先進(jìn)陶瓷的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

周耀

（佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山　528000）

?

先進(jìn)陶瓷的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

周耀

（佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山528000）

先進(jìn)陶瓷有著比普通陶瓷更優(yōu)異的性能，也不同于金屬材料和有機(jī)材料，在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用，市場(chǎng)的需求促進(jìn)了先進(jìn)陶瓷的快速發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新。本文從國(guó)內(nèi)外實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的角度簡(jiǎn)述了近年來(lái)先進(jìn)陶瓷某些領(lǐng)域的發(fā)展和部分已得到實(shí)際應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)。

先進(jìn)陶瓷；技術(shù)創(chuàng)新；發(fā)展；結(jié)構(gòu)陶瓷

1　前言

先進(jìn)陶瓷（Advanced Ceramics）是歐美國(guó)家的稱(chēng)呼；在日本，則習(xí)慣稱(chēng)為精細(xì)陶瓷（Fine Ceramics）；在中國(guó)，有多種叫法，如特種陶瓷（其中還包括功能陶瓷，或電子陶瓷）、結(jié)構(gòu)陶瓷、工程技術(shù)陶瓷、高溫陶瓷等。主要是指比普通硅酸鹽陶瓷有更高機(jī)械力學(xué)性能，更優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)性能的陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等。這些陶瓷在生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要高純的原料，高燒成溫度，甚至高壓，氣氛燒結(jié)等。產(chǎn)品則具有更高的強(qiáng)度、耐更高使用溫度、耐磨、耐腐蝕等性能。因此可以應(yīng)用在很多苛刻的工況環(huán)境下，起到用其它材料難以勝任的作用，推動(dòng)各行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。

近年來(lái)，新材料一直是我國(guó)和許多國(guó)家的重點(diǎn)研發(fā)方向，在輕、重工業(yè)以及國(guó)防、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，國(guó)家、省、市各有關(guān)部門(mén)每年都重點(diǎn)支持新材料項(xiàng)目。但是，與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)除少數(shù)達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)外同行外，總體上是明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)陶瓷發(fā)展的幾個(gè)側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，并列出最近出現(xiàn)的幾種新技術(shù)，以供了解參考。

2　原料及原料加工

2.1原料的系列化

原料的供應(yīng)越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化、系列化，具有更高性能、更高品質(zhì)的原料不斷出現(xiàn)，為高性能的陶瓷制備打下基礎(chǔ)。

德國(guó)Nabaltec公司是一個(gè)世界范圍的合成原材料生產(chǎn)商，產(chǎn)品分類(lèi)非常細(xì)致，不同用途、不同類(lèi)別有不同的注冊(cè)商標(biāo)；同一種商標(biāo)下又有許多種牌號(hào)供用戶選擇。例如氧化鋁原料商標(biāo)名稱(chēng)，如表1所示。

表1　氧化鋁商標(biāo)名稱(chēng)

對(duì)于干壓粉，依照氧化鋁含量的不同，又有多種規(guī)格，如含量92%、95%、96%、98%、99.6%、99.7%等。同樣的含量，又有多種粒度、多種燒成溫度的選擇，分得非常細(xì)。配方粉中除了干壓粉外，還有一類(lèi)無(wú)粘結(jié)劑的合成粉，也有不同氧化鋁含量的分級(jí)，各種規(guī)格的產(chǎn)品均有詳細(xì)的參數(shù)、性能數(shù)據(jù)及使用要求，方便客戶選用。

河北鵬達(dá)（pengda）新材料有限公司生產(chǎn)系列化的高純氧化鋁、氧化鋯等原料，其中提供99.999%的高純氧化鋁可作為藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)用途，99.99%的高純氧化鋁適于用作制備高壓鈉燈、透明陶瓷等用途。另有一個(gè)系列的氧化鋁含量為95%、99%、99.5%、99.7%、99.95%、99.99%的產(chǎn)品，包括原粉、干壓粉和拋光粉，產(chǎn)品系列化、專(zhuān)業(yè)化。

日本UBE工業(yè)公司的高純氮化硅粉品種齊全，采用化學(xué)法生產(chǎn)，有標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的E系列產(chǎn)品和高純級(jí)產(chǎn)品。其α相達(dá)到95wt%以上，清晰的SEM圖像（如圖1所示）顯示氮化硅圓柱形的粒子粒度均勻，分散良好。不同規(guī)格的產(chǎn)品燒結(jié)后有不同的力學(xué)性質(zhì)，如相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、維氏硬度以及微觀形貌，利于用戶選擇制作高質(zhì)量的相關(guān)產(chǎn)品。

圖1　化學(xué)法氮化硅粉體SEM圖像（×5000）

韓國(guó)Juson Tech公司提供高純建衛(wèi)陶瓷原料，如用于建衛(wèi)陶瓷、日用陶瓷等行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化的石英、長(zhǎng)石、酸洗高白砂等。不僅有多種型號(hào)，每種型號(hào)有詳細(xì)的成份、粒度、白度、吸油性、pH值等理化性質(zhì)和建議的用途，有生產(chǎn)過(guò)程介紹和主要生產(chǎn)工藝說(shuō)明，為用戶提供了盡量多的信息。

2.2原料加工新技術(shù)

瑞典PowderPro公司開(kāi)發(fā)了冷凍造粒技術(shù)（Freeze Granulation），可造粒出納米粉體，在液相中易重新分散，干壓時(shí)可解團(tuán)聚。并提供多款型號(hào)的冷凍造粒設(shè)備供選擇。其工藝過(guò)程示意如圖2所示。

3　先進(jìn)的設(shè)備和配件得到不斷發(fā)展和提高，利于生產(chǎn)高性能的產(chǎn)品

圖2　冷凍造粒工藝過(guò)程示意圖

德國(guó)MUT Advanced Heating公司是其中一個(gè)高質(zhì)量熱處理元件和設(shè)備的供應(yīng)商，有不同溫度、不同氣氛的各種加熱爐設(shè)備，如各種電爐、石墨爐、鉬絲爐、鎢發(fā)熱爐等，種類(lèi)非常齊全，可應(yīng)用于硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、高純金屬、合金、PIM/MIM/CIM工藝、原材料加工等眾多領(lǐng)域，各種加熱爐專(zhuān)業(yè)化、系列化。法國(guó)的SAINT-GoBain（圣戈班）則可提供各種高級(jí)窯具材料。如SiC質(zhì)快速燒成窯具；異形棚板；梭式窯用的各種承重支架、梁、板等；SiC輥棒；隧道窯使用的各種窯具配件?？梢蕴峁┱w的解決方案，如設(shè)計(jì)整體的節(jié)能窯車(chē)，配套的窯具系統(tǒng)等。意大利的TAV-Vacuum Furnaces公司專(zhuān)業(yè)為先進(jìn)陶瓷提供各種系列化的真空爐，使用溫度1600～2500℃，真空度可達(dá)10-4～10-6mbar。

Kanthal是Sandvik旗下的一個(gè)從事加熱技術(shù)的品牌，其SiC加熱元件熱端可至3500 mm，達(dá)到更長(zhǎng)、更輕、更有效的目的，如圖3所示。發(fā)熱元件材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)更封閉，減少有害物質(zhì)的滲入。穩(wěn)定性、重復(fù)性好，循環(huán)使用壽命更長(zhǎng)。

圖3　超長(zhǎng)和異形SiC發(fā)熱元件

4　產(chǎn)品技術(shù)方面

4.1高純氧化鋁、氧化鋯材料越來(lái)越系列化，氧化鋁與氧化鋯兩種組分相互摻加進(jìn)行增強(qiáng)增韌的材料很多，得到多種不同改性的材料。

西班牙Nanoker公司Keratec品牌主要是先進(jìn)技術(shù)陶瓷產(chǎn)品。如高純氧化鋁、氧化鋯等，包括含量96%、99.7%、99.9%的氧化鋁，Y-TZP、Y-PSZ、Mg-PSZ、Y-FSZ等，還有ZTA產(chǎn)品，品種齊全多樣。部分產(chǎn)品應(yīng)用放電等離子體技術(shù)快速燒結(jié)，縮短了生產(chǎn)周期。

德國(guó)Klager公司采用注射成型技術(shù)生產(chǎn)96%～99%含量的氧化鋁產(chǎn)品，多種色彩的氧化鋯制品，另有ATZ、ZTA等多種氧化物陶瓷，應(yīng)用于激光切割頭，食品加工，咖啡磨輪，高壓清洗噴嘴等。

德國(guó)Ferotec公司生產(chǎn)品種齊全的工業(yè)精細(xì)陶瓷，如96%～99.99%純度的氧化鋁，包括96%、99.7%、99.8%、99.9%、99.99%等不同純度。另有氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鋯等一系列材質(zhì)可以生產(chǎn)。

韓國(guó) Fine Ceramics Orient公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn) 96%、99.7%氧化鋁，Y-氧化鋯，碳化硅，氮化硅系列工程技術(shù)陶瓷產(chǎn)品，用于電器、半導(dǎo)體、結(jié)構(gòu)陶瓷工業(yè)。

國(guó)內(nèi)的寧波國(guó)泰陶瓷有限公司也有一系列的95%、97%、99%、99.5%、99.8%氧化鋁瓷，另有Y-氧化鋯、氮化硅、碳化硅、堇青石陶瓷，應(yīng)用于點(diǎn)火器、坩堝、基板等。

4.2可以制造出大件甚至超大件先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品

韓國(guó)Mirae ceratec公司有品種繁多的氧化鋁、氧化鋯等產(chǎn)品，生產(chǎn)的99.7%氧化鋁陶瓷大尺寸可做到3000 mm×500 mm×30 mm板狀和Φ500 mm×40 mm環(huán)狀，管狀產(chǎn)品可做到Φ320 mm×Φ1350 mm×1100 mm。

德國(guó)FCT公司生產(chǎn)的SSIC化學(xué)工業(yè)反應(yīng)器尺寸可達(dá)Φ700 mm，長(zhǎng)度為1900 mm，如圖4所示。氧化鋯元件直徑、長(zhǎng)度可達(dá)350 mm。成型的生坯尺寸可達(dá)Φ900 mm，長(zhǎng)度可達(dá)2500 mm，燒結(jié)溫度可至2400℃。

圖4　大型陶瓷反應(yīng)器

斯洛文尼亞的Avt OG公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)管狀陶瓷產(chǎn)品，用于各種工業(yè)保護(hù)管和絕緣、絕熱用途，氧化鋁含量為62%、95%、99.7%，吸水率為0%，長(zhǎng)度可達(dá)2100 mm，直徑2～50 mm。

4.3加工精度越來(lái)越高，可以在小尺寸的精細(xì)陶瓷體上加工出非常復(fù)雜的形狀，精度達(dá)到微米級(jí)，平面度、圓度、球形度等公差最高甚至可達(dá)到亞微米級(jí)。

瑞士Banger公司生產(chǎn)先進(jìn)陶瓷的精密元件，高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，氧化鋁、氧化鋯、ATZ/ZTA，氮化硅、碳化硅、碳化鎢、碳化鈦等。可做出高精度的復(fù)雜形狀，如用于醫(yī)療行業(yè)的氧化鋯元件，可加工出M1.6內(nèi)螺紋，0.02 mm公差，圓度要求0.001 mm的氧化鋯柱塞，陶瓷與金屬裝配的外徑公差要求±0.001 mm，即1 μm。

荷蘭Formatec ceramics生產(chǎn)的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品，可在2 mm×2 mm表面加工出64個(gè)125 μm的孔，公差僅為2 μm，另可加工器型異常復(fù)雜的元件。

法國(guó)High Tech陶瓷公司，可精加工各種高技術(shù)陶瓷，尺寸范圍Φ0.5～400 mm，長(zhǎng)度可至1000 mm，進(jìn)一步可精密加工Φ0.2～50 mm，公差0.5 μm，球形度0.25 μm。

上海泛聯(lián)科技股份有限公司，也是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的先進(jìn)陶瓷制造商，生產(chǎn)系列化的氮化硅軸承球，Φ0.4～150 mm，級(jí)別G5～G60，采用GPS氣壓燒結(jié)和HIP熱等靜壓燒結(jié)。同時(shí)，也生產(chǎn)精密尺寸的氧化鋯球和99.5%氧化鋁球，ZTA球，碳化硅球，用于各種軸承，擁有自有專(zhuān)利的球加工技術(shù)，用于化學(xué)、半導(dǎo)體、泵、閥、食品、電子、醫(yī)藥、真空等行業(yè)；也加工各種工業(yè)工程陶瓷。

4.4成型工藝方面，采用注射成型技術(shù)大量生產(chǎn)精細(xì)陶瓷，并且發(fā)展出微注射成型工藝，一次成型出更精密更細(xì)致的產(chǎn)品。

韓國(guó)MID公司采用陶瓷注射成型技術(shù)（CIM）生產(chǎn)氧化鋁、氧化鋯產(chǎn)品，其注射氧化鋯的顏色就有幾十種，產(chǎn)品應(yīng)用于手表殼、鏈、帶，剪發(fā)器的切割工具，工業(yè)零件，各種彩色裝飾品等。

德國(guó) Arburg公司擁有完善的粉末注射成型技術(shù)（PIM），可用于金屬和陶瓷元件的低成本大量生產(chǎn)。工藝流程大致為：

粉末、粘結(jié)劑→造粒→成型→排膠→燒結(jié)→加工

提供注射成型設(shè)備以及無(wú)缺陷的模具加工方式。部分產(chǎn)品如圖5所示。

瑞士Small Precision Tools公司（SPT），以手表起家，核心技術(shù)為精密加工，也采用陶瓷注射成型工藝（CIM），做出高質(zhì)量的精細(xì)陶瓷產(chǎn)品，應(yīng)用于半導(dǎo)體、醫(yī)療等行業(yè)，如半導(dǎo)體芯片的連線工具。同時(shí)開(kāi)發(fā)出精細(xì)陶瓷的微注射成型工藝，在普通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更精細(xì)，更多修改、修飾。如圖6所示生產(chǎn)的用于藥物流量控制的精細(xì)陶瓷噴嘴，在復(fù)雜外形上，加工出Φ0.05 mm的孔。

匈牙利Ceramdisc公司是一個(gè)技術(shù)陶瓷生產(chǎn)商，擁有陶瓷注射成型（CIM）技術(shù)，陶瓷研磨拋光工藝，高精度加工工藝等。品種繁多，用于絕熱器件、自動(dòng)化工業(yè)、熱容器、泵、軸、閥、密封件等，使用范圍非常廣泛。

圖5　微注射成型精細(xì)陶瓷

圖6　微孔加工精細(xì)陶瓷噴嘴

圖7　精密尺寸易加工陶瓷

圖8　白色易加工玻璃陶瓷

圖9?。╝）透明氧化鋁匣缽

圖9?。╞）透明氧化鋁保護(hù)管等制品

4.5易加工陶瓷

易加工陶瓷得到推廣應(yīng)用，有白色和灰色兩種，除硬度遠(yuǎn)低于氧化鋁、氧化鋯等陶瓷外，其它機(jī)械力學(xué)性能、熱性能、電性能良好，非常容易加工，可廣泛應(yīng)用于不需要耐磨的高溫、耐腐蝕、密封、絕緣、裝配等方面。

美國(guó)Precision Ceramics公司開(kāi)發(fā)出了一個(gè)系列的易加工陶瓷，有白色的玻璃陶瓷，也有同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和高機(jī)械強(qiáng)度的白色、灰色易加工陶瓷。用普通硬度的常用工具設(shè)備就可以輕易加工到非常精細(xì)的程度。

德國(guó)Ferotec公司開(kāi)發(fā)了一系列的易加工陶瓷，吸水率為0%，密度僅為2.5～3.5 g/cm3，維氏硬度低至2～4 GPa，僅為氧化鋁的1/5左右，非常易于加工，但抗彎強(qiáng)度高達(dá)300～500 MPa，同時(shí)具有低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率，及優(yōu)異的電絕緣性能。有白、灰兩種顏色，可鉆孔至Φ0.03 mm圓孔，0.07 mm方孔，可刻出寬0.05 mm的窄縫，用于各種精密裝配的場(chǎng)合，如圖7所示。

法國(guó)Corning公司開(kāi)發(fā)出Macor品牌的工業(yè)應(yīng)用易加工白色玻璃陶瓷，吸水率為0%，密度為2.52 g/cm3，抗彎強(qiáng)度超過(guò)90 MPa，但硬度僅2.5 GPa，非常易于加工，其熱、電性能優(yōu)良。部分產(chǎn)品如圖8所示。

4.6透明氧化鋁窯具

荷蘭Philips Ceramics Uden公司使用高純的氧化鋁原料生產(chǎn)透明的窯具產(chǎn)品，如透明氧化鋁匣缽，透明坩堝，透明氧化鋁墊板，透明氧化鋁保護(hù)管等，如圖9所示?？墒褂弥?800℃，具有更高承載能力，熱輻射更有效，熱阻力小，溫場(chǎng)更均勻，高純無(wú)污染，無(wú)氣孔，無(wú)吸附，適用所有氣氛。

5　結(jié)語(yǔ)

需求是發(fā)展和創(chuàng)新的動(dòng)力，各行各業(yè)對(duì)陶瓷產(chǎn)品越來(lái)越高的性能要求推動(dòng)了先進(jìn)陶瓷的不斷發(fā)展。從原料、設(shè)備、成型、燒結(jié)到加工，相關(guān)陶瓷領(lǐng)域產(chǎn)生的技術(shù)進(jìn)步又促進(jìn)了應(yīng)用行業(yè)的技術(shù)革新，推動(dòng)了各行業(yè)整體的發(fā)展。