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深析軍工裝備“新寵”——先進(jìn)陶瓷材料10大核心技術(shù)、研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化問題等

時(shí)間：2023-03-01 來(lái)源： 瀏覽：

深析軍工裝備“新寵”——先進(jìn)陶瓷材料10大核心技術(shù)、研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化問題等

新之聯(lián)伊麗斯 先進(jìn)陶瓷展
先進(jìn)陶瓷展

IACECHINA

針對(duì)先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域的專業(yè)展覽會(huì)，發(fā)布全球及國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷最新相關(guān)資訊及商情，搭建行業(yè)交流平臺(tái)，提供參觀、參展等咨詢服務(wù)。

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說(shuō)到先進(jìn)陶瓷目前的市場(chǎng)形勢(shì)，除了各材料行業(yè)都在極力靠攏的新能源領(lǐng)域外，軍工領(lǐng)域也是先進(jìn)陶瓷的一個(gè)非?；鸨氖袌?chǎng)。提高國(guó)防能力在任何時(shí)代下都是一個(gè)國(guó)家的首要重點(diǎn)任務(wù)之一，而提高國(guó)防能力首先就要從裝備的升級(jí)開始。因此， 作為軍工裝備的關(guān)鍵材料之一 ，先進(jìn)陶瓷材料的發(fā)展也得到了強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)。

先進(jìn)陶瓷材料按其性能及用途可分為兩大類：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占70%的市場(chǎng)份額，其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷材料的軍工應(yīng)用則主要集中在結(jié)構(gòu)材料及電子器件方面：

  • 用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)剎車盤： 對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)推力的主要技術(shù)途徑，但是目前的渦輪前燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)逐步接近高溫合金自身的熔點(diǎn)，溫度上升空間很小，因此需要有替代材料。陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫特性，可用于熱端構(gòu)件。研究表明陶瓷基復(fù)合材料可將渦輪前燃?xì)鉁囟仍诂F(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高300K以上。同時(shí)陶瓷基復(fù)合材料密度小，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)減重。隨著民用航空業(yè)對(duì)提高燃油效率的不斷追求，通用航空GE預(yù)計(jì)在今后十年陶瓷基復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用將增長(zhǎng)十倍。

  • 用在飛機(jī)剎車盤材料： 碳陶剎車盤與上一代剎車盤相比，靜摩擦系數(shù)提高1-2倍，濕態(tài)摩擦性能衰減降低60%以上，磨損率降低50%以上，使用壽命提高1-2倍。生產(chǎn)周期降低2/3，生產(chǎn)成本降低1/3，能耗降低2/3，性價(jià)比提高2-3倍。是目前國(guó)際上發(fā)現(xiàn)唯一能在1500℃高溫環(huán)境下，各項(xiàng)物理性能不發(fā)生衰減的材料。推廣應(yīng)用后，每年可為中國(guó)民航客機(jī)節(jié)約成本3億元左右。

  • 用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件： 陶瓷基復(fù)合材料可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。由于陶瓷基復(fù)合材料耐熱沖擊性高，對(duì)液體推進(jìn)劑化學(xué)穩(wěn)定性高，比金屬材料耐高溫，具有較高的抗蠕變性，是一種理想的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件材料。

  • 用于航天飛行器和導(dǎo)彈的熱防護(hù)材料： 航天飛行器在進(jìn)入大氣的過程中，由于強(qiáng)烈的氣動(dòng)加熱，飛行器的頭錐和機(jī)翼前緣的溫度高達(dá)1650℃，熱防護(hù)系統(tǒng)是航天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一。第一代熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用放熱-結(jié)構(gòu)分開的思想，即冷卻結(jié)構(gòu)外部加放熱系統(tǒng)。C/SiC復(fù)合材料的發(fā)展，使飛行器的承載結(jié)構(gòu)和放熱一體化。尤其是哥倫比亞號(hào)熱防護(hù)系統(tǒng)失效造成的機(jī)毀人亡事件后，使C/SiC陶瓷基復(fù)合材料更受關(guān)注。在熱結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)件中包括航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)翼、機(jī)翼和蓋板等。

  • 用于衛(wèi)星反射鏡： 衛(wèi)星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數(shù)CTE低、高導(dǎo)熱性以及適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度、可設(shè)計(jì)性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此，國(guó)內(nèi)外都正在研究C/SiC復(fù)合材料反射鏡，該復(fù)合材料密度較低，剛度高，在低溫下熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱性能良好，熱性能和力學(xué)性能都比較理想，而且可以得到極好的表面拋光，是一種十分理想的衛(wèi)星反射鏡基座材料。美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、加拿大等利用碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。

  • 陶瓷材料及陶瓷基復(fù)合材料會(huì)被用在裝甲中： 如防彈衣、戰(zhàn)機(jī)和裝甲車的防護(hù)層等。防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成，防彈層可吸收彈頭或彈片的動(dòng)能，對(duì)低速?gòu)楊^或彈片有明顯的防護(hù)效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對(duì)人體胸、腹部的傷害。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷基復(fù)合材料可以用于制造堅(jiān)固的抗擊打的盔甲板。我國(guó)是世界上三大的防彈衣生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)際市場(chǎng)上，我國(guó)防彈衣價(jià)格大約500美元左右，而其他國(guó)家的防彈衣價(jià)格在800美元左右，在制造成本方面我國(guó)存在優(yōu)勢(shì)。

  • 用在飛機(jī)裝甲方面： 一些軍用直升機(jī)均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統(tǒng)等部件在內(nèi)的陶瓷裝甲系統(tǒng)。此外，陶瓷基復(fù)合材料還應(yīng)用在陸軍的裝甲戰(zhàn)車上，如斯特瑞克中型裝甲車。

  • 用于信息化電子器件： 軍用陶瓷電容器需求旺盛。電子陶瓷除了在民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，隨著武器裝備信息化的加速，如陶瓷電容器這類電子陶瓷在軍工領(lǐng)域的需求不斷增大，尤其是片式多層瓷介電容器（MLCC，市占率超過90%），而軍用市場(chǎng)對(duì)電容器質(zhì)量要求較高，中國(guó)軍用陶瓷電容器市場(chǎng)規(guī)模常年保持10%以上的增長(zhǎng)。

先進(jìn)陶瓷材料由于其耐高溫以及獨(dú)特的電學(xué)特性廣泛被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料以及電子領(lǐng)域。本文將帶你了解先進(jìn)陶瓷的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及與其相關(guān)聯(lián)的10大核心技術(shù)，一起來(lái)看看。

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一
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

  1.  國(guó)外研究發(fā)展情況

目前，全球范圍內(nèi)先進(jìn)陶瓷技術(shù)快速進(jìn)步、應(yīng)用領(lǐng)域拓寬及市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)明顯。
美國(guó)和日本在先進(jìn)陶瓷的研制與應(yīng)用領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位。美國(guó)國(guó)家航空和宇航局（NASA）則在結(jié)構(gòu)陶瓷的開發(fā)和加工技術(shù)方面正實(shí)施大規(guī)模的研究與發(fā)展計(jì)劃，重點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、民用熱機(jī)中的關(guān)鍵閉環(huán)實(shí)現(xiàn)陶瓷替代，同時(shí)對(duì)納米陶瓷涂層、生物醫(yī)學(xué)陶瓷和光電陶瓷的研究、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行資助。美國(guó)的“脆性材料設(shè)計(jì)”等10大計(jì)劃；美國(guó)聯(lián)邦計(jì)劃“先進(jìn)材料與材料設(shè)備”中每年用于材料研究與工程費(fèi)高達(dá)20億～25億美元，以提高其國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。
日本先進(jìn)陶瓷以其先進(jìn)的制造設(shè)備，優(yōu)良的產(chǎn)品穩(wěn)定性逐步成為國(guó)際市場(chǎng)的引導(dǎo)者，特別是功能陶瓷領(lǐng)域包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等逐步壟斷國(guó)際市場(chǎng)。日本通產(chǎn)省精細(xì)陶瓷研究與開發(fā)的“月光計(jì)劃”； 300kW陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)研制計(jì)劃。此外，歐盟各國(guó)，特別是德國(guó)、法國(guó)在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)研究，主要集中在發(fā)電裝備、新能源材料和發(fā)動(dòng)機(jī)中的陶瓷器件等領(lǐng)域。歐盟包括德、法、英等國(guó)家也采取了一些發(fā)展新材料的相應(yīng)措施，如“尤里卡計(jì)劃”等。
美國(guó)陶瓷工業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，美國(guó)、日本、歐盟的先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)率為12%，其中歐盟先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)總值年平均增長(zhǎng)率達(dá)15%～18%；美國(guó)先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)總值年平均增長(zhǎng)率9.9%；日本精細(xì)陶瓷協(xié)會(huì)對(duì)日本先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，其年平均增長(zhǎng)率為7.2%。目前先進(jìn)陶瓷最大市場(chǎng)在日本和美國(guó)，其次是歐盟。

  2.  國(guó)內(nèi)研究發(fā)展情況

20世紀(jì)80年代到90年代初，許多現(xiàn)代陶瓷理論和工藝在精細(xì)陶瓷的制備中得到應(yīng)用。利用和金屬材料的相變理論、仿生學(xué)等學(xué)科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高，研制的纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)相陶瓷，陶瓷基復(fù)合材料的韌性得到較大提高，通過仿生學(xué)在精細(xì)陶瓷制備工藝中得到應(yīng)用，層狀材料得到較大發(fā)展。
聚合物裂解轉(zhuǎn)化、化學(xué)氣相沉（滲）積、溶膠工藝的采用，使得特種纖維的制造、連續(xù)纖維復(fù)合材料制備技術(shù)快速發(fā)展。納米技術(shù)在陶瓷中的應(yīng)用使材料性能發(fā)生根本性變化，使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結(jié)溫度大大降低。
進(jìn)入21世紀(jì)，功能陶瓷的研究也得到了國(guó)家和各科研院所的高度重視。從1995—2015年我國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)值及預(yù)測(cè)可以看出，我國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期，預(yù)計(jì)到2015年產(chǎn)值可達(dá)到450億元。精密小尺寸產(chǎn)品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結(jié)技術(shù)、低成本規(guī)?；苽浼夹g(shù)，陶瓷加工系統(tǒng)等領(lǐng)域不斷打破國(guó)外壟斷和技術(shù)封鎖。
例如凝膠注模工藝生產(chǎn)的大尺寸熔融石英陶瓷方坩堝打破了美國(guó)賽瑞丹、日本東芝和法國(guó)維蘇威3大公司的技術(shù)壟斷，在2007年率先實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，通過近5年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成110～1100mm系列產(chǎn)品，產(chǎn)能居于全球第1位。

太陽(yáng)能熔融石英方坩堝（110～1100mm）

但是，國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷總體水平與美國(guó)、日本和德國(guó)相比還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：
  • 技術(shù)及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏
世界上開發(fā)了200多種陶瓷材料及2000多種應(yīng)用產(chǎn)品。雖然我國(guó)同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問題，市場(chǎng)還不能接受，所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相差甚遠(yuǎn)。
  • 高端粉體制備及分散技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后
我國(guó)對(duì)陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無(wú)專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。例如：高純氧化鋁粉，日本企業(yè)99.99%氧化鋁粉燒結(jié)溫度只需1300℃，而國(guó)內(nèi)需要到1600℃以上；高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國(guó)H.C.Stark的限制，國(guó)內(nèi)企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動(dòng)。同時(shí)，粉體的高效分散技術(shù)也存在較大差距。
  • 制造裝備加工技術(shù)落后
雖然我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的工藝裝備，像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注射成型機(jī)、流延機(jī)等來(lái)提高我國(guó)的技術(shù)裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟(jì)上給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。而國(guó)內(nèi)仿制設(shè)備因加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時(shí)無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品相比。
我國(guó)在“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃中明確指出大力發(fā)展新型功能與智能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、納米材料、新型電子功能材料、高溫合金材料等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。實(shí)施高性能纖維及復(fù)合材料、先進(jìn)稀土材料等科技產(chǎn)業(yè)化工程。掌握新材料的設(shè)計(jì)、制備加工、高效利用、安全服役、低成本循環(huán)再利用等關(guān)鍵技術(shù)，提高關(guān)鍵材料的供給能力，搶占新材料應(yīng)用技術(shù)和高端制造制高點(diǎn)。
同時(shí)，對(duì)先進(jìn)陶瓷主要應(yīng)用領(lǐng)域新能源、電子信息、環(huán)境保護(hù)、高端機(jī)械制造等同樣提出了規(guī)劃要求，將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)陶瓷向規(guī)?；?yīng)用化、高端化發(fā)展。
二
先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)發(fā)展情況

1.  陶瓷粉體的制備方法

粉體的特性對(duì)先進(jìn)陶瓷后續(xù)成型和燒結(jié)有著顯著的影響，特別是顯著影響陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。通常情況下，活性高、純度高、粒徑小的粉體有利于制備結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的陶瓷材料。
陶瓷粉體的制備主要包含固相反應(yīng)法、液相反應(yīng)法和氣相反應(yīng)法3大類。其中固相反應(yīng)法特點(diǎn)是成本較低、便于批量化生產(chǎn)，但雜質(zhì)較多，主要包括碳熱還原法〔碳化硅（SiC）粉體、氧氮化鋁（AlON）粉體）〕、高溫固相合成法（鎂鋁尖晶石粉體、鈦酸鋇粉體等）、自蔓延合成法氮化硅〔（Si 3 N 4 ）粉體等300余種〕和鹽類分解法〔三氧化二鋁（Al?O?）粉體〕等。其中近幾年興起的沖擊波固體合成法可以大大降低反應(yīng)溫度，提高粉體活性。
液相反應(yīng)法生產(chǎn)的粉料粒徑小、活性高、化學(xué)組成便于控制，化學(xué)摻雜方便，能夠合成復(fù)合粉體，主要包括化學(xué)沉淀法、溶膠——凝膠法、醇鹽水解法、水熱法、溶劑蒸發(fā)法。
氣相反應(yīng)法包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積2種。與液相反應(yīng)法相比，氣相反應(yīng)制備的粉體純度高、粉料分散性好、粒度均勻，但是投資較大、成本高。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，近10年來(lái)，粉體表面積大、球形度高、粒徑分布窄等特點(diǎn)，為高性能陶瓷提供了基礎(chǔ)保障。

 2.先進(jìn)陶瓷的成型技術(shù)

先進(jìn)陶瓷成型方法種類繁多，除了傳統(tǒng)的干壓成型、注漿成型之外，根據(jù)陶瓷粉體的特性和產(chǎn)品的制備要求，發(fā)展出多種成型方法。總的來(lái)說(shuō)可以歸納為4類：干法壓制成型、塑性成型、漿料成型和固體無(wú)模成型，其中每一類成形又可細(xì)分為不同成形方法。

  • 干法壓制成型： 干壓成型、冷等靜壓成型；

  • 塑性成型： 擠壓成型、注射成型、熱蠟鑄成型、扎膜成型；

  • 漿料成型： 注漿成型、流延成型、凝膠注模成型和原位凝固成型；

  • 固體無(wú)模成型： 熔融沉積成型、三維打印成型、分層實(shí)體成型、立體光刻成型和激光選取燒結(jié)成型。

根據(jù)先進(jìn) 陶瓷的發(fā)展進(jìn)程，重點(diǎn)介紹以下成型方法：
（1）冷等靜壓成型
等靜壓成型是最常見的瘠性料先進(jìn)陶瓷成型工藝，通過將粉體放入柔性模具或包套中，通過對(duì)其施加各項(xiàng)均勻的壓力成型，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的工藝，分為干袋式等靜壓和濕袋式等靜壓。其特點(diǎn)是成本低、模具簡(jiǎn)單，生坯強(qiáng)度高，但尺寸不精確、復(fù)雜形狀成型較困難，濕袋式自動(dòng)化生產(chǎn)效率低。 
（２）流延成型
1945年，美國(guó)麻省理工學(xué)院首先對(duì)流延成型進(jìn)行了報(bào)道。其原理是粘度適合、分散性良好的料漿通過流延機(jī)漿料槽道口流到基帶上，通過基帶和刮刀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使料漿鋪展，在表面張力作用下形成有光滑表面的坯體。坯體具有良好的韌性和強(qiáng)度，可以制備幾個(gè)微米到1mm厚的陶瓷薄片材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到電容器瓷片、Al?O?基片和壓電陶瓷膜片中，此外，可利用流延法制備Si 3 N 4 、SiC、氮化硼（BN）等疊層復(fù)合材料，從而制備出高韌性先進(jìn)陶瓷。

Al2O3陶瓷基片

（３）注射成型
注射成型是將高分子聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種制備陶瓷零部件的新工藝。圖5是國(guó)內(nèi)引進(jìn)瑞典首臺(tái)套中壓注塑成型設(shè)備。
近幾年在國(guó)內(nèi)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，在小尺寸、高精度、復(fù)雜形狀陶瓷的大批量生產(chǎn)方面最具優(yōu)勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、滑動(dòng)軸承、陶瓷軸承球、光線連接器用陶瓷插芯、陶瓷牙、陶瓷手表等近幾年均實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。注射成型方法將是小尺寸陶瓷部件特別是復(fù)雜形狀陶瓷部件最具發(fā)展前景的成型方法。
國(guó)內(nèi)引進(jìn)瑞典首臺(tái)套中壓注塑成型設(shè)備
中壓注塑成型制備圓度很好的氮化硅軸承球坯體
（４）凝膠注模成型
凝膠注模成型，即注凝成型是借助料漿中有機(jī)單體聚合交聯(lián)將陶瓷料漿固化成型，可制備出大尺寸薄壁陶瓷或形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。其特點(diǎn)是近凈尺寸成型、有機(jī)物含量少，坯體強(qiáng)度高可進(jìn)行機(jī)械加工，適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
目前國(guó)內(nèi)注凝成型應(yīng)用最成熟的產(chǎn)品為大尺寸熔融石英坩堝、薄片Al?O?基片、二氧化鋯（ZrO?）陶瓷微珠等產(chǎn)品。我國(guó)的熔融石英坩堝尺寸達(dá)1200×1200×540（mm），是全球唯一采用注凝工藝生產(chǎn)石英坩堝的國(guó)家，其使用性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
引進(jìn)機(jī)械手進(jìn)行注凝成型生產(chǎn)大尺寸石英陶瓷坩堝
（５）固體無(wú)模成型
陶瓷無(wú)模成型是直接利用CAD設(shè)計(jì)結(jié)果，通過計(jì)算形成可執(zhí)行的像素單元文件，然后通過類似計(jì)算機(jī)打印輸出設(shè)備將要成型的陶瓷粉體快速形成實(shí)際像素單元（尺寸可小至微米級(jí)），一個(gè)一個(gè)單元疊加的結(jié)果即可直接成型所需要的三維立體構(gòu)件。
美國(guó)Rutgers大學(xué)和Argonne實(shí)驗(yàn)室利用熔融沉積成型技術(shù)制備了Al?O?噴嘴座，燒結(jié)密度98%，強(qiáng)度824±110MPa；麻省理工學(xué)院利用3D打印成型技術(shù)研制的四方氧化鋯陶瓷強(qiáng)度670MPa，斷裂韌性4MPa·m1/2，并制造出熱氣體陶瓷過濾器；英國(guó)布魯諾大學(xué)利用10%體積含量的ZrO?墨水采用噴墨打印機(jī)成型制備出相關(guān)陶瓷樣品。

3D打印成型技術(shù)制備的陶瓷部件

雖然目前固體無(wú)模成型設(shè)備昂貴、技術(shù)封閉、材料性能不理想，但其與現(xiàn)代智能技術(shù)結(jié)合將進(jìn)一步提高陶瓷制備工業(yè)的水平，是成型技術(shù)發(fā)展的主要方向。
 3.  先進(jìn)陶瓷的燒結(jié)技術(shù)

陶瓷坯體通過燒結(jié)促使晶粒遷移、尺寸長(zhǎng)大、坯體收縮、氣孔排出形成陶瓷材料，根據(jù)燒結(jié)過程中不同的狀態(tài)，分為固態(tài)燒結(jié)和液相燒結(jié)。先進(jìn)陶瓷的燒結(jié)技術(shù)按照燒結(jié)壓力分主要有常壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、真空燒結(jié)以及熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)等各種壓力燒結(jié)。近些年通過特殊的加熱原理出現(xiàn)微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等新型燒結(jié)技術(shù)。
（1）熱壓燒結(jié)（HP）
對(duì)共價(jià)鍵難燒材料如Si 3 N 4 、BN、二硼化鋯（ZrB?）需要在加熱過程中給予外加機(jī)械力，使其達(dá)到致密化，此種燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)，分為單向加壓和雙向加壓。熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)是可以低于常壓燒結(jié)溫度100～200℃的條件下接近理論密度，同時(shí)提高制品的性能如透明性、電導(dǎo)率及可靠性。熱壓燒結(jié)目前在國(guó)內(nèi)AlON、YAG等透明陶瓷、BN可切削陶瓷達(dá)到或接近國(guó)際水平。

熱壓燒結(jié)制備的AlON透明陶瓷

但是熱壓燒結(jié)通常只能制造形狀單一產(chǎn)品，并且會(huì)加大后期的加工成本，因此該燒結(jié)方式制造成本較高。
（２）氣壓燒結(jié)（GPS）
氣壓燒結(jié)是指在陶瓷高溫?zé)Y(jié)過程中施加一定的氣體壓力，范圍在1～10MPa以便抑制高溫下陶瓷材料的分解和失重，從而可以提高燒結(jié)溫度，促進(jìn)材料的致密化，是先進(jìn)陶瓷最重要的燒結(jié)技術(shù)之一。
該技術(shù)最早由日本的Mitomo報(bào)道，其最大優(yōu)勢(shì)在于可以較低成本制備性能優(yōu)良、形狀復(fù)雜的共價(jià)鍵陶瓷，并可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。近30年來(lái)氣壓燒結(jié)在日本、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)得到了廣泛而深入的研究，燒結(jié)材料的范圍不斷擴(kuò)大與推廣，國(guó)內(nèi)在大尺寸氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方面突破了國(guó)外技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化。 

大型氣壓燒結(jié)爐及氮化硅陶瓷軸承球

（3）放電等離子燒結(jié)
放電等離子體燒結(jié)是利用等離子體所特有的高溫快速燒成特點(diǎn)的一種新型材料制備工藝方法，被譽(yù)為陶瓷燒結(jié)技術(shù)發(fā)展的一次突破，廣泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、透明陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料。
其優(yōu)點(diǎn)是：燒結(jié)溫度低（比HP和HIP低200～300℃），燒結(jié)時(shí)間短（只需3～10min），晶粒細(xì)小，致密度高，是近凈尺寸燒結(jié)技術(shù)。此外，裝置相對(duì)較簡(jiǎn)單，能量利用率高，運(yùn)行費(fèi)用低，易實(shí)現(xiàn)燒結(jié)工藝的一體化和自動(dòng)化。
（4）微波燒結(jié)技術(shù)
微波燒結(jié)是微波電磁場(chǎng)與材料介質(zhì)相互作用導(dǎo)致介電損耗而使材料表面和內(nèi)部同時(shí)受熱。其優(yōu)點(diǎn)是：升溫速率快，可實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)和晶粒細(xì)化；陶瓷產(chǎn)品整體均勻加熱，內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻；利用微波對(duì)材料的選擇性加熱，可以對(duì)材料某些部位進(jìn)行加熱修復(fù)或缺陷愈合；微波加熱高效節(jié)能，節(jié)能效率可達(dá)50%左右；無(wú)熱慣性，便于實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的瞬時(shí)升、降溫自動(dòng)控制。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Kinrey等人利用微波燒結(jié)1200℃制備了相對(duì)密度98.5%的Al?O?/ZrO?陶瓷材料；徐耕夫等借助微波燒結(jié)在1650℃制備了相對(duì)密度97.5%的β-SiAlON陶瓷。

 3.  陶瓷精密加工技術(shù)

先進(jìn)陶瓷屬于脆性材料，硬度高、脆性大。由于陶瓷加工性能差，加工難度大，稍有不慎就可能產(chǎn)生裂紋或者破壞，因此不斷開發(fā)高效率、高質(zhì)量、低成本的陶瓷材料精密加工技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)主要體現(xiàn)在機(jī)械加工，包括陶瓷磨削、研磨和拋光。近20年來(lái)，電火花加工、超聲波加工、激光加工和化學(xué)加工等加工技術(shù)逐步在陶瓷加工中應(yīng)用。
硅鋼線退火爐用石英陶瓷爐底輥（180×2150mm,空心）

玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷輥（Φ8×765mm到Φ150×6000mm各種規(guī)格）

三
先進(jìn)陶瓷研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化問題解析

 1.  國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)與國(guó)外的差距

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷材料在各領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用總體來(lái)說(shuō)還與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比有明顯的差距，特別是基礎(chǔ)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面，滿足不了國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的要求，國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)與國(guó)外存在一定差距，可以概括為以下四個(gè)方面：
（1）市場(chǎng)
目前世界最先進(jìn)和高附加值的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品，特別是高端裝備中大量的陶瓷制品仍需進(jìn)口，如手機(jī)中使用的片式壓電陶瓷濾波器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)陶瓷絕緣軸承等，國(guó)內(nèi)各龍頭企業(yè)占據(jù)市場(chǎng)份額較低，與國(guó)外仍有較大差距。
（2）粉體與器件
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)材料的純度、分散性、均勻性、性能穩(wěn)定性等均與國(guó)外有較大差距，高質(zhì)量粉體高度依賴進(jìn)口；器件性能與國(guó)外存在5-30年代差。
（3）知識(shí)產(chǎn)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局和標(biāo)準(zhǔn)布局都起步較晚，知識(shí)產(chǎn)權(quán)中整體的專利布局?jǐn)?shù)量、質(zhì)量與國(guó)外比有較大差距，龍頭企業(yè)申請(qǐng)的專利數(shù)量、質(zhì)量也與國(guó)外龍頭相差甚遠(yuǎn)。
（4）產(chǎn)業(yè)化能力
國(guó)內(nèi)企業(yè)的高質(zhì)量先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)化時(shí)間節(jié)點(diǎn)、能力及產(chǎn)量均落后國(guó)外企業(yè)。

 2.  國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)差距問題的原因

先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)這些問題的原因有很多，我們從整體角度分析了原因，包括以下幾個(gè)方面：
（1）頂層設(shè)計(jì)
材料屬于產(chǎn)業(yè)而不是行業(yè)，是各個(gè)行業(yè)的基礎(chǔ)和支撐，與各個(gè)行業(yè)都相關(guān)，而材料產(chǎn)業(yè)又有“三高三長(zhǎng)”的特點(diǎn)，所以材料產(chǎn)業(yè)的利潤(rùn)和價(jià)值體現(xiàn)在延伸或者關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)。而材料產(chǎn)業(yè)更重視核心技術(shù)及平臺(tái)的打造，最終形成深化后續(xù)應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的解決方案，而不是簡(jiǎn)單的產(chǎn)品或者商品。所以特別需要頂層設(shè)計(jì)、整體管理、戰(zhàn)略布局、系統(tǒng)規(guī)劃。
（2）基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究
由于學(xué)校的體制和企業(yè)的機(jī)制，學(xué)校基礎(chǔ)研究的方向很多都是規(guī)劃在論文影響因子高和學(xué)生能夠有效畢業(yè)的領(lǐng)域；而企業(yè)基礎(chǔ)研究的方向，由于投入大、周期長(zhǎng)、見效慢，往往更重視能夠二次創(chuàng)新形成短期效益和引進(jìn)人員快速獲得成功的投入，所以最后基礎(chǔ)研究集中度很高，但深度、廣度、高度、長(zhǎng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。應(yīng)用研究實(shí)際上包含應(yīng)用平臺(tái)（解決技術(shù)、產(chǎn)品功效關(guān)系的研發(fā)；屬于應(yīng)用研究深度）和應(yīng)用中心（解決技術(shù)、產(chǎn)品、商品匹配度方面的研發(fā)；屬于應(yīng)用研究廣度），但由于企業(yè)之間信用基礎(chǔ)不夠、護(hù)城河很難建立，競(jìng)爭(zhēng)和保密成為主旋律，因此以競(jìng)合為基礎(chǔ)的應(yīng)用研究很難有效、高質(zhì)量、可持續(xù)的進(jìn)行。
（3）礦產(chǎn)資源
我國(guó)先進(jìn)陶瓷的鋯礦、鋁礦等礦產(chǎn)資源貧瘠，無(wú)大型礦產(chǎn)供應(yīng)商，資源嚴(yán)重依賴進(jìn)口，而對(duì)于礦產(chǎn)加工能力雖然很高，但深度應(yīng)用十分欠缺。
（4）人才結(jié)構(gòu)與薪資壓力
高中學(xué)子讀大學(xué)時(shí)對(duì)材料專業(yè)熱情度低，材料、化學(xué)類研究生占比比較少，且材料類研究生就業(yè)時(shí)只有少部分會(huì)選擇先進(jìn)制造行業(yè)，選擇材料就會(huì)更少，造成人才資源嚴(yán)重不足。此外， 材料類畢業(yè)生薪資普遍低于計(jì)算機(jī)、金融類、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)畢業(yè)生，不及全國(guó)畢業(yè)生平均薪資，而先進(jìn)陶瓷在材料領(lǐng)域也不屬于熱門，大家興趣更低。
（5）資本青睞度
外部資本、內(nèi)部資本在先進(jìn)制造業(yè)的投資數(shù)量和投資金額明顯較其他行業(yè)少，而材料產(chǎn)業(yè)就更少。

四
發(fā)展與展望

在近20年，不論是六、七十年前發(fā)明的流延成型技術(shù)、常壓燒結(jié),還是一、二十年剛剛興起的注凝成型技術(shù)、放電等離子燒結(jié)技術(shù)，為了滿足應(yīng)用和研究的需要，都進(jìn)行了大跨步的技術(shù)升級(jí)，相關(guān)的理論研究也取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。
國(guó)內(nèi)的先進(jìn)陶瓷體系不斷拓展，制備技術(shù)不斷豐富與進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域也從單一的軍事、航空航天推廣到環(huán)保、新能源、電子信息等更為廣泛的民用市場(chǎng)，陶瓷材料也從結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷向結(jié)構(gòu)——功能一體化發(fā)展。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷現(xiàn)狀，仍需從幾個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究開發(fā)：

陶瓷技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要匹配應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)陶瓷的發(fā)展要求，能夠?qū)π麦w系、新產(chǎn)品、新應(yīng)用和批量化轉(zhuǎn)化提供技術(shù)保障；
陶瓷粉體技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化，要打破高端粉體仍受國(guó)外制約的現(xiàn)狀，滿足陶瓷材料發(fā)展的基本需要；
增韌技術(shù)的研究是突破先進(jìn)陶瓷應(yīng)用局限性的關(guān)鍵之一，強(qiáng)韌化技術(shù)將實(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷應(yīng)用翻天覆地的變化；
降低先進(jìn)陶瓷生產(chǎn)成本是突破先進(jìn)陶瓷應(yīng)用局限性的另一個(gè)關(guān)鍵因素，特別是大批量化生產(chǎn)制備技術(shù)、生產(chǎn)裝備的精密制造技術(shù)、陶瓷精密加工技術(shù)的發(fā)展將決定成本降低的能力；
注射成型、注凝成型和固體無(wú)模成型技術(shù)將成為最具批量化應(yīng)用潛力的成型技術(shù)，微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)技術(shù)將會(huì)給陶瓷材料性能帶來(lái)質(zhì)的飛躍；
結(jié)合“十三五”規(guī)劃的要求和工業(yè)發(fā)展的要求，能源轉(zhuǎn)化載體的儲(chǔ)能陶瓷、在環(huán)境保護(hù)中作用突出的過濾陶瓷（膜）等功能——結(jié)構(gòu)一體化陶瓷、以Si3N4為代表綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷、以AlON透明陶瓷為代表的光電陶瓷將成為應(yīng)用、研究的主力。

我國(guó)從事先進(jìn)陶瓷研究的單位有300多家，技術(shù)積累日益豐厚，以中材高新材料股份有限公司、中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等為代表的單位在新體系研究設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化方面對(duì)我國(guó)先進(jìn)陶瓷發(fā)展發(fā)揮了重要推動(dòng)作用。
當(dāng)今先進(jìn)陶瓷材料的發(fā)展不再局限于傳統(tǒng)技術(shù)，而更多的是與現(xiàn)代信息、自動(dòng)化技術(shù)、不同材料的結(jié)合而形成新的技術(shù)科學(xué)（計(jì)算材料科學(xué)、功能——結(jié)構(gòu)一體化等），先進(jìn)陶瓷發(fā)展的新時(shí)代即將到來(lái)。

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