特種功能陶瓷材料的應(yīng)用

特種功能陶瓷材料的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代醫(yī)學的快速發(fā)展，新特種功能陶瓷越來越受到重視。實用性很強的傳統(tǒng)陶瓷已不斷向具有多種工業(yè)用途的新型陶瓷方向發(fā)展。具有電、光、磁、化學和生物特性且具有相互轉(zhuǎn)換功能的陶瓷稱之為功能陶瓷,新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比,由于其具有特殊性質(zhì)和功能,如高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣和各種電、磁、光、生物相容性等,功能陶瓷通常具的特殊的物理性能,涉及的領(lǐng)域比較多。可以廣泛用于機械、電子、宇航、醫(yī)學工程等各個方面,成為現(xiàn)代尖端科學技術(shù)的重要組成部分。特種功能陶瓷材料由于成本低廉、耐強酸強堿、不會氧化,正在逐步替代金屬和塑料,成為用途廣泛的新一代工業(yè)材料。隨著陶瓷產(chǎn)品出口退稅率下調(diào)、人民幣升值、原輔材料價格上漲、用工成本上升等,作為高度外向型的陶瓷產(chǎn)業(yè)面臨著巨大壓力,而轉(zhuǎn)型進入特種陶瓷領(lǐng)域,成了全行業(yè)的熱門話題。1特種陶瓷及熱性能材料特種陶瓷(又稱高性能陶瓷,先進陶瓷,精細陶瓷等)是新材料的一個組成部分。由于它具有其他材料所沒有的各種優(yōu)良性能,例如:耐高溫、高強度、重量輕、耐磨、耐腐蝕、優(yōu)異的電、磁、聲、光、熱學件能等,它在國民經(jīng)濟中的能源、電子、航空航天、機械、汽車、冶金、石油化工和生物等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景,成為各工業(yè)技術(shù)特別是尖端技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料,在國防現(xiàn)代化建設(shè)中,武器裝備的發(fā)展也離不開特種陶瓷材料。除此之外,在當今世界各國把環(huán)境保護作為重要的問題來考慮時,以環(huán)境保護、生活優(yōu)化為背景的環(huán)境凈化功能陶瓷的研究與開發(fā)也必然對改善人類生存環(huán)境,實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略起到積極的推動作用。由此可見,特種陶瓷在國民經(jīng)濟建設(shè)及國防建設(shè)中的作用和地位是十分重要的。特種陶瓷一般分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷,有的還分為陶瓷涂層及陶瓷復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)陶瓷主要是利用其耐高溫、高強度、耐磨的性能,應(yīng)用于熱機部件、耐磨部件,例如刀具、軸承、密封環(huán)、閥門等,熱交換器、防彈材料及生物陶瓷等。主要的材料有Si3N4,SiC,ZrO2,Al2O3,SiALON等。功能陶瓷主要是利用其電、磁、聲、光、熱學等功能特性,應(yīng)用于絕緣子,集成電路的基片,電容器,壓電和鐵電及敏感元件等。主要的材料有BaTiO3,ZnO,Ph(ZrxTi1-x)O3,AIN,ZrO2等。還應(yīng)當提到的是陶瓷粉料是發(fā)展特種陶瓷的基礎(chǔ)材料,是特種陶瓷的重要組成部分,對特種陶瓷的發(fā)展起到十分重要的作用。人們常用典型的氮化物特種功能陶瓷材料,即氮與金屬或非金屬元素以共價鍵相結(jié)合的難熔化合物為主要成分的陶瓷。應(yīng)用較廣的陶瓷有四氮化三硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)等陶瓷。其中以四氮化三硅陶瓷的抗氧化能力最佳,1400℃時開始活性氧化,抗化學腐蝕性很好。有的還具有特殊的機械、介電或?qū)嵝阅?。燒結(jié)較困難。先制出優(yōu)質(zhì)粉末原料,然后采用氮化反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法等制成陶瓷制品,用作工程結(jié)構(gòu)材料或功能材料。特種陶瓷是陶瓷材料的重要分支,它以耐高溫、高強度、超硬度、耐磨損、抗腐蝕等機械力學性能為主要特征,因此在冶金、宇航、能源、機械、光學等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展,新型陶瓷日益引起世人的廣泛關(guān)注。實用性很強的傳統(tǒng)陶瓷已不斷向具有多種工業(yè)用途的新型陶瓷方向發(fā)展。目前,人們習慣上將新型陶瓷分成兩大類,即結(jié)構(gòu)陶瓷(或工程陶瓷)和功能陶瓷,將具有機械功能、熱功能和部分化學功能的陶瓷列為結(jié)構(gòu)陶瓷。而將具有電、光、磁、化學和生物特性且具有相互轉(zhuǎn)換功能的陶瓷列為功能陶瓷。氮化硅陶瓷作為一種重要的新型結(jié)構(gòu)材料,在現(xiàn)代制造工業(yè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。繼鋼鐵、塑料之后,世界上第三種主要材料將是高技術(shù)陶瓷,它可突破現(xiàn)有合金及高分子材料的使用極限。在高技術(shù)陶瓷中,氮化硅陶瓷是最具有發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用市場一種新型工程材料。氮化硅陶瓷是無機非金屬強共價鍵化合物,由于氮原子之間結(jié)合得非常牢固,所以其具有驚人的耐高溫和高強度、高硬度性能。21世紀以來,新技術(shù)革命的浪潮席卷全球,世界進入了計算機、微電子、通訊、激光、航天、海洋和生物工程等新興技術(shù)的時代,信息、能源、材料被譽為當代科學三大支柱。材料科學歷來是人類進步的一種標志,新興技術(shù)的開發(fā)對材料提出了各種高性能要求,于是,能夠滿足這些要求的新型陶瓷應(yīng)運而生,在新材料領(lǐng)域中嶄露頭角,受到人們的極大關(guān)注。美、日等國由于發(fā)展計算機、微電子工業(yè)的需要,優(yōu)先開發(fā)以電子陶瓷為主的功能陶瓷。特種陶瓷作為一種新材料,近十幾年來得到了迅速的發(fā)展。功能陶瓷由于電子、信息、通信事業(yè)的發(fā)展,仍穩(wěn)步地增長,大約每年以10%的增長率發(fā)展。能源危機迫使人們想方設(shè)法尋求新能源材料和戰(zhàn)略替代材料。結(jié)構(gòu)陶瓷在耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強度、低比重、抗氧化等一系列性能方面為其它材料所望塵莫及,尤其是人們借助于增韌機理,在提高韌性上取得了突破性進展,使結(jié)構(gòu)陶瓷的性能日臻完美,因而成為理想的新能源材料和戰(zhàn)略替代材料,愈來愈受到人們的重視。2特色陶瓷材料特種陶瓷是指以高純?nèi)斯ず铣傻臒o機化合物為原料,采用精密控制工藝燒結(jié)而制成的高性能陶瓷。按照性能及材質(zhì)等特點分類,特種陶瓷大致分為結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、半導體陶瓷、陶瓷纖維強化陶瓷基復(fù)合材料和金屬陶瓷五大類。在實際研發(fā)和應(yīng)用上,主要以結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷為主,特種陶瓷產(chǎn)業(yè)是應(yīng)用高新技術(shù)發(fā)展的低碳產(chǎn)業(yè)。第一代的工業(yè)材料是金屬,第二代工業(yè)材料是工程塑料。從歐美發(fā)達國家的經(jīng)驗來看,特種陶瓷由于成本低廉、耐強酸強堿、不會氧化,正在逐步替代金屬和塑料,成為用途廣泛的新一代工業(yè)材料。對于陶瓷分類,按材料及燒制工藝不同通常分為傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷兩大類。傳統(tǒng)陶瓷以天然硅酸鹽礦物為原料燒制而成,也叫硅酸鹽陶瓷。與之相區(qū)別,人們將近代發(fā)展起來各種陶瓷總稱為特種陶瓷,也稱為新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷或精細陶瓷。特種陶瓷以精制高純化工產(chǎn)品為原料,化學組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能使用效能等各方面均不同于傳統(tǒng)陶瓷。我國功能陶瓷占整個特種陶瓷銷售量的80%,而且每年以20%的速度增長著。在功能陶瓷中,電磁功能陶瓷有占到80%的比例。即特種陶瓷市場中60%以上是電磁功能陶瓷。功能陶瓷已在能源開發(fā)、空間技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)、光電子技術(shù)、紅外技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境科學等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著宇航、航空、原子能和先進能源等近代科技大發(fā)展,對高溫、高強度材料提出越來越苛刻的要求,金屬基高溫合金往往難以完全滿足。結(jié)構(gòu)陶瓷材料的熔點和硬度比金屬材料高得多,加上它還具有良好的化學穩(wěn)定性、抗氧化性和其它好的性能,所以結(jié)構(gòu)陶瓷在高溫技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是在傳統(tǒng)陶瓷窯爐領(lǐng)域使用氧化鋁、碳化硅輥棒、火嘴磚、莫來石板陶瓷纖維等高承重、耐高溫傳動、燒成配件,以及隔熱耐火材料,中國具有全球最大的生產(chǎn)能力和性價比優(yōu)勢。特種陶瓷具有優(yōu)良綜合性能,是汽車工業(yè)領(lǐng)域很重要材料,汽車上應(yīng)用越來越廣泛。對于提高汽車性能降低油耗,減少排氣污染,陶瓷材料都有著極其重要價值。隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展,汽車研發(fā)及生產(chǎn)階段越來越多地采用新材料及新工藝,這也使得人們對汽車輕質(zhì)化、低成本、智能化和經(jīng)濟性可靠性的要求成為可能,而對于新材料的使用,特種陶瓷材料便是最好功能材料,具有各種優(yōu)異、獨特性能。應(yīng)用于汽車上對減輕車輛自身質(zhì)量、提高發(fā)動機熱效率、降低油耗、減少排氣污染、提高易損件壽命、完善汽車智能性功能都具有積極意義。汽車高速化要求越來越高,目前國內(nèi)已應(yīng)用的摩擦材料中,無一能全面綜合滿足新的要求,它嚴重制約了汽車的制動性能乃至我國汽車業(yè)的高速發(fā)展。陶瓷剎車片相比于半金屬摩擦材料和無石棉摩擦材料剎車片,具有比重小、熔點高、硬度大、化學性能好和耐腐蝕等優(yōu)點,已被廣泛地使用在摩擦材料上。因此,開發(fā)摩擦性能穩(wěn)定、磨損率低、使用壽命長、無噪音和振動的新型陶瓷摩擦材料已成為現(xiàn)在摩擦材料研究的一個熱門領(lǐng)域。陶瓷制動器是在碳纖維制動器基礎(chǔ)上制造而成。一塊碳纖維制動碟最初由碳纖維樹脂構(gòu)成,它被機器壓制成形,之后經(jīng)過加熱、碳化、加熱、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動器,陶瓷制動器碳硅化合物表面硬度接近鉆石,碟片內(nèi)碳纖維結(jié)構(gòu)使它堅固耐沖擊,耐腐蝕,讓碟片極為耐磨。目前,特種陶瓷的市場需求以每年20%以上的速度增長,此類技術(shù)除了F1賽車應(yīng)用,超級民用跑車也有涉及,例如奔馳CL55AMG等。寶馬汽車的高端車型已經(jīng)開始采用高強度耐磨的特種陶瓷剎車片,因為它不會“燒死”,性能更安全。可以預(yù)期未來特種陶瓷具有廣闊的市場空間。高強、耐磨并耐蝕的陶瓷,利用人造金剛石和氮化硼的細微粉末進行成型燒結(jié),可制成性能優(yōu)良的超硬模具材料。如高強切削刀具、軸承和拔絲模具以及燃氣輪機的葉片、渦輪等。特種陶瓷中典型氧化鋁的陶瓷,又稱高鋁陶瓷,主要成分是氧化鋁和氧化硅。它強度大、硬度高、耐腐蝕、絕緣性好,耐熱溫度可達1600℃,但缺點是脆性大,抗震性差,工藝復(fù)雜,成本高。氧化鋁陶瓷出色的高溫性能和介電性能,使其適宜制作發(fā)動機火花塞;好耐磨性可保證制作活塞能夠加工到相當高精度粗糙度。碳化硅陶瓷用碳化硅粉,用粉末冶金法經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)或熱壓燒結(jié)工藝制成。碳化硅陶瓷最大特點高溫強度大、熱穩(wěn)定性好、耐磨抗蠕變性好,適用于澆注金屬用喉嘴、熱電偶套管、燃氣輪機葉片、軸承等零件。同時由于它熱傳導能力高,還適用于高溫條件下的熱交換器材料,也可用于制作各種泵密封圈。氮化硅陶瓷原料豐富、加工性好,可以用低成本生產(chǎn)出各種尺寸精確部件,特別是形狀復(fù)雜部件,成品率比其他陶瓷材料高。氮化硅陶瓷抗溫度急變性好,硬度高,其硬度僅次于金剛石、氮化硼等物質(zhì),用氮化硅陶瓷材料制造發(fā)動機,由于工作溫度提高到1370℃,發(fā)動機效率可提高30%;同時由于溫度提高,可使燃料充分燃燒,排出的廢氣中,污染成分大幅度下降,不僅降低能耗并且減少了環(huán)境污染。和普通陶瓷的成形一樣,納米陶瓷的成形方法也可分為干法成形和濕法成形兩大類。但對于普通陶瓷的粗顆粒粉體,納米粉體的成形往往要困難得多,這是因為納米粉體顆粒很小,單位體積中,顆粒間的接觸點大大多于普通粉體,每個接觸點都可能因摩擦力的作用而阻礙顆粒間的滑移和重排,從而影響到素坯密度的提高和組織的均勻化。更重要的是,納米顆粒之間很容易因范德華力的作用而形成團聚,致使素坯中的顆粒堆積不均勻性增加,同時坯體的密度降低。而且,如果這些團聚體不在成形階段壓碎或除去,極易在燒結(jié)時形成差分燒結(jié),其結(jié)果就是導致燒結(jié)溫度的提高和晶粒的生產(chǎn),這對于制備納米陶瓷極其不利。此外,納米顆粒表面很容易吸附雜質(zhì),也可能會對成形甚至后續(xù)的燒結(jié)及材料的性能造成影響。因此,尋找合適的技術(shù)工藝,獲得團聚少或無團聚、相對密度高且結(jié)構(gòu)均勻的素坯,是納米陶瓷制備中的一項重要任務(wù)。我國特種陶瓷形成較大規(guī)模發(fā)展的項目主要有汽車陶瓷剎車片、氧化鋯固體電解質(zhì)研究、納米陶瓷成形、鈷酸鈣系熱電材料研究、二氧化鈦光催化技術(shù)的應(yīng)用、生物功能陶瓷等。這些領(lǐng)域均取得突破性的發(fā)展,將來必成為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新途徑。3復(fù)合濾材和復(fù)合涂層特種陶瓷有熱壓鑄、熱壓、靜壓及氣相沉積等多種成型方法,由于這些陶瓷化學組成、顯微結(jié)構(gòu)及性能不同于普通陶瓷,故稱為特種陶瓷或高技術(shù)陶瓷,在日本稱為精細陶瓷。特種陶瓷材料性能由兩種因素決定。首先物質(zhì)結(jié)構(gòu),主要化學鍵性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。它們決定陶瓷材料性能,如耐高溫性、半導體性及絕緣性等。其次顯微組織,包括分布、晶粒大小、形狀、氣孔大小分布、雜質(zhì)、缺陷等。普通陶瓷用粘土、長石、石英為原料,經(jīng)配制、燒結(jié)制成。這類陶瓷質(zhì)地堅硬、不會氧化生銹、耐腐蝕、不導電、能耐一定高溫、加工成型性好、成本低,但強度較低。一般最高使用溫度不超過1200℃,這類陶瓷產(chǎn)量大,種類多,廣泛用于電氣、化工等行業(yè)。特種陶瓷不同的化學組成和組織結(jié)構(gòu)決定了它不同的特殊性質(zhì)和功能。熱機的效率隨工作溫度的提高而增加。為了大幅度提高發(fā)動機的熱效率,降低燃料的消耗,減少大氣污染,發(fā)動機的工作溫度應(yīng)在1200℃以上。氮化硅和碳化硅陶瓷材料具有優(yōu)良的耐高溫特性,而且導熱系數(shù)低,從而提高了能源的利用率,所以可以用來制造發(fā)動機。耐熱陶瓷還可以用于高溫加熱爐、高溫反應(yīng)器皿、核反應(yīng)堆吸收熱中子控制棒。高導熱性的陶瓷可用作大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的散熱片。耐磨陶瓷涂料是一種非金屬膠凝材料,它是采用耐酸和耐堿的人工合成原料經(jīng)嚴格的工藝配比和先進的無機聚合技術(shù)制成的一種粉狀陶瓷材料。在施工現(xiàn)場,將特質(zhì)液體無機膠水加入這種材料,采用人工或機械方式涂抹在設(shè)備內(nèi)襯或表面,經(jīng)過一系列的化學反應(yīng),在常溫下3D后達到陶瓷的結(jié)合強度和硬度,故名耐磨陶瓷涂料。陶瓷耐磨涂料主要由耐磨骨料、納米金屬微粉、特制溶液結(jié)合系統(tǒng)組成,密度非常大,無大的宏觀缺陷,強度可達210MPa,是一般混凝土和耐火澆注料無法企及的,耐磨陶瓷涂料主要是采用了離子化合物和部分人工合成共價化合物,其離子鍵結(jié)合牢固,所以強度和剛度很大,可有效抵御物料的沖擊力和剪切應(yīng)力。由于結(jié)合系統(tǒng)采取復(fù)合強化措施和特殊處理,形成化學結(jié)合,致使其強度很高。由于陶瓷耐磨涂料采用無定向剛纖維和定向網(wǎng)狀增強措施,通過耦合進一步改善韌性,所以斷裂韌性強,可有效防止沖擊力造成的破損和剝落。另一方面由于離子鍵和其共價鍵為強結(jié)合鍵,鍵能比較高,低溫對其影響很小,而且它的振動頻率極高,常溫難以對其構(gòu)成威脅,優(yōu)良的韌性和抗震性,不會產(chǎn)生熱震損毀。由于耐磨陶瓷涂料采取了雙重補強措施,有的甚至采取了多種補強措施,有效地改善了材料性能。而且陶瓷材料低的膨脹系數(shù)等,使其體積穩(wěn)定,不可能產(chǎn)生裂縫,因而整體性好,另外施工為整體施工,無接縫出現(xiàn),因而整體性進一步提高。由于采用了耐酸和耐堿的人工合成原料,不會和礦渣發(fā)生反應(yīng),同時由于這種材料多為高溫合成原料,晶體發(fā)育好,結(jié)構(gòu)完整,環(huán)境溫度不會對它造成大的影響,屬環(huán)境惰性材料,因而對環(huán)境敏感性差。耐磨陶瓷涂料為無機非金屬材料,主要成分為硅酸鹽,和地球巖石圈成分相近,不會造成土質(zhì)惡化和重金屬離子污染,不會影響生態(tài)環(huán)境,是一種綠色環(huán)保型的產(chǎn)品。由于性能特殊,特種陶瓷可作為工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用于機械、電子、化工、冶煉、能源、醫(yī)學、激光、核反應(yīng)、宇航等方面。一些經(jīng)濟發(fā)達國家,特別是日本、美國和西歐國家,為了加速新技術(shù)革命,為新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ),投入大量人力、物力和財力研究開發(fā)特種陶瓷,因此特種陶瓷的發(fā)展十分迅速,在技術(shù)上也有很大突破。特種陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù),特別是在高技術(shù)、新技術(shù)領(lǐng)域中的地位日趨重要。因此許多科學家預(yù)言:特種陶瓷在21世紀的科學技術(shù)發(fā)展中,必定會占據(jù)十分重要的地位。4超高溫陶瓷沖蝕磨損技術(shù)特種功能陶瓷材料的制作工藝過程大致為:原料粉體的調(diào)整—成型—燒結(jié)—加工—成品。精細陶瓷粉體的制備有機械法(滾動球磨、振動球磨、攪動球磨、氣流粉碎等)和合成法(固相合成法、液相合成法、氣相合成法)等;精細陶瓷的成型有注漿法、壓制法何和塑法等;精細陶瓷的燒結(jié)是指生坯在高溫加熱時發(fā)生的一系列物理化學變化,并使生坯體積收縮,強度、密度增加,最終形成致密、堅硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)燒結(jié)體的過程。在粉末制備方面,目前最引人注目的是超高溫技術(shù)。利用超高溫技術(shù)不但可廉價地研制特種陶瓷,還可廉價地研制新型玻璃,如光纖維、磁性玻璃、混合集成電路板、零膨脹結(jié)晶玻璃、高強度玻璃、人造骨頭和齒棍等。此外,利用超高溫技術(shù)還可以研制出象鉭、鉬、鎢、釩鐵合金和鈦等能夠應(yīng)用于太空飛行、海洋、核聚變等尖端領(lǐng)域的材料。作為粒狀材料的氮化硅是很難加工的,不能把它加熱到它的熔點1850℃以上,因為超過這個溫度氮化硅發(fā)生分解成硅和氮氣,因此用傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)技術(shù)是有問題的。把氮化硅粉末粘合起來可通過添加一些其他物質(zhì)比如燒結(jié)助劑或粘合劑誘導氮化硅在較低的溫度下發(fā)生一定程度的液相燒結(jié)后,粘合成塊狀材料。但由于需要添加粘合劑或燒結(jié)助劑,所以這種方法會在制出的塊狀材料中引入雜質(zhì)。使用放電等離子燒結(jié)是另一種可以制備更純凈大塊材料的方法,對壓實的粉末在非常短的時間內(nèi)(幾秒)進行電流脈沖,用這種方法能在1500℃~1700℃的溫度下得到緊實致密的氮化硅塊狀物。磨損是裝備失效的主要原因之一。陶瓷比金屬材料耐磨,但陶瓷成本高,同時不能作為受力很大的部件,科研部門采用自蔓延合成的低成本氮化硅Si3N4粉作為原料,合理的組成設(shè)計,使燒結(jié)溫度降低至1650℃,獲得玻璃相含量較高、硬度相對較低的低成本p-Si3N4陶瓷,由于陶瓷沖蝕磨損以晶界疲勞導致微裂紋擴展引起晶粒脫落為主,因此,長柱狀、細晶粒、適量晶界玻璃相含量有利于抵抗沖蝕磨損。這種材料沖蝕磨損性能比高鉻鑄鐵Crl5Mo3提高16~20倍,與熱壓Si3N4陶瓷約略相當,而成本約為其1/5,在重介質(zhì)選煤的旋流器上內(nèi)襯陶瓷片,壽命提高10倍以上。低成本的陶瓷片與低價格的普通鑄鐵結(jié)合在一起,各盡所能,揚長避短,產(chǎn)生了高價值的效果。超高溫技術(shù)具有如下優(yōu)點:能生產(chǎn)出用以往方法所不能生產(chǎn)的物質(zhì);能夠獲得純度極高的物質(zhì);生產(chǎn)率會大幅度提高;可使作業(yè)程序簡化、易行。溶解法制備粉末、化學氣相沉積法制備陶瓷粉末、溶膠K凝膠法生產(chǎn)莫來石超細粉末以及等離子體氣相反應(yīng)法等也引起了人們的關(guān)注。在這幾種方法中,絕大部分是近年開發(fā)研究出來的或是在近期得以完善的。在成型及燒結(jié)方面,熱等靜壓法最為引人注目。該法與熱壓法相比能使物料受到各向同性的壓力,因而其瓷質(zhì)均勻,此外由于熱壓靜法可以施加幾千個大氣壓的高壓,這樣就使得要燒結(jié)的材料能在極低的溫度下得以燒結(jié)。注射成型又稱熱壓鑄成型,該技術(shù)通過加入一定量的聚合物及添加劑組元并微熱,賦予金屬粉末、陶瓷粉末與聚合物相似的流動性,在壓力下將料漿注滿金屬模中,冷卻后脫坯得到坯件。陶瓷注射成型技術(shù)能以低成本生產(chǎn)大批量復(fù)雜形狀的高性能零件,具有很多特殊的技術(shù)和工藝優(yōu)勢:與傳統(tǒng)陶瓷成型技術(shù)相比,原材料利用率高,可快速自動地進行批量生產(chǎn),可制備體積小、形狀復(fù)雜、尺寸精度高的異形件,由于流動沖模,使生坯密度均勻,燒結(jié)產(chǎn)品性能優(yōu)越,在一定程度上克服了傳統(tǒng)干壓法成型產(chǎn)品存在的密度、組織和性能不均的現(xiàn)象;與注漿技術(shù)相比,注射成型技術(shù)提高了零件精度,避免了漿料成分偏析的問題,提高了生產(chǎn)效率。此外由于注射成型是一種近凈尺寸成型工藝,不需后續(xù)加工或只需微量加工,大大降低了生產(chǎn)成本。在注射成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的陶瓷精密注射成型方法,更是由于其突出的技術(shù)優(yōu)點,被發(fā)達國家列為重要的國家關(guān)鍵技術(shù)。注漿成型方法是將制備好的泥漿注入石膏模型中,由于石膏模型具有透氣和吸水性能,泥漿接觸模型以后,泥漿中的水分會逐漸被吸入模型壁中,泥漿中的細小顆粒會隨著模型的形狀而均勻地排列成一個稠泥層,當稠泥層達到人們預(yù)期的厚度時,即可將模型中多余的泥漿倒出。待稠泥層中的水分被模型繼續(xù)吸收達到獨立成型后,即可將坯體取出,干燥待修。注漿成型工藝成本低,過程簡單,易于操作和控制,但成型形狀粗糙,注漿時間較長,坯體密度、強度也不高。人們在傳統(tǒng)注漿成型的基礎(chǔ)上相繼發(fā)展產(chǎn)生了新的壓濾成型和離心注漿成型,借助于外加壓力和離心力的作用來提高素坯的密度和強度,而且?guī)缀醪恍枰褂糜袡C添加劑,因而避免了注射成型中復(fù)雜的脫脂過程,但由于坯體均勻性差,不能滿足制備高性能高可靠性陶瓷材料的要求。鋼模壓制、等靜壓成型等干法成型技術(shù)由于發(fā)展較早,技術(shù)成熟度高,自動化程度高,是目前特種陶瓷成型的主要方法,但由于精確尺寸控制得不力,限制了其在高性能精細陶瓷成型方面的應(yīng)用。超高壓成型、粉末電磁成型等是人們?yōu)榱说玫礁咝阅芴胤N陶瓷材料應(yīng)運而生的成型方法,它們的應(yīng)用賦予了特種陶瓷更加優(yōu)異的性能。濕法成型中的塑性成型方法主要用于某些特殊陶瓷器件的制作,且生產(chǎn)成本低。以注凝成型和流延成型為代表的膠態(tài)成型方法是濕法成型中的新技術(shù),不僅具備低成本的優(yōu)點,而且自動化程度較高,能實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn),代表了特種陶瓷成型方法的發(fā)展方向,例如陶瓷精密注射成型方法,將高分子流變學、陶瓷粉體技術(shù)、陶瓷工藝學和金屬模具精密制造技術(shù)結(jié)合在一起,具有十分突出的優(yōu)點,已應(yīng)用于陶瓷發(fā)動機、通訊產(chǎn)業(yè)中光纖連接器陶瓷插芯、計算機工業(yè)中光盤和磁盤驅(qū)動用陶瓷軸承以及生物醫(yī)學用陶瓷制品等精密陶瓷件的制造等。5特種功能陶瓷的發(fā)展趨勢特種功能陶瓷材料擁有眾多優(yōu)異性能,因而用途廣泛。耐熱性能優(yōu)良的特種陶瓷可望作為超高溫材料用于原子能有關(guān)的高溫結(jié)構(gòu)材料、高溫電極材料等;隔熱性優(yōu)良的特種陶瓷可作為新的高溫隔熱材料,用于高溫加熱爐、熱處理爐、高溫反應(yīng)容器、核反應(yīng)堆等;導熱性優(yōu)良的特種陶瓷極有希望用作內(nèi)部裝有大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路電子器件的散熱片;耐磨性優(yōu)良的硬質(zhì)特種陶瓷用途廣泛,目前的工作主要是集中在軸承、切削刀具方面。高強度的陶瓷可用于燃氣輪機的燃燒器、葉片、渦輪、套管等;在加工機械上可用于機床身、軸承、燃燒噴嘴等。目前,這方面的工作開展得較多,許多工業(yè)發(fā)達國家都投入了大量的人力和物力,試圖取得領(lǐng)先地位。這類陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化鋁、氧化鋯等。具有潤滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼極為引人注目,目前國外正在加緊研究。生物陶瓷方面目前正在進行將氧化鋁、磷石炭等用作人工牙齒、人工骨、人工關(guān)節(jié)等研究,這方面的應(yīng)用引起人們極大關(guān)注。我國特種陶瓷的研究和生產(chǎn)在改革開放的30多年得到很大發(fā)展,但在實際應(yīng)用、生產(chǎn)水平和工業(yè)化程度上仍然與發(fā)達國家相差甚遠。預(yù)計到2015年,我國特種陶瓷產(chǎn)值將達到450億元,市場需求巨大。我國從事特種陶瓷開發(fā)研制的高校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)已超過300家,其中研發(fā)生產(chǎn)功能陶瓷的單位占63.6%,研發(fā)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的單位占36.4%。中國科學院、上海硅酸鹽研究所、清華大學等對我國特種材料研究起到了重要的推動作用。特種陶瓷廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械設(shè)備、燃氣具行業(yè)、汽車(摩托車)行業(yè)、紡織工業(yè)、機電行業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,高科技陶瓷的應(yīng)用范圍也不斷擴大。進入21世紀,新一代技術(shù)革命領(lǐng)域———生物工程、新能源、信息工程、宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)———急需大量的新材料。作為基礎(chǔ)的材料無疑要在這些技術(shù)革命中發(fā)揮重要的作用。在材料的發(fā)展過程中,盡管陶瓷出現(xiàn)得最早,但歷來是以金屬材料和有機高分子為主的,所以它們研究得比較透徹、應(yīng)用得比較廣泛。正因為如此,相對來說潛力也挖掘得比較充分。特種陶瓷發(fā)展的歷史較短,研究的深度和廣度遠不如金屬和聚合物,而且特種陶瓷具有許多獨特的性能,潛力巨大。因此,發(fā)現(xiàn)新材料的幾率是很高的。未來特種功能陶瓷材料的研究與開發(fā)的重點將是:納米陶瓷材料,包括納米超細粉原料的制備;高性能陶瓷的特殊生產(chǎn)工藝,包括成型,燒結(jié)等;發(fā)動機及其它熱結(jié)構(gòu)用陶瓷材料的研制;功能陶瓷材料的小型化、多功能化;生物陶瓷材料的開發(fā)與應(yīng)用。陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復(fù)合增強材料等的重要基礎(chǔ),目前國外,尤其是日本對陶瓷纖維及晶須增強金屬復(fù)合材料的研究極為重視,其研究主要集中于碳化硅及氮化硅;多孔陶瓷由于具有特殊結(jié)構(gòu),所以引起了各界的重視;陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它材料復(fù)合(陶瓷纖維增強陶瓷,陶瓷纖維增強金屬)問題也是現(xiàn)階段的研究重點。特種陶瓷基礎(chǔ)技術(shù)的研究,例如燒結(jié)機理、檢測技術(shù)和粉末制備技術(shù)等;超導陶瓷的研究;特種陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法,因而許多國家都把它作為一項主要內(nèi)容而加以研究;在非氮化物陶瓷中,目前國外研究最多的是陶瓷發(fā)動機,高壓熱交挽器及陶瓷刀具等;隨著生物化學,生物醫(yī)學這些新興學科的發(fā)展,生物陶瓷的開發(fā)研究也變得越來越重要。雖然特種陶瓷有高彈性模量、高硬度、高強度、耐高溫、耐腐