先进陶瓷材料的研究重点及产业化展望

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◎陶瓷

先进陶瓷材料的研究重点及产业化展望

沈阳工业大学材料科学与工程学院

摘要：本文以美国为例，通过对美国先进陶瓷材料现状及发展趋势的研究，说明先进陶瓷以其优越的高温性、可靠性及其独特性能已经成为一种经济适用的首选材料，并广泛应用于工业制造、能源、航天、交通、军事以及消费品制造等领域。美国把研究工作的重点放在企业界，这一举措对我们具有一定的借鉴作用。

关键词：先进陶瓷，高温性能

陶瓷是人类生活、现代科技发展和经济建设中不可缺少的材料。它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。我国是最早制造瓷器的国家，因此英文瓷器China与“中国”是同意词。中国远在新石器时代就有了陶瓷，距今六七千年前就开始用陶刀，仰韶文化时期发展了彩陶，殷朝时期产生了以高岭土为原料的白陶，殷周时代创造了釉陶，东汉时期的瓷器已经达到了相当高的水平。从公元九世纪起，中国陶瓷就已远销非洲和阿拉伯世界，中国人民对世界陶瓷的发展做出了杰出贡献。

韩亚苓

为适应新技术革命对材料的要求，世界发达国家都非常重视对先进陶瓷的研究和开发应用。１．１美国陶瓷研究的发展现状

近30年以来，先进陶瓷领域的研究工作取得了一系列突破，推动了陶瓷技术的快速发展，对经济和社会发展也产生了深远的影响。如长效耐磨陶瓷轴承已经应用到各个工业制造领域，用以延长设备的使用寿命，减少摩擦，提高设备性能。仅以氮化硅陶瓷轴承及相关部件为例，从1972年开始研制，1988年进入市场，其使用寿命是传统金属轴承的3-10倍；摩擦减少了80％，能耗降低了15%-20％。汽车用陶瓷催化转化器在减少汽车废气排放和空气污染方面起到了重要的作用。

先进陶瓷以其能够减少维护费用、提高设备使用寿命、减少生产能耗、减少环境污染等优势已经在各个领域显示出它应用的潜力。在机械制造、能源、航天及交通领域，陶瓷材料起到了“减少工业废料排放，减少维护成本，减轻质量，减少生产能耗，有利于化学品和水的再循环，延长设备使用寿命”的作用；在军事领域，陶瓷材料起到了“扩展武器和侦查系统性能，减少缺陷，增加可靠性，减少设备、系统和设施成本”等功效。

1998年美国先进陶瓷市场总份额接近75亿美元，2003年超过110亿美元。随着技术的不断发展，先进陶瓷市场将继续显著增长并带来更大的经济效益和社会效益。１．２近期美国先进陶瓷研究计划

从2000年开始，美国先进陶瓷协会和美国国家能源部联合资助并实施了为期20年的美国先进陶瓷发展计划，该），计划分为3个发展阶段：短期发展阶段（2000－2003年中期发展阶段（2004－2010年），长期发展阶段（2011－2020年）。这个计划主要面向先进陶瓷工业界，共有来自陶瓷及各相关领域的50多家相关机构参加，其中绝大多数是先进陶瓷制造商和用户企业，此外还有少数从事应用开发的研究单位。

这个历时20年的先进陶瓷发展计划旨在将基础研究、应用开发和产品使用等几个环节有机地结合在一起，共同推动先进陶瓷材料的应用发展。目标是到2020年，先进陶瓷以其优越的高温性能、可靠性以及其他独特性能，成为一种经济适用的首选材料，并广泛应用于工业制造、能源、航天、交通、军事以及消费品制造等领域。到2020年，根据应用要求可以选择使用具有优越的性能、价格比陶瓷产品。

１先进陶瓷发展现状

进入二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，随着空间技术、原子能工业和电子工业的迅速发展，迫切需要优良的材料。对材料的耐热性、耐蚀性、机械强度、电磁特性和尺寸精度方面提出了更高要求，陶瓷研究进入了一个的新阶段。

随着科学技术的进步，人们对陶瓷材料的本质有了更深刻的理解。从原料的纯度、粒度、晶型、杂质含量及种类等因素入手，并对成型和烧结工艺流程进行深入的研究，使陶瓷组织得到极大改善，性能得到极大提高。这种新型陶瓷与传统陶瓷有本质的区别。

对于新型陶瓷，目前尚无明确定义，但一般说法是：采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按着便于进行结构设计及控制制造方法进行制造加工，具有优异性能的陶瓷，称为新型陶瓷。

事实上，不同国家对这类材料的称谓也不同：英国人称为“技术陶瓷”（technologyceramics）；美国人称为“高级陶瓷”、“近代陶瓷”（advancedceramics）或“高效陶瓷”（highperformanceceramics）；日本则常称为“精细陶瓷”（fineceramics）或“新型陶瓷”（newceramics）；我国有人称其为“工业陶瓷”（industrialceramics）。但所有说法指的都是同一类材料，本文将这类陶瓷统称为先进陶瓷。

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文献

辽宁建材２００８年第１１期２先进陶瓷材料发展前景

下面主要从材料、制造、设计、环境、健康、教育和市场等几个方面来介绍美国先进陶瓷发展计划中所描述的未来先进陶瓷材料及部件的发展前景。２．１材料方面

陶瓷材料性能大大提高。材料对工作环境具有较强的抗FOD），耐高温能力比目前同等寿命的材料高400-损坏性（

500℃，通过纤维界面涂层处理技术增加了材料的整体致密度和结合强度，同时降低了成本，产品寿命相当于或者优于其他材料，而且材料使用的可靠性超过其他材料。

陶瓷材料的制造成本和产品价格大大下降。一个重要原因是各类高纯度原材料价格大大降低，其中，碳化硅纤维的价格降低到目前的1/10，而其耐高温能力可达到华氏3200℃。在考虑了成本、性能和寿命等因素的情况下，供应商提供的陶瓷材料产品的综合水平可达到优于其他材料产品，例如，陶瓷复合材料在高温密闭应用条件下的费用低于金属材料费用的2倍，而在普通应用条件下的费用与金属材料相当。

陶瓷材料的设计和制造更加规范化以提高产品开发的效率。适用于各类先进陶瓷材料的数据库和标准测试体系建立起来，产品开发与材料设计相结合，而且由于使用更好的材料设计辅助工具而提高了材料寿命预测的准确性，并有助于加速开发新型低成本的多功能陶瓷材料，届时，材料从提出概念到推向市场的时间将少于6个月。在制造过程中通过改进生产工艺和提高自动化程度，保证产品制造的可控性和质量的稳定性。２．２设计与制造方面

常用陶瓷材料的性能数据库和测试标准体系逐渐完善，设计工程师的设计辅助工具也越来越好，有助于将先进陶瓷用于各种器件设备，而且有信心保证用户的使用性能要求，陶瓷材料必须从实验室转向大规模工业生产。

生产流程的自动化程度提高以及相关工艺技术的进步，提高了生产效率并降低了成本。广泛使用多点在线的无损检测技术，保证了产品稳定性和质量。产品成本仅为目前的25％，生产时间为目前的20％，而样品和小型部件的完成周期缩短到1周内。２．３环境、健康和安全方面

先进陶瓷材料被认为是节能、安全、环保和清洁的材料，甚至超出了通常要求的环保和节能标准。陶瓷产业的工作环境将是安全清洁的，制造过程中有害化学品的使用比目前减少75％，而废料排放则减少90％，工人可以得到最大程度的安全保障。此外，陶瓷产品有助于工业制造业和其他消费产业有效实现节能和减少废料排放。到2020年，废旧陶瓷产品的处理和再循环服务将从陶瓷产品生产企业中独立出来。２．４市场方面

在耐高温、耐腐蚀、耐磨损和减轻质量的情况下，先进陶瓷是首选材料。市场将集中在以下领域：能源电力和燃料电池；涡轮发动机（高温和易磨损部分）；航天和军事领域（结构部件和推进系 …… 此处隐藏：7245字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……