新型陶瓷

刘冬 徐淑琼

【摘 要】对最新的较成熟的多孔陶瓷、透明陶瓷、柔性陶瓷以及碳纳米陶瓷基复合材料进行了分析对比，展望了未来发展的趋势。

【关键词】陶瓷材料;碳纳米;柔性陶瓷;多孔陶瓷

中图分类号： TQ174.65 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0157-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.075

【Abstract】The latest more mature porous ceramics， transparent ceramics， flexible ceramics and carbon nano-ceramic matrix composites are analyzed and compared， and the future development trend is prospected.

【Key words】Ceramic materials; Carbon nano; Flexible ceramics; Porous ceramics

0 概述

先进陶瓷使用了人工合成的高纯度的无机化合物作为原料，具有优异的光学性能、耐高温性能、机械性能以及优异的化学性能，也称做高性能陶瓷，精细陶瓷以及高技术陶瓷。现代先进陶瓷不仅具有熔点高、强度大、耐磨损腐蚀等的基本属性，还具有抗压抗剪能力好，抗氧化性能好，绝缘，超导等一系列优点。本文以多孔陶瓷，透明陶瓷，柔性陶瓷以及碳纳米陶瓷基复合材料为核心，进行了分析对比，展望了未来发展的趋势。

分析对比其他陶瓷，针对其主要用途以及未来发展作出合理的假设推论。

1 我国陶瓷材料发展现状

随着现代技术的发展，材料学发展进入了一个快速的时期。陶瓷材料的日趋完善及发展在很大程度上影响着整个工业大环境的发展，越来越多的国家对先进陶瓷材料的研究投入了更多的经费和人员力求创新突破。陶瓷材料的核心制备技术在很大程度上制约了我国工业的发展使得我们的一些设计理念很难完整的体现到实际生产及应用领域内。所以加快发展我国的基础研究，提高生产制备过程中的生产技术，完善生产工艺以此来促进我国工艺的发展，提高国家国民经济实力。

在材料学蓬勃发展的大环境下，美国，欧盟，日本，俄罗斯等工业强国在陶瓷材料方面分别取得了突破。美国将先进陶瓷材料应用于航天航空领域，加大对先进材料与材料设备的研究经费。欧盟主要占据的是新能源材料及发电设备中的陶瓷替代件的研究。日本则将注意力放在生活日常领域，日本的先进陶瓷产业化规模大，有效地降低了成本，产品的稳定性也首屈一指。俄罗斯将先进陶瓷材料主要应用于机械设备和其他的一些老牌传统工程领域。而我国由于起步较晚，先天条件较美国，日本等工业强国差，但21世纪以来，我国的先进材料的发展受到了国家的重点关注，在国家的大力支持下，我国在1995年到2015年期间，陶瓷产业进入快速的发展期，产能在2007年超越美国居于全球第一位。

2 四种新型陶瓷

2.1 纳米陶瓷

陶瓷基复合材料使用纳米級的颗粒或者纤维与基体相结合，创新而成的新型陶瓷材料。这种新型的复合而成的陶瓷材料使得材料的有效提高了陶瓷材料韧性，使之具有良好的超塑性和切削加工性。陶瓷基的基体可以是SiC，Si3N4等，用具有高强度的和弹性大的颗粒或者是纤维与陶瓷基体进行合成的话可以显著提高陶瓷材料的韧性。我们通过物理或化学方面的方法制备得到分子结构为纳米级的粉体，而后通过烧结的方式使粉体之间没有空隙，形成致密的结构。主要的方法为物理法和化学气相沉淀法，水热法，溶胶凝胶法等。

纳米晶粒增韧的强化途径则是通过纳米化，改善其韧性。纳米陶瓷制备及试验的重点大致在以下的几个方面：研制更加效率的催化剂，完善制造工艺降低成本;控制化学反应的过程，实现两者之间的相容。

2.2 透明陶瓷

陶瓷材料的分子结构中的杂质无法完全被去除，分子与分子之间也是有孔隙度的，所以其内部广泛分布着形状尺寸不一的气泡。杂质和气泡能对光进行吸收和散射，因此陶瓷材料都是不透明的。陶瓷不透明的主要原因有气孔率，分子与分子之间的致密度以及在生产过程中所使用的一些添加剂等等。而减少杂质和气泡是透明陶瓷制备的基本原理，也就是降低内部光的折射率和提高光的透过率。

透明陶瓷具备陶瓷固有的熔点高、强度大、耐磨损腐蚀等特点，且同时具备良好的光学性能。制备透明陶瓷材料及方法主要有氟化钙透明陶瓷，铝镁尖晶石超高压下制备透明陶瓷，YAG激光透明陶瓷，Y2O3基透明陶瓷，高透过率的ALON陶瓷以及非传统的超高压烧结方式制备透明陶瓷材料等等。随着透明陶瓷研究的更深层次的发掘，制备技术的成熟完善，各种先进设备的快速投入，制备氟化物透明陶瓷材料又开始受到研究者们的重视。

2.3 柔性陶瓷

柔性陶瓷是纳米科技与化学技术有机结合的产物，它具有形状记忆功能，也就类似于工程上所说的它所产生的变形时弹性变形，在去除力的作用后能恢复原状的功能，大大提高了陶瓷材料的韧性。使陶瓷具有形状记忆的功能，这是从柔性陶瓷制备生产的角度而言的。研究发现，陶瓷形状记忆的关键就在于尽量减小陶瓷内部的分子结构。让分子结构变小的基本原理：先造出极小的颗粒，使颗粒填满整个结构，抹平晶粒之间的边界以消除破碎和裂缝现象。研究人员最终发现他们通过上述方式做出的陶瓷样本只有百分之一能够具有形状功能而不发生破碎，而样本并不能随心所欲的凭着我们想要的形状去弯曲变形，只有材料的一部分，百分之七能发生弯曲变形。

目前国际上对于柔性的定义并没有做出明确的规范，到底用什么来衡量其柔性的大小？现在所谓的柔性陶瓷只是一个笼统的概念。我国对于新型陶瓷的研究还需更一步的发展。

2.4 多孔材料

多孔陶瓷的内部存在互通或闭合的且大小不同，分布不均的气孔，就多孔材料而言，它的孔隙率可达70%-80%，这些气孔的存在使得多孔材料在电性能，机械性能，高温性能方面表现不俗应用领域也较为宽泛。多孔陶瓷材料的气孔率高，物理和化学性质稳定，具有发达的比表面积，良好的极佳抗热冲击性使得它可用作超高温应用领域防隔热一体化的器件。多孔陶瓷材料的研究过程中目前所存在的问题：缺乏市场需求量;一些制备工艺尚不成熟、应用领域尚不明确，制备技术以及成本方面未能得到控制的問题。因此我们需要结合其他先进的现代科学技术如3D打印技术，激光技术，人工智能过程控制等等来减少加工成本，完善加工工艺以满足应用需求。而3D打印技术最新的科研成果更是推出了激光扫描打印，以及4D打印的一个概念，并得到了验证，为材料学的发展提供了更为广阔的前景。

3 结语

陶瓷材料从日常生活中的使用逐渐走向工厂实现产业化，应用于化工以及国防科技，由此可见陶瓷材料不仅是在我们的生活中作为一种观赏性的物质，它现在的发展与进步都是人类在历史上迈出的一大步。但在新型陶瓷的制作工艺上，如何将颗粒的大小限制在纳米级成为我们在之后的研究中需要克服的难点。如何使得制备纳米陶瓷的工艺更加简便，提高陶瓷材料的制作工艺的同时，又能控制成本实现对陶瓷材料性能的改善成为未来陶瓷的发展趋势以及未来的研究中心，而3D打印技术能将多孔陶瓷的制备生产推进一大步，使得人们能精确控制气孔的分布，大小等等。陶瓷工业数字化，与打印技术密切相关的陶瓷数码喷墨技术等等一系列技术的发展需要我们更加深入的研究和探索。而材料学未来的发展势必与现在的智能化，信息化技术的发展休戚相关，正是这些以及即将出现的更加完善的技术将会引领材料学的发展，对我国对全人类的未来做出更伟大的贡献。

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