试论我国精细陶瓷发展趋势

刘成功

辽宁大学轻型产业学院，辽宁沈阳 110036

精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此，又称先进陶瓷或精细陶瓷。精陶材料将成为名副其实的耐高温的高强度材料，从而可用作包括飞机发动机在内的各种热机材料、燃料电池发电部件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公害的外燃式发动机材料等。

1 精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别

在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限，精细陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。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。由于精细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。在制备工艺上，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、热静压等手段。在性能上，精细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。

2 精细陶瓷的制作工艺

2.1 成形方法与结合剂的选择

精细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。

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。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。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入杂质，使产品产生有害的缺陷。

2.2 陶瓷注射成形和成形用结合剂

氮化硅等精细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。

2.3 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。

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。有机材料是精细陶瓷的主要结合剂，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。

3 精密陶瓷发展趋势

3.1 精细陶瓷的发展方向主要集中在高温结构陶瓷方面

目前，在航天科技、汽车、航空器、军工、核工程、医疗设备及机械动力等方面，已经进入大规模与大范围使用阶段。美国的氮化硅、碳化硅、氧化锆陶瓷为主的精密陶瓷材料研究与推广生产，已取得快速发展，产品的产量已占到世界总产量的60%以上。陶瓷轴承工作温度高达1 300oC以上，其工作强度为普通金属材料5倍以上。耐热氧化锆陶瓷瓦可以忍耐高达6 000oC的航天高温摩擦，被大量用作航天飞机的盔甲。其研制的生物陶瓷产品已经被应用于骨骼修复、瓷牙修补等方面。陶瓷活塞盖、排气管内衬、涡轮增压转子及燃气轮转子等研究工作正在有条不紊地进行。

3.2 精细陶瓷制品倾向于精密陶瓷敏感元件

精密陶瓷敏感元件，已占据国际市场主要份额。包括热敏、压敏、磁敏、光敏、气敏材料在内的各种精密陶瓷产品，垄断了很大部分的国际市场。如采用了大量精密陶瓷材料的新型数码相机与新一代的高清晰电视机等产品中，均使用了大量的敏感陶瓷元器件。此外，目前，正在试验的高性能陶瓷电池，以固态材料替代液态酸溶液，要比传统的电池重量轻2/3，且对环境污染小，尤其适应于电动汽车及航天器使用。此外，众所周知，开发研制的陶瓷汽车发动机，已经部分得到了应用。我国作为传统陶瓷生产大国，目前也正在将发展目标紧盯在高科技的特殊陶瓷与精密陶瓷研制与创新方面。首先，我国载人航天神舟飞船工程中，大量采用了高温陶瓷材料及精密敏感陶瓷产品。这些极具各种优越、特殊功能的陶瓷材料与敏感元器件，支撑着航天事业的快速进展。另外，在传统的机械加工方面，已经先后推广使用了新一代的金属切削工具如陶瓷刀具；作为世界上最大的日用家电产品生产国，许多家电产品中的各类敏感元件的使用范围更广，数量更多，热敏、磁敏、光敏陶瓷材料等方面的生产正在蓬勃兴起。这样对国内精细陶瓷产品的研制与生产，提出了更多的要求。

精细陶瓷是新型材料中特别值得注意的一种，它有广阔的发展前途。这种具有优良性能的精细陶瓷，有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用，达到节约能源、提高效率、降低成本的目的；精细陶瓷和高分子合成材料相结合，可以使交通运输工具轻量化、小型化和高效化。

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