無機(jī)非金屬專業(yè)導(dǎo)論 先進(jìn)陶瓷材料發(fā)展動態(tài)

1無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)導(dǎo)論先進(jìn)陶瓷材料國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)先進(jìn)陶瓷最初在二次世界大戰(zhàn)時引起人們關(guān)注，美國在戰(zhàn)艦上安裝聲納裝置，使用了壓電水晶的原理，用鈦酸鋇陶瓷做成超聲波振動發(fā)射與接收的電子器件。20世紀(jì)60年代，開始將耐高溫的陶瓷材料部件使用于高速飛行器件中的耐熱瓦等關(guān)鍵部位。70年代后期，目光轉(zhuǎn)向了耐高溫的陶瓷材料，試圖用陶瓷替代發(fā)動機(jī)內(nèi)部高溫部件甚至研制全陶瓷發(fā)動機(jī)。陶瓷材料的強(qiáng)韌化和纖維復(fù)合化技術(shù)得到迅速發(fā)展。80年代末，美國科學(xué)家將陶瓷材料的電阻降低到接近于零，使陶瓷材料成為比金屬導(dǎo)電性能還好的超導(dǎo)材料，并獲得諾貝爾獎，使人們對于陶瓷材料的電子學(xué)的可控制性產(chǎn)生極大興趣。先進(jìn)陶瓷發(fā)展概述90年代以后，由于移動通訊器材的強(qiáng)勁需求，耐高溫并且對于高頻電磁波有很好響應(yīng)的陶瓷材料，成為重要的移動通訊的電子元器件的主流材料，現(xiàn)在手機(jī)中的許多微型元件都屬于陶瓷材料的元件。由于光通訊技術(shù)和太陽能高效率利用技術(shù)的發(fā)展，具有特殊光學(xué)特性和光電特性的先進(jìn)陶瓷材料在今后一段時期將會得到關(guān)注與重視。先進(jìn)陶瓷發(fā)展概述從目前情況看，先進(jìn)陶瓷元件的研制與生產(chǎn)主要集中在美國和日本這兩個工業(yè)發(fā)達(dá)國家。美國的向于在基礎(chǔ)知識上的創(chuàng)新，日本專利專利則傾向于在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的改進(jìn)以期有更多的工程應(yīng)用前景。先進(jìn)陶瓷的銷售量逐年增加。據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道的統(tǒng)計(jì)資料顯示：1980年美國特種陶瓷市場規(guī)模僅為5.56億美元，1990年達(dá)到了21.96億美元，2000年高達(dá)51.25美元。20年問增長了近10倍。日本的先進(jìn)陶瓷市場同樣得到了飛速發(fā)展，1980年為6950億日元，1990年達(dá)到25263億日元，2000年高達(dá)61261億日元，20年間增長了近9倍。美國和日本競相把先進(jìn)陶瓷作為新型工程材料來發(fā)展，目標(biāo)是把陶瓷的特性如高硬度、高耐磨性、耐高溫性于抗腐蝕性和鋼的延展性結(jié)合起來。先進(jìn)陶瓷發(fā)展概述美國在先進(jìn)陶瓷方面的研發(fā)受到美國國防部、美國能源部和國家自然科學(xué)基金會等機(jī)構(gòu)的高度重視，在軍事、航空航天、環(huán)境等方面的研發(fā)和應(yīng)用尤為活躍。由于宇航技術(shù)發(fā)展的需要，美國國家航空和宇航局(NASA)在結(jié)構(gòu)陶瓷的開發(fā)應(yīng)用和加工技術(shù)方面正在實(shí)施大規(guī)模的研究與發(fā)展計(jì)劃。為了提高航空發(fā)動機(jī)的推重比和降低燃料消耗，美國制定了先進(jìn)高溫?zé)釞C(jī)計(jì)劃、先進(jìn)渦輪技術(shù)應(yīng)用計(jì)劃、國家宇航計(jì)劃和國防關(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃，將高溫結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料作為重點(diǎn)研究對象，其目標(biāo)是將發(fā)動機(jī)熱端部件的使用溫度提高到1650℃或者更高，從而提高發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，達(dá)到節(jié)能、減重和延長壽命的目的，滿足軍事和民用熱機(jī)的需要。美國發(fā)展概況美國格魯曼公司正在研究大氣層超音速飛機(jī)發(fā)動機(jī)的陶瓷材料進(jìn)口、噴管和噴口等部件。美國碳化硅公司用Si3N4／SiC制造導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)燃起噴管。杜邦公司也已研制出能承受1200～1300℃、使用壽命2000h的陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動機(jī)部件。美國麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)圣巴巴拉分校、賓州大學(xué)等相關(guān)大學(xué)、能源部下屬的實(shí)驗(yàn)室以及研發(fā)公司積極參與相關(guān)研究。在美國從事電子陶瓷的公司有300多家，從事陶瓷發(fā)動機(jī)研究開發(fā)和生產(chǎn)的公司在30～40家之間。美國把先進(jìn)陶瓷作為新型工程材料來發(fā)展，目標(biāo)是把陶瓷的特性如高硬度、高耐磨性、耐高溫性于抗腐蝕性和鋼的延展性結(jié)合起來。美國發(fā)展概況美國在納米陶瓷領(lǐng)域的研發(fā)活動也非?；钴S。2004年1月，美國柯達(dá)公司的科學(xué)家用陶瓷納米顆粒和其他先進(jìn)涂層技術(shù)制造了一個九層復(fù)合材料，具有抗熱、防潮、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。同年3月，美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明了一種智能納米多孔陶瓷材料，具有很高的表面積和合適的孔洞，能夠?qū)⑺y和其他有毒物質(zhì)從火力發(fā)電廠的廢水中除去。11月，普度大學(xué)的科學(xué)家研究表明，通過植入在相同方向排列的碳納米管和細(xì)絲，并仿照人工骨中陶瓷晶體和膠原質(zhì)纖維的排列方式，即可以提高人工關(guān)節(jié)的性能。美國發(fā)展概況在2005年1月10-12日舉行的醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)與制造會議上，美國Biophan技術(shù)公司展示了用于醫(yī)療和生命科學(xué)中的陶瓷發(fā)動機(jī)。2005年5月，美國Rensselaer工學(xué)院的研究人員利用陶瓷模板產(chǎn)生分又的納米線和納米管。美國加州伯克利大學(xué)化學(xué)系研究人員與美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作，利用外延鍍膜新技術(shù)，首次成功地合成了具有單晶結(jié)構(gòu)的氮化鎵(GaN)納米管，這種新技術(shù)也可以應(yīng)用于合成其他材料的單晶納米管。美國發(fā)展概況1112美國國防部由美國國防部資助，從2005年開始執(zhí)行，為期4年，每年投資1500萬美元。目的是開發(fā)新的技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)來彌補(bǔ)特定的技術(shù)需求。計(jì)劃分為檢測（傳感技術(shù)、遙感與報(bào)警等）；模型與模擬戰(zhàn)場；保護(hù)；自凈化四部分，其中與納米陶瓷材料相關(guān)的內(nèi)容是開發(fā)軍用防護(hù)服、防毒面具、凈化系統(tǒng)和掩護(hù)材料系統(tǒng)。發(fā)明輕質(zhì)、可以進(jìn)行化學(xué)武器、毒氣、懸浮物質(zhì)等防護(hù)的材料，用于皮膚保護(hù)，減小生理壓力。研究內(nèi)容包括采用高透性的納米材料減小懸浮物質(zhì)深透的衣料（納米纖維材料、高潮濕氣體傳輸膜），能夠隨外界環(huán)境打開或者關(guān)閉孔隙的智能膜材料，感知并顯示生命體存在，提高耐用性、觸知性相關(guān)的納米材料。13美國國防部非醫(yī)療科學(xué)與技術(shù)、化學(xué)生物防御的解決方案項(xiàng)目。研究的技術(shù)焦點(diǎn)是納米吸附材料相關(guān)的技術(shù)在近地表環(huán)境檢測、活體檢測以及污染區(qū)凈化等方面的技術(shù)及應(yīng)用。14美國國防部含有碳納米管增強(qiáng)劑的高強(qiáng)度陶瓷材料研發(fā)美國國防部2002年5月份宣布資助含有碳納米管增強(qiáng)劑的高強(qiáng)度陶瓷材料研發(fā)項(xiàng)目的研究。由材料與電化學(xué)研究公司和納米試驗(yàn)室有限公司共同完成。研發(fā)內(nèi)容包括：開發(fā)陶瓷體的碳納米管和其他納米管／納米棒增強(qiáng)劑來增加軍用和商業(yè)用陶瓷，如氧化鋁、碳化硅、碳化硼等的強(qiáng)度和韌性，為軍方提供各種形狀的高性能陶瓷樣品以供檢測；選擇用于各種用途、能合成高強(qiáng)度、高硬度的納米陶瓷復(fù)合材料，研究通過碳納米管和其它納米管和納米棒顆粒對陶瓷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)增韌；研發(fā)即保持陶瓷特性、同時又具有優(yōu)異強(qiáng)度性能的陶瓷基納米復(fù)合材料。15美國國防部金屬、陶瓷與非破壞性評估先進(jìn)技術(shù)美國國防部空軍研究實(shí)驗(yàn)室資助金屬、陶瓷與非破壞性評估先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目，計(jì)劃從2004-2010年間，每年投資20～25萬美元，用于研究包括金屬、陶瓷等高性能材料的開發(fā)、加工方法、壽命預(yù)測技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬方法。另一個感興趣的領(lǐng)域是開發(fā)并使用先進(jìn)理論和模擬技術(shù)對高溫金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料以及納米晶體材料的開發(fā)和使用。16美國國防部納米顆粒陶瓷的固化研究項(xiàng)目美國國防部導(dǎo)彈研究開發(fā)與工程中心資助納米陶瓷的固化項(xiàng)目。受資助單位：Ceranova公司和Surmet公司。目的是制造高質(zhì)量的光學(xué)納米紅外透明窗，采用50納米或更小的尺寸納米顆粒粉末，得到力學(xué)強(qiáng)度至少是傳統(tǒng)大粒度陶瓷2倍的高性能材料，重點(diǎn)是利用納米顆粒粉末的固化研究。17美國國防部用于地面運(yùn)輸保護(hù)的陶瓷瓦連續(xù)動力學(xué)過程研究美國國防部陸軍坦克汽車研究開發(fā)工程中心資助進(jìn)行用于地面運(yùn)輸保護(hù)的陶瓷瓦連續(xù)動力學(xué)過程，資助時間為2004年8月，受資助的單位為IAP研究有限公司。項(xiàng)目的內(nèi)容是開發(fā)基于碳化硅防彈瓦的動態(tài)磁固結(jié)方法，以提高防彈瓦的性能并減小花費(fèi)。18美國國防部混合碳/陶瓷納米復(fù)合材料研究美國國防部空軍研究實(shí)驗(yàn)室2005年資助混合碳／陶瓷納米復(fù)合材料的研究項(xiàng)目。預(yù)期投資85萬美元以內(nèi)。目的是設(shè)計(jì)、合成并分析用于結(jié)構(gòu)陶瓷中的高性能碳／陶瓷納米復(fù)合材料。19日本發(fā)展概況NGK絕緣體公司發(fā)明了一種沸石膜，能夠用作分子篩，具有納米級的空洞，利用該分子篩，NGK已經(jīng)成功從甲烷和二氧化碳的混合氣體中分離出了二氧化碳。2005年4月，日本東北大學(xué)多元科學(xué)技術(shù)研究所與宇部興產(chǎn)公司共同研發(fā)出下一代耐熱結(jié)構(gòu)材料，具有在1500℃高溫下也能承受1400MPa壓力的特點(diǎn)，作為汽車和飛機(jī)等的耐熱零部件，將有廣闊的使用前景。日本研制出一種夠經(jīng)受1700℃以上的高溫復(fù)合材料，其是氧化鋁粉末經(jīng)熔化、冷卻、再鋁化后制成，它強(qiáng)度大，加工性能好，在高溫下不會變質(zhì)。20日本發(fā)展概況日本發(fā)展先進(jìn)陶瓷的戰(zhàn)略步驟是首先開發(fā)制造生活用品和某些發(fā)熱元件，如陶瓷剪刀、陶瓷加熱器、陶瓷手術(shù)刀、人造陶瓷關(guān)節(jié)以及陶瓷滾珠圓珠筆等。在積累了一定的特種陶瓷生產(chǎn)工藝、掌握了特種陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始研究開發(fā)高級技術(shù)陶瓷及精密陶瓷元件。日立公司采用陶瓷薄膜磁頭，既降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，又提高了磁頭的錄音、演奏與消磁性能。隨即向市場投放陶瓷光盤，到2000年陶瓷光盤的銷售額已達(dá)到10億美元，并成功地打入東南亞、西歐和美國市場。另外，在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑膠復(fù)合陶瓷以及各種精細(xì)陶瓷材料與陶瓷元件等方面，日本均處于領(lǐng)先地位。21日本發(fā)展概況研究機(jī)構(gòu)調(diào)研日本從事先進(jìn)陶瓷研發(fā)與制造的機(jī)構(gòu)大約有70多個，其中包括國立研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)以及贏利性公司的研發(fā)部門等。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所的通用能源器件研究室和先進(jìn)制造研究中心涉及到先進(jìn)陶瓷材料有關(guān)的研究，其中先進(jìn)材料制造中心下屬的高效制造技術(shù)研究組、功能一創(chuàng)新性制造技術(shù)研究組、柔性制造技術(shù)研究組、安全和可靠性基礎(chǔ)研究組等四個研究組均涉及到陶瓷材料的相關(guān)研究，在陶瓷粉末的制備、燒結(jié)方法的探討以及陶瓷材料電、磁、光、機(jī)械性能等性質(zhì)的研究直至先進(jìn)陶瓷的相關(guān)應(yīng)用等領(lǐng)域均有涉及。2223242526歐盟發(fā)展概況歐盟第六框架計(jì)劃支持廣泛的多領(lǐng)域課題的研究，其中有一些專門針對先進(jìn)陶瓷材料的研發(fā)項(xiàng)目，硅石耐火材料項(xiàng)目研究計(jì)劃就是其中的一個。英國陶瓷協(xié)會2004年參與該項(xiàng)研究，與其一起研發(fā)的包括SME公司等其他機(jī)構(gòu)，其目的在于更好的研究陶瓷工藝對耐火材料表面化學(xué)以及毒性的研究，此項(xiàng)目有望繼續(xù)刺激此領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展。2005年3月，德國發(fā)明一種新型陶瓷電容。該產(chǎn)品專為沒有采取安全措施的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在這些應(yīng)用中電容通常永久性與正極相連，通過串聯(lián)連接該電容可降低電路危險(xiǎn)，同時無需其他安全措施，因此適合于用戶產(chǎn)品的現(xiàn)有設(shè)計(jì)和布局。27歐盟發(fā)展概況歐洲是高檔建筑衛(wèi)生陶瓷最發(fā)達(dá)的地區(qū)，其中以意大利和西班牙為建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)的領(lǐng)頭羊。歐洲的建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)在實(shí)現(xiàn)自動化與機(jī)械化的同時，在坯料與釉料制備方面頗具技術(shù)實(shí)力與開發(fā)能力，估計(jì)領(lǐng)先其他國家20～30年。歐洲建筑衛(wèi)生陶瓷業(yè)非常注重采用先進(jìn)的釉料技術(shù)，擁有一大批著名的專業(yè)性很強(qiáng)的陶瓷釉料和陶瓷熔塊、色料公司。如英國魏基伍德公司與道頓公司。德國的迪高沙與凱勒公司，意大利的海馬與西斯特勒公司，西班牙亞卡迪和歐萊等專業(yè)化公司等。28我國從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行先進(jìn)陶瓷的研究，材料以氧化鋁陶瓷為主，60年代為適應(yīng)我國電子技術(shù)與核技術(shù)發(fā)展的需要，先進(jìn)陶瓷的研發(fā)獲得了長足進(jìn)展，氧化鈹、氧化鈣以及其他非氧化物先進(jìn)陶瓷不斷問世。截至2002年，我國從事先進(jìn)陶瓷開發(fā)研制的高校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)已超過300家，其中從事功能陶瓷的單位占63.6％，從事結(jié)構(gòu)陶瓷的單位占36.4％。主要分布在江蘇、浙江、上海、山東、天津、北京、福建和廣東沿海地區(qū)的城市。西南、西北偏遠(yuǎn)地區(qū)從事先進(jìn)陶瓷研制的單位以原來的軍工企業(yè)為主。先進(jìn)陶瓷我國“十五”科技規(guī)劃中與先進(jìn)陶瓷有關(guān)的發(fā)展領(lǐng)域有：超細(xì)粉末的制備技術(shù)，批量和工業(yè)生產(chǎn)裝備的研究；高性能陶瓷的特殊成型、燒結(jié)、精密加工、涂層、纖維增強(qiáng)復(fù)合技術(shù)和工藝裝備的研究；脆性材料的評價(jià)技術(shù)、無損檢測、破壞準(zhǔn)則及燒結(jié)、復(fù)合機(jī)理；高溫工程陶瓷如燃?xì)廨啓C(jī)、高溫封閥軸承、風(fēng)機(jī)、煉鋼機(jī)械部件等研制；光學(xué)功能(如透光、偏光、集光、熒光等)陶瓷和光電、光磁、非線性光學(xué)陶瓷的研制；敏感陶瓷與電子陶瓷、各種氣敏、光敏、聲敏、壓敏等敏感元件、高熱導(dǎo)、高絕緣基板及磁性材料等的研制；化學(xué)功能陶瓷(耐腐蝕、催化劑及其載體、燃料電池、離子交換劑等)研制；生物功能陶瓷(如具有生物活性和親和性的人工骨、牙齒、心瓣膜)研制等。先進(jìn)陶瓷在我國“十一五”中長期科技發(fā)展規(guī)劃中，提出在新材料領(lǐng)域要“開發(fā)超導(dǎo)材料、智能材料、能源材料等特種功能材料，開發(fā)超級結(jié)構(gòu)材料、新一代光電信息材料等新材料”，這些均與先進(jìn)陶瓷材料的研發(fā)具有密切關(guān)系。先進(jìn)陶瓷中國科學(xué)院在先進(jìn)功能陶瓷領(lǐng)域的研究在國內(nèi)具有一定的優(yōu)勢。上海硅酸鹽所和清華大學(xué)聯(lián)合主持了科技報(bào)“973”項(xiàng)目“信息功能陶瓷的若干基礎(chǔ)問題的研究”。中國科學(xué)院對弛豫鐵電單晶研究方面的最新進(jìn)展及其應(yīng)用前景非常關(guān)注，支持了聲學(xué)所和上海硅酸鹽所共同承擔(dān)的知識創(chuàng)新工程方向性項(xiàng)目“新型弛豫鐵電單晶聲納換能器研究”。上海硅酸鹽所在國際上率先用Bridgeman方法直接從熔體中生長出了高質(zhì)量的PMN-PT單晶，目前尺寸已達(dá)到50mm×80mm，處于國際