柔性陶瓷——新材料中的寵兒

韓永奇

陶瓷，給人的感覺是似鋼鐵那樣堅(jiān)硬，但又似玻璃那樣易碎。那么有沒有不易碎的陶瓷呢？答案是肯定的！現(xiàn)在，有一種既柔軟又不易碎的新型陶瓷已然問世，這就是——柔性陶瓷。

柔性陶瓷是科學(xué)家運(yùn)用納米化學(xué)技術(shù)創(chuàng)新出來的一種新型復(fù)合材料，它有形狀記憶的功能且彎曲后不易破碎，其獨(dú)特的性能讓它一面世就受到多領(lǐng)域的追捧，成為市場炙手可熱的寵兒。柔性陶瓷因在生物醫(yī)學(xué)、燃料電池等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，多家國內(nèi)新材料公司也開始涉足柔性陶瓷，比如江西贛州高新產(chǎn)業(yè)園將建設(shè)年產(chǎn)5 000t的稀土柔性陶瓷材料生產(chǎn)線；河南焦作安泰新型耐磨材料有限公司用柔性陶瓷材料生產(chǎn)出“以柔克剛，彈性防磨”的柔性防磨密封材料，已在金庫防御系統(tǒng)、軍事防御、風(fēng)力發(fā)電、海上采油平臺等得到成功運(yùn)用；深圳市萬眾油田服務(wù)有限公司生產(chǎn)的柔性陶瓷防腐涂料已廣泛使用在石油鉆采設(shè)備、石油化工裝置、泵閥及密封件、螺栓緊固件的防腐、防酸堿、自潤滑上；重慶泰瑩科技有限公司生產(chǎn)的TY-TC-813高固體份柔性陶瓷涂料，具有防腐耐磨、抗沖擊和良好柔性陶瓷涂料；中國建筑材料科學(xué)研究總院的研制生產(chǎn)的導(dǎo)彈用泡末氧化鋁陶瓷隔熱材料、定向直孔道多孔陶瓷材料、發(fā)汗陶瓷材料等熱防護(hù)陶瓷材料用于航天技術(shù)領(lǐng)域。

一、柔性陶瓷的結(jié)構(gòu)及性能

形狀記憶是柔性陶瓷的特性，這種特性說明柔性陶瓷這種新材料在加熱、彎曲后還會恢復(fù)到原來的樣子。一般情況下，脆弱的陶瓷易碎，那么如何讓陶瓷不碎并具有形象記憶功能呢？關(guān)鍵是陶瓷在型態(tài)上發(fā)生改變，變成細(xì)小顆粒。陶瓷如何變成細(xì)小微粒？應(yīng)遵循以下原則：先造出肉眼看不見的極小顆粒，微粒陶瓷的直徑比頭發(fā)絲還要小，然后讓單個晶粒彌漫填充到整個結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠扑楹土芽p現(xiàn)象容易在邊界出現(xiàn)，所以就將晶粒之間的邊界剔除抹平。微小的陶瓷樣本中有7%的微粒具有形象記憶功能，也就是說即使彎曲也不會破碎。在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，將柔性陶瓷微粒制成直徑為1μm的長纖維，7%～8%的材料在彎曲過程中不易碎。

柔性陶瓷既有陶瓷的“天性”又有金屬的特點(diǎn)，集高延展性金屬和高強(qiáng)度陶瓷的特性于一身，可謂是“剛?cè)嵯酀?jì)”。這種性能優(yōu)良的新材料將在納米材料和納米設(shè)備的制造上大顯身手，如應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)上的微觀激勵器、微小的植入物釋放藥物等。

制備柔性陶瓷必須用到二氧化鋯（ZrO2），這種物質(zhì)是目前研究得最多的陶瓷材料，在工程上有大量運(yùn)用。ZrO2的硬度可以和金剛石媲美，所以這也是歐美科學(xué)家鐘情于用其制備柔性陶瓷的原因。柔性陶瓷的柔韌性對于增強(qiáng)燃料電池抗破壞性非常重要。因此，ZrO2也和燃料電池成為難舍難分的“好兄弟”。

我國材料人長期多關(guān)注陶瓷增加韌度的研究，與西方發(fā)達(dá)國家的研究不謀而合。解決陶瓷材料中的易碎問題，不僅是國外材料領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，也是我國材料科學(xué)家們共同研究的方向。

二、國內(nèi)外柔性陶瓷的研究進(jìn)展

國外早就開始了對柔性陶瓷的研究，美國、日本在柔性陶瓷領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。先是美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程學(xué)研究所對柔性陶瓷的材料、結(jié)構(gòu)、韌性等進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，讓柔性陶瓷兼具陶瓷的剛性強(qiáng)度和金屬的柔軟，并探討了該類陶瓷的分子結(jié)構(gòu)，對其形狀記憶的特色分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和探索。

而后，美國康奈爾大學(xué)的研究人員也對微型陶瓷的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，在透射式電子顯微鏡下可以看到，這種微型陶瓷材料的分子結(jié)構(gòu)是一個雙層連續(xù)立方體結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)與100年來的數(shù)學(xué)假設(shè)基本吻合，這個發(fā)現(xiàn)極大地引起了美國研究人員的高度關(guān)注。該柔性陶瓷材料的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，研究人員因自然界存在的完美對稱形狀而受到啟發(fā)，一種海藻——硅藻的結(jié)構(gòu)十分精美，這種具有硅化的細(xì)胞壁的單細(xì)胞海藻的花紋完美對稱。后來，他們進(jìn)一步把微型陶瓷材料的研發(fā)與納米化學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，研制出一種新型復(fù)合材料即柔性陶瓷。

21世紀(jì)以來，美國國家能源部和美國先進(jìn)陶瓷協(xié)會聯(lián)合制定了美國先進(jìn)陶瓷發(fā)展計劃，資助時間長達(dá)20年，該計劃主要內(nèi)容是以柔性陶瓷等先進(jìn)陶瓷的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)品使用為核心，以達(dá)到促進(jìn)柔性陶瓷等先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研發(fā)和應(yīng)用的目的。美國計劃到2020年，以柔性陶瓷為主的先進(jìn)陶瓷優(yōu)越和獨(dú)特的性能將應(yīng)用于能源、工業(yè)制造、醫(yī)療、航空航天、軍事等領(lǐng)域。目前，能承受1 200～1 300℃、使用壽命2 000h的柔性陶瓷材料發(fā)動機(jī)部件已經(jīng)由杜邦公司研制出來。超音速飛機(jī)發(fā)動機(jī)的柔性陶瓷材料進(jìn)口、噴管和噴口等部件正在由美國格魯曼公司研究，不久將可以應(yīng)用到超音速飛機(jī)發(fā)動機(jī)上。

西歐國家對柔性陶瓷的研究也在進(jìn)一步深入，英國、德國等國家投入大量資金和人力來研發(fā)柔性陶瓷材料，柔性陶瓷材料在發(fā)電設(shè)備中應(yīng)用技術(shù)成為研究的重點(diǎn)，如排氣管里襯、陶瓷活塞蓋、渦輪增壓轉(zhuǎn)及燃?xì)廨嗈D(zhuǎn)等部分都要用到柔性陶瓷。機(jī)器設(shè)備的冷卻部分使用柔性陶瓷材料可有效降低熱損；柔性陶瓷熱交換器不僅可回收余熱還耐腐蝕以及增加熱交換率，這樣可以應(yīng)用到各個行業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排。

在中國，柔性陶瓷研究和應(yīng)用比較晚，從20世紀(jì)90年代初逐漸開始，許多科學(xué)家和從事新材料研究的實(shí)驗(yàn)相繼對這類新的陶瓷材料進(jìn)行關(guān)注和研究。我國對ZrO2陶瓷的研究、試驗(yàn)的重點(diǎn)在于陶瓷的增加韌性技術(shù)方面。實(shí)際上，我國開始的陶瓷增韌技術(shù)和美國、新加坡聯(lián)手研究的微小陶瓷技術(shù)類似，在一些主要環(huán)節(jié)也較一致。中國科學(xué)院、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、北京化工大學(xué)材料與工程學(xué)院等科研院校對柔性陶瓷研究也投入了人力和物力，在解決陶瓷的易碎和增加韌性上進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，近年來也取得了一些成效、尤其是以ZrO2為原料的柔性陶瓷已經(jīng)研發(fā)出來，運(yùn)用到發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)襯、推桿、軸承等部件中，還有的柔性陶瓷材料被應(yīng)用到石油管道、醫(yī)療器戒等領(lǐng)域。河南維納精細(xì)陶瓷有限公司和武漢鋼鐵廠聯(lián)手合作，用柔性陶瓷做出了發(fā)動機(jī)零部件，取得了極大的成功。在我國臺灣，和成公司近年來針對抗彈柔性陶瓷研發(fā)也有重大進(jìn)展。

三、柔性陶瓷發(fā)展優(yōu)劣勢分析

目前，我國材料界有學(xué)者在科學(xué)分析了微小陶瓷各技術(shù)層面后發(fā)現(xiàn)，這種柔性陶瓷材料的結(jié)構(gòu)從理論上來說較為嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致，似乎無懈可擊。在多年研究和實(shí)驗(yàn)探索的基礎(chǔ)上，目前我國在陶瓷增韌技術(shù)上有了很大的進(jìn)步，開發(fā)出了韌性陶瓷產(chǎn)品，如較為成熟的陶瓷刀、柔性陶瓷電加熱器、具有采暖功能的柔性陶瓷地毯等，讓國際同行業(yè)者刮目相看。

實(shí)踐證明，陶瓷材質(zhì)硬、耐高溫以及抗腐蝕的特性也是任何金屬和聚合物也無法比擬的。在電視上，也許有人看到過這樣的畫面，陶瓷刀把鋼刀都切斷了，這是因?yàn)樘沾刹馁|(zhì)硬于金屬，故大多數(shù)金屬成為陶瓷刀的“犧牲品”，不得不屈從于陶瓷刀?；谶@一特點(diǎn)，陶瓷在機(jī)床工業(yè)生產(chǎn)中大有用武之地，原本由稀有金剛石做材料的零部件，可以用陶瓷替代。這樣可以一舉兩得，不僅擴(kuò)大陶瓷的用途，還有效解決了天然金剛石稀缺的問題，對企業(yè)的提質(zhì)增效大有裨益。

柔性陶瓷的特性還適合在醫(yī)療材料和電池材料上應(yīng)用，但具體應(yīng)用在什么地方，怎么用才能發(fā)揮最大效能，如何產(chǎn)業(yè)化，怎么用才能達(dá)到目的等問題亟待深入探討和解決。

多年來，我國一直在完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但韌性陶瓷產(chǎn)品卻沒有相對成熟的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確的推出時間也尚未可知。在實(shí)際應(yīng)用中，陶瓷相比傳統(tǒng)金屬既有優(yōu)勢也有劣勢。在無嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的背景下，目前多數(shù)研究單位和企業(yè)只能“摸著石頭過河”。

四、柔性陶瓷材料市場前景廣闊

柔性陶瓷作為一種新材料，其市場應(yīng)用空間廣闊，市場前景看好。柔性陶瓷材料在通訊、電子、醫(yī)學(xué)、航空、航天、軍事等高技術(shù)領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。如電子計算機(jī)的高速硬盤轉(zhuǎn)動系統(tǒng)需要柔性陶瓷軸承；導(dǎo)彈、火箭發(fā)射裝置的關(guān)鍵部件如透波、鼻錐等要用耐高溫和抗氧化能力極強(qiáng)的柔性陶瓷做天線罩，才能承受高溫氣流的沖刷、摩擦；磁流體發(fā)電機(jī)其電極材料必須要用柔性陶瓷；柔性陶瓷還被應(yīng)用到高能量蓄電池、高溫燃料電池做隔膜材料等。

未來，一個巨大的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)——柔性陶瓷產(chǎn)業(yè)將會形成。全世界對柔性陶瓷產(chǎn)品的需求將會出現(xiàn)較大幅度的增長。柔性陶瓷材料以其優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨等性能及功能復(fù)合效應(yīng)在新能源、國防軍工、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。因此，作為新型材料的柔性陶瓷，具有傳統(tǒng)材料沒有的特性，在工業(yè)生產(chǎn)中用途廣、市場大、前景好。

筆者認(rèn)為，柔性陶瓷材料發(fā)展前景非常樂觀，但任重道遠(yuǎn)；柔性陶瓷未來必然會實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但道路曲折。我國柔性陶瓷的技術(shù)儲備不足應(yīng)引起重視?？梢哉f，在相當(dāng)一段時期內(nèi)，柔性陶瓷的應(yīng)用范圍不會太廣，只能緩慢擴(kuò)展。相信在不久的將來，柔性陶瓷將進(jìn)入我們的日常社會生活中并且發(fā)揮應(yīng)有的作用。