探秘新型结构陶瓷材料及其运用与发展

肖永清

(湖北十堰市新兴化工材料公司，十堰 442001)

探秘新型结构陶瓷材料及其运用与发展

肖永清

(湖北十堰市新兴化工材料公司，十堰 442001)

摘要:先进的结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环境保护、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现等方面都发挥了积极的作用，受到业内的广泛关注。根据先进的结构陶瓷在工业工程中的应用效益显著，分析了先进结构陶瓷的主要组成物、性能特点及其应用领域，研究了先进结构陶瓷材料的新产品开发，介绍了先进结构陶瓷材料在发动机上的运用实例，同时指出了先进结构陶瓷材料的发展前景及趋势。

关键词:新型结构;陶瓷材料;运用发展

现代科学与技术对材料提出了更高的要求，具有特殊性能的新型材料备受青睐。其中，结构与性能优良的结构陶瓷材料越来越受到人们的重视。长期以来，先进结构陶瓷材料受到政府各部门的高度重视，通过科技攻关、产学研工程、高技术产业化示范工程等计划的支持，在基础理论研究、应用研究以及新材料、新产品开发等多方面都取得显著的成果。先进的结构陶瓷材料由于具有一系列优异的性能，在节约能源、节约贵重金属资源、促进环境保护、提高生产效率、延长机器设备寿命、保证高新技术和尖端技术的实现等方面都发挥了积极的作用，受到业内的广泛关注。

1先进的结构陶瓷在工业工程中的应用效益显著

按通常定义,陶瓷是无机非金属材料,以氧化物,氮化物,碳化物等为基础,包括其混合物。尽管如此,还是有不少传统陶瓷在现代技术中应用,如绝缘体,催化剂载体等。陶瓷因具有一些引人注意的性能如极佳热稳定性,高耐磨和耐蚀性,特别电性能等,而被汽车制造业使用或作为研究中的系统构件。几十年来，陶瓷在工业技术中发挥了重要的作用,尤其是近10年中,由于陶瓷在高技术领域所起的令人注目的作用,这类材料的重要性就更急剧地提高了。

结构陶瓷具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等特色，因此，在非常严苛的环境或工程应用条件下，所展现的高稳定性与优异的机械性能，在材料工业上已倍受瞩目，其使用范围亦日渐扩大。而全球及国内业界对于高精密度、高耐磨耗、高可靠度机械零组件或电子元件的要求日趋严格，因而陶瓷产品的需求相当受重视，其市场成长率也颇可观。根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。结构陶瓷主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。

应用性能优异的先进结构陶瓷材料，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷，特别是来源广、价格低廉的氧化铝陶瓷，作为泥浆泵叶轮、叶片、护套、护板、煤粉输送管道、煤炭开采用旋流器部件等表面贴附材料或整体材料，对于不同工况条件下，耐冲蚀陶瓷材料的选择和进一步研究开发经济实用、抗磨损性能优良的结构陶瓷材料具有积极的指导作用；对于推进高技术陶瓷材料在实际工业工程中的应用，改进传统产业具有十分重大的工程意义。

釆用结构陶瓷代替金属制造发动机部件的探索开始于上世纪40年代,目的是提高热机效率,降低燃料消耗,改善环境污染和节约战略物资。由于当时结构陶瓷材料的性能水平较低,而且缺乏合理的陶瓷部件设计方法,这项研究没有取得成功。1971年,在当时“能源危机”的刺激下,美国国防部提出一项名为“脆性材料设计”的规划,研制陶瓷燃气轮机。1975年,美国陆军又提出一项研制陶瓷绝热柴油机的规划。从此,全世界又一次掀起了研制陶瓷发动机的高潮。美国、西德、日本、瑞典等先进工业国都投入数以亿计的美元和大量人力物力,竞相研究开发主要用于汽车的陶瓷燃气轮机和陶瓷柴油机。经过20多年的努力,取得了很大进展。各种先进结构陶瓷材料的性能和陶瓷发动机部件的制备工艺水平均有显著提高,陶瓷电热塞、涡轮增压器陶瓷转子等多种汽车发动机部件已实际应用并投入商业生产,装有多种陶瓷部件的柴油机和燃气轮机已进行了几百到几千小时的台架和道路试验，但陶瓷发动机的研究开发也存在许多困难,其发展速度不如预期的快。

近年来，工程阀门市场竞争日益激烈,为适应市场经济的发展,新产品不断被研发运用,尤其陶瓷阀门具备四大优势：一是阀座采用工艺技术较复杂的热镶嵌技术，对工程陶瓷阀座进行三次时效处理，让工程陶瓷进行充分的时效稳定；二是保护唇专利技术。对于管道流体内含有较大颗粒的陶瓷阀门采用了保护唇专利技术，可防止大直径固体颗粒损坏工程陶瓷内圈；三是工程陶瓷环安装后的精加工ZTA工程陶瓷环安装后，还要进行最后的精加工，以确保阀门的密封性能；四是采用结构工程陶瓷耐磨(刀)闸阀采用双面密封，达到双面耐磨的效果。阀门内腔冲刷过流处还衬有ZTA工程陶瓷，保护了阀体钢构件冲刷损坏。目前主要应用于电力、石油、化工、冶金、采矿、污水处理等工业领域，被业内人士美誉为“强腐蚀、高磨损、高温高压”失效问题解决专家。陶瓷阀门的出现使这些行业焕然一新。

多年来，我国材料研究工作者在先进结构陶瓷方面做了大量工作：一是紧紧围绕国民经济发展的急需，有的放矢进行新材料、新产品研究，取得立竿见影的效果。如陶瓷缸套、阀门、轴承和其它耐磨、耐腐蚀零部件，在实际生产中得到应用，并带来显著的社会经济效益；二是紧紧抓住能源与环境两大严峻课题，最大限度发挥陶瓷的优势，开拓节能环保新技术。如陶瓷热交换器、电光源透明陶瓷、陶瓷切削刀具、蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷等；三是紧紧跟踪国际科技前沿，对新理论、新观点、新技术、新工艺和新材料，进行广泛探索。如凝胶注模成型、放电等离子烧结、微波烧结、纳米与纳米复相陶瓷、晶须或纤维增韧陶瓷和层状复合材料。高温结构陶瓷和陶瓷发动机的研究和开发在中国受到重大关注已有十年以上的时间。经过几年的预研以后,一项名为“先进结构陶瓷和绝热柴油机”的国家计划正式制定。该计划以促进中国结构陶瓷和陶瓷柴油机技术的发展为目的,研究工作由中国科学院、大学和工业部门研究院所共同进行,并由国家科委进行协调，现已取得了许多重大进展。材料设计和材料工艺这项研究的目的是研制开发出一批能在先进热机严酷环境中和其他高技术领域中使用的高性能、高可靠性先进结构陶瓷和复合材料。

2先进结构陶瓷的主要组成物、性能特点及其应用领域

结构陶瓷主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。结构陶瓷同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。

结构陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500Hv以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。结构陶瓷材料一般具有高的熔点(大多在2000℃以上),且在高温下具有极好的化学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。大多数结构陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压(1～110kV)的绝缘器件。铁电陶瓷具有较高的介电常数,可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能，可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。

结构陶瓷材料的特性主要由其化学键晶体结构以及晶体缺陷等决定。从晶体结构看陶瓷材料的原子间结合力主要为离子键、共价键或离子、共价混合键。这些化学键不仅结合强度高而且还具有方向性。晶体缺陷特别是线缺陷和位错可以在晶体中运动。位错沿最密排面、最密排方向运动所需的临界切应力很小，这种位错的大量运动使晶面产生明显的滑移现象，并产生宏观塑性变形，变形前后金属键的结合强度并不明显改变，但是陶瓷中的离子键共价键则不同，因陶瓷晶体结构复杂对称性低，当位错沿滑移面运动时晶体结构难以复原，因破坏了正负离子排列的最小能量状态，可能导致原子键的破坏出现毫无塑性变形的脆性断裂。

陶瓷材料结构的另一个特点是显微结构的不均匀性和复杂性。金属材料通常是从相当均匀的金属熔体状态凝固而成，随后还可以通过冷热加工等手段来改善材料的显微结构使之均匀化。金属材料不含或含极少量气孔而陶瓷材料一般由粉料成型、烧结而成不可避免地存在一定数量的气孔，不同成分和粒度的粉料虽经球磨混料仍难以达到十分均匀的程度，此外陶瓷晶界上还经常存在与基体成分、结构不同的玻璃相。

陶瓷材料的结构特点决定了材料的各项性能包括力学、电学、磁学、声学、光学、热学等性能。陶瓷材料形变是压缩时的弹性模量大大高于拉伸时的弹性模量。影响弹性模量的因素温度，由于原子间距以及结合力随温度的变化而变化所以弹性模量对温度变化很敏感。温度升高原子间距离增大弹性模量降低。由于结合键存在差异陶瓷与金属的硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV和莫氏硬度等。陶瓷材料的化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运动因此很难产生塑性变形室温下的强度测定只能得到一个断裂强度。陶瓷材料的强度主要包括抗弯强度、抗拉强度、抗压强度等。

结构陶瓷的热学性能和抗热震性陶瓷材料的热学性质如熔点、热容、热导率、热膨胀系数等，不仅对陶瓷的制备具有重要意义还直接影响它们在工程中的应用。熔点与金属材料相比耐高温是陶瓷材料优异的特性之一。材料的耐热性一般用高温强度抗氧化性以及耐烧蚀性等因子来判断。但成为耐热材料首先熔点必须高。熔点是维持晶体结构的原子间结合力强弱的参数结合力越强原子的热振动越稳定越能将晶体结构维持到更高温度熔点就越高。

热导率不同陶瓷材料在热导率性能上可以有很大的差别。有些材料是极为优良的绝热材料有些又会是热的良导体。通常低温时有较高热导率的材料随温度升高热导率降低而低热导率的材料则有相反的变化特征。抗热震性陶瓷材料热应力大小取决于材料的热学性能和力学性能，并且还受构件几何形状和环境介质的影响，所以作为陶瓷材料抵抗温度变化能力大小标志的抗热震性也必将是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现。

氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3，一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温，一般可要1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2～3倍，高者可达5～6倍。其缺点是脆性大，不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。

氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4，这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200～1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。

六方氮化硼陶瓷主要成分为BN，晶体结构为六方晶系。氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)六方氮化硼的结构和性能与石墨相似，故有“白石墨”之称，硬度较低，可以进行切削加工具有自润滑性，可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。六方氮化硼是陶瓷材料中导热最大的材料之一，导热率为石英的十倍，高导热系数热压制品为33W/M.K和纯铁一样；膨胀系数相当于石英，是陶瓷中最小的，抗热震性能很好，氮化硼也是陶瓷中最好的高温绝缘材料。

3先进结构陶瓷材料的新产品开发

结构陶瓷主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。

在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。

高新技术的应用是现代战争制胜的法宝。在军事工业的发展方面，高性能结构陶瓷占有举足轻重的作用。例如先进的亚音速飞机，其成败就取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和纤维补强的陶瓷基复合材料的应用。光通信产业是当前世界上发展最为迅速的高技术产业之一，全世界产值已超过30亿美元。其所以发展如此迅速主要依赖于光纤损耗机理的研究以及光纤接头结构材料的使用。我所已成功地运用氧化锆增韧陶瓷材料开发出光纤接头和套管，性能优良，很好地满足了我国光通信产业的发展需要。

随着半导体器件的高密度化和大功率化，集成电路制造业的发展迫切需要研制一种绝缘性好导热快的新型基片材料。80年代中后期问世的高导热性氮化铝和碳化硅基板材料正逐步取代传统的氧化铝基板，在这一领域，我国研制成功的高热导氮化铝陶瓷性能居世界前列。氮化铝-玻璃复合材料，已成为当代电子封装材料领域的研究热点，其热导率是氧化铝-玻璃的5～10倍，烧结温度在1000℃以内，可与银、铜等布线材料共烧，从而制造出具有良好导热和电性能多层配线板，很好地满足了大规模集成电路小型化、密集化的要求。

熔融石英陶瓷是一种以熔融石英为原料，采用陶瓷生产工艺制成的熔融石英材料。其生产工艺为：制备料浆—浇注成型—毛坯干燥—烧结—切割磨削加工—成品。相关的产品应用：浮法玻璃窑炉中的闸板砖、流道盖板；多晶硅锭生产中的方形坩埚；连续浇铸钢水的水口；其他耐高温耐腐蚀的应用。目前，国外生产熔融石英陶瓷制品的厂家主要有美国、法国、日本及俄罗斯的几家公司。国内技术可以和国外竞争的厂家有苏州创新陶瓷有限公司其产品主要有玻璃水平钢化炉用石英陶瓷辊、浮法玻璃窑用闸板砖、浮法玻璃退火炉用空心辊、铸钢用水口、金属带材热处理炉用空心辊、玻璃及冶金窑炉用水口、冲头、坩埚、炉体、科硫、匀科筒、搅拌棒、料盆、旋转管、焦炉炉门及上升管内衬以及绝缘插件、微波屏、灭弧罩、高效间歇炉用热绝缘器、激光反射器和其它光学零件、石英光源用光反射和吸收零件等。此外，在导弹、火箭、雷达等方面也有少量应用。其中，玻璃水平钢化炉用瓷辊、浮法玻璃窑用闸板砖、铸钢用水口、玻璃和冶金窑炉用坩埚、炉体、冲头等制品已形成了大规模工业化生产能力，其产品己在世界范围内销售，并有部分产品销售到我国境内。金属带材热处理炉用空心辊及滓法玻璃退火炉用空心辊，均是取代耐热钢辊、石墨辊及陶瓷涂层辊于近几年开发成功的新产品．对推动有关行业技术进步发挥了积极的作用。

在冶金、建材、化工、航空航天等许多领域，有很多部件都要承受高温、热冲击、腐蚀等恶劣的环境，采用金属和有机材料都是难以适应的。例如金属带材热处理炉的辊道，以往用石墨制作，由于不耐磨而且易高温氧化，只能在还原气氛950℃温度以下工作，寿命也只有2～4个月。采用具有很好抗热震性和耐腐蚀性的熔融石英陶瓷，我国研制成功的金属带材热处理炉的熔融石英陶瓷空心辊道，可在氧化、还原或中性气氛1100℃温度下使用，寿命一年以上。生产玻璃水平钢化炉用的熔融石英陶瓷辊棒，打破了进口石英陶瓷辊棒在国内的垄断地位，成为世界上第3个能生产该产品的国家。这种熔融石英陶瓷还用于浮法玻璃窑的多种制品、太阳能多晶硅熔炼用的坩埚、导弹天线罩等，目前已形成年产几千吨的规模。

多晶硅铸锭用石英坩埚的形态上的发展趋势是：大件(G6石英方坩埚规格达到1040mm×1040mm×500mm)、壁薄(16～20mm)、冷却过程初始需要快速冷却(熔融石英的结晶工艺要求)。准单晶铸锭用的熔融石英坩埚还对产品提出了更高的综合性能，如更好的强度与热传导性、更低的显气孔率与热膨胀系数、更均匀的密度分布等等。对此，业界窑炉供应商ASBKILNS在2011年10月份推出了“复合脉冲燃烧控制技术”和“快速冷却系统”，并将其应用至石英方坩埚窑炉设备中，能使大件壁薄的石英方坩埚制品在升温与保温过程获得更均匀的热场和快速的冷却速度，大大提高石英方坩埚的烧成合格率。

4先进结构陶瓷材料在发动机上的运用实例

陶瓷早已在汽车零部件中占有一席。用陶瓷做的作为汽车增压器的转速每分钟可达10万次,使压缩空气更好地燃烧,而且陶瓷比金属更能承受其产生的热量。汽车发动机发动后会产生热量。众所诸知,减少摩擦,降低发动机的温度,减少冷却液,就可制造出高效率的发动机。陶瓷发动机的最大间题是它的脆性。波音公司和它的大学的学者正在研制微观结构陶瓷,把最小的粒子从原材料中分离出来。目前已进入实验室的研制阶段,最终可能发展成大规模的生产程序。从电子显微镜中可以看到这种结构的均匀性。最终,就是这种在分子甚至在原子基础上的陶瓷提纯法将能排除导致断裂的杂质。在世界上,正掀起一股研制陶瓷发动机的热潮。几年前日本就制定了一个令人瞩目的计划,以便在高技术陶瓷领域中使日本领先。德国、法国、英国和澳大利亚等国也正在和美国争夺这一阵地。据报道，美国和日本在技术上激烈竞争的下一个战场将是陶瓷。在美国的产品中,这门古老的陶瓷制造艺术已发展到向金属和塑料制品挑战的地步。

结构陶瓷具有高温工况下强度高、耐磨性好、隔热性好、低密度和低膨胀系数等性能，广泛用于发动机和热交换零件的制造。陶瓷发动机的优越性为：可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，对内燃机而言，目前作为其制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右；工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染；陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源；陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。

陶瓷耐腐蚀性强，在高温下有良好的热稳定性，被广泛地用作汽油机点火系统的火花塞的基体。为提高发动机热效率、节约能源，可利用陶瓷材料的耐热、耐磨、耐腐蚀、高弹性模量(低膨胀系数)、低密度、隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机心，这样既可防止汽缸内热能损失，又简化了发动机的总体构造，降低了发动机重量。近年来的研究表明，由于部分稳定氧化锆具有低热导率、强度韧性好，低弹性模量，高抗热冲击性，高工作温度(110℃)，ZrO2增韧陶瓷在内燃机中的应用是成功的。在绝热发动机中，韧性氧化锆还可用做汽缸内衬、活塞顶、气门导管、进气和排气阀座、轴承、挺杆、凸轮、凸轮随动件和活塞环等零件。

陶瓷活塞一般用于柴油机，在涡流室柴油机中用陶瓷材料代替贵重金属，可进一步减少冷却装置，因此整体成本有望降低。直喷式柴油机中利用晦瓷材料的耐高温性能在活塞顶部镶人陶瓷块，热效率、噪声与排放情况均有所改善。陶瓷活塞中镶块的尺寸和形状应选择适当，否则由于材料热膨胀系数的差异，会在陶瓷镶块上产生应力，影响活塞的使用寿命：另外，用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纤维活塞，因其良好的耐磨性，可防止铝台金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象。根据不同的需要，陶瓷气缸套可有以下三种形式：一是缸套内表面全部喷涂陶瓷材料。日本小松发动机即采用此结构;二是仅用陶瓷材料做成缸套上圈;三是用金属和陶瓷材料复合制成全陶瓷缸套。采用全陶瓷缸套代替传统的气缸套，可防止汽缸内热能损失，简化发动机结构，进而提高热效率和降低发动机质量。

利用陶瓷材料低密度、耐热和耐磨的特点，用陶瓷材料制造气门、气门座、挺柱、气门弹簧和摇臂，可以减少气门座的变形和落座时的弹跳，降低噪声与振动，延长使用寿命。我国492QA型发动机在采用陶瓷配气机构后，各种工况下可节油2%～8%。三菱公司采用陶瓷制成发动机摇臂，五十铃公司用氮化硅制成的陶瓷气门，在使用中也取得了较好的效果。

汽车上应用特种陶瓷材料制成的元件还有利用陶瓷绝缘性制成的陶瓷加热器、利用陶瓷高温高强度制成的转子、转化器、热交换器、发热元件接头和涡轮充电机以及燃气涡轮机上的涡轮叶轮等零部件。日产公司制造的陶瓷一铝复合排气管，是用Al-Si合金短纤维和陶瓷复合材料制成排气管骨架，再浇注熔化的铝液制成。对于800～900℃的排气来说，陶瓷绝热排气管可取消绝热板，增加了发动机室的容积。采用该排气管可使排气净化效果提高2倍，大大降低了排气污染。阻碍陶瓷发动机实用化的主要障碍是陶瓷的脆性和由此导致的低可靠性。若能解决这个问题，将会给人类社会的发展提供强大的推动力。

5先进结构陶瓷材料的发展前景及趋势

从世界范围来看，先进陶瓷的发展有三种明显趋势：技术进步、全球化及稳定增长。美国在先进陶瓷的研究开发方面居世界首位，日本则在除航天工业外的其它应用领域领先。

美国的专利倾向于在基础知识上的创新，日本专利则倾向于现有技术基础上的改进以期有更多的工程应用前景。全球化表现在国际问的合作与兼并，如美国Lanxide与日本Nibon Cement的合作,以及法国Saint-Gobain收购美国Nortoo。先进陶瓷将不断增长，结构陶瓷和电子陶瓷增长稳定，陶瓷复合材料与涂层将在较低的水平上以2位数的幅度增长。

在美国，先进陶瓷每年获得的收入超过8亿美元，平均增长速度为8%，主要增长行业来自于电子领域。陶瓷绝缘体，封装，基板，电容等陶瓷元件不仅在传统角色中增长显著，而且结构陶瓷在半导体制造上也发挥了重要作用。这种发展的主要驱动力是来源于碳化硅，氮化铝，氮化硅和氧化铝陶瓷在腐蚀环境下的防腐性能。随着越来越多的行业走向“绿色”(无公害)制造，将有耐磨，耐腐蚀陶瓷将更多应用在工业机械上。

美国先进陶瓷发展的重点为高温结构陶瓷，目前在航天技术、汽车、航空器、核工程、医疗设备及机械动力等方面进入大范围使用阶段。以氮化硅、碳化硅、氧化锆陶瓷为主的精密材料陶瓷制品产量占世界总量的60%以上。美国生产的陶瓷轴承，工作温度高达1300℃以上，其工作强度为普通金属轴承的5倍以上。美国研制的生物陶瓷产品也已大量用于骨骼修复，瓷牙修补的临床应用。目前美国特陶工业界还加紧军用先进陶瓷的研制开发，期待逐步加强在军事领域的应用。美国先进陶瓷协会和美国国家能源部共同推动先进结构陶瓷材料的应用发展,到2020年，先进陶瓷以其优越的高温性能以及其他独特性能，成为一种经济适用的首选材料，并广泛应用于工业制造业、能源、航天、交通、军事以及消费品制造等领域。

近年来，随着我国国民经济的不断发展，基础设施建设的加强，结构陶瓷作为机械行业在飞速发展的同时也面临着激烈的市场竞争。目前我国各行业生产中普遍使用的材料多为金属，金属材料的使用已有上百年的历史，其间虽然也经过结构及材料的改进，但受金属材料自身条件的限制，越来越不能适应高磨损、强腐蚀等恶劣工况的需要，主要体现在使用寿命短、磨损严重，大大影响了系统运行的稳定性。传统的金属部件急需从材料、设计及制造工艺等方面彻底革新。陶瓷材料作为21世纪的新材料，具有非常高的抗拉强度、抗压强度、弹性模量和硬度。优异的性能使之受到了越来越多的科学工作者的重视。

结构陶瓷材料的研发必需以市场为导向，应用为目标，提高陶瓷材料的断裂韧性，降低性能离散性，提高使用可靠性．降低制造成本等为首要任务。进一步加强基础研究和制备过程的关键技术的研究。陶瓷材料的离散性和性能的可靠性是密切相关的，主要取决于结构陶瓷材料显微结构及均匀性。分析整个材料的制备过程不难发现，粉体制备、制品成型及烧结过程均会对材料性能的可靠性和稳定性产生重要影响。因此，深入研究结构陶瓷材料制备科学与技术问题是十分重要的。国内外发展趋势是要求制各出具有超细、解聚与分散性好的粉体。在各种粉体制备工艺的基础上研究粉体的结构及微量杂质对性能的影响，采用了多种方法对超细粉体进行表面处理、分散以达到均匀、超细与基本无团聚的粉体。

高性能结构陶瓷精密异型部件(包括特大或特小尺寸精密部件)的成型是制备工艺中的一个关键环节，传统的干压成型由于粉料与模具的摩擦阻力，压力传递的梯度效应等易导致微观结构的不均匀，而注浆成型易造成素坯分层，素坯强度也较低等缺点。九十年代，美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模成型技术，该技术低成本、适于批量化、近净尺寸成型与原位凝固技术特点，操作方法简，且成本低廉，所得素坯强度高，易于精密加工。适应复杂形状的制各要求。同时，与压力注浆相比，凝胶注模成型更易于实现生产自动化，这对降低成本是至关重要的。研究材料内部缺陷的产生、遗传、变异的规律和通过对缺陷的消除与控制，提高可靠性缺陷是材料微观结构中不可避免的，如何尽量减少它的产生，了解它的性质及控制的方法是保证可靠性至关重要的问题，研究缺陷的性质及其发展的关系可以指导控制缺陷。缺陷在烧结过程生成理论不仅与工艺过程有关，还与原材料的纯度、表面特性、均匀性及固有缺陷相关。研究这方面的学科问题具有重要意义。

研究可靠性的评价系统与评价技术基础。材料可靠性的评价涉及粉体表面特征及表征、坯体和烧结体的显微结构特征及其表征：涉及到材料中缺陷产生、遗传、变异过程的动态观察与分析表征；涉及材料显微结构与宏观性能之间的关系：涉及建立材料及工艺因素对材料性能影响的数据库。采用电境显微术对粉体、坯体和烧结体的静态和动态观察与分析。从微观力学与宏观力学方面的理论与实验，结合先进实验分析手段对材料的可靠性进行评价，研究微缺陷元存在、发生和发展的理论，为控制缺陷提供指导，并结合无损评价技术对材料检测为其评价提供依据。对结构陶瓷素坯及成品的无损检测，是保障结构陶瓷材料可靠性的重要措施，同时，对研究结构陶瓷材料缺陷的产生及变化也有十分重要的作用。

未来，随着技术的不断发展，先进陶瓷市场将继续增长并带来更大的经济效益和社会效益，如减少维护费用、提高设备使用寿命、减少生产能耗、减少环境污染等。

6结束语

多来年，中国陶瓷材料研究工作者坚持科研为国民经济服务、为国防建设服务的方针，以国民经济各部门发展所提出的急需来选择科研课题，有的放矢地开展结构陶瓷新材料新产品的研究，取得立竿见影的效果。随着科学技术的不断发展和进步，陶瓷材料配方、成型、加工及装配工艺等各方面的技术更加趋于成熟和完备，先进结构陶瓷材料越来越多地在高新技术工程领域中的运用，其优异的性能会得到越来越多的业内人士和消费者的认同。

Explore New Structure Ceramic Materials and Its Application and Development

Xiao Yongqing

(Hubei shiyan new chemical materials company,Shiyan 442001)

Abstract:The structure of advanced ceramic material with a series of excellent performance, in saving energy, saving precious metal resources, promote the environmental protection, improve production efficiency, extend the life of machinery and equipment, ensure the realization of high and new technology and cutting-edge technology has played a positive role in such aspects as, received extensive attention of the industry. According to the advanced structural ceramics in the application of industrial engineering benefit is remarkable, analyzes the main composition of advanced structural ceramics, performance characteristics and application fields of research for new product development of advanced structural ceramics, introduces the advanced structure ceramic materials on the engine using instance, at the same time points out the prospect and tendency of the development of advanced structural ceramics materials.

Key words:new structure; ceramic materials; development

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.02.007