解读先进结构陶瓷的产业发展现状与前景

结构陶瓷在强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等方面具有优势。因此，在非常严苛的环境或工程应用条件下，结构陶瓷所展现的高稳定性与机械性能使其应用范围日渐扩大。加上国内外业界对于高精密度、高耐磨耗、高可靠度机械零组件或电子元件的要求日趋严格，陶瓷产品的需求相当受重视，其市场成长率也颇可观。

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 高性能结构陶瓷材料

结构陶瓷材料主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等，它具有金属和高分子材料所欠缺的高模量、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗侵蚀、生物相容性以及优异的电绝缘和透光透波等特性，所以在航天航空、国防军工、机械化工、生物医疗、信息电子、核电与新能源等领域的应用保持7-10%的年增长率。

近二十年来，国家尤为重视先进结构陶瓷材料的研发与产业化并制定了一系列先进陶瓷材料的研发计划。通过产业学术研究和市场牵引两方面，在纳米陶瓷、透波陶瓷、激光陶瓷、超高温陶瓷、陶瓷基复合材料、生物陶瓷、环保陶瓷、电子和光通讯陶瓷、半导体芯片、封装陶瓷等方面都取得巨大进展和应用。

图1 先进结构陶瓷的应用领域及占比

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 先进结构陶瓷应用与产业发展现状

我国先进陶瓷研究始于上世纪50年代。随着国际上增速的发展，陶瓷在70 年代以来在国内诸多高校和科研院所备受重视，并取得了一系列的创新成果。

在研究方面，我国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。此外，多元氮陶瓷相图的研究在国际上有较高的影响，而多相复合陶瓷概念更促成了一批具有优异综合性能的新材料诞生。纳米陶瓷粉体制备与团聚方面的研究以及纳米陶瓷固相烧结理论等方面均有国际一流的创新成果。

在制备工艺方面，在90年代发明的非孔模具针对了高性能结构陶瓷的成型问题。原位固化的新型胶态成型技术降低颗粒团聚倾向，减少坯体密度不均、局部剥离或分层、烧结后产生裂纹、尺寸的精确性差等缺陷。

国内清华大学、上海硅酸盐研究所近年来开展直接凝固注模（Direct Coagulation Casting，简称DCC技术）的研究已在Al2O3、Si3N4、SiC等材料的成型方面取得了不少成果。清华大学在Si3N4基陶瓷的DCC成型技术研究中已成功制备出了Si3N4发动机转子，坯体密度分布差小、强度高，烧结后抗弯强度>900MPa，韦伯尔模数m稳定在20以上；制备的氧化铝基陶瓷抗弯强500Mpa，韦伯尔模数m>15。

（一）航空航天结构陶瓷

在航空发动机设计中，轴承技术代表着发动机极限速、耐温能力和可靠性水平，而陶瓷轴承材料和技术占了 90%~95%以上。近年，我国在各类技术计划的引导和资助下，完成了大量的材料的应用基础、设计、制造工艺、质量控制等基础研究，先后建立了陶瓷轴承球或轴承生产线，主要用于高速高精度机床主轴轴承、计算机硬盘驱动器轴承、牙钻轴承以及防磁、防腐、绝缘等领域，特别是军用的和航天航空等尖端技术采用的特殊轴承。其中热等静压烧结的氮化硅(Si3N4)陶瓷相对密度可以达到 99.9%以上，三点抗弯强度高于1000 MPa，断裂韧性可达到8~9 MPa·m1/ 2以上，所以已经应用在直升机主传动装置、航空APU、飞机附件传动、导弹发动机、火箭发动机和航天卫星上，成为高端制造装备中高速和高功率主轴的标配轴承。

图2 氮化硅陶瓷轴承

（二）国防军工结构陶瓷

透明透波激光陶瓷不仅具有良好的透明性和光学特性，还有结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、导热率高及良好的介电性能。因此，在新型照明技术、高温高压及腐蚀环境下的观测窗口、红外探测用窗、导弹用防护整流罩、军事用透明装甲以及激光武器等领域的应用得到快速发展和产业化。

比如，AlON 透明陶瓷在紫外光、可见光、红外波段有很高的光学透过率，其较高的机械强度和硬度是红外窗口和整流罩的理想材料，并应用于导弹和战斗机。

图2 (a)AlON 透明陶瓷；(b)导弹引导用红外整流罩

又比如，Nd:YAG 激光陶瓷板条制造的固态热容激光器 (简称 SSHCL)产生的激光束可以在 2-7 秒内可穿透 2.5 cm 厚的钢板。所以，Nd:YAG陶瓷激光器除了在材料加工激光医疗等民用及工业外，它在激光测距、激光制导、激光武器、空间遥感等军事尖端技术领域中具有广泛应用。

图3 Nd:YAG 激光陶瓷板条

（三） 环保减排结构陶瓷

近些年，保护环境的法例在很多类型的催化器载体、气体过滤器、喷嘴、陶瓷薄膜、陶瓷泵密封件以及一些发动机部件等方面推动着先进结构陶瓷产品商业化， 但并未在发动机、焚化装置、零排放泵等领域引起推动作用。

另外，微粒过滤器和除氮氧化物的催化装置也被引入到各种大小的柴油发动机。雪铁龙公司将在一些新车中装上SiC陶瓷微粒过滤器希望降低氮氧化物的排放。目前正在开发的介孔材料(有序纳米结构的多孔材料)在催化、分离、吸附工程方面亦有很大的应用潜力。

图4 堇青石蜂窝陶瓷与汽车尾气过滤器

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 先进结构陶瓷的发展前景

（一）纳米陶瓷材料的性能和应用

纳米级陶瓷原料能改善陶瓷体的物理性能，提高韧性和塑性，减少陶瓷的破裂，降低烧结温度，提高烧结体的密度和硬度等。例如，纳米陶瓷的导热系数随着晶粒尺寸的减小而下降的异性能是大规模集成器件的设计基础。又例如，纳米陶瓷固体的比热容比传统金属高2倍，它的高导电率、高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及特别的光吸收效应，都将为纳米陶瓷材料的应用开拓一个崭新的领域。

（二）高韧性层状复相陶瓷材料的

仿生结构设计

陶瓷材料的脆性和增韧一直是研究的热点之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键之一。近20年来人们相继提出了长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多种强韧化措施，也取得了很多积极的研究成果。但是，这些强韧化措施的增韧效果未能从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。近些年来，仿生结构设计成为陶瓷材料获得高韧性的一个有效方法。仿生结构设计的主要概念是仿照天然材料，如竹、木、骨骼、贝壳等的结构特征，通过结构的模拟和精细的组合，来实现材料的高韧性及使用性。这方法改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路。

（三）开发高热导性结构陶瓷材料

真空电子器件设计最主要包括电参数设计、结构设计和热耗散设计三部分。电子器件所用的介质材料须具有良好的介电性能、机械性能和热性能。随着电子器件小型化和大功率输出，热耗散逐渐成为一个关键的问题。高热导性结构陶瓷材料主要用于对散热性能要求高的大功率器件，例如在航空航天、国防、电子等领域。常用的高热导性结构陶瓷材料有氧化铍、氮化铝、氮化硼等材料，国内通常使用氧化铍，虽然氧化铍在常温下热导率很高，但热导性能会随着温度的提高而下降，所以不适合高功率大发热量的器件使用要求。再者，氧化铍粉体有很高的毒性，在生产中会对环境造成污染且不利于工人的身体健康。目前，国外正在大力发展氮化铝、氮化硼等取代氧化铍而国内在这方面针对产业化的研究开发较为滞后。为适应电子行业的发展，国内在开发高热导性结构陶瓷材料有广阔的应用前景。

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图文 | 李宛昱

供稿 | 材料学院研团总支

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