悠悠歲月，漫漫瓷路

江莞

在中華文明燦爛的歷史長河中，陶瓷無疑是中華民族最具有代表性的成就之一。擁有5 000年悠久歷史文化的中國，早在歐洲掌握制瓷技術(shù)之前1 000多年，就已經(jīng)能制造出非常精美的瓷器。傳統(tǒng)意義上的陶瓷,是指以天然黏土和各種礦物為主要原料，經(jīng)過粉碎混煉、成型和燒結(jié)所制得的材料以及各種制品，可分為陶和瓷兩大類。其中，胎體沒有致密燒結(jié)的黏土和瓷石制品，稱為“陶器”；而經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，且胎體燒結(jié)程度較為致密、釉色品質(zhì)優(yōu)良的黏土或瓷石制品稱為“瓷器”。 在生活中，我們接觸最多的陶瓷工藝品、陶瓷餐具和陶瓷家裝等都屬于傳統(tǒng)陶瓷的范疇，我國各地區(qū)的瓷系都各有千秋、古樸深沉、素雅簡潔，同時(shí)又千姿百態(tài)、各競風(fēng)流，為中國文化和世界文化的發(fā)展和交流起到互通往來的橋梁和紐帶作用。

先進(jìn)陶瓷新進(jìn)展

近100年來，隨著生產(chǎn)力的高速發(fā)展，人類對外太空領(lǐng)域展開了進(jìn)一步探索，精密電子和原子能等產(chǎn)業(yè)也逐漸成熟，這都對陶瓷材料的性能提出了更高的要求，也促進(jìn)了陶瓷材料的快速發(fā)展，越來越多具有特殊功能的無機(jī)非金屬材料被開發(fā)出來，這類材料被稱為先進(jìn)陶瓷（Advanced Ceramics），在各個(gè)領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

先進(jìn)陶瓷的制備已不再使用或很少使用天然硅酸鹽作為原料，轉(zhuǎn)而采用人工合成的各類高純原料粉體，且其化學(xué)組成也已經(jīng)從氧化物拓展到非氧化物，制備技術(shù)則從傳統(tǒng)技術(shù)向高科技領(lǐng)域推進(jìn)，多種現(xiàn)代智能化燒結(jié)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，例如熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、閃燒、冷燒、激光燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)、振蕩壓力燒結(jié)等。先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用形式也從傳統(tǒng)常見的塊體逐步發(fā)展到了薄膜、涂層等多種形式。以上這些重要的研究進(jìn)展，賦予了先進(jìn)陶瓷高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性好等特性，并同時(shí)具有優(yōu)異的電、磁、光等性能，不但廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，而且在航天航空、電子信息、能量存貯與轉(zhuǎn)換、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)療以及國防軍工等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域也獲得越來越多的應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，先進(jìn)陶瓷在國內(nèi)市場總額已達(dá)近千億級規(guī)模，且仍以每年8%～10%的比例繼續(xù)增長。

汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣

隨著生活水平的不斷提高，汽車在普通家庭中正變得日益普及。當(dāng)你享受著汽車帶來的交通便利時(shí)，是否知道陶瓷在汽車系統(tǒng)里起著極其重要的作用？為了保護(hù)環(huán)境，有效減少氮氧化物和顆粒物的排放，汽車尾氣排放系統(tǒng)安裝了蜂窩陶瓷（堇青石、莫來石等）過濾器，顯著減少了對人體有害的PM2.5（細(xì)顆粒物）排放。同時(shí)，還可利用這類陶瓷的高比表面積和大孔隙率，負(fù)載鉑、銠、鈀等貴金屬催化劑，對尾氣中的有害氣體進(jìn)行催化分解，從而凈化汽車尾氣。目前，美國康寧公司以及日本NGK和DENSO公司的蜂窩陶瓷產(chǎn)品占據(jù)了世界市場90%以上的份額。在現(xiàn)有汽油發(fā)動機(jī)中，燃燒能量有八成左右都在熱傳遞中損失掉了。為了解決這一問題，用氮化硅、碳化硅等隔熱性能好的陶瓷材料進(jìn)行隔熱，并利用更加耐熱、質(zhì)輕的新型陶瓷渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量，可有效提高熱效率。

F1賽車和超級民用跑車中常使用陶瓷制動器，其主要材質(zhì)是1 700攝氏度高溫下碳纖維與碳化硅形成的增強(qiáng)型復(fù)合陶瓷，表面的硬度接近鉆石，碳纖維結(jié)構(gòu)使它堅(jiān)固耐沖擊、耐腐蝕，且極為耐磨。相比于傳統(tǒng)的鑄鐵或合金鋼材質(zhì)制動器，陶瓷制動器能夠更加有效地抵抗熱衰退，并且更輕的重量能夠使懸掛系統(tǒng)的反應(yīng)更快，隨之提升車輛整體的操控水平。

現(xiàn)代汽車有功能豐富的智能系統(tǒng)，可在行駛過程中感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，使汽車擁有自我檢測、自我診斷與修復(fù)、自我調(diào)節(jié)與適應(yīng)等諸多特性，這也來源于汽車制造中所使用的對環(huán)境敏感且能對環(huán)境變化做出靈敏反應(yīng)的先進(jìn)陶瓷材料。例如，汽車發(fā)動機(jī)噴射供油器的核心元件是一種叫做壓電陶瓷的部件，保證了非常精確的燃油供給控制，讓引擎在任何狀態(tài)下都能有正確的空燃比，不僅讓其保持運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，其廢氣也能符合環(huán)保法規(guī)的要求。而利用功能陶瓷的正、逆壓電效應(yīng)所構(gòu)建的智能減震器，能夠有效地識別路面狀況，并實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，將粗糙路面對乘客帶來的震動減少到最低限度，整個(gè)感知與調(diào)節(jié)過程僅為數(shù)秒。如果你是新手，停車時(shí)就會發(fā)現(xiàn)倒車?yán)走_(dá)會給你提供很大的幫助，而胎壓監(jiān)測裝置則會幫你監(jiān)測你的車胎是否壓力正常，從而確保行車安全。這兩種裝置的核心元件也都是壓電陶瓷。此外，利用鈦酸鋇陶瓷的壓阻效應(yīng)制成的智能陶瓷雨刷，能夠有效感知雨量，從而自動將雨刷速度調(diào)節(jié)到最佳。

蜂窩陶瓷過濾器

核用材料更安全

2011年，日本福島核泄漏事故的發(fā)生使得核安全問題面臨著全新的考驗(yàn)。該事故發(fā)生的主要原因是在喪失冷卻劑的條件下，核燃料的鋯合金包殼在高溫環(huán)境下與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，導(dǎo)致了最終的爆炸。為了克服這一問題，全面提升核反應(yīng)堆系統(tǒng)的安全性，科研工作者們開始尋找新的包殼材料。此外，新一代核能系統(tǒng)的研發(fā)也對核用材料提出了更高的要求，具有抗輻照、耐高溫與腐蝕等特性，并兼具有更長壽命的高性能核用材料開發(fā)迫在眉睫。

相比于金屬材料，陶瓷材料具有更高的熔點(diǎn)、硬度、抗高溫蠕變和抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，是一種更加適合于核用的材料體系。其中，碳化硅及其復(fù)合陶瓷是目前研究最為廣泛的核用陶瓷材料，且制備工藝非常成熟，有望很快應(yīng)用于核能系統(tǒng)。碳化鋯基陶瓷材料則憑借著更加優(yōu)異的抗輻照性能，近年來獲得了高度重視，多個(gè)國家相繼立項(xiàng)支持，如英國工程與物理科學(xué)研究會（EPSRC）的一些項(xiàng)目和美國“極端條件下材料的輻照響應(yīng)”計(jì)劃（MaRIE）等。

近年來，一類三元層狀Mn+1AXn相陶瓷（簡稱MAX相陶瓷，其中M代表一類過渡金屬元素，A代表ⅢA或ⅣA族元素，X代表C或N元素）憑借著高抗損傷容限、良好的力學(xué)和熱學(xué)性能等一系列優(yōu)異的特性，有望應(yīng)用在第四代核反應(yīng)堆中，作為氣冷快堆中的核燃料包殼材料。此外，在合金上負(fù)載均勻的陶瓷涂層，既能夠保持整體材料的延展性，又可以利用核能性能更優(yōu)的陶瓷層保護(hù)合金，是目前不改變核電站現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、提升包殼性能最現(xiàn)實(shí)可行的做法，其主要方法包括化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。

軍事領(lǐng)域顯身手

先進(jìn)陶瓷材料在軍事領(lǐng)域同樣起著無可替代的作用。在美國第五代戰(zhàn)斗機(jī)F-22（猛禽）所使用的F119發(fā)動機(jī)中，矢量噴管使用了高性能碳化硅纖維增韌陶瓷作為熱屏障，不但保留了陶瓷優(yōu)秀的耐高溫能力以及高強(qiáng)度，又具備了很好的韌性來應(yīng)對可能發(fā)生的沖擊。同時(shí)，碳化硼和碳化硅等陶瓷所具有的高比剛度、高比強(qiáng)度和化學(xué)惰性，以及相對于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強(qiáng)度，使其在軍用裝甲系統(tǒng)上也得到了廣泛的應(yīng)用。在海灣戰(zhàn)爭中，美國空降士兵都配備了含有特殊輕質(zhì)陶瓷材料的防彈背心和含有陶瓷玻璃材料的裝甲防護(hù)片，主要通過微破碎過程吸收能量，能夠在50米處有效防御各種輕武器的射擊，大幅度減少人員傷亡。

英國的挑戰(zhàn)者和美國的M1系列主戰(zhàn)坦克是世界上防護(hù)性能最好的坦克。這其中非常關(guān)鍵的原因在于這兩種坦克采用了硼化鈦、碳化硅等高質(zhì)量的陶瓷裝甲，能夠在更輕的重量下提供更高的防護(hù)能力。此外，AH-64（阿帕奇）、UH-60A（黑鷹武裝型）、AH-1J（貝爾209）、AH-IW（超眼鏡蛇）、RAH-66（卡曼奇）等武裝直升機(jī)座椅的底部、側(cè)面和背部等處也都大量采用了碳化硼等陶瓷裝甲。碳化硅基等陶瓷材料還能夠通過介電損耗吸收電磁波，具有承載和減少雷達(dá)波反射截面的雙重功能，且具有適應(yīng)波段寬、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、耐高溫、強(qiáng)度大、抗氧化等優(yōu)勢，是功能與結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)良微波吸收材料，保證了作戰(zhàn)平臺和武器裝備具備良好的隱身特性。如果用于替代傳統(tǒng)羰基鐵、鐵氧體、碳纖維和稀土等吸波材料，將大大減輕隱身戰(zhàn)機(jī)的重量，增加載彈量和機(jī)動能力，降低維護(hù)保障難度，顯著提升戰(zhàn)斗力。2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）張濤研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種六方BCN三元化合物陶瓷，具有輕質(zhì)、耐高溫等優(yōu)勢，其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和成分可控性使其在不同電磁波段都具有優(yōu)異的吸波性能，很好地滿足了現(xiàn)代吸波材料“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，這一重要的研究進(jìn)展對于設(shè)計(jì)新一代耐高溫、全天候、超輕吸波材料具有重要指導(dǎo)意義。

江莞教授帶領(lǐng)助手與學(xué)生進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，對材料的要求也越來越苛刻。高超聲速飛行器具有部署快、速度快、機(jī)動性強(qiáng)、飛行高度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的廣泛關(guān)注，因而得到重點(diǎn)發(fā)展。各航天大國也都開展了相應(yīng)的戰(zhàn)略研發(fā)計(jì)劃，例如，美國的Hyper-X、俄羅斯的鷹-31、德國的HTV、法國的PREPHA、日本的高超聲速運(yùn)輸機(jī)計(jì)劃，以及我國在最近幾年重點(diǎn)開發(fā)的一系列與高超聲速飛行器相關(guān)的科研項(xiàng)目。在高速飛行的過程中，飛行器將承受極大的壓力與摩擦力，在鼻錐和機(jī)翼前緣等關(guān)鍵部位產(chǎn)生極高的溫度（2 000～3 000攝氏度）。此外，高超聲速飛行器的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室的溫度也高達(dá)1 700～2 800攝氏度，這均對飛行器的耐熱結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，金屬材料難以承受這種苛刻的環(huán)境。美國宇航局（NASA）的劉易斯研究中心（Lewis Research Center ）和美國海軍水面戰(zhàn)中心（Naval Surface Warfare Center）等機(jī)構(gòu)的研究人員總結(jié)了極限高溫環(huán)境下熱防護(hù)結(jié)構(gòu)所用材料需要滿足的幾個(gè)條件，包括：高熔點(diǎn)（＞3 000攝氏度），在服役條件下具有良好的抗氧化性能，較高的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)，合適的密度、成本以及良好的可加工性能?；谶@些需求，經(jīng)過對多種材料體系進(jìn)行篩選，科研工作者發(fā)現(xiàn)由鉿、鋯、鉭等過渡金屬的碳化物、硼化物及氮化物組成的超高溫陶瓷在超高溫、低氧分壓、高熱流密度的極端環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)秀的化學(xué)和微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，非常適合應(yīng)用于高超聲速飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。

后續(xù)發(fā)展在路上

除了上述那些“高大上”的應(yīng)用，先進(jìn)陶瓷材料如今也廣泛地應(yīng)用在我們生活的各個(gè)角落。例如，在我們體檢的時(shí)候會進(jìn)行超聲檢查，而超聲診斷儀探頭的關(guān)鍵材料就是壓電陶瓷晶片，其性能好壞直接影響到超聲診斷儀探頭的靈敏度、體積和使用壽命，這些材料為及時(shí)了解人體健康狀況以及疾病的早期篩查做出了重大的貢獻(xiàn)。隨著壓電陶瓷技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，基于這類材料的耳機(jī)和揚(yáng)聲器也表現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢，聽感更加豐富柔和，保證高解析度的情況下不失聲音的圓潤度，更自然地還原聲音，且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。采用3D打印與天然骨相同或類似化學(xué)組成的陶瓷植入體，不僅可以高效地修補(bǔ)骨折，減少治療時(shí)間，減輕痛苦，還可以在生長的過程中融入真正的骨骼，相比于傳統(tǒng)骨折修復(fù)技術(shù)，具有明顯的優(yōu)勢。 5G移動通訊很快就要來臨，對于手機(jī)外殼材料的要求也越發(fā)嚴(yán)苛，傳統(tǒng)金屬外殼會導(dǎo)致信號屏蔽。以氧化鋯為代表的一系列先進(jìn)陶瓷材料具有耐磨損、硬度高、無信號屏蔽以及可實(shí)現(xiàn)無線充電等優(yōu)點(diǎn)，成為手機(jī)外殼材料的熱門選擇，華為、小米、三星等手機(jī)巨頭紛紛發(fā)布了搭載陶瓷外殼的旗艦手機(jī)。

悠悠歲月，漫漫瓷路。陶瓷材料經(jīng)過上千年的發(fā)展，已經(jīng)成為社會與科技發(fā)展中不可缺少的一部分。目前，我國先進(jìn)陶瓷相關(guān)領(lǐng)域的研究積累日益豐厚，以中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)等為代表的研究機(jī)構(gòu)在全新陶瓷研究體系開發(fā)、成熟體系產(chǎn)業(yè)化方面對我國先進(jìn)陶瓷行業(yè)的快速發(fā)展起到了重要的推動作用。但是，我國的先進(jìn)陶瓷研究水平與美國、日本等發(fā)達(dá)國家相比仍然存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：科技成果轉(zhuǎn)化效率偏低，陶瓷粉體制備水平落后，陶瓷技術(shù)裝備水平落后。

為了扭轉(zhuǎn)這一局面，更快更好地完善我國陶瓷行業(yè)的合理布局，在先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域的未來發(fā)展過程中，需要相關(guān)領(lǐng)域的所有科研工作者共同努力，深入探索陶瓷基礎(chǔ)理論研究與設(shè)計(jì)方法，為新體系、新產(chǎn)品的批量轉(zhuǎn)換提供理論與技術(shù)支持；改變高端陶瓷粉體制備與規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)受制約的現(xiàn)狀，為下游陶瓷材料的快速發(fā)展提供保障；開發(fā)并拓展新型燒結(jié)技術(shù)，降低陶瓷生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的大規(guī)模精密制造。在未來，陶瓷材料將會突破傳統(tǒng)單一技術(shù)的制約，并與不同學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行有機(jī)的交叉融合，迎來全新的發(fā)展機(jī)遇！

江莞教授課題組2018年年終總結(jié)大會上課題組成員大合影