先进陶瓷材料知多少？这里不是你的全世界，来看看！

2016-10-26 信息与电子前沿

本文转载自公众号：新好材料

先进陶瓷通常指的是采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料，具有精确的化学组成，精密的制造加工技术和结构设计，并具有优异特性的陶瓷。先进陶瓷按种类可分为具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点的结构陶瓷，以及具有电气性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点的功能陶瓷。先进陶瓷广泛应用于高温、腐蚀，电子、光学领域，作为一种新兴材料，以其优异的性能在材料领域独树一帜，受到人们的高度重视，在未来的社会中将发挥重要的作用。

一、结构陶瓷

结构陶瓷主要有：切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器和装甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化钛(TiB2)、氧化铝(A12O3)和赛隆(Sialon)等。

　　（1）Si3N4基陶瓷材料

　　C纤维增强Si3N4基陶瓷材料，用ZrO2的变相效应防止由于纤维与基体的热膨胀系数上的不匹配而产生的裂纹，所获得的复合材料的断裂韧性提高5倍。氮化硅陶瓷以其优异的综合性能和丰富的资源成为高性能陶瓷中最有应用潜力的一种切削工具，每年约有140吨氮化硅粉末用于刀具制造，价值约3亿美元。

　　（2）碳化硅基陶瓷

　　用热压工艺制得的碳化硅陶瓷，其密度可以接近理论密度，弯曲强度即使在1400℃左右的高温仍可达到500～600MPa。用CVI法制得的C纤维补强的碳化硅复合材料，强度为520MPa，而断裂韧性达到16.5MPa·m。加入25vol％TiB的碳化硅复相陶瓷，如果严格控制起始的颗粒尺寸，可使强度达到888MPa，断裂强度达到8.8MPa·m。可以说碳化硅是高温空气中强度最高的材料，其热导率仅次于氧化铍陶瓷材料。中国有很多企业生产碳化硅粉，其中很大一部分出口，但是主要都是低品味的用于制造耐火砖用的碳化硅粉。东欧有15万吨／年的生产能力，北美的生产量为10万吨／年。高纯、高活性的碳化硅微细粉价格很高，为14-40美元／公斤，年需求额约1500万美元，这种粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。

　　（3）氧化锆增韧陶瓷

　　氧化锆增韧陶瓷在结构陶瓷研究中取得了重大的进展，经过增韧的陶瓷品种也很多，目前已经知道的可使氧化锆稳定的添加物有：氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化钇、氧化铈等单一的氧化物或它们的复合氧化物。被增韧的材料，除了稳定的氧化锆以外，还有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。在氧化铝中添加16vol％的氧化锆增韧处理，得到材料的强度为1200MPa，断裂韧性为15.0MPa.m。氧化锆增韧陶瓷材料在室温下具有最高的强度和断裂韧性，今后将着重提高其高温的性能。

二、功能陶瓷

功能陶瓷是知识和技术密集型产品。人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电、非线性光学材料，铁氧体、记忆材料，太阳能电池，高温氧化物超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的发展。

　　功能陶瓷的品种繁多，这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能，应用十分广泛。

　　（1）电子绝缘材料

　　目前国内外常用的电子绝缘材料是Al2O3。近年来出现的新型电子绝缘材料，如AlN陶瓷，具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热导率等优良的性能，且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配，主要应用是作为大规模集成电路和电力模块电路的散热基板。

　　（2）电介质材料

　　用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容器介质材料多数为BaTiO3基材料，此外还有高介的复合钙钛矿材料，以研制出频率为105Hz时，介电常数高达105的高介材料目前晶界层电容器的出现，使常规瓷介电容器的介电常数提高数倍甚至数十倍。

　　（3）压电陶瓷材料

　　常用的压电元件：传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常的压电材料是PZT，新型的压电陶瓷材料主要有：高灵敏、高稳定压电陶瓷材料、电致伸缩陶瓷材料，热释电陶瓷材料等。

　　（4）磁性陶瓷材料

　　磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两类，前者不易磁化，也不易失去磁性。代表性硬磁材料为铁氧体磁铁和稀土磁体，主要用于磁铁和磁存储元件。软磁性材料易磁化及去磁，磁场方向可以改变，主要用于交变磁场响应的电子部件。

　　（5）超导陶瓷材料

　　从二十世纪80年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来，对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。近十几年以来，我国在这方面的研究一直处于世界先进水平。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。

　　（6）抗杀菌陶瓷材料

　　抗杀菌陶瓷材料是随着科学的发展及社会的文明而产生的新一代功能材料。无机抗杀菌剂按作用于微生物的机理可分为三类：一类是主要通过物理吸附或离子交换将银、铜、锌等具有抗杀菌作用的金属或其离子固定在沸石、磷灰石、硅胶、玻璃等无机材料载体上而制成；第二类是二氧化钛粒子光催化抗杀菌剂，二氧化钛在光照下能使氧分子变成活性氧，使水产生活性氧自由基而发挥抗菌杀菌的作用；第三类是具有远红外辐射功能的抗杀菌材料，远红外线的抗杀菌功能效果有限，因此这种材料必须与前两种材料配合使用，才能有更好的应用价值。

三、先进陶瓷材料在汽车上的应用

对于汽车行业来说，使用特殊材料打造汽车并不是什么新鲜事了，早就有厂商使用过碳纤维、铝镁等材料来装点前卫时尚的高性能轿车。但是陶瓷不是用来做精细瓷器和卫浴产品的么？

这辆独一无二的陶瓷版布加迪威龙白金跑车是法国超级跑车制造商布加迪与柏林皇家瓷器建造厂去年联合推出的。它采用陶瓷材质进行整车制造，油箱盖、车标和轮盖部位由特殊材料制成。它由一个8升W16引擎提供动力，可产生1000马力，由于动力十足，时速从0加速到62英里(约100公里)仅需2.5秒，最大时速可达253英里(约407公里)，出厂售价为160万英镑。强迫症的我真担心听到“哗啦”一声，这下再也不用担心别人是不是来碰瓷的了.......

陶瓷在汽车发动机上的应用

新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成，是氧化铝陶瓷强度的三倍以上，能耐1000℃以上高温。要将柴油机的燃耗费降低30%以上，新型陶瓷是不可缺少的。现在汽油机中，燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的，柴油机热效率为33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上的热能量损失掉。

因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，有试验证明，这样可把热效率提高到48%。同时由于新型陶瓷的使用，柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。

特种敏感陶瓷在汽车传感器上应用

对汽车用传感器的要求是能长久适用于汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气)，并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能，近年来随着制造技术的进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成的传感器完全能够满足上述要求。

陶瓷在汽车制动器上的应用

陶瓷制动器是在碳纤维制动器的基础上制造而成的。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维和树脂构成，它被机器压制成形，之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器，陶瓷制动器的碳硅化合物表面的硬度接近钻石，碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击，耐腐蚀，让碟片极为耐磨。目前此类技术除了在F1赛车中应用，在超级民用跑车中也有涉及。

陶瓷在汽车减振器上的应用

高级轿车的减振装置是综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件，这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能，可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。

陶瓷材料在汽车喷涂技术上的应用

近年来，在航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术的优点是隔热效果好、能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热的目标，可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂，如活塞顶喷的氧化锆，缸套喷的氧化锆。经过这种处理的发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。

总之，特种陶瓷是一种正在不断开发中的陶瓷材料产品，但原料的制取、材料的评价和利用技术等许多方面都有尚待解决的课题。目前，特种陶瓷在汽车的应用并不广泛，其中的主要原因有：制造工艺复杂、要求高；因特种陶瓷对原材料要求比较严格、工艺难以掌握，使得各批制品的性能难以保持均匀一致；成本较高，可加工性差、脆性大、使用可靠性差。不过，人们有充分理由相信，随着科学技术的飞速发展，在未来的汽车制造业中将会有更多的特种陶瓷、智能陶瓷制品被引入和采用到汽车上，而且一定会在汽车生产中得到广泛的应用。

四、国内外先进陶瓷材料产业发展现状

　　1905年，德国人率先开始了氧化铝刀具的研究，1912年，首款氧化铝陶瓷刀具率先由英国人发明，20世纪20年代后期，先进陶瓷材料逐步走进研究人员的研究视线。从最初的主要用于军事领域的结构陶瓷发展到军事、民用结构陶瓷、功能陶瓷的研究；从最初偏重与陶瓷材料的制备发展到对陶瓷粉体、显微结构的系统分析，先进陶瓷材料的种类和应用在各领域取得了重大突破。20世纪60年代美国材料顾问委员会对材料制备领域进行了调研得出的重要结论是：“为了实现材料均匀的、可重复的无缺陷显微结构，提高材料性能的可靠性，陶瓷制备科学研究十分必要”。20世纪70年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投入，对先进陶瓷材料的研究取得了长足的进步。从技术上讲，陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）使用的要求，陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性一体化、低成本制备工艺等方面，各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。进入21世纪以来，各国竞相开发不同陶瓷材料在不同领域的应用，随着装备水平的提高，通过不断地实验、研究和质量控制等成功实现了陶瓷材料产品的批量化稳定生产与制备。
　　从材料产业上讲，先进陶瓷已形成一个巨大的高技术产业，目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总额超过500亿美元，年增长率达8%。美国、法国、德国与日本在该领域整体上处于领先地位，而欧洲其它各国、韩国、中国大陆与台湾地区正从不同的研究领域展现出各自的优势。

美国

　　近50年来，美国在先进陶瓷领域的研究工作取得了一系列突破，推动了陶瓷技术的快速发展，对经济和社会发展也产生了深远的影响。1994 年克林顿政府在先进陶瓷研究方面增加了15%的科研预算，旨在强化国际竞争能力、保护环境、开发新型输送机构。1998年美国先进陶瓷市场总份额接近75亿美元。从20世纪90年代后期一直到2000年，美国先进陶瓷市场销售额稳步发展，年平均增长率达到8%。进入2001年，随着美国经济进入衰退，先进陶瓷的市场需求大大缩水。2003-2007年，随着美国经济的复苏，先进陶瓷材料产业的市场需求出现反弹，年增长率达到7%，先进陶瓷市场销售额超过110亿美元。2012年，先进陶瓷产业的市场销售额突破126亿美元。
美国先进陶瓷发展的重点为高温结构陶瓷，结构陶瓷产量的增速最快，每年增加13.5 % 。目前在航天技术、汽车、航空器、核工程、医疗设备及机械动力等方面进入大范围使用阶段。以氮化硅，碳化硅，氧化锆陶瓷为主的精密材料陶瓷制品产量占世界总量的60%以上。美国生产的陶瓷轴承工作温度高达1 300℃，其工作强度为普通金属轴承的5倍以上。美国研制的生物陶瓷产品也已大量用于骨骼修复，瓷牙修补的临床应用。目前美国先进陶瓷工业界还加紧军用先进陶瓷的研制开发，逐步加强在军事领域的应用。

日本

自20世纪80年代以后，日本在材料科学领域一直走在世界的前沿，特别是在先进陶瓷材料方面占有领先、突出的地位。尽管日本和欧美乃至中国在传统陶瓷材料研究方面水平相差并不大，但在新型陶瓷材料的产业方面日本在世界上占有绝对领先的优势。
日本是世界上先进陶瓷最大的生产者，到2000年，陶瓷产量增长42%，而到2005年增加74%。2000年日本陶瓷产业的产值占据了整个日本传统产业的50%，先进陶瓷市场而成为这一领域的领头羊。对比与美国，日本先进陶瓷在功能陶瓷领域研究首屈一指，在结构陶瓷及陶瓷粉体的研究与应用在具有较强的竞争优势。
日本近年来一直将先进陶瓷看作是决定未来竞争力前途的高科技产业，不余遗力地不断加大投资力度。其生产的先进陶瓷敏感元件已占据国际市场主要份额。包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等在内的各种先进陶瓷产品垄断着一大部分市场。日本正在试验高性能陶瓷电池，它是采用固态陶瓷材料代替酸性电解液，重量较传统电池减轻2/3，且污染小，尤适宜用于汽车及航空航天工业需要。

国内先进陶瓷材料产业发展现状

我国从20世纪50年代初从研究氧化铝陶瓷刀具为切入点，开始从事先进陶瓷材料的研究。 20世纪60年代开始研究从事碳化硅陶瓷及、压电陶瓷与铁电陶瓷的研究；20世纪60年代中期开始氮化硅和碳化硅陶瓷的研究，为我国先进耐火材料的研究奠定了良好的基础；20世纪70年代随着国际上先进陶瓷跨越式的发展，国内诸多高校和科研院所开始重视先进陶瓷材料研究，取得了一系列创新性成果。20世纪末，我国独创性地将纤维补强陶瓷基复合材料应用于战略导弹和各类卫星天线窗的保护框上，这是国际上纤维补强陶瓷基复合材料的首次实际应用。
我国在所有先进陶瓷材料领域进行着研究、开发和生产，自上世纪80年代，以发动机用陶瓷零部件的研制为契机，研制成功了一系列新的陶瓷材料，并在先进陶瓷的应用方面也取得了令人瞩目的成绩。普通电子陶瓷和结构陶瓷如IC基板、电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件，中铝瓷，高铝瓷，电真空瓷，纺织瓷件，电熔石英、电熔刚玉等，在我国已能大批量生产，产品质量稳定，并占领一定的国际市场。但大部分产品仍以价格优势提升竞争力，有待进一步提升产品的技术附加值。1990年我国研制成功的无水冷陶瓷发动机装在大客车中完成了上海到北京往返3 500km的道路试车。以高温超导陶瓷为代表的诸多技术在尖端高技术陶瓷的理论研究和实验水平处于世界先进行列。
虽然我国先进陶瓷材料开发上取得了长足的进步，与国际先进陶瓷领域领先的国家距离进一步缩小，但仍缺乏批量化、低成本、高效的制备优质先进陶瓷材料的先进技术、装备和管理水平。我国先进陶瓷材料的开发大都是结合国防和国民经济上的需要，具有独立的技术特色。然而，纵观我国先进陶瓷领域的发展现状，国内先进陶瓷材料在各领域内的应用总的来说还与国际发达国家相比还有明显的差距，特别是技术和产业化方面，满足不了国民经济迅速发展的要求。在全球数百亿美元的先进陶瓷年销售额中，中国销售额仅占1～2%。因而，目前世界最先进的高附加值的先进陶瓷产品，特别是高端装备中大量的陶瓷元件仍需进口，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器，风力发电机陶瓷绝缘轴承和高端超细纳米粉体等。