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精密陶瓷材料现状

       

       随着现代高新技术的发展,精密陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分,成为许多高技术领域发展的重要关键材料,备受各工业发达国家的极大关注,其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步。由于精密陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济的各个领域。精密陶瓷的发展是国民经济新的增长点,其研究、应用、开发状况是体现一个国家国民经济综合实力的重要标志之一。

 
 
  精密陶瓷是“采用高度精选或合成的原料,具有精确控制的化学组成,按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计,并且有优异特性的陶瓷”。按其特性和用途,可分为2大类:结构陶瓷和功能陶瓷(详见表1)。结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷,它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、抗热震等特性;结构陶瓷大致分为氧化物系、非氧化物系和结构用陶瓷基复合材料。功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷在精密陶瓷中约占70%的市场份额,其余为结构陶瓷。
 
    由于精密陶瓷各种功能的不断发现,在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益明显,其市场容量将不断提升。

       一,精密陶瓷国内外研究现状

       1.国外研究发展情况
  目前,全球范围内精密陶瓷技术快速进步、应用领域拓宽及市场稳定增长的发展趋势明显。
 
  美国和日本在精密陶瓷的研制与应用领域居于领先地位。美国国家航空和宇航局(NASA)则在结构陶瓷的开发和加工技术方面正实施大规模的研究与发展计划,重点对航空发动机、民用热机中的关键闭环实现陶瓷替代,同时对纳米陶瓷涂层、生物医学陶瓷和光电陶瓷的研究、产业化进行资助。美国的“脆性材料设计”等10大计划;美国联邦计划“先进材料与材料设备”中每年用于材料研究与工程费高达20亿~25亿美元,以提高其国际上的竞争力。日本精密陶瓷以其先进的制造设备,优良的产品稳定性逐步成为国际市场的引导者,特别是功能陶瓷领域包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等逐步垄断国际市场。日本通产省精细陶瓷研究与开发的“月光计划”;
 
  300kW陶瓷燃气轮机研制计划。此外,欧盟各国,特别是德国、法国在结构陶瓷领域进行了重点研究,主要集中在发电装备、新能源材料和发动机中的陶瓷器件等领域。欧盟包括德、法、英等国家也采取了一些发展新材料的相应措施,如“尤里卡计划”等。美国陶瓷工业部门的统计数字显示,美国、日本、欧盟的精密陶瓷市场年平均增长率为12%,其中欧盟精密陶瓷市场总值年平均增长率达15%~18%;美国精密陶瓷市场总值年平均增长率9.9%;日本精细陶瓷协会对日本精密陶瓷市场进行了预测,其年平均增长率为7.2%。目前精密陶瓷最大市场在日本和美国,其次是欧盟。
 
       2.国内研究发展情况
  20世纪80年代到90年代初,许多现代陶瓷理论和工艺在精细陶瓷的制备中得到应用。利用和金属材料的相变理论、仿生学等学科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纤维补强复相陶瓷,陶瓷基复合材料的韧性得到较大提高,通过仿生学在精细陶瓷制备工艺中得到应用,层状材料得到较大发展。聚合物裂解转化、化学气相沉(渗)积、溶胶工艺的采用,使得特种纤维的制造、连续纤维复合材料制备技术快速发展。纳米技术在陶瓷中的应用使材料性能发生根本性变化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的烧结温度大大降低。
 
  进入21世纪,功能陶瓷的研究也得到了国家和各科研院所的高度重视。从1995-2015年我国精密陶瓷产值及预测可以看出,我国精密陶瓷产业进入了快速发展期,预计到2015年产值可达到450亿元。精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧结技术、低成本规模化制备技术,陶瓷加工系统等领域不断打破国外垄断和技术封锁。例如凝胶注模工艺生产的大尺寸熔融石英陶瓷方坩埚打破了美国赛瑞丹、日本东芝和法国维苏威3大公司的技术垄断,在2007年率先实现国产化,通过近5年的不断发展,已经形成110~1100mm系列产品,产能居于全球第1位。
  但是,国内精密陶瓷总体水平与美国、日本和德国相比还存在一定的差距。主要表现在3个方面:
 
       1.技术及新产品工程转化极度匮乏
  世界上开发了200多种陶瓷材料及2000多种应用产品。虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料,但绝大部分仍停留在实验室样品上,有的产品由于成本高及可靠性等问题,市场还不能接受,所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。
 
       2.高端粉体制备及分散技术远远落后
  我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视,多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业,许多企业不得不“自产自销”。例如:高纯氧化铝粉,日本企业99.99%氧化铝粉烧结温度只需1300℃,而国内需要到1600℃以上;高纯氮化硅粉仍受到日本UBE和德国H.C.Stark的限制,国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动。同时,粉体的高效分散技术也存在较大差距。
 
       3.制造装备加工技术落后
  虽然我国引进了国外先进的工艺装备,像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平,但因投资大,在经济上给企业造成了很大压力,从而限制了精密陶瓷的发展。而国内仿制设备因加工水平差距,可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。
 
  我国在“十二五”网易彩票网规划中明确指出大力发展新型功能与智能材料、先进结构与复合材料、纳米材料、新型电子功能材料、高温合金材料等关键基础材料。实施高性能纤维及复合材料、先进稀土材料等科技产业化工程。掌握新材料的设计、制备加工、高效利用、安全服役、低成本循环再利用等关键技术,提高关键材料的供给能力,抢占新材料应用技术和高端制造制高点。同时,对精密陶瓷主要应用领域新能源、电子信息、环境保护、高端机械制造等同样提出了规划要求,将进一步推动我国精密陶瓷向规模化、应用化、高端化发展。

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此文关键词:精密陶瓷

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