先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究進展

路學成　任　瑩

摘要先進陶瓷材料因其具有高熔點、高強度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕和抗氧化等優(yōu)良特性, 在許多應(yīng)用領(lǐng)域有著金屬等其它材料不可替代的地位。本文綜述了先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞先進陶瓷，結(jié)構(gòu)陶瓷，研究進展

1前言

20世紀60年代以來，新技術(shù)革命的浪潮席卷全球，計算機、微電子、通信、激光、新能源、航天、海洋和生物工程等新興技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對材料提出了很高的要求，能夠滿足這些要求的先進陶瓷材料應(yīng)運而生，并在這些技術(shù)革命中發(fā)揮著重要的作用[1～4]，同時也極大地促進了陶瓷科學的發(fā)展和應(yīng)用，使陶瓷材料又一次煥發(fā)出了青春, 在尖端科學領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用, 如航天、航空、汽車、體育、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域[4，5]。

先進陶瓷是有別于傳統(tǒng)陶瓷而言的，不同國家和不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)ο冗M陶瓷有不同叫法。先進陶瓷也稱高技術(shù)陶瓷、精細陶瓷、新型陶瓷、近代陶瓷、高性能陶瓷、特種陶瓷、工程陶瓷等[1]。先進陶瓷是在傳統(tǒng)陶瓷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但遠遠超出了傳統(tǒng)陶瓷的范疇，是陶瓷發(fā)展史上一次革命性的變化。通常認為，先進陶瓷是指采用高度精選的原料，具有能精確控制的化學組成，按照便于進行的結(jié)構(gòu)設(shè)計及便于控制的制備方法進行制造、加工的，具有優(yōu)異特性的陶瓷。

先進陶瓷按用途可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。結(jié)構(gòu)陶瓷是指用于各種結(jié)構(gòu)部件，以發(fā)揮其機械、熱、化學相生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用電、磁、聲、光、熱、彈等性質(zhì)或其耦合效應(yīng)以實現(xiàn)某種使用功能的先進陶瓷。先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料由于具有一系列優(yōu)異的性能，在節(jié)約能源、節(jié)約貴重金屬資源、促進環(huán)保、提高生產(chǎn)效率、延長機器設(shè)備壽命、保證高新技術(shù)和尖端技術(shù)的實現(xiàn)方面都發(fā)揮了積極的作用。本文著重介紹近年來結(jié)構(gòu)陶瓷的研究進展及發(fā)展趨勢。

2先進結(jié)構(gòu)陶瓷及其應(yīng)用

先進結(jié)構(gòu)陶瓷若按使用領(lǐng)域進行分類可分為：（1）機械陶瓷；（2）熱機陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它。若按化學成分分類可分為：（1）氧化物陶瓷(Al₂O₃、ZrO₂、MgO、CaO、BeO、TiO₂、ThO₂、UO₂)；（2）氮化物陶瓷(Si₃N₄、賽龍?zhí)沾?、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr₃C₂)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB₂、HfB₂、LaB₂等)；（5）其它結(jié)構(gòu)陶瓷(莫來石陶瓷、MoSi陶瓷、硫化物陶瓷以及復(fù)合陶瓷等)[1]。

由于先進結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫、高強度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕和抗氧化等一系列優(yōu)異性能[4]，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴酷工作環(huán)境，已成為許多新興科學技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵，在能源、航空航天、機械、交通、冶金、化工、電子和生物醫(yī)學等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.1 耐高溫、高強度、耐磨損陶瓷

2.1.1 氮化物陶瓷[6～8]

氮化物陶瓷是近20多年來迅速發(fā)展起來的新型工程結(jié)構(gòu)陶瓷。氮化硅陶瓷和一般硅酸鹽陶瓷不同之處在于其中氮和硅的結(jié)合屬于共價鍵性質(zhì)的鍵合，因而有結(jié)合力強、絕緣性好的特點。

氮化硅的燒結(jié)與一般陶瓷的燒結(jié)工藝不同，采用的是反應(yīng)燒結(jié)法，此法制造的氮化硅陶瓷，不能達到很高的致密度，一般只能達到理論密度的79％左右，不能制造厚壁部件。提高氮化硅陶瓷致密度的有效方法之一就是在高溫下進行加壓燒結(jié)，由此可得到熱壓氮化硅陶瓷，其室溫抗彎強度一般都在800～1000MPa。如果在其中添加少量氧化釔和氧化鋁的熱壓氮化硅，室溫抗彎強度可達到1500MPa，在陶瓷材料中名列前茅，硬度很高，是世界上最堅硬的物質(zhì)之一；極耐高溫，強度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到1900℃才會分解；有驚人的耐化學腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸(氫氟酸除外)和30％以下的燒堿溶液，也能耐很多有機酸的腐蝕，同時又是一種高性能電絕緣材料。由于其熱膨脹系數(shù)小，抗溫度急變能力很強，因此氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的力學性能，在工程技術(shù)的應(yīng)用上已占有重要地位。

氮化硅陶瓷制品的種類很多，應(yīng)用也日益廣泛，例如可做燃氣輪機的燃燒室、晶體管的模具、液體或氣體輸送泵中的機械密封環(huán)、輸送鋁液的電磁泵的管道和閥門、鑄鋁用永久性模具、鋼水分離環(huán)等。利用氮化硅摩擦系數(shù)小的特點用作軸承材料，特別適合作為高溫軸承使用，其工作溫度可達1200℃，比普通合金軸承的工作溫度提高2.5倍，而工作速度是普通軸承的10倍；使用陶瓷軸承還可以免除潤滑系統(tǒng)，大大減少對鉻、鎳、錳等原料的依賴。氮化硅作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷最引人注目的就是在發(fā)動機制造上獲得了突破性進展。美國用熱壓氮化硅制成的發(fā)動機轉(zhuǎn)子成功地在5000轉(zhuǎn)／min的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)很長時間。

2.1.2 碳化硅陶瓷[9，10]

工業(yè)化生產(chǎn)碳化硅的方法是將石英、碳素（煤焦）、木屑和食鹽混合，在電爐中加熱到2200～2500℃下制成。碳化硅陶瓷和許多陶瓷的不同之處，在于它在室溫下既能導(dǎo)電，又耐高溫，是一種很好的發(fā)熱元件。用碳化硅制成的電熱棒叫硅碳棒，在空氣中能經(jīng)受1450℃的高溫；質(zhì)量好的重結(jié)晶法制成的硅碳棒甚至可耐1600℃的高溫，遠高于金屬電熱元件(除了鉑、銠等貴金屬外)，這是因為它在高溫空氣中會氧化生成一層致密的氧化硅薄膜，起到隔離空氣的作用，大大減慢了內(nèi)層碳化硅的進一步氧化，從而使它能在高溫下工作。用熱壓工藝可以制得接近理論密度值的高致密碳化硅陶瓷，它的抗彎強度即使在1400℃左右的高溫下仍可達到500～600MPa，而其它陶瓷材料在1200℃以后，強度都會急劇下降。因此，碳化硅是在高溫空氣中強度最高的材料。

高溫燃氣渦輪發(fā)動機要提高效率，就必須提高工作溫度，而解決問題的關(guān)鍵是找到能承受高溫的結(jié)構(gòu)材料，特別是發(fā)動機內(nèi)部的葉片材料。碳化硅陶瓷在高溫下有足夠的強度，且有良好的抗氧化能力和抗熱震性，這些優(yōu)良品質(zhì)都使它極其適合作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用。用于在1200～1400℃下工作的高溫燃氣渦輪發(fā)動機葉片的材料，許多科學家認為它和氮化硅陶瓷是最有希望的候選材料。

碳化硅陶瓷的熱傳導(dǎo)能力僅次于氧化鈹陶瓷。利用這一特性，可作為優(yōu)良的熱交換器材料。太陽能發(fā)電設(shè)備中被陽光聚焦加熱的熱交換器，其工作溫度高達1000～1100℃，具有高熱傳導(dǎo)性的碳化硅陶瓷很適合做這種熱交換器的材料，從試驗情況來看，碳化硅陶瓷熱交換器的工作狀態(tài)良好。此外，在原子能反應(yīng)堆中碳化硅陶瓷可用作核燃料的包封材料，還可作為火箭尾噴管的噴嘴及飛機駕駛員的防彈用品。

此外，為了提高切削刀具的切削性能，20世紀以來，刀具材料經(jīng)過了高速鋼和硬質(zhì)合金兩次發(fā)展過程，目前正在進入陶瓷刀具大發(fā)展的階段。新型陶瓷以其耐高溫、耐磨削的特點，已在20世紀初引起了高速切削工具行業(yè)的注意。陶瓷刀具不僅紅硬性高，而且具有高硬度、高耐磨性，因此便成為制造切削刀具的理想材料。目前，制造陶瓷切削刀具的材料主要有氧化鋁、氧化鋁-碳化鈦、氧化鋁-氮化鈦-碳化鈦-碳化鎢、氧化鋁-碳化鎢-鉻、氮化硼和氮化硅等[11]。以這類材料制作的刀具沒有冷卻液也可以工作，比起硬質(zhì)合金來具有切削速度高、壽命長等優(yōu)點。目前，歐美各國都已廣泛使用陶瓷材料做鉆頭、絲錐和滾刀；原蘇聯(lián)確定了7000多個品種的合金刀具，用噴涂表面陶瓷涂層的辦法來提高車刀的工作速度和使用壽命。

陶瓷除作切削刀具外，利用其耐磨、耐腐蝕的特性還可用作各種機械上的耐磨部件。如用特種陶瓷制作農(nóng)用水泵、砂漿泵、帶腐蝕性液體的化工泵及有粉塵的風機中的耐磨、耐腐蝕件或密封圈等都已取得良好的實用效果。此外，高純氧化鋁(剛玉)可制作金屬拉絲模，尤其在高溫下的熱拉絲更顯示出陶瓷的優(yōu)越性；工業(yè)陶瓷中納球磨筒和磨球，金屬表面除銹用的噴砂嘴，噴灑農(nóng)藥用的噴頭等。總之，凡是需要耐磨、耐腐蝕的場合，幾乎都會看到特種陶瓷的存在。

2.2 耐高溫、高強度、高韌性陶瓷

新型陶瓷具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等性能，因此在冶金、宇航、能源、機械等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。由于陶瓷的韌性差，因此也限制了它的使用范圍。1975年澳大利亞的伽里耶(Garie)首次成功地利用添加氧化鋯來大大提高陶瓷材料的強度和韌性，自那時起世界各國利用氧化鋯增韌這一辦法，開發(fā)出多種具有高強度和高韌性的陶瓷材料，掀起了尋求打不碎陶瓷的熱潮。

氧化鋯能夠增加陶瓷材料韌性和提高強度的原因，至今雖沒有完全搞清楚，但研究結(jié)果已經(jīng)表明，它和均勻彌散在陶瓷基體中的氧化鋯晶粒的相變有關(guān)。一種增韌理論認為相變膨脹導(dǎo)致的微裂紋可以阻止造成脆斷的裂紋擴展；另一種理論認為應(yīng)力誘導(dǎo)相變，而相變可吸收應(yīng)力的能量，從而起到增韌的作用[12～14]。總之，在某些陶瓷材料中引入一定量亞穩(wěn)氧化鋯微粒，并使其均勻分布都可大大提高陶瓷材料的強度和韌性。

氧化鋯增韌陶瓷已在工程結(jié)構(gòu)陶瓷研究中取得重大進展，經(jīng)過增韌的陶瓷品種日益增多。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可穩(wěn)定氧化鋯的添加物有氧化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氧化鈰、氧化釔等單一氧化物或它的復(fù)合氧化物。被增韌的基質(zhì)材料，除了穩(wěn)定的氧化鋯外，常見的有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷，還有氮化硅和碳化硅等非氧化物陶瓷。日本在氧化鋁基質(zhì)（強度為400MPa、斷裂韌性為5.2 J/m²）材料中，添加16%體積百分數(shù)的氧化鋯進行增韌處理，制得材料的強度高達1200MPa，提高了3倍，斷裂韌性達到15.0J/m²，幾乎也提高了3倍，基本達到了低韌性金屬材料的程度[12]。最近的研究表明，強度和韌性是相互制約的。盡管如此，許多陶瓷材料通過氧化鋯增韌，大大拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，增強了取代某些金屬材料的能力，出現(xiàn)了喜人的應(yīng)用前景。利用氧化鋯增韌陶瓷可替代金屬制造模具、拉絲模、泵機的葉輪、特種陶瓷工業(yè)用的磨球、軸承，替代手表中的單晶紅寶石。日本用增韌氧化鋯做成剪刀，既不會生銹，又不導(dǎo)電，可以放心地剪斷帶電的電線。氧化鋯增韌陶瓷還可用于制造汽車零件，如凸輪、推桿、連動桿、銷子等。

2.3 耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷[4，15]

現(xiàn)代電光源對構(gòu)成材料的耐高溫、耐腐蝕性及透光性有很高的要求，而同時滿足這些性能的材料直到20世紀50年代后期才開始得到發(fā)展。1957年，美國通用電器公司的科布爾等人在平均尺寸只有0.3μm的高純超細氧化鋁原料中，添加氧化鎂，混勻后壓成小圓片，放在通氫氣的高溫電爐中燒制，意外地發(fā)現(xiàn)它像玻璃一樣透明?？撇紶栠€發(fā)現(xiàn)，把透明的陶瓷片放在顯微鏡下觀察，幾乎看不到微氣孔。經(jīng)過多次實驗觀察和研究分析發(fā)現(xiàn)，陶瓷的透光能力和內(nèi)部氣孔大小有很大關(guān)系，當微氣孔的大小在1μm左右時，厚度為0.5mm的陶瓷試樣只要含有千分之三的氣孔就能使光線的透過率減少90％。一般氧化鋁陶瓷中所含的氣孔都超過這個數(shù)字。因此，構(gòu)成氧化鋁陶瓷的剛玉小晶體本身能夠透過光線，而陶瓷還是不透明。使陶瓷透明的關(guān)鍵，是坯體中只能有一種晶型的晶體，而且對稱性愈高愈好，否則會發(fā)生雙折射，此外氣孔要愈少愈好，有人做過試驗，當氣孔小到埃的數(shù)量級時，光會沿著微氣孔發(fā)生繞射現(xiàn)象，這有助于透明度的提高。

氧化鋁陶瓷是高壓鈉燈極為理想的燈管材料，它在高溫下與鈉蒸氣不發(fā)生作用，又能把95 %以上的可見光傳送出來。這種燈是目前世界上發(fā)光效率最高的燈。在相同功率下，一只高壓鈉燈要比2只水銀燈或10只普通白熾燈發(fā)出的光還要亮，壽命比普通白熾燈高20倍，可使用2萬小時以上，是目前壽命最長的燈。人眼對高壓鈉燈的黃色譜線十分敏感，而且黃光能穿過濃霧，特別適合街道、廣場、港口、機場、車站等大面積的照明，效果極好。目前，許多國家正在推廣使用，其發(fā)展速度之快，超過了以往任何一種電光源。由此不難看出，新型透明氧化鋁陶瓷的出現(xiàn)，引起了電光源發(fā)展過程中的一次重大飛躍，帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益。

除半透明氧化鋁陶瓷外，研究得較多的還有氧化鎂、氧化鈣、氧化鈹、氧化鋯、氧化釔、氧化釷、氧化鑭等。透明氟化鎂、氰化鈣、硫化鋅、硒化鋅、硒化鎘等也有報道。用氧化鋁和氧化鎂混合在1800℃高溫下制成的全透明鎂鋁尖晶石陶瓷，外觀極似玻璃，但其硬度、強度和化學穩(wěn)定性都大大超過玻璃，可以用它作為飛機擋風材料，也可作為高級轎車的防彈窗、坦克的觀察窗、炸彈瞄準具，以及飛機、導(dǎo)彈的雷達天線罩等。

2.4 纖維、晶須補強陶瓷復(fù)合材料[12，16～18]

近年來，以陶瓷為基體、纖維或晶須補強的復(fù)合材料由于其韌性得到提高而受到重視。碳化硅晶須增韌的氧化鋁陶瓷刀具在20世紀80年代初開始研究，1986年已作為商品推向市場。碳化硅晶須的加入大大提高了氧化鋁陶瓷的斷裂韌性，改善了切削性能。用碳纖維和鋰鋁硅酸鹽陶瓷復(fù)合，材料的強度已接近或超過1000MPa，其斷裂功高達3000J/m²，即達到了鑄鐵的水平。用鉭絲補強氮化硅的室溫抗機械沖擊強度增加到30倍；用直徑為25μm的鎢絲沉積碳化硅補強氮化硅，這種纖維補強陶瓷的斷裂功比氮化硅提高了幾百倍，強度增加60％；用莫來石晶須來補強氮化硼，其抗機械沖擊強度提高10倍以上?？梢哉J為，繼20世紀70年代出現(xiàn)的相變增韌熱后，晶須、纖維增強、均韌復(fù)合陶瓷已成為結(jié)構(gòu)陶瓷發(fā)展的主流。高性能(強度、韌性)、高穩(wěn)定性、高重復(fù)性的晶須、纖維復(fù)合陶瓷材料的獲得，除要求晶須、纖維與基體間化學、物理相容性較好以外，從復(fù)合工藝上，還必須保證晶須纖維在基體中能均勻地分散，才能獲得預(yù)期的效果。最近，利用“織構(gòu)技術(shù)”，在某些陶瓷坯體中生長出纖維狀態(tài)針狀第二相物質(zhì)如莫來石晶體進行“自身內(nèi)部”復(fù)合，這種復(fù)合增韌是一項簡便易行的陶瓷補強新技術(shù)。目前高性能陶瓷復(fù)合材料，還處在深化研究階段，關(guān)鍵在于改進工藝和降低成本，提高其實際應(yīng)用的競爭力。

2.5 生物陶瓷[4，5，19]

生物陶瓷材料是先進陶瓷的一個重要分支，它是指用于生物醫(yī)學及生物化學工程的各種陶瓷材料。它的總產(chǎn)值約占整個特種陶瓷產(chǎn)值的5％。生物陶瓷目前主要用于人體硬組織的修復(fù)，使其功能得以恢復(fù)。全世界1975年才開始生物陶瓷的臨床應(yīng)用研究。但是，最近10多年間，各國在這方面的基礎(chǔ)應(yīng)用研究很活躍。

目前生物植入材料在人體硬組織修復(fù)中應(yīng)用的有：金屬及合金、有機高分子材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料。材料被埋在體內(nèi)，在體內(nèi)的嚴酷條件下，由于氧化、水解會造成材料變質(zhì)；長期持續(xù)應(yīng)力作用會造成疲勞或者破裂、表面磨損、腐蝕、溶解等，這些都可引起組織反應(yīng)，腐蝕產(chǎn)物不僅在種植體附近聚集，還會溶入血液和尿中，引起全身反應(yīng)。因此，對生物植入材料的要求是嚴格的、慎重的。陶瓷材料作為生物植入材料和其他材料相比，它和骨組織的化學組成比較接近，生物相容性好，在體內(nèi)的化學穩(wěn)定性、生物力學相容性和組織親和性等也較好，因此，生物陶瓷越來越受到重視。目前國內(nèi)一些高等院校已對羥基磷灰石及氧化鋁陶瓷等進行了研究，并已開始臨床應(yīng)用。

隨著人類社會物質(zhì)文明的發(fā)展，人們對提高醫(yī)療保健水平和健康長壽的要求必然成為廣泛的社會需要。可以相信，生物陶瓷材料今后必將會有重大發(fā)展。

3結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展趨勢

當今世界，材料，特別是高性能新材料由于以下原因而得到迅速發(fā)展：（1）國際軍事工業(yè)激烈競爭，航空航天技術(shù)的發(fā)展需要；（2）新技術(shù)的需要促進了新材料的發(fā)展；（3）地球上金屬資源與化石能源越用越少，石油、天燃氣等在本世紀末將用盡，開發(fā)與節(jié)約能源成為當務(wù)之急；（4）科學技術(shù)的進步為新材料的發(fā)展提供了條件[14]。目前使用的金屬合金，在無冷卻條件下，最高工作溫度不超過1050℃，而高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，如Si₃N₄和SiC則分別在1400℃和1600℃以上仍保持著較高的強度和剛性[16]。先進結(jié)構(gòu)陶瓷所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，是現(xiàn)代高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)改造的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在社會經(jīng)濟效益，受到各發(fā)達國家的高度重視，對其進行廣泛的研究和開發(fā)，并已取得了一系列成果。但結(jié)構(gòu)陶瓷的致命弱點是脆性、低可靠性和重復(fù)性。近20年來，圍繞這些關(guān)鍵問題已開展了深入的基礎(chǔ)研究，并取得了突破性的進展。例如，發(fā)展和創(chuàng)新出許多制備陶瓷粉末、成形和燒結(jié)的新工藝、新技術(shù)；建立了相變增韌、彌散強化、纖維增韌、復(fù)相增韌、表面強化、原位生長強化增韌等多種有效的強化、增韌方法和技術(shù)；取得了陶瓷相圖、燒結(jié)機理等基礎(chǔ)研究的新成就，使結(jié)構(gòu)陶瓷及復(fù)合陶瓷的合成與制備擺脫了落后的傳統(tǒng)工藝而實現(xiàn)了根本性的改革，強度和韌性有了大幅度的提高，脆性得到改善，某些結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性已接近鑄鐵的水平。

先進結(jié)構(gòu)陶瓷今后的重點發(fā)展方向是加強工藝-結(jié)構(gòu)-性能的設(shè)計與研究，有效地控制工藝過程，使其達到預(yù)定的結(jié)構(gòu)（包括薄膜化、纖維化、氣孔的含量、非晶態(tài)化、晶粒的微細化等），重視粉體標準化、系列化的研究與開發(fā)及精密加工技術(shù)，降低制造成本，提高制品的重復(fù)性、可靠性及使用壽命。目前，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展趨勢主要有如下三個方面：

3.1 單相陶瓷向多相復(fù)合陶瓷發(fā)展

當前結(jié)構(gòu)陶瓷的研究與開發(fā)已從原先傾向于單相和高純的特點向多相復(fù)合的方向發(fā)展[20]。復(fù)合的主要目的是充分發(fā)揮陶瓷的高硬度、耐高溫、耐腐蝕性并改善其脆性，其中包括纖維(或晶須)補強的陶瓷基復(fù)合材料；異相顆粒彌散強化的復(fù)相陶瓷；自補強復(fù)相陶瓷（也稱為原位生長復(fù)相陶瓷）；梯度功能復(fù)合陶瓷[21]。以往研究的微米-微米復(fù)合材料中,微米尺度的第二相顆粒(或晶須、纖維)全部分布在基體晶界處，增韌效果有限,要設(shè)計和制備兼具高強度、高韌性且能經(jīng)受惡劣環(huán)境考驗的材料十分困難，納米技術(shù)和納米材料的發(fā)展為之提供了新的思路。

20世紀90年代末,Niihara教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報道了一些有關(guān)納米復(fù)相陶瓷的令人振奮的試驗結(jié)果,如Al₂O₃-SiC(體積分數(shù)為5%)晶內(nèi)型納米復(fù)合陶瓷的室溫強度達到了單組分Al₂O₃陶瓷的3～4倍,在1100℃下強度達1500MPa[8～12，22～26]，這些都引起了材料研究者的極大興趣。從那時直到現(xiàn)在,納米復(fù)相陶瓷的研究不斷深入[13～17，27～31]，我國也相繼開展了一系列的工作,目前對納米復(fù)相陶瓷的研究已處于國際一流水平[18～22，32～36]。

3.2 微米陶瓷向納米陶瓷發(fā)展

1987年，德國Karch等[37]首次報道了納米陶瓷的高韌性、低溫超塑性行為。此后,世界各國對發(fā)展納米陶瓷以解決陶瓷材料脆性和難加工性寄予了厚望。從20世紀90年代開始，結(jié)構(gòu)陶瓷的研究和開發(fā)已開始步入陶瓷發(fā)展的第三個階段，即納米陶瓷階段。結(jié)構(gòu)陶瓷正在從目前微米級尺度(從粉體到顯微結(jié)構(gòu))向納米級尺度發(fā)展。其晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸以及缺陷尺寸都屬于納米量級，為了得到納米陶瓷，一般的制粉、成形和燒結(jié)工藝已不適應(yīng)，這必將引起陶瓷工藝的發(fā)展與變革，也將引起陶瓷學理論的發(fā)展乃至建立新的理論體系，以適應(yīng)納米尺度的需求。由于晶粒細化有助于晶粒間的滑移，使陶瓷具有超塑性，因此晶粒細化可使陶瓷的原有性能得到很大的改善，以至在性能上發(fā)生突變甚至出現(xiàn)新的性能或功能。納米陶瓷的發(fā)展是當前陶瓷研究和開發(fā)的一個重要趨勢，它將促使陶瓷材料的研究從工藝到理論、從性能到應(yīng)用都提升到一個嶄新的階段。

納米陶瓷的關(guān)鍵技術(shù)在于燒結(jié)過程中晶粒尺寸的控制。為解決這一問題,目前主要采用熱壓燒結(jié)、快速燒結(jié)、熱鍛式燒結(jié)、脈沖電流燒結(jié)、預(yù)熱粉體爆炸式燒結(jié)等致密化手段[39～43]，但總的來說,以上各種手段，雖對降低燒結(jié)溫度、提高致密度有一定作用,但對燒結(jié)過程中晶粒長大的抑制效果并不理想，大塊納米陶瓷的制備一直是目前國際上納米陶瓷材料研究的前沿和難點。目前納米陶瓷在商業(yè)應(yīng)用方面尚未取得突破性進展，若能制備出真正意義上的納米陶瓷，則將開創(chuàng)陶瓷發(fā)展史上的新紀元，陶瓷的脆性問題也將迎刃而解[44]。大量的研究結(jié)果表明[45～49]，將等離子噴涂技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合，以納米陶瓷粉末為原料經(jīng)等離子噴涂技術(shù)制備的納米陶瓷結(jié)構(gòu)涂層表現(xiàn)出極其優(yōu)異的性能，已經(jīng)使納米材料的應(yīng)用逐步進入大規(guī)模實用化的階段。

3.3 由經(jīng)驗式研究向材料設(shè)計方向發(fā)展

由于現(xiàn)代陶瓷學理論的發(fā)展，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的研究已擺脫以經(jīng)驗式研究為主導(dǎo)的方式，陶瓷制備科學的日趨完善以及相應(yīng)學科與技術(shù)的進步，使陶瓷材料研究工作者們有能力根據(jù)使用上提出的要求來判斷陶瓷材料的適應(yīng)可能性，從而對陶瓷材料進行剪裁與設(shè)計，并最終制備出符合使用要求的適宜材料。

陶瓷材料常常是多組分、多相結(jié)構(gòu)，既有各類結(jié)晶相，又有非晶態(tài)相，既有主晶相，又有晶界相。先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)或顯微結(jié)構(gòu)日益向微米、亞微米，甚至納米級方向發(fā)展。主晶相固然是控制材料性能的基本要素，但晶界相常常產(chǎn)生著關(guān)鍵影響。因此，材料設(shè)計需考慮這兩方面的因素。另外，缺陷的存在、產(chǎn)生與變化、氧化、氣氛與環(huán)境的影響，對結(jié)構(gòu)材料的性能及在使用中的行為將產(chǎn)生至關(guān)重要的作用。所以這也是材料設(shè)計中要考慮的重要問題，材料的制備對結(jié)構(gòu)與缺陷有著直接影響，因此人們力求使先進陶瓷材料的性能具有更好的可靠性和重復(fù)性，制備科學與工程學將在這方面發(fā)揮重要作用。

陶瓷相圖的研究為材料的組成與顯微結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了具有指導(dǎo)性意義的科學信息。最近提出的陶瓷晶界應(yīng)力設(shè)計，企圖利用兩相或晶界相在物理性質(zhì)(熱膨脹系數(shù)或彈性模量)上的差異，在晶界區(qū)域及其周圍造成適當?shù)膽?yīng)力狀態(tài)，從而對外加能量起到吸收、消耗或轉(zhuǎn)移的作用，以達到對陶瓷材料強化和增韌的目的[1]。為克服陶瓷材料的脆性而提出的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過模仿天然生物材料的結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制備出高韌性陶瓷材料的新方法也成為研究熱點[12，50]。

4結(jié)語

先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料在粉體制備、成形、燒結(jié)、新材料應(yīng)用以及探索性研究方面取得了豐碩的成果，這些新材料、新工藝、新技術(shù)，在節(jié)約能源、節(jié)約貴重金屬資源、促進環(huán)境保護、提高生產(chǎn)效率，延長機器設(shè)備壽命以及實現(xiàn)尖端技術(shù)等方面，已經(jīng)并繼續(xù)發(fā)揮著積極的作用，促進了國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級改造和國防現(xiàn)代化建設(shè)。

先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究，需要跟蹤國際科技前沿，對新設(shè)想、新技術(shù)進行廣泛探索。自蔓延高溫燃燒合成技術(shù)(SHS)、凝膠注模成形技術(shù)、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為研究熱點。

陶瓷材料的許多獨特性能有待我們?nèi)ラ_發(fā)，所以先進陶瓷的發(fā)展?jié)摿艽蟆ｋS著科技的發(fā)展和人們對陶瓷研究的深入，先進陶瓷將在新材料領(lǐng)域占有重要的地位。

參考文獻

1 鄭昌瓊主編.新型無機材料[M]. 北京：科學出版社，2003

2 朱曉輝，夏君旨. 從材料科學的發(fā)展談陶瓷的發(fā)展前景[J].中國陶瓷，2006，42(5)：7～9

3 韓以政. 高技術(shù)陶瓷發(fā)展簡論[J].陶瓷研究與職業(yè)教育,2007,2:45～48

4 耿保友. 新材料科技導(dǎo)論[M]. 杭州：浙江大學出版社，2007

5 堯世文,王華,王勝林.特種陶瓷材料的研究與應(yīng)用[J].云南冶金, 2007,36(8):53～57

6 代建清，馬天，張立明. 粉料表面氧含量對GPS燒結(jié)氮化硅陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的影響[J].稀有金屬材料與工程,2005,34，2：8～11

7 祝昌軍，蔣俊，高玲. 氮化硅陶瓷的制備及進展[J].江蘇陶瓷,2001,34 (3):10～13

8 吳明明，肖俊建. 氮化硅陶瓷在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2004,17(2):1～4

9 李 纓,黃鳳萍,梁振海.碳化硅陶瓷的性能與應(yīng)用[J].陶瓷,2007,5:36～41

10 黃鳳萍,李賀軍等.反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料研究進展[J].硅酸鹽學報,2007,5:49～53

11 仟萍萍. 氧化鋁基復(fù)合陶瓷的制備和性能測試：碩士學位論文[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學，2004

12 穆柏春等．陶瓷材料的強韌化[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2002

13 王柏昆. 結(jié)構(gòu)陶瓷韌化機理的研究進展[J].中國科技信息，2007,19：264～273

14 王正矩，余炳鋒. 陶瓷基復(fù)合材料增韌機理與CVI 工藝[J].中國陶瓷，2007，43(6)：11～14

15 李雙春. 激光陶瓷的粉體制備研究：碩士學位論文[D]. 西安：西安電子科杖大學,2006

16 周玉編著. 陶瓷材料學(第二版)[M]．北京：科學出版社，2004

17 李 纓. 碳化硅晶須及其陶瓷基復(fù)合材料[J].陶瓷，2007,8：39～42

18 王雙喜,雷廷權(quán). 碳化硅晶須增強氧化鋯復(fù)相陶瓷材料的組織觀察[J]. 中國陶瓷,1998,34(2):9～11

19 孫玉繡. 羥基磷灰石生物陶瓷納米粒子的制備、表征及生長機理的研究：博士學位論文[D]. 北京化工大學，2007

20GUO J K.The Frontiers of Research on Ceramic Science[J]. J Solid State Chem,1992,69(1):108～110

21 郭景坤,諸培南.復(fù)相陶瓷材料的設(shè)計原則[J].硅酸鹽學報,1996,24(1):7～12

22 NIIHARA K. New Design Concept of Structural Ceramics-ceramic Nanocomposites[J].J Ceram Soc Japan,1991,99(10):974～982

23 NIIHARA K, NAKAHIRA A. Strengthening and Toughening Mechanisms in Nanocomposite Ceramics[J].Ann Chim Fr,1991,16:479～486

24 HIRANO T,NIIHARA K.Microstructure and Mechanical Properties of Si₃N₄/SiC Composites[J].Mater Lett,1995,22:249～254

25 HIRANO T,NIIHARA K.Thermal Shock Resistance of Si₃N₄/SiC Nanocomposites Fabricated from Amorphous Si-C-N Precursor Powders[J].Mater Lett,1996,26(6):285～289

26 SAWAGUCHI A,TODA K,NIIHARA K. Mechanical and Electrical Properties of Alumina/Silicon Carbide Nano-composites[J].J Ceram Soc Japan (Japanese), 1991,99(6): 523～526

27 EBVANSA G. High Toughness Ceramics[J].Mater SciEng,1988,A105/106(11-12):65～75

28 ZHAO J,STEARS L C, HARMER M P, et al. Mechanical Behavior of Alumina-silicon Carbide Nanocomposites. [J].J.Am CeramSoc,1993,76(2):503～510

29 KENNEDY T,BROWN J, DOYLE J,et al.Oxidation Behaviour and High Temperature Strength of Alumina-silicon Carbide Nanocomposites[J].Key EngMats,1996,113:65～70

30 PEZZOTTI G, AKAI M.Effect of A Silicon Carbide Nano-dispersion on the Mechanical Properties of Silicon Nitride[J].J.Am CeramSoc,1994,77:3039～3041

31 NAWA M. Microstructure and Mechanical Behaviour of 3Y-TZP/Mo Nanocomposites Possessing A Novel Interpenetrated Intragranular Microstructure[J].J.Mater Sci,1996,31:2849～2858

32 王 昕,譚訓彥,尹衍升等.納米復(fù)合陶瓷增韌機理分析[J].陶瓷學報,2000,21(2):107～111

33 焦綏隆,BORSACE.氧化鋁/碳化硅納米復(fù)合陶瓷的力學性能和強化機理[J].材料導(dǎo)報,1996,10(增刊):89～93

34 郭景坤.關(guān)于先進結(jié)構(gòu)陶瓷的研究[J].無機材料學報,1999,14(2):194～202

35 SHAO G Q,WU B L,DUAN X L, et al. Low Temperature Carbonization of W-Co Salts Powder[A].Ceramic Engineering & Science Proceedings-23rd Annual Conference on Composites, Advanced Ceramics,Materials, and Structures:A[C]. Ohio: The American Ceramic Society,1999.45～50

36 張志昆,崔作林. 納米技術(shù)與納米材料[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000

37 KARCH J, BIRRINGER R, GLEITER H. Ceramics Ductile at Low Temperature[J].Nature,1987,330(10):556～558

38 Liao S C,Mayo W E,Pae K D.Theory of High Pressure/Low Temperature Sintering of Bulk Nanocrystalline TiO₂[J]. Acta Mater,1997,45(10):4027～4040

39 Yoshimura M,Ohji T,Sando M,et al. Rapid Rate Sintering of Nano-grained ZrO₂-based Composites Using Pulse Electric Current Sintering Method[J]. Mater Let, 1998, 17(16): 1389～1391

40 Kim H G, Kim K T.Densification Behavior of Nanocrystalline Titania Powder Compact under High Temperature[J]. Acta Mater,1999,47(13):3561～3570

41 Li Ji guang,Sun Xudong. Synthesis and Sintering Behavior of A Nanocrystalline Al₂O₃Powder[J].J Acta Mater,2000,48:3103～3112

42 李曉賀. 納米復(fù)相陶瓷材料的燒結(jié)技術(shù)[J].中國陶瓷,2007,43(7)：43～46

43 傅正義. 陶瓷材料的SHS 超快速致密化技術(shù)[J].硅酸鹽學報,2007,35(8)：949～956

44 高 濂，李蔚著. 納米陶瓷[M]. 北京:化學工業(yè)出版社，2001

45 B H Kear. Plasma Sprayed Nanostructured Powders and Coatings[J].Thermal Spray Technology,2000,9(4):483～487

46 H Chen, S W Lee,H Du,et al.Influence of Feedstock and Spraying Parameters on the Depositing Efficiency and Microhardness of Plasma-Sprayed Zirconia Coatings[J]. Materials Letters,2004,58:1241～1245

47 E P Song,J Ahn,S Lee.Microstructure and Wear Resistance of Nanostructured Al₂O₃-8wt.%TiO₂Coatings Plasma-Sprayed with Nanopowders[J].Surface & Coatings Technology,2006,201 (3～4)：1309～1315

48 J X Zhang. Microstructure characteristics of Al₂O₃-13 wt.%TiO₂Coating Plasma Spray Deposited with Nanocrystalline Powders[J]. J. of Materials Processing Technology,2008,197:31～35

49 徐濱士.納米表面工程[M]. 北京化學工業(yè)出版社,2003

50 黃勇等.陶瓷強韌化新紀元——仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].材料導(dǎo)報，2000，14（8）：8～10

Research Progress on Advanced Structural Ceramic Materials

Lu XuechengRen Ying

（Handling Equipment Mechanical Department, Academy of Military TransportationTianjin300161)

Abstract: Because of the excellent properties of high melting temperature, high strength,high hardness, wear resistant,erosion resistant and oxidation resistant, ceramics plays an unreplaceable role over metals and other materials in many application fields.This article summarized the current application and development trend of advanced structural ceramic materials.

Keywords: advanced ceramics, structural ceramic,research progress