塑性方法,有施加扭曲、压缩、拉伸等应力,求出应力与变形之间的关系,用毛细管流变计的方法、粘弹性的方法等。用这种方法可以评价坯土的自守性和流动性。在用粘弹性的方法评价时,可得出结合剂配合量增加到一定程度时,自守性和流动性均会增加的结果。也就是说,结合剂配合量的增加有助于原料的可塑性增加。

有机材料是特种陶瓷的主要结合剂,合理选用这些有机材料是保证产品质量的关键。在生产中,应根据粉料的特性、制品的形状、成形方法综合进行选择。

四、陶瓷烧结技术:

一、烧结机理

将颗粒状陶瓷坯体置于高温炉中,使其致密化形成强固体材料的过程,即为烧结。烧结开始于坯料颗粒间空隙排除,使相应的相邻的粒子结合成紧密体。但烧结过程必须具备两个基本条件:

①应该存在物质迁移的机理;

②必须有一种能量(热能)促进和维持物质迁移。

现在精密陶瓷烧结的机理已出现了气相烧结、固相烧结、液相烧结及反应液体烧结等四种烧结模式。它们的材料结构机理与烧结驱动力方式各不相同。最主要的烧结机理是液相和固相烧结,尤其是传统陶瓷和大部分电子陶瓷的烧结依赖于液相形成、粘滞流动和溶解再沉淀过程,而对于高纯、高强结构陶瓷的烧结,则以固相烧结为主,它们是通过晶界扩散或点阵扩散来达到物质迁移的。

二、精密陶瓷烧结使用的窑炉

陶瓷材料与制品最终烧制成功,可以在各种窑炉中烧成。可以是间歇式窑炉,也可以采用连续式窑炉。前者烧成为周期性,适合小批量或特殊烧成方法。后者用于大规模生产与相对低的烧成条件。精细陶瓷使用最广泛的是电加热炉。烧成温度与所需气氛确定窑炉方式的选择。许多高精尖的精细陶瓷制品需要采用超高温窑炉进行烧制。按照传统陶瓷烧成温度高低的划分。烧成温度在1100℃以下为低温、1100℃~1250℃为中温,1250℃~1450℃为高温烧成,1450℃以上为超高温烧成。如高纯氧化铝陶瓷、碳化硅及氮化硅陶瓷都需超高温烧结。目前国内精细陶瓷制品烧成使用的超高温窑炉,主要从日、美等国进口,目前日本某窑炉公司已能制造烧成温度达1800℃、温差为0℃的超高温窑炉。发展精细陶瓷产品,必须首先将超高温窑炉国产化,藉以降低设备投资,使产品尽快投产,意义很大。

三、精细陶瓷主要烧结技术

精细陶瓷烧结主要有以下几种技术方法:

①常压烧结:又称无压烧结。属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。在无外加动力下材料开始烧结,温度一般达到材料的熔点0.5-0.8即可。在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散,液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象,提高成品率。

②热压烧结与热等静压烧结:热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力(在10~40MPa),促使材料加速流动、重排与致密化。采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低100℃左右,主要根据不同制品及有无液相生成而异。热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内,工艺方法较简单。该烧结法制品密度高,理论密度可达99%,制品性能优良。不过此烧结法不易生产形状复杂制品,烧结生产规模较小,成本高。连续热压烧结生产效率高,但设备与模具费用较高,又不利于过高过厚制品的烧制。热等静压烧

结可克服上述弊缺,适合形状复杂制品生产。目前一些高科技制品,如陶瓷轴承、反射镜及军工需用的核燃料、枪管等、亦可采用此种烧结工艺。

③反应烧结:这是通过气相或液相与基体材料相互反应而导致材料烧结的方法。最典型的代表性产品是反应烧结碳化硅和反应烧结氮化硅制品。此种烧结优点是工艺简单,制品可稍微加工或不加工,也可制备形状复杂制品。缺点是制品中最终有残余未反应产物,结构不易控制,太厚制品不易完全反应烧结。除碳化硅、氮化硅反应烧结外,最近又出现反应烧结三氧化二铝方法,可以利用Al粉氧化反应制备Al2O3和Al2O3-Al复合材料,材料性能好。

④液相烧结:许多氧化物陶瓷采用低熔点助剂促进材料烧结。助剂的加入一般不会影响材料的性能或反而为某种功能产生良好影响。作为高温结构使用的添加剂,要注意到晶界玻璃是造成高温力学性能下降的主要因素。如果通过选择使液相有很高的熔点或高粘度。或者选择合适的液相组成,然后作高温热处理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕变能力。

⑤微波烧结法:系采用微波能进行直接加热进行烧结的方法。目前已有内容积1立方米,烧成温度可达1650℃的微波烧结炉。如果使用控制气氛石墨辅助加热炉,温度可高达2000℃以上。并出现微波连续加热15米长的隧道炉装置。使用微波炉烧结精细陶瓷,在产品质量与降低能耗方面,均比其它窑炉优越。

⑥电弧等离子烧结法:其加热方法与热压不同,它在施加应力同时,还施加一脉冲电源在制品上,材料被韧化同时也致密化。实验已证明此种方法烧结快速,能使材料形成细晶高致密结构,预计对纳米级材料烧结更适合。但迄今为止仍处于研究开发阶段,许多问题仍需深入探讨。(7)自蔓延烧结法:是通过材料自身快速化学放热反应而制成精密陶瓷材料制品。此方法节能并可减少费用。国外有报道说可用此法合成200多种化合物,如碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物与复合材料等。

⑦气相沉积法:分物理气相法与化学气相法两类。物理法中最主要有溅射和蒸发沉积法两种。溅射法是在真空中将电子轰击一平整靶材上,将靶材原子激发后涂覆在样品基板上。虽然涂覆速度慢且仅用于薄涂层,但能够

控制纯度且底材不需要加热。化学气相沉积法是在底材加热同时,引入反应气体或气体混合物,在高温下分解或发生反应生成的产物沉积在底材上,形成致密材料。此法的优点是能够生产出高致密细晶结构,材料的透光性及力学性能比其它烧结工艺获得的制品更佳。随着微电子、数据存储、先进显示与光学涂层越来越多的需求,对精密陶瓷薄膜的需求大幅增长。社会需求与高科技发展是精密陶瓷烧结水平不断提高与优化的原动力,精密陶瓷烧结技术将不断取得新进步。

发展新动向:

一、重要地位

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。

二、技术新发展

首先,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象钽、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钢石,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:

①能生产出用以往方法所不能生产的物质;

②能够获得纯度极高的物质:

③生产率会大幅度提高;

④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K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。

其次,在成型方面,特种陶瓷成型方法大体分为干法成型和湿法成型两大类:

①干法成型包括钢模压制成型、等静压成型、超高压成型、粉末电磁成型等;

②湿法成型大致可分为塑性成型和胶态浇注成型两大类。

近些年来胶态成型和固体无模成型技术在特种陶瓷的成型研究中也取得了较为快速的发展。

陶瓷胶态成形是高分散陶瓷浆料的湿法成形,与干法成形相比,可以有效控制团聚,减少缺陷。无模成形实际上是快速原型制造技术(Rapid prototyping manufacturing technology , RP &M) 在制备陶瓷材料中的应用。特种陶瓷材料胶态无模成形过程是通过将含或不含粘结剂的陶瓷浆料在一定的条件下直接从液态转变为固态,然后按照RP &M 的原理

逐层制造得到陶瓷生坯的过程。成形后的生坯一般都具备良好的流变学特性,可以保证后处理过程中不变形。

特种陶瓷成型技术未来的发展将集中于以下几个发面:

a. 进一步开发已经提出的各种无模成形技术在制备不同陶瓷材料中的应用;

b. 性能更加复杂的结构层以及在层内的穿插、交织、连接结构和成分三维变化的设计;

c. 大型异形件的结构设计与制造;

d. 陶瓷微结构的制造及实际应用;

e. 进一步开发无污染和环境协调的新技术。

然后,在烧结方面,特种陶瓷制品因其特殊的性能要求,需要用不同于传统陶瓷制品的烧成工艺与烧结技术。随着特种陶瓷工业的发展,其烧成机理、烧结技术及特殊的窑炉设施的研究取得突破性的进展。

目前特种陶瓷的主要烧结方法有:常压烧结法、热压烧结/热等静压烧结法、反应烧结法、液相烧结法、微波烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结法、气相沉积法等。

最后,在特种陶瓷的精密加工方面,特种陶瓷属于脆性材料,硬度高、脆性大,其物理机械性能(尤其是韧性和强度)与金属材料有较大差异,加工性能差,加工难度大。因此,研究特种陶瓷材料的磨削机理,选择最佳的磨削方法是当前要解决的主要问题。

近年来兴起的磨削加工方法主要有:

a. 超声波振动磨削加工方法。

b. 在线电解修整金刚石砂轮磨削加工方法。

c. 电解、电火花复合磨削加工工艺。

d. 电化学在线控制加工方法。

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,在我国,清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室在这方面的研究成果已位居世界前列。

三、应用新发展

特种陶瓷由于拥有众多优异性能,因而用途广泛。现按材料的性能及种类简要说明。

①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有关的高温结构材料、高温电极材料等。

②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。

③导热性优良的特种陶瓷极有希望用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片。

④耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛,目前的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面。

⑤高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等;在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。目前,这方面的工作开展得较多,许多国家如美国、日本、德国等都投入了大量的人力和物力,试图取得领先地位。这类陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化铝、氧化锆等。

⑥具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼极为引人注目,目前国外正在加紧研究。

⑦生物陶瓷方面目前正在进行将氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究,这方面的应用引起人们极大关注。

⑧一些具有其他特殊用途的功能性新型陶瓷(如远红外陶瓷等)也已开始在工业及民用领域发挥其独到的作用。

参考文献:

[1] 《最新精细陶瓷技术》/[日]工业调查会编辑部编;陈俊彦译.-北京:中国建筑工业出版社,1988.4

[2]外文期刊Synthesis of ZrO2-SiO2 mesocomposite with high ZrO2 content via a novel sol-gel method 2005,84(1/3

[3] 期刊论文Sol-Gel法制备ZrO2粉的析晶机制- 稀有金属材料与工程2005,34(z1)

[4]杨守峰张世新田杰谟,《精细陶瓷成型新工艺-快速自动成型》/中国科学院上海冶金研究所; 材料物理与化学(专业) 博士论文2000年度

[5]王祖德.建材无机非金属新材料的开发与发展[J].新材料产业,2009(10):19-23.

[6]付志伟.现代技术陶瓷发展现状研究[J].艺术与设计(理论),2009(11):239-241.