工业陶瓷

(续上期)



主题策划

工业陶瓷

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8 耐磨耐腐蚀陶瓷

8.1 陶瓷刀具

1)工业陶瓷刀具。20世纪50年代，我国开始研究与开发工业陶瓷刀具并在生产中得到应用。目前，我国从事工业陶瓷刀具的科研和生产企业有30多家，生产20多个品种的氧化铝基陶瓷(占总量的2/3)、10多个品种的氮化硅基陶瓷(占1/3)，带孔和不带孔刀片的生产能力也很强。其中，重庆利特高新技术陶瓷有限公司、清华方大、山东工业大学、北京天龙、重庆渝伦及湖南长沙工程陶瓷公司生产的刀片性能已达到与国外同类产品水平且有一些具有我国特色的产品，如陶瓷与硬质合金的复合刀片、梯度功能陶瓷刀片、纳米金属陶瓷刀片等。目前，我国刀具市场上的工业陶瓷刀具绝对数量仅占1%～3%，但已在机械、冶金、矿山、汽车、拖拉机、轴承、水泵、交通、能源、精密仪器、航空航天等20多个行业的几百家工厂推广应用。第一汽车制造厂、第一汽车制造厂和石家庄水泵厂等单位用陶瓷刀具切削难加工材料，一汽含硼和含磷汽车缸套的加工已实现了全部陶瓷刀具化。宝钢的轧辊和轴承加工使用陶瓷刀具切削淬硬钢件及精密铸件。

氧化铝基陶瓷刀具20世纪50年代，我国开始研制和推广应用Al2O3陶瓷刀具。1953 年起，南京电瓷厂与中国科学院上海冶金陶瓷所开始研究氧化铝陶瓷刀具。后来上海、南京、唐山的工厂也投入生产，在上海、东北一些工厂推广使用。60年代中期，成都工具研究所研制出以MgO或以MgO+Fe为添加剂的Al2O3陶瓷刀具，在成都量具刃具厂应用效果良好。

70年代后期到80年代，国内许多单位开发碳化物或碳氮化物和Al2O3，复合材料。1979年，成都工具研究所研制成功热压Al2O3+TiC复合陶瓷刀具，在二些轧辊厂加工冷硬铸铁轧辊取得良好效果。1980年以后，山东工业大学(现山东大学)、济南市冶金研究所和中南矿冶学院等单位先后研制成功热压复合Al2O3+TiC陶瓷刀具，用于精车、半精车、精铣淬硬钢和高硬合金、白口铸铁等难加工材料的加工。

80年代从事复合Al2O3，陶瓷刀具生产的主要单位有成都工具研究所、湖南冷水江陶瓷工具厂和济南冶金所等。湖南冷水江陶瓷厂年产约20余万片是当时国内最大的陶瓷刀具生产厂家。

90年代初，陕西机械学院推出Al2O3+(W，Ti)C+金属、Al2O3+TiC十金属和Al2O3+TiCN+金属共三个体系、四种牌号的复合陶瓷刀具并形成一定规模的生产和应用。90年代以氯国内不少单位进行过ZrO2增韧Al2O3陶瓷刀具和SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具的研究，取得一定的成果，但未能形成规模生产与应用。

氮化硅基陶瓷刀具1975～1977年，清华大学探索采用Si3N4陶瓷作为金属切削刀具取得成功，在国际上率先实现了用热压Si3N4陶瓷刀具对多种难加工材料(冷硬铸铁、淬硬钢、热解石墨和玻璃钢等)进行多种工序(车、铣、螺纹车削和丝杠挑扣等)的加工和生产应用。

70年代后期，清华大学又利用硬质相弥散强化、单相固溶体和晶界玻璃相结晶化的协同作用来提高Si3N4陶瓷刀具材料的硬度，减少至消除高温性能差的晶界玻璃相。首钢、武钢等几十家企业用复合Si3N4陶瓷刀具加工冷硬铸铁轧辊，切削效率提高3～7倍，节省工时和用电50%～80%。

90年代以来，国家科委，国家经贸委和国家计委分别把复合Si3N4陶瓷刀具项目列为“国家重点攻关项目”、“国家级产学研工程高技术产业化项目”和“国家高技术产业化示范工程”。清华大学和相关企业进行产业化技术及关键设备的研究，先后研制成功1 600 ℃双炉体大型自动化氮化炉、2 000 ℃双炉体双工位自动化热压炉、经济型自动化周边磨床以及用先进的热等静压技术生产复杂形状的陶瓷刀具，解决了从原料到最终产品的工业化生产技术。清华大学将复合Si3N4陶瓷刀具的生产技术转让给北京紫光方大高技术陶瓷有限公司、湖南冷水江陶瓷工具厂等企业进行生产。

氮化硅基陶瓷刀具已在冶金、水泵、矿山机械、汽车、军工、轴承等十几个行业上千家企业应用，给国家带来很大的经济效益和社会效益。

2)日用陶瓷刀具。日用陶瓷刀具刀身采用氧化锆陶瓷。日用陶瓷刀具的产品款式很多，手柄可采用ABS塑料、陶瓷、橡胶、原木、彩木、竹子等流行材料。我国主要生产日用陶瓷刀具的企业有重庆利特高新技术有限公司、广东东方锆业有限公司、佛山市陶瓷研究所有限公司、山东硅苑、中材高新博航电子陶瓷有限责任公司等。

8.2 耐磨球与衬

1)氧化铝球与衬。1977年山东工陶院与山东电力试验所、济南肉联厂等单位，采用注浆工艺生产的75%氧化铝耐磨衬片在煤粉鼓风机叶片上使用取得良好效果，比锰钢质叶片的耐磨性提高4倍。20世纪90年代开始，中博先进材料股份公司、广东特高特陶瓷有限公司、郑州梦达结构陶瓷实业有限公司、山东奥克罗拉集团公司、山东东瓷科技有限公司(原名淄博联兴特种瓷业有限公司)、连云港中奥铝业有限公司等单位先后开发并大批量生产75%～99%微晶氧化铝耐磨球与衬砖。氧化铝球径一般直径为2～60 mm左右。各厂生产规模为92或95系列均为万吨左右，最大可达3.5万t，75系列产品规模较大，最大可达5万t以上。

2)氧化锆耐磨球与制品。一般采用加5%氧化钇+95%氧化锆混合料制成。淄博华创工程陶瓷有限公司利用脱硅锆(锆英石)生产耐磨球。同时，青岛康恩达先进陶瓷公司(属美资企业)、东营市五环高技术陶瓷有限公司等生产的高韧、高强部分稳定氧化锆陶瓷在石油、采油泵、球阀、隔膜泵球衬等方面得到应用。

3)氮化硅轴承球。1991～1995年期间，山东工业陶瓷研究设计院承担了国家科技攻关项目，“氮化硅轴承球的研制与开发”;1997年，开展了“80万粒轴承毛坯球制备技术及精球批量生产技术”的开发；2001年，在山东工业陶瓷研究设计院内开始建设900万粒精密轴承球生产线，后迁移至北京中材高新人工晶体研究院内继续完善相关工艺装备，采用喷雾干燥造粒、等静压成形、气氛压力炉烧结后进行精加工，轴承球的精度可达G5～G10水平，能满足高速运转对轴承球的要求。同时上海材料研究所等也生产氮化硅轴承球。

8.3 密封件与润滑材料

8.3.1 密封件

目前，适于制造陶瓷密封件的材料有氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅、碳化钨及其他们的复合材料。国内密封件材料已形成一定的生产能力与规模，可生产制造各种材质的陶瓷密封件。陶瓷水龙头密封阀片是20世纪90年代在我国出现的，是陶瓷密封件中用量最大、最具有代表性的产品，常用材料是刚玉陶瓷。产品执行标准《陶瓷片密封水嘴》(GB/T 18145-2000)。目前，福建、浙江等地均有大批量生产。

8.3.2 润滑陶瓷材料

1)润滑陶瓷。高性能陶瓷润滑和密封材料具有耐高温、耐化学腐蚀、耐磨损、机械强度高、润滑性能良好等优点，在航空、航天、原子能、微电子等领域具有广阔的应用前景。近年来，中科院兰州化学物理研究所通过对晶粒尺寸和增强相成分与结构的精确控制以及合理的摩擦学设计，将纳米陶瓷与陶瓷润滑技术成功结合起来，采用热压烧结工艺备具有优异力学和摩擦学性能的陶瓷及其复合材料。

2)润滑油陶瓷添加剂。随着现代机械设备的工况条件(载荷、速度、温度等)的提高，润滑油中原有的减摩剂和抗磨剂已不能完全满足减摩抗磨性能要求。20世纪90年代以来，现由于某些纳米陶瓷材料的独特结构使其具有特殊的摩擦学性能，以这些纳米陶瓷粒子制成的纳米润滑油添加剂可使润滑油的减摩抗磨性能得到大幅度提高，为润滑领域中长期未能解决的难题开辟了新的解决途径。

我国对纳米陶瓷粒子作为润滑油添加剂的研究还处于起步阶段，目前，将纳米陶瓷粉体制作成纳米陶瓷润滑油添加剂的有许多种类，如含有低浓度氮化硅(Si3N3)纳米陶瓷粒子的分散溶液(纳米陶瓷粒子质量分数小于3%)，再将纳米陶瓷添加剂加入PAO类基础油中。此外，由羟基硅酸铝、氧化物催化剂及其他添加剂等构成的复杂组分，以1%的比例与石蜡混合成添加剂成品。

8.4 纺织瓷件与拉丝模

目前，纺织陶瓷零件大致分为三类，即摩擦盘、导纱件和切线器具。摩擦盘可调节纱线速度、张力、弹性、韧性等其他变形特性。切线器具常见于自动络筒机风门剪刀与张力剪刀等。导纱件名目繁多，用途广泛，形状复杂。导纱件分为一般导纱件和特殊导纱件。一般导纱件又分为棒形、管形、偏口形、滚筒形、环形、孔眼形、掺合嘴、止捻器等系列。特殊导纱件分为盘孔形、飞碟形、槽柱形、月牙形、枫叶形、弯管、螺旋管、退捻管、捻结室腔等系列。

据不完全统计，纺织陶瓷材料有4大类、数十种。Al2O3瓷、TiO2瓷、Al2O3-ZrO2瓷和ZrO2瓷。其中Al2O3瓷品种最多，95瓷直到99瓷、微晶刚玉瓷、铬刚玉瓷(也叫红瓷)、锆刚玉瓷、硼刚玉瓷、钇刚玉瓷等。TiO2瓷又分为奶油色瓷、蓝黑色瓷、棕色瓷等。

我国纺织瓷件的生产企业主要集中在江苏省和浙江省。主要生产企业有宜兴市前锦特陶科技有限公司、浙江省德清县国泰纺织瓷件厂、苏州市中天化纤纺织瓷件厂、中环集团苏州市诚昌精细陶瓷有限公司、泰荣特种陶瓷厂等。

8.5 造纸行业用陶瓷耐磨部件

自1966年以来，山东硅苑开始研制和生产造纸工业中刚玉瓷件近40余年，开发的主要产品有：陶瓷成形板，全陶瓷三片刮水板、外嵌陶瓷刮水板、全陶瓷五片刮水板、单片脱水板、水腿湿吸箱面板、低真空湿吸箱面板、真空吸水箱面板、毛布及方型毛布吸水箱、成形器、加压靴、高浓陶瓷除砂器、除砂嘴及各种陶瓷耐磨部件等。材质以氧化铝质(适合低、中速造纸机)和氧化锆增韧氧化铝质(适合1 800～2 000 m/min及2 000～2 500 m/min中、高速造纸机中)。湖南湘瓷科艺股份有限公司亦生产造纸机用脱水元件。

9 导电陶瓷及制品

9.1 碳化硅发热元件

1955年，沈阳铸造研究所、北京钢铁研究院、第四砂轮厂、第一砂轮厂等单位联合组成实验组开始研究碳化硅电热元件的制备工艺技术，1957年研制成功，1958年在山东进行工业性批量生产。到目前为止，已有30余家工厂生产碳化硅电热元件，主要有山东淄博生建八三厂、泰兴高热电热元件有限公司、山东省潍北硅碳棒厂、郑州嵩山电热元件有限公司等。1987年成立的郑州嵩山电热元件有限公司是世界三大高温电热元件生产厂商之一，主要从事碳化硅电热元件和二硅化钼电热元件的研究和生产。

长期以来，国内硅碳棒热端的生产工艺一直停留在反应埋烧老工艺。近几年来，开始采用重结晶工艺。我国硅碳棒执行标准《碳化硅特种制品硅碳棒》JB/T 3980-2008)。

9.2 二硅化钼发热元件

1961～1965年，中国建筑材料科学研究院开始研究二硅化钼及其制品。20世纪70年代初期，上海电机玻璃纤维总厂开始小批量生产并推向市场。1987年，天津硅酸盐研究所和上海硅酸盐研究所研制成功质量较高的硅钼棒。

1998年，我国开始专门研究高品质硅钼电热元件，2000年研制出性能基本达到国外同类产品水平的硅钼电热元件并成功地解决了形状单一的问题，形成了5种规格型号的系列产品。嵩山高温元件电炉厂首先建厂生产，是目前我国最大的MoSi2生产厂。其他生产单位有上海常兴、康泰、彩兴高温元件厂，上海试验电容器厂，苏州高温元件厂，唐山九博高温元件厂，烟台火炬超高温材料研制有限公司，当城高温元件厂，四川广元高温元件厂等。

9.3 硼化钛与导电氮化硼

1979年，中国建筑材料科学研究院陶瓷研究所开始研究8N-TIB，导电复合陶瓷，经过中间试验和推广应用，1984年推广到山东青州东方特种陶瓷有限公司(原青州铝箔总公司特钢分厂)和淄博嘉昌特种材料有限公司(原淄博特种陶瓷厂)，先后生产出BN、TiB2粉末及一者复合而成的导电氮化硼制品。2003年后，青州东方特陶有限公司的主导产品导电陶瓷蒸发舟年销售40万支，居同行业之首。此外，潍坊博鸣凯股份公司、青州龙基物特陶新材料有限公司、潍坊邦佳特种材料有限公司和淄博鹏程特种陶瓷厂等亦生产导电氮化硼。

1988年10月，兰江冶炼厂和中南工业大学开始进行以氧化物为原料，以炭粉为还原剂，利用高温电阻炉直接合成硼化钛的工业性试验，并于1989年5月8日生产出第一炉近10 kg硼化钛粉，开始了国内的硼化钛的工业化生产，建成月产500 kg硼化钛的生产线。冶金工业部西南地质勘查局成都西南冶金新材料开发公司工业化生产TIB，粉末并已申请国家专利。

9.4 氧化锆导电陶瓷

1971年，冶金部钢铁研究总院在国内首先研制成功以铂铑作引线的氧化锆质发热元件；1973年，又在国内外首先成功地采用了以铬酸锶镧代替铂铑作引线体的氧化锆质发热元件。多年来，该产品广泛应用于各种形式的高温电炉，1988年获国际发明展览会金奖。从1985年起，氧化锆质发热元件先后出口美国、瑞典、日本等国，用元件组装的超高温电炉也已开始出口。

20世纪70年代初，我国开始研究和开发钢水直接快速定氧传感器技术，80年代初开始研制稳定氧化锆材料并取得大量成果。现在，浙江乐清仪表元件厂、石家庄市万利鑫工贸有限公司等单位已批量生产氧化锆基钢水快速定氧传感器。

烟道气氧传感器、汽车尾气传感器等ZrO2氧传感器已经被广泛使用，成为固体电解质真正商业化的典范。主要的生产单位包括中国科学院上海硅酸盐研究所、南京分析仪器厂、南京化工研究院、沈阳陶瓷厂、洛阳耐火材料研究院等。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是以ZrO2等导电陶瓷为隔膜，采用全固态设计的一种燃料电池，在欧美、日本等发达国家均是能源领域重点支持的对象。20世纪90年代，中国科学院上海硅酸盐研究所的燃料电池课题组开始研究固态氧化物燃料电池，承担了国家科技部和中国科学院联合下达的固态氧化物燃料电池“九五”攻关任务，1999年3月成功组装和运行了一个电解质膜面积为40 mm×40 mm的含十个单体的SOFC电池堆。2001年3月，组装和运行了由80个面积为100 mm×100 mm的单体组成的电池堆，最大输出功率810 W，是迄今为止国内运行的最大功率的电池堆。

9.5 β-AlO3导电陶瓷

中国科学院上海硅酸盐研究所是国内主要的β-AlO3陶瓷研制单位，多年来，对从原料到陶瓷、从组成到显微结构、从制备工艺到各种特性等进行一系列系统深入的研究，具备制备各种规格、具有良好性能的各种β-AlO3陶瓷制品，性能达到国际先进水平。

9.6 铬酸镧发热元件

铬酸镧发热元件可用于录相机磁头铁氧体单晶的制备、宝石变色处理等，是目前最好的陶瓷电热元件之一。包头稀土研究院和山东大学联合研制的铬酸镧电热元件使用寿命可达2 000 h以上，性能和日本元件相当。包头稀土研究院在20世纪80年代初期研制完成了哑铃形铬酸镧发热材料的工作，并通过了部级技术鉴定，在1995～1996年研制开发成功了铬酸镧等直径发热元件。我国目前只有包头稀土研究院能生产铬酸镧电热元件。

10 陶瓷纤维与制品

10.1 硅酸铝纤维(含高铝纤维)与制品

硅酸铝纤维与制品是一种轻质、隔热、耐温的绝热材料。20世纪70年代，我国的陶瓷纤维工业开始起步，唐山第十瓷厂等企业利用烧矾土与废耐火砖分别粉碎后按一定比较配合、熔融喷吹、水选清渣制成各种毡等制品。80年代初，山东淄博、河南巩县等利用当地原料制造硅酸铝纤维与制品。

1985年，我国先后从美国CE公司、B.W公司及Ferro公司引进4条耐火(陶瓷)纤维针刺毯生产线，推动了陶瓷纤维制品的应用技术发展。

1986年，国家经委、冶金部在南京铜井耐火纤维厂、湖北襄沙化工厂等单位组织了电阻法电丝成纤“干法针刺制毯”的引进线的消化吸收。1987年，又组织了电阻法喷吹成纤“干法针刺毯”引进线的消化吸收。这两项工作均由冶金部马鞍山钢铁设计研究院承担。

1991年12月，山东沂源节能材料厂(现改为山东鲁阳股份有限公司)建成一条CBC-1型耐火纤维针刺毯生产线投产成功，至1997年共建成7条生产线，1998年又建成CBC出连熔连甩生产线1条，真空成形、真空吸滤生产线4条。目前，鲁阳公司的生产能力已达15万t，成为亚洲最大的硅酸铝纤维及制品的生产基地，并跻身于世界陶瓷纤维行业三强的行列。

20世纪80年代中后期，我国开始生产晶体纤维(含97%AlO3或莫来石质纤维等)。陕县电器厂引进美国技术生产氧化铝含量大于95%的晶体纤维，年产量为100t/年。90年代，杭州宏达晶体纤维有限公司、浙江欧诗漫集团保温晶体纤维厂等相继自主开发莫来石晶体纤维。目前，产量分别300t/年和500t/年左右。

10.2 石英纤维及制品

1958～1960年，湖北沙市石英玻璃厂(现为湖北菲利华石英玻璃股份有限公司)采用氧一乙炔火焰加热拉制成第一根石英纤维；1976年以氢氧火焰为热源试制出直径为20睥的石英纤维；1980年试制成功直径为7～10 m的石英纤维；1987年采用氢氧火焰喷吹工艺生产出超细无渣球的石英棉。经过30多年的发展，先后开发出石英纤维纱、定长石英纤维丝、超细石英纤维丝、空心石英纤维、石英棉、石英纤维布、石英纤维薄带、石英纤维缝线、石英纤维套管等10多个品种的石英纤维制品。目前，湖北菲利华石英玻璃股份有限公司是国内唯一能提供连续纤维供编织石英纤维体的生产企业。经过有关部门采用2.5D或三维多向等编织工艺编织制成各种所需形状的纤维产编织体，可制成石英纤维一陶瓷基复合材料、石英纤维一树脂基复合材料，用做透波一隔热一承载一体化的结构件，在航空、航天、冶金行业中发挥重大作用。

10.3 碳化硅纤维与晶须

20世纪80年代中期，长沙国防科技大学等单位进行了连续SIC纤维的研制，首先合成聚合物——聚碳硅烷，然后经过熔融纺丝成纤，再经过不熔化处理与高温烧成制得连续SiC纤维。目前，国防科技大学是国内唯一可小批量连续生产SiC纤维的单位。

碳化硅晶须是指直径0.2～1.5 μm、长度10～40 μm之间的一种低密度、高熔点、高强度、高硬度、低热膨胀系数、化学稳定性好的单晶微晶材料，广泛用于增强陶瓷基、金属基的复合材料的制造。20世纪90年代，中国矿业大学、攀枝花钢铁研究院、四川联合大学等单位对碳化硅晶须进行了大量研究。一般以稻壳为原料，在催化剂的作用下制成SiC晶须。21 世纪初，徐州宏武纳米材料有限公司、西安众鑫特种材料有限公司等单位才开始形成一定的生产能力。2002年，徐州宏武纳米材料有限公司开始生产各种纳米粉体，其中β-SiC(W)有2种规格，即纳米级和微米级2种晶须，生产能力为500～600 kg/月。

10.4 ZrO2纤维与布膜

ZrO2纤维具有熔点高(2 715 ℃)、导热率低[<2.4 W/(m·K)]的特点，是氧化或惰性气氛下最佳的高温隔热材料。

1979年，山东工业陶瓷研究设计院开始用前驱体工艺制备ZrO2纸、毡等制品；1987年开始小批量生产ZrO2纤维毡，成功地用于微波加热炉和1 800 ℃高温电炉中的隔热材料；1995年，列入军工攻关项目并研制卫星电池用ZrO2纤维布膜；2001～2005年期间，通过改进工艺等使ZrO2布膜的强度、吸碱率等主要技术指标达到美国同类产品的水平并开始在电池中试用和寿命考核试验。

2000年，山东大学化学所开始用溶胶一凝胶工艺进行定长ZrO2纤维的研制和ZrO2纤维的研究。同时，山东大学晶体研究所采用含锆聚丙烯材料，用甩丝成纤工艺制备ZrO2纤维，申报专利和成果转化工作，现已形成小批量生产能力。

10.5 连续氮化硼纤维

在惰性或氨气氛下，氮化硼可以在2 800 ℃下使用，是良好的热导体和电绝缘材料。纤维材料可以用作金属线陶瓷复合材料中的增强剂，具有改善其他性能(如抗热震性学)的特点。

1978年，山东工业陶瓷研究设计院开始采用化学转化法制备定长氮化硼纤维；1986年后开始承担国家“863”项目——氮化硼纤维工艺改进和性能提高研究，使定长氮化硼纤维的主要性能达到国外同类产品的水平。2003年开始进行连续氮化硼纤维的研制，先后解决了B2O3纤维的吸潮、氮化工艺参数的调整及进行高温热拉伸处理后，使连续氮化硼纤维的抗拉强度、弹性模量均达到国外先进国家的生产水平，连续纤维的总长度可达510 m，可供编织氮化硼纤维制品使用。2006年，山东工业陶瓷研究设计院开展连续氮化硼纤维的编织和氮化硼编织体与氮化硅复合的试验工作。2009～2010年，进行连续氮化硼纤维的扩大产量等工作以满足工业部门的需求。

(完)