特种陶瓷材料的研究进展葛伟青

特种陶瓷材料的研究进展葛伟青特种陶瓷材料的研究进展葛伟青 1006 2874 xx 05 0071 04特种陶瓷材料的研究进展葛伟青 唐山学院 唐山063000 TQ174 75A特种陶瓷也称为先进陶瓷 现代陶瓷 新型陶瓷 高性能陶瓷 高技术陶瓷和精细陶瓷 突破了传统陶瓷以黏土为主要原料的界限 主要以氧化物 炭化物 氮化物 硅化物等为主要原料 有时还可 以与金属进行复合形成陶瓷金属复合材料 是一种采用现代材料工艺 制备的 具有独特和优异性能的陶瓷材料 已成为现代高性能复合材料的一个研究热点 特种陶瓷于二十世纪发展起来 在近 二 三十年内 新产品不断涌现 在现代工业技术 特别是在高技 术 新技术领域中的地位日趋重要 许多科学家预言特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中 必将占 据十分重要的地位 特种陶瓷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 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 宇航等领域 一些经济发达国家 特别是日本 美国和西欧国家 为了加速新技 术革命 为新型产业的发展奠定物质基础 投入大量人力 物力和 财力研究开发特种陶瓷 因此 特种陶瓷的发展十分迅速 在技术 上也有很大突破 1概述特种陶瓷通常包括结构陶瓷 功能陶瓷 电子陶瓷 和生物陶瓷 等 结构陶瓷具有高强度 高硬度 高耐磨 耐高温 耐腐蚀等特性 功能陶瓷具有导电 半导性 绝缘 压电 透光 光电 电光 声 光 磁光等性能 生物陶瓷具有医疗 人工关节 骨 牙齿等 和催化 等功能 在现代工业技术 特别是在高新技术领域中的地位日趋重要 中国科学院上海硅酸盐研究所所长罗宏杰在佛山市加快发展特种陶 瓷推介会上发言说 特种陶瓷具备传统陶瓷不具备的多种特性 消 耗低 利润高 应用前景十分广阔 预计xx年全国的市场规模将达到400亿元 世界的市场规模将达到1500亿美元 中国经济的高速发展 将为特种陶瓷制造业提供广阔的市场与发展空 间 目前 高温结构陶瓷研究的主要目标仍然是燃气轮机 活塞发动机和 磁流体发电机用的材料 高温结构陶瓷的应用在汽车 飞机 火箭等领域获得了成功 福特公司研制的汽车用轮机的机头 定子和叶轮都是用氮化硅制作 的 热交换器是用蜂窝状结构的结晶化玻璃制成的 超音速飞机发动机和火箭燃烧室内壁 隔热衬层等高温部位都利用 到了陶瓷材料 美国研制成功了AGT100和AGT101型全陶瓷汽车发动机 其进口温度分 别达到了1290 和1370 比超合金高200 260 2粉末制备技术进展情况目前最引人注目的粉末制备技术是超高温技 术 利用超高温技术可廉价地研制特种陶瓷 超高温技术具有如下优点能生产出用以往方法所不能生产的物质 能够获得纯度极高的物质 生产率会大幅度提高 可使作业程序简 化 易行 目前 在超高温技术方面居领先地位的是日本 此外 溶解法制备粉末 化学气相沉积法制备陶瓷粉末 溶胶 凝胶法生产莫来石超细粉末以及等离子体气相反应法等也引起了人 们的关注 3特种陶瓷成形方法及特点3 1干法成型干法成型包括钢模压制成型 等静压成型 超高压成型 粉末电磁成型等方法 3 1 1钢模压制成型 干压法 将含有少量增塑剂 具有一定粒度配 比的陶瓷粉末放在金属模内 在压机上受压 使之密实成型 钢模压制的优点是易于实现自动化 所以在工业生产中得到较大的应 用 3 1 2等静压成型等静压成型是通过施加各项同性压力而使粉料一边 压缩一边成型的方法 等静压力可达300MPa左右 在常温下成型时称为冷等静压成型 在几百摄氏度到2000 温区内成 型时称为热等静压成型 等静压有两种方式 干袋法和湿袋法 湿袋法是将粉末或颗粒密封于成型橡胶模型内 置于高压容器xx 04 15通讯联系人葛伟青 E mail hbtsgwq sina CHINACERAMICINDUSTRYOct xxVol 17 No 5中国 陶瓷工业xx年10月第17卷第5期DOI 10 13958 j ki ztcg xx 05 015 xx年第5期中国陶瓷工业表1特种陶瓷分类及应用Tab 1Classificati on andapplication ofspecial ceramics种类性能应用高温陶瓷空间和军事技术 航空航天发动机 柴油机耐热部件等高强陶瓷高强韧性 超塑性等航空航天 模具 轴承 密封环 阀门超硬陶瓷热稳定性及化学稳定性好等化工设 备 高速切削刀具 防弹装甲等电子陶瓷压电 光电 电光等电子 工业 电子元器件 超导陶瓷超导性能电子 能源 信息 交通 生物医学等磁性陶瓷磁导率和矫顽力大 硬度高微波器件 量子无 线电等光学陶瓷透明 红外光 荧光性能好激光技术 发光材料 光导纤维等生物陶瓷生物和化学功能生物器官等1500 以上高温短 期使用1200 以上高温长期使用中的液体内 施加各向同性压力而被 压缩成型 干袋法介于湿袋法和干压法之间 用液体作压力传递介质 但压力只 施加于柱状模具的径向外壁 模具轴向基本上不受力 等静压制有以下优点 能压制具有凹形 空心 细长件以及其他复杂 形状的零件 摩擦损耗小 成型压力低 压力从各个方面传递 压坯密 度分布均匀 压坯强度高 模具制作方便 寿命长 成本较低 但等静压制也有缺点 压坯尺寸和形状不易精确控制 生产率较低 且 投资大 操作较复杂 成型在高压下操作 容器及其它高压部件需要特 别防护 3 1 3超高压成型超高压成型是一种发展很快的成型方法 多用于纳 米陶瓷的成型中 纳米陶瓷的粒径受烧结温度影响很大 烧结温度越低 粒径越小 越容 易得到纳米陶瓷 而通过加大成型压力 提高素坯的初始密度 可以降 低纳米陶瓷的烧结温度 因此超高压成型应运而生 超高压成型明显地改变了素坯的烧结性能 从而更加容易得到纳米 陶瓷 3 1 4粉末电磁成型粉末电磁压制是一种利用强脉冲电磁力作用于粉 末体使其致密化的高效率成型新工艺 这种方法通常用于金属材料的成型 可获得非常高的致密度 粉末电磁压制法成型的样品致密度均达到了95 以上 具有较好的压 电与介电性能 3 2湿法成型与干法成型相比 湿法成型可以较容易地控制坯体的团 聚以及杂质的含量 减少坯体的缺陷 并可制备各种形状复杂的陶瓷 部件 湿法成型大致可分为塑性成型和胶态浇注成型两大类 3 2 1塑性成型塑性成型也称湿压法 是指将已制成塑性的物料在刚 性模具中压制成型的一种成型方法 可塑性物料是由固相 液相 气相组成的塑性粘性系统 由粉料 粘 结剂 增塑剂和溶剂组成 塑性成型包括挤压成型 注射成型 轧膜成型 压延成型 等几种 1 挤压成型将粉料 粘接剂 润滑剂等与水均匀混合充分混练 然 后利用液压机推动活塞 将已塑化的坯料从挤压嘴挤出 挤压成型得到的陶瓷膜管具有较大的孔隙率 密度和耐压强度 且孔 径分布集中 气体的渗透通量很大 是一种优良的陶瓷膜管 2 注射成型注射成型又称热压铸成型 该技术通过加入一定量的聚 合物及添加剂组元并微热 赋予金属粉末 陶瓷粉末与聚合物相似的 流动性 在压力下将料浆注满金属模中 冷却后脱坯得到坯件 被美国等发达国家列为重要的 国家关键技术 注射成型技术能以低成本生产大批量复杂形状的高性能零件 具有很 多特殊的技术和工艺优势 原材料利用率高 可快速自动地进行批量 生产 可制备体积小 形状复杂 尺寸精度高的异形件 由于流动冲 模 使生坯密度均匀 烧结产品性能优越 在一定程度上克服了传统干 压法成型产品存在的密度 组织和性能不均的现象 注射成型是一种近净尺寸成型工艺 不需后续加工或只需微量加工 大大降低了生产成本 3 轧膜成型 压延成型 将粉料 添加剂和水均匀混合制成塑性物料 然后将物料经两个相向转动轧辊轧制 从而成为板状素坯的成型方 法 轧膜成型所得坯体密度高 适于片状 板状物件的成型 3 2 2胶态浇注成型胶态浇注成型是将具有流动性的浆料制成可自我 支撑形状的一种成型方法 该法利用浆料的流动性 使物料干燥并固化后得到一定形状的成型体 主要包括以下几种方法 1 注浆成型注浆成型方法是将制备好的泥浆注入石膏模型中 由于 石膏模型具有透气和吸水性能 泥浆接触模型以后 泥浆中的水分会 逐渐被吸入模型壁中 泥浆中的细小颗粒会随着模型的形状而均匀地 排列成一个稠泥层 当稠泥层达到人们预期的厚度时 即可将模型中 多余的泥浆倒出 待稠泥层中的水分被模型继续吸收达到独立成型后 即可将坯体取出 干燥待修 注浆成型工艺成本低 过程简单 易于操作和控制 但成型形状72xx年 第5期中国陶瓷工业粗糙 注浆时间较长 坯体密度 强度也不高 2 注凝成型美国橡树岭国家重点实验室 Oak ridgenational laborato ry 于90年代初发明了一种新颖的陶瓷成型技术 注凝成型 注凝成型是在悬浮介质中加入乙烯基有机单体 然后利用催化剂和引 发剂通过自由基反应使有机单体进行交联 坯体实现原位固化 其显著优点是坯体强度高 便于机械加工 此法的缺点是致密化过程中坯体的收缩率比较大 导致坯体弯曲变形 且所使用的有机单体有毒性 反应气氛不易控制 3 流延成型流延成型是指在陶瓷粉料中加入溶剂 分散剂 粘结剂 增塑剂等成分 得到分散均匀的稳定浆料 在流延机上制得所要求 厚度薄膜的一种成型方法 该法具有设备简单 可连续操作 生产效率高 自动化水平高 工 艺稳定 坯体性能均一等一系列优点 在陶瓷材料的成型工艺中得到 了广泛的应用 4 直接凝固成型直接凝固成型是20世纪90年代瑞士苏黎世联邦技术 学院Gauckler教授的研究小组将生物酶技术 胶态化学与陶瓷工艺 学相结合而发明的一种全新概念的净尺寸原位陶瓷成型技术 该成型方法不需或只需少量的有机添加剂 小于1wt 坯体不需脱脂 坯体密度均匀 相对密度较高 而且可成型大尺寸复杂形状的陶瓷部 件 但其坯体强度往往不够高 5 胶态振动注模成型胶态振动注模成型是1993年alifornia大学San ta Barbara分校F F Lange教授发明的一种胶态成型技术 将制备好的含有高离子强度的稀悬浮体 20 30 vol 通过压滤或 离心获得高固相含量的坯料 然后在振动作用下进行浇注 实现原位 固化 该成型方法可实现连续化生产 并可成型复杂形状的陶瓷部件 但素坯强度较低 脱模时坯体易于开裂和变形 3 3固体无模成型可分为激光选区烧结成型 三维打印成型 熔融沉 积成型 分层制造成型 立体光刻成型等 这些技术具有以下显著的优点高度柔性 技术的高度集成 快速性 自由成型制造等 该技术目前存在的主要问题有设备价格高 软件开发 材料开发 成型精度和质量等问题 总体来说 钢模压制 等静压成型等干法成型技术发展较早 技术 成熟度高 自动化程度高 是目前特种陶瓷成型的主要方法 但由 于精确尺寸控制得不力 限制了其在高性能精细陶瓷成型方面的应 用 超高压成型 粉末电磁成型等是人们为了得到高性能特种陶瓷材料 应运而生的成型方法 湿法成型中的塑性成型方法主要用于某些特殊陶瓷器件的制作 且 生产成本低 以注凝成型和流延成型为代表的胶态成型方法是湿法成型中的新技 术 不仅具备低成本的优点 而且自动化程度较高 能实现规模生产 代表了特种陶瓷成型方法的发展方向 例如陶瓷精密注射成型方 法 已应用于陶瓷发动机 通讯产业中光纤连接器陶瓷插芯 计算 机工业中光盘和磁盘驱动用陶瓷轴承以及生物医学用陶瓷制品等精 密陶瓷件的制造等 快速无模成型由于具有高度柔性和高度集成 快速等优点 预示了未 来材料制造的发展趋势 4特种陶瓷成型技术未来的研究发展方向 1 进一步开发已经提出的各种无模成形技术在制备不同陶瓷材料 中的应用 2 性能更加复杂的结构层以及在层内的穿插 交织 连接结构和 成分三维变化的设计 3 大型异形件的结构设计与制造 4 陶瓷微结构的制造及实际应用 5 进一步开发无污染和环境协调的新技术 5烧结目前 特种陶瓷的主要烧结方法有常压烧结法 热压烧结 热 等静压烧结法 反应烧结法 液相烧结法 微波烧结法 电弧等离 子烧结法 自蔓延烧结法 气相沉积法等 6精密加工特种陶瓷属于脆性材料 硬度高 脆性大 加工性能差 加工难度大 近年来兴起的磨削加工方法主要有 1 超声波振动磨削加工方法 2 在线电解修整金刚石砂轮磨削加工方法 3 电解 电火花复合磨削加工工艺 4 电化学在线控制加工方法 采用刀具加工陶瓷还处于研究实验阶段 由于用超高精度的车床和 金刚石单晶车刀进行加工 以微米数量级的微小吃刀深度和微小的 走刀量 能获得0 1微米左右的加工精度 因而许多国家把这种加工 技术作为超精密加工的一个方面而加以开发研究 在我国 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室在这方面的 研究成果已位居世界前列 7特种陶瓷应用新发展特种陶瓷具有众多优异性能 用途广泛 主要体现在以下几个方面 1 耐热性能优良的特种陶瓷可望作为超高温材料用于原子能有关 的高温结构材料 高温电极材料等 2 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 3 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 4 耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛 目前的工作