高性能陶瓷材料的研究与应用

李 婷

(湖北武汉风神汽车修理厂 武汉 430055)

高性能陶瓷材料的研究与应用

李 婷

(湖北武汉风神汽车修理厂 武汉 430055)

高性能陶瓷材料是具有特殊优越性能的新型材料,各国在基础与应用研究以及工程化方面,均给予了特殊重视,特别是在信息、国防、现代交通与能源产业中均将其置于重要地位。根据高性能陶瓷材料的应用前景,笔者介绍了高性能陶瓷新材料的性能、应用范围,市场的开发应用现状和开发应用新领域,以及正在研发的高性能陶瓷材料;同时介绍了高性能陶瓷材料的发展趋势。

陶瓷材料 应用范围 发展趋势

1 高性能陶瓷材料的应用前景

高性能陶瓷是新材料的一个组成部分,它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景,成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料,在国防现代化建设中,武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。随着我国国民经济的高速发展,工业技术水平的不断提高,人民生活的不断改善以及国防现代化的需要,迫切地需要大量的特种陶瓷产品,市场前景十分广阔。石油化工行业需要大量的耐磨耐腐蚀的陶瓷部件,如球阀、缸套等。纺织行业需要大量的耐磨陶瓷件,如陶瓷剪刀、导丝轮等。国防工业需要的具有特殊性能的陶瓷材料,如防弹装甲陶瓷,耐射照高温轻质隔热材料,航空航天用的反射镜陶瓷材料,激光器用的聚光腔陶瓷材料,红外吸收、红外发射。

高性能陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷,有的还分为陶瓷涂层及陶瓷复合材料等。结构陶瓷主要是利用其耐高温、高强度、耐磨的性能,应用于热机部件、耐磨部件,如刀具、轴承、密封环、阀门等热交换器,防弹材料及生物陶瓷等。主要材料有Si3N4、SiC、ZrO2、A l2O3、SiALON等。

高性能陶瓷材料已经在很多领域,特别是诸多高技术领域获得关键性的应用,在航空航天、国防及民用等高技术领域具有广泛且不可替代的作用,高性能陶瓷材料每年以7%～10%的速度发展。功能陶瓷主要是利用其上述功能特性,广泛应用于国防、航空航天、机械、化工、建筑等领域的绝缘子,集成电路的基片、电容器、压电和铁电及敏感元件等,已成为四大类材料(金属、陶瓷、高分子和复合材料)之一。主要的材料有Ba TiO3、ZnO、Ph)O3、A IN、ZrO2等。陶瓷粉料是发展高性能陶瓷的基础材料,是高性能陶瓷的重要组成部分,对特种陶瓷的发展起着十分重要的作用。

2 高性能陶瓷材料的性能特点

一般高温陶瓷材料的预期使用温度在1 400℃～1 500℃,而超高温材料是指能在1 800℃以上使用的材料,主要包括过渡金属(Ti、Zr、Ta等)的硼化物、碳化物以及近年出现的Si-B-C-N超高温陶瓷材料等,还包括碳(石墨)和氮化硼等。这类材料的主要特点是超高温熔点、超高温稳定、超高温耐腐蚀性,应用于国防、航天、超高温电极、超高温耐腐蚀容器或保护器(与熔融金属接触),超高温涂层等。近年来,对Si -B-C-N超高温陶瓷材料的研究发展很快,制备工艺主要是采用有机前驱体法,对超高温稳定化机理的研究主要集中在硼的作用上。目前正在探索其作为超高温涂层材料方面的应用,有机前驱体法工艺复杂,操作严格,成本高,对超高温稳定化机理还缺乏深层的理解。因此,探索和开发新的制备技术,深入探讨超高温稳定化机理,探索和设计其他超高温材料系统(包括化学组成,相组成和显微结构设计),将成为重要的研究内容。

自碳纳米管(CN Ts)问世以来,无论是CN Ts的制备工艺还应用开发方面都开展了大量的卓有成效的工作。目前,有关CN Ts复合材料的研究成为复合材料领域的研究热点之一,其中聚合物基CN Ts复合材料的研究主要集中在其介电、电磁性能方面,而对于陶瓷基CN Ts复合材料的研究主要集中在力学性能方面,虽然最近报道了CN Ts在贮氢等方面的广阔应用前景,CN Ts陶瓷基复合材料除了用作吸波材料在航空飞行器等军事领域应用外,用作电磁波屏蔽材料在军用和民用方面也具有广阔的应用前景。国防、航空航天的轻质化和小型化对先进陶瓷材料的需求日趋强烈。高性能陶瓷材料密度仅为高温合金的1/3～1/4,使用温度高达1 500℃以上,因此应用高性能陶瓷材料作为结构件可明显地降低结构重量,同时还可起到耐腐蚀耐磨损等功能作用。我国在航空发动机热端部件等开始应用,提高了航空发动机的推重比,缩小航空发动机与国际先进发动机的差距。又如在导弹天线罩、喷管、喉衬等均有应用。在民用方面,高性能陶瓷应用更为广泛,如在矿山、发电、冶金用耐磨耐腐蚀陶瓷部件,其寿命比高铬铁制品寿命提高8～10倍,仅宝钢每年就有数千万件需求;矿山、电子部门用渣浆陶瓷内衬比现有产品使用寿命提高2～3倍。用陶瓷熔融金属过滤器,提高金属铸件的质量,不仅在国防军工同时在现代交通等领域对高温熔融金属(钢)夹杂物过滤器的市场需求越来越大。

3 高性能陶瓷成为支柱产业的关键新材料

功能陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料,主要包括铁电、压电、介电、半导体、超导和磁性陶瓷等。功能陶瓷在信息的检测、转化、处理和存储显示中应用广泛,是信息技术中基础元器件的关键材料,对发展电子信息产业等许多高科技产业具有重要的战略意义。

功能陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域,每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。

近年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在功能陶瓷材料的科学研究与产业化方面有了很大发展,但总体来看,我国的电子信息产业,特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场,目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战,尤其是随着电子信息技术的高速发展,以信息技术为应用领域的功能陶瓷成为新材料研究中十分活跃的研究课题。而其应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产品,包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等。

现代制造业已成为我国国民经济的关键领域之一。现代制造技术对新型刀具、模具材料需求越来越迫切,先进陶瓷材料在此领域的重要地位日益突出。陶瓷、金属陶瓷、陶瓷涂层等刀具材料以其良好的硬度、耐高温、抗氧化和高温抗蠕变能力,在高速、精密切削加工方面逐步占据主要地位,在刀具材料中的比例逐年上升。仅以陶瓷刀片为例,其占可转位刀片的比例约为:美国3%～5%、俄罗斯5%～7%、日本7%～9%、德国9%～12%,英国、法国、瑞典等也在大力推广应用。硬质合金刀具材料的发展主要是细晶粒和超细晶粒硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发,使硬质合金的抗弯强度大大提高,可替代高速钢造小规格钻头、立铣刀和丝锥等量大面广的通用刀具,使其切削速度和刀具寿命远远超过高速钢。随着整体硬质合金刀具的使用,将显著提高原先用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率。国内高速切削刀具最具有优势的是陶瓷刀具,研究开发的水平与国际相当。目前已有陶瓷刀具30多个品种,其中氧化铝基20多个、氮化硅基近10个,包括带孔和不带孔陶瓷刀具的生产能力也很大。

4 高性能陶瓷材料的开发应用新领域

传统陶瓷是以粘土为主要原料烧制而成,其成分中含硅酸盐。近代发展了不含硅酸盐的化合物陶瓷,如由氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硅化物、硫化物或其它无机非金属材料制成的陶瓷,此外还有在陶瓷中掺入金属的,金属陶瓷和以金属纤维或无机非金属纤维的增强陶瓷。

传统陶瓷的成形方法大致有压坯、浇注和旋坯等几种,而高性能陶瓷有热压铸、热压、等静压及气相沉积等多种成形方法,这些陶瓷由于其化学组成,显微结构及性能不同于普通陶瓷,故称为特种陶瓷或高技术陶瓷,在日本称为精细陶瓷。由于其不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性质和功能(如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、声光、磁解等)。由于性能特殊,这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。

高性能陶瓷由于拥有众多优异性能,因而用途广泛。耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于与原子能有关的高温结构材料、高温电极材料等。隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料,用于高温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等。导热性优良的特种陶瓷极有希望用作内部装有大规模集成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片。耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛,目前的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面。高强度的陶瓷可用燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等;在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。目前,这方面的工作开展得较多,许多国家如美国、日本、德国等都投入了大量的人力和物力,试图取得领先地位。这类陶瓷有氮化硅、碳化硅、塞隆、氮化铝、氧化铝等。具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼极为引人注目,目前国外正在加紧研究。生物陶瓷方面目前正在进行氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究,这方面的应用也引起了人们极大关注。

5 高性能陶瓷材料的研发现状

由于陶瓷材料具有高耐磨性、耐高温和抗侵蚀能力,国外目前已将其应用于发动机高速轴承、活塞、密封环阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件。此外,有许多陶瓷基复合材料的发动机高温构件正在研制之中。由于提高了燃烧温度,取消或减少了冷却系统,预计发动机热效率可从目前的26%提高到46%。未来航空发动机高压压气机叶片和机壳、高压与低压涡轮盘及叶片、燃烧室、加大燃烧室、火焰稳定器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料。

为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最根本的措施是提高发动机的涡轮进口温度,而涡轮进口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接相关。上世纪60年代,发动机热端都部件材料主要是铸造高温合金,其使用温度为800℃～900℃;进入80年代以后,相继开发出了高温单晶合金、弥散强化超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得到了广泛的应用,使热端部件的使用温度提高到1 200℃～1 300℃,已接近这类合金熔点的80%,虽然通过各种冷却技术可进一步提高涡轮进口温度,但降低了热效率,增加了结构复杂性和制造难度,且对小而薄型的热端部件难以进行冷却,因而再提高的潜力极其有限。

进入21世纪来,世界各工业发达国家对于发动机用高温结构陶瓷复合材料的研究与开发-直十分重视,相继制定了各自的国家发展计划,并投人了大量的人力、物力和财力,对这一新型材料寄予厚望。如美国NASA制定的先进高温热机材料计划(H ITEM P)、DOE/NA sA的先进涡轮技术应用计划、美国国家宇航计划(NASP)、美国国防关键技术计划以及日本的月光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象,其研制目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或更高,从而提高发动机涡轮进口温度,达到节能、减重、提高推重比和延长寿命的目的,满足军事和民用热机的需要,陶瓷基复合材料有望替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料。

高性能结构材料具有高温强度好、耐磨损、抗腐蚀等优点。高温结构陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韧氧化锆陶瓷和纤维增强无机合成材料等。如在内燃机中用陶瓷代替金属可减少燃料消耗30%,提高热效率50%。高性能复合材料可根据要求进行设计,能够使材料扬长避短,当前的研究重点有:纤维增强塑料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。高分子功能材料是近年来发展最快的有机合成材料,每年的递增速度达到14%。此外,美国科学家还发现了一种可与玻璃结合的化合物,这种硅烷化合物能够粘在磷酸盐玻璃表面,形成一个单一分子层和多分子层,从而可以保护玻璃表面,将腐蚀减少到最小程度,这一发现对提高玻璃的抗腐蚀性有重要意义。

6 高性能陶瓷材料的发展趋势

高性能陶瓷虽然发展很快,但是有些问题目前尚不十分清楚,技术上也没有达到完善及实用的阶段,例如还不能有效地控制其显微结构、产品的形状及尺寸等。因此,为了使高性能陶瓷产品早日实现商品化,国外正在进行更广泛的研究:高性能陶瓷基础技术的研究,例如烧结机理、检测技术和粉末制备技术等;超导陶瓷的研究;特种陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法,因而许多国家都把它作为一项主要内容加以研究;陶瓷的纤维化是研制隔热材料、复合增强材料等的重要基础。尤其日本对陶瓷纤维及晶须增强金属复合材料的研究极为重视,其研究主要集中于碳化硅及氨化硅;多孔陶瓷由于具有特殊的结构,所以引起了各界的重视;陶瓷与陶瓷或陶瓷与其它材料复合(陶瓷纤维增强陶瓷,陶瓷纤维增强金属)问题也是现阶段的研究重点;在非氮化物陶瓷中,目前国外研究最多的是陶瓷发动机,高压热交换器及陶瓷刀具等;随着生物化学,生物医学这些新兴学科的发展,生物陶瓷的开发研究也变得越来越重要。

目前全球各类高性能陶瓷材料及其产品的市场销售总额每年达数百亿美元,年增长率达8%,结构陶瓷占销售额的30%左右。在发达国家,由于政府对陶瓷材料研究的持续支持与大企业积极参与,加上工业基础好,陶瓷产业的市场规模成长很快。我国政府支持力度小,民间参与程度低,相应的工业基础又较薄弱,直接导致了我国陶瓷材料产业基础薄弱,装备差,质量低而不稳。因此,一方面要加大投入,另一方面要针对这样的薄弱环境,大力进行工程化工艺技术的研究和装备攻关,走出一条利用较廉价的国产设备和生产工艺,实现高品质陶瓷生产的发展道路。

无机材料是现代信息与通信技术的基础,高性能陶瓷材料是不可替代的。大型集成电路中的各类陶瓷基片和衬底材料,光纤通信中的石英光纤等是整个信息产业中最为关键的材料;另外光通信中有源器件中的激光工作物质、无源器件中光纤连接器用的氧化锗陶瓷材料等都是现代光通信领域内必不可少的关键材料。现代制造业已成为我国国民经济的关键领域之一。在此领域,对先进陶瓷的需求更为广泛。高性能陶瓷材料将在国防、航空航天、信息产业、生物医用、现代交通、新能源、环保和传统产业改造中发挥越来越大的作用。

我国高性能陶瓷的发展具有一定优势和机遇,也同样具有发展前景和突破机会。我国是世界上经济发展最快的发展中国家,发展潜力也最大,这必将为无机材料的发展和应用提供越来越多的机会。但我国又是一个相对比较落后、资源比较匮乏的国家,未来国家的发展将更加依赖于高新技术的发展,而高性能陶瓷材料是整个高新技术产业中一个不可或缺的基础,同时也是高新技术产业不断发展的源泉。同时无机材料产业具有高技术含量,也往往需要较多的劳动力,具有技术密集和劳动密集的特征,十分适合我国的国情。如果我们能够把握住机会,加强材料基础理论研究,加快先进无机材料高技术的开发与应用,必将使我国先进无机材料的高技术产业获得更大、更好的发展,为国民经济做出更大贡献。如果能抓住当前国家经济发展和国外产业转移的机会,积极开拓政府与民间的投入渠道,针对关键问题进行集中攻关和科技创新,整个高性能陶瓷的高技术研究与产业化将具有前所未有的广阔前景。

1 张金升,张银燕.陶瓷材料显微结构与性能.北京:化学工业出版社,2007

2 张玉龙,马建平.实用陶瓷材料手册.北京:化学工业出版社,2006

3 李荣久.陶瓷金属复合材料.北京:冶金工业出版社, 2006