柔性陶瓷——新材料中的宠儿

韩永奇

陶瓷，给人的感觉是似钢铁那样坚硬，但又似玻璃那样易碎。那么有没有不易碎的陶瓷呢？答案是肯定的！现在，有一种既柔软又不易碎的新型陶瓷已然问世，这就是——柔性陶瓷。

柔性陶瓷是科学家运用纳米化学技术创新出来的一种新型复合材料，它有形状记忆的功能且弯曲后不易破碎，其独特的性能让它一面世就受到多领域的追捧，成为市场炙手可热的宠儿。柔性陶瓷因在生物医学、燃料电池等领域得到广泛的运用，多家国内新材料公司也开始涉足柔性陶瓷，比如江西赣州高新产业园将建设年产5 000t的稀土柔性陶瓷材料生产线；河南焦作安泰新型耐磨材料有限公司用柔性陶瓷材料生产出“以柔克刚，弹性防磨”的柔性防磨密封材料，已在金库防御系统、军事防御、风力发电、海上采油平台等得到成功运用；深圳市万众油田服务有限公司生产的柔性陶瓷防腐涂料已广泛使用在石油钻采设备、石油化工装置、泵阀及密封件、螺栓紧固件的防腐、防酸碱、自润滑上；重庆泰莹科技有限公司生产的TY-TC-813高固体份柔性陶瓷涂料，具有防腐耐磨、抗冲击和良好柔性陶瓷涂料；中国建筑材料科学研究总院的研制生产的导弹用泡末氧化铝陶瓷隔热材料、定向直孔道多孔陶瓷材料、发汗陶瓷材料等热防护陶瓷材料用于航天技术领域。

一、柔性陶瓷的结构及性能

形状记忆是柔性陶瓷的特性，这种特性说明柔性陶瓷這种新材料在加热、弯曲后还会恢复到原来的样子。一般情况下，脆弱的陶瓷易碎，那么如何让陶瓷不碎并具有形象记忆功能呢？关键是陶瓷在型态上发生改变，变成细小颗粒。陶瓷如何变成细小微粒？应遵循以下原则：先造出肉眼看不见的极小颗粒，微粒陶瓷的直径比头发丝还要小，然后让单个晶粒弥漫填充到整个结构，因为破碎和裂缝现象容易在边界出现，所以就将晶粒之间的边界剔除抹平。微小的陶瓷样本中有7%的微粒具有形象记忆功能，也就是说即使弯曲也不会破碎。在最近的研究中发现，将柔性陶瓷微粒制成直径为1μm的长纤维，7%～8%的材料在弯曲过程中不易碎。

柔性陶瓷既有陶瓷的“天性”又有金属的特点，集高延展性金属和高强度陶瓷的特性于一身，可谓是“刚柔相济”。这种性能优良的新材料将在纳米材料和纳米设备的制造上大显身手，如应用于生物医学上的微观激励器、微小的植入物释放药物等。

制备柔性陶瓷必须用到二氧化锆（ZrO2），这种物质是目前研究得最多的陶瓷材料，在工程上有大量运用。ZrO2的硬度可以和金刚石媲美，所以这也是欧美科学家钟情于用其制备柔性陶瓷的原因。柔性陶瓷的柔韧性对于增强燃料电池抗破坏性非常重要。因此，ZrO2也和燃料电池成为难舍难分的“好兄弟”。

我国材料人长期多关注陶瓷增加韧度的研究，与西方发达国家的研究不谋而合。解决陶瓷材料中的易碎问题，不仅是国外材料领域关注的重点，也是我国材料科学家们共同研究的方向。

二、国内外柔性陶瓷的研究进展

国外早就开始了对柔性陶瓷的研究，美国、日本在柔性陶瓷领域处于领先地位。先是美国麻省理工学院材料科学和工程学研究所对柔性陶瓷的材料、结构、韧性等进行了基础性研究，让柔性陶瓷兼具陶瓷的刚性强度和金属的柔软，并探讨了该类陶瓷的分子结构，对其形状记忆的特色分子结构进行了分析和探索。

而后，美国康奈尔大学的研究人员也对微型陶瓷的分子结构进行了分析，在透射式电子显微镜下可以看到，这种微型陶瓷材料的分子结构是一个双层连续立方体结构，这一发现与100年来的数学假设基本吻合，这个发现极大地引起了美国研究人员的高度关注。该柔性陶瓷材料的结构较为复杂，研究人员因自然界存在的完美对称形状而受到启发，一种海藻——硅藻的结构十分精美，这种具有硅化的细胞壁的单细胞海藻的花纹完美对称。后来，他们进一步把微型陶瓷材料的研发与纳米化学有机结合起来，研制出一种新型复合材料即柔性陶瓷。

21世纪以来，美国国家能源部和美国先进陶瓷协会联合制定了美国先进陶瓷发展计划，资助时间长达20年，该计划主要内容是以柔性陶瓷等先进陶瓷的基础研究、应用开发和产品使用为核心，以达到促进柔性陶瓷等先进结构陶瓷材料的研发和应用的目的。美国计划到2020年，以柔性陶瓷为主的先进陶瓷优越和独特的性能将应用于能源、工业制造、医疗、航空航天、军事等领域。目前，能承受1 200～1 300℃、使用寿命2 000h的柔性陶瓷材料发动机部件已经由杜邦公司研制出来。超音速飞机发动机的柔性陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件正在由美国格鲁曼公司研究，不久将可以应用到超音速飞机发动机上。

西欧国家对柔性陶瓷的研究也在进一步深入，英国、德国等国家投入大量资金和人力来研发柔性陶瓷材料，柔性陶瓷材料在发电设备中应用技术成为研究的重点，如排气管里衬、陶瓷活塞盖、涡轮增压转及燃气轮转等部分都要用到柔性陶瓷。机器设备的冷却部分使用柔性陶瓷材料可有效降低热损；柔性陶瓷热交换器不仅可回收余热还耐腐蚀以及增加热交换率，这样可以应用到各个行业领域的节能减排。

在中国，柔性陶瓷研究和应用比较晚，从20世纪90年代初逐渐开始，许多科学家和从事新材料研究的实验相继对这类新的陶瓷材料进行关注和研究。我国对ZrO2陶瓷的研究、试验的重点在于陶瓷的增加韧性技术方面。实际上，我国开始的陶瓷增韧技术和美国、新加坡联手研究的微小陶瓷技术类似，在一些主要环节也较一致。中国科学院、中国科学院上海硅酸盐研究所、北京化工大学材料与工程学院等科研院校对柔性陶瓷研究也投入了人力和物力，在解决陶瓷的易碎和增加韧性上进行联合攻关，近年来也取得了一些成效、尤其是以ZrO2为原料的柔性陶瓷已经研发出来，运用到发动机气缸内衬、推杆、轴承等部件中，还有的柔性陶瓷材料被应用到石油管道、医疗器戒等领域。河南维纳精细陶瓷有限公司和武汉钢铁厂联手合作，用柔性陶瓷做出了发动机零部件，取得了极大的成功。在我国台湾，和成公司近年来针对抗弹柔性陶瓷研发也有重大进展。

三、柔性陶瓷发展优劣势分析

目前，我国材料界有学者在科学分析了微小陶瓷各技术层面后发现，这种柔性陶瓷材料的结构从理论上来说较为严谨和细致，似乎无懈可击。在多年研究和实验探索的基础上，目前我国在陶瓷增韧技术上有了很大的进步，开发出了韧性陶瓷产品，如较为成熟的陶瓷刀、柔性陶瓷电加热器、具有采暖功能的柔性陶瓷地毯等，让国际同行业者刮目相看。

实践证明，陶瓷材质硬、耐高温以及抗腐蚀的特性也是任何金属和聚合物也无法比拟的。在电视上，也许有人看到过这样的画面，陶瓷刀把钢刀都切断了，这是因为陶瓷材质硬于金属，故大多数金属成为陶瓷刀的“牺牲品”，不得不屈从于陶瓷刀。基于这一特点，陶瓷在机床工业生产中大有用武之地，原本由稀有金刚石做材料的零部件，可以用陶瓷替代。这样可以一举两得，不仅扩大陶瓷的用途，还有效解决了天然金刚石稀缺的问题，对企业的提质增效大有裨益。

柔性陶瓷的特性还适合在医疗材料和电池材料上应用，但具体应用在什么地方，怎么用才能发挥最大效能，如何产业化，怎么用才能达到目的等问题亟待深入探討和解决。

多年来，我国一直在完善相关技术标准，但韧性陶瓷产品却没有相对成熟的标准，标准准确的推出时间也尚未可知。在实际应用中，陶瓷相比传统金属既有优势也有劣势。在无严格标准的背景下，目前多数研究单位和企业只能“摸着石头过河”。

四、柔性陶瓷材料市场前景广阔

柔性陶瓷作为一种新材料，其市场应用空间广阔，市场前景看好。柔性陶瓷材料在通讯、电子、医学、航空、航天、军事等高技术领域都被广泛应用。如电子计算机的高速硬盘转动系统需要柔性陶瓷轴承；导弹、火箭发射装置的关键部件如透波、鼻锥等要用耐高温和抗氧化能力极强的柔性陶瓷做天线罩，才能承受高温气流的冲刷、摩擦；磁流体发电机其电极材料必须要用柔性陶瓷；柔性陶瓷还被应用到高能量蓄电池、高温燃料电池做隔膜材料等。

未来，一个巨大的高新技术产业——柔性陶瓷产业将会形成。全世界对柔性陶瓷产品的需求将会出现较大幅度的增长。柔性陶瓷材料以其优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨等性能及功能复合效应在新能源、国防军工、高新技术产业、生物医学等领域发挥着巨大的作用。因此，作为新型材料的柔性陶瓷，具有传统材料没有的特性，在工业生产中用途广、市场大、前景好。

笔者认为，柔性陶瓷材料发展前景非常乐观，但任重道远；柔性陶瓷未来必然会实现产业化，但道路曲折。我国柔性陶瓷的技术储备不足应引起重视。可以说，在相当一段时期内，柔性陶瓷的应用范围不会太广，只能缓慢扩展。相信在不久的将来，柔性陶瓷将进入我们的日常社会生活中并且发挥应有的作用。