无机非金属专业导论 先进陶瓷材料发展动态

1无机非金属材料工程专业导论先进陶瓷材料国内外发展动态先进陶瓷最初在二次世界大战时引起人们关注，美国在战舰上安装声纳装置，使用了压电水晶的原理，用钛酸钡陶瓷做成超声波振动发射与接收的电子器件。20世纪60年代，开始将耐高温的陶瓷材料部件使用于高速飞行器件中的耐热瓦等关键部位。70年代后期，目光转向了耐高温的陶瓷材料，试图用陶瓷替代发动机内部高温部件甚至研制全陶瓷发动机。陶瓷材料的强韧化和纤维复合化技术得到迅速发展。80年代末，美国科学家将陶瓷材料的电阻降低到接近于零，使陶瓷材料成为比金属导电性能还好的超导材料，并获得诺贝尔奖，使人们对于陶瓷材料的电子学的可控制性产生极大兴趣。先进陶瓷发展概述90年代以后，由于移动通讯器材的强劲需求，耐高温并且对于高频电磁波有很好响应的陶瓷材料，成为重要的移动通讯的电子元器件的主流材料，现在手机中的许多微型元件都属于陶瓷材料的元件。由于光通讯技术和太阳能高效率利用技术的发展，具有特殊光学特性和光电特性的先进陶瓷材料在今后一段时期将会得到关注与重视。先进陶瓷发展概述从目前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产主要集中在美国和日本这两个工业发达国家。美国的向于在基础知识上的创新，日本专利专利则倾向于在现有技术基础上的改进以期有更多的工程应用前景。先进陶瓷的销售量逐年增加。据有关媒体报道的统计资料显示：1980年美国特种陶瓷市场规模仅为5.56亿美元，1990年达到了21.96亿美元，2000年高达51.25美元。20年问增长了近10倍。日本的先进陶瓷市场同样得到了飞速发展，1980年为6950亿日元，1990年达到25263亿日元，2000年高达61261亿日元，20年间增长了近9倍。美国和日本竞相把先进陶瓷作为新型工程材料来发展，目标是把陶瓷的特性如高硬度、高耐磨性、耐高温性于抗腐蚀性和钢的延展性结合起来。先进陶瓷发展概述美国在先进陶瓷方面的研发受到美国国防部、美国能源部和国家自然科学基金会等机构的高度重视，在军事、航空航天、环境等方面的研发和应用尤为活跃。由于宇航技术发展的需要，美国国家航空和宇航局(NASA)在结构陶瓷的开发应用和加工技术方面正在实施大规模的研究与发展计划。为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗，美国制定了先进高温热机计划、先进涡轮技术应用计划、国家宇航计划和国防关键技术计划，将高温结构陶瓷基复合材料作为重点研究对象，其目标是将发动机热端部件的使用温度提高到1650℃或者更高，从而提高发动机涡轮进口温度，达到节能、减重和延长寿命的目的，满足军事和民用热机的需要。美国发展概况美国格鲁曼公司正在研究大气层超音速飞机发动机的陶瓷材料进口、喷管和喷口等部件。美国碳化硅公司用Si3N4／SiC制造导弹发动机燃起喷管。杜邦公司也已研制出能承受1200～1300℃、使用寿命2000h的陶瓷基复合材料发动机部件。美国麻省理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、宾州大学等相关大学、能源部下属的实验室以及研发公司积极参与相关研究。在美国从事电子陶瓷的公司有300多家，从事陶瓷发动机研究开发和生产的公司在30～40家之间。美国把先进陶瓷作为新型工程材料来发展，目标是把陶瓷的特性如高硬度、高耐磨性、耐高温性于抗腐蚀性和钢的延展性结合起来。美国发展概况美国在纳米陶瓷领域的研发活动也非常活跃。2004年1月，美国柯达公司的科学家用陶瓷纳米颗粒和其他先进涂层技术制造了一个九层复合材料，具有抗热、防潮、质量轻等特点。同年3月，美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家发明了一种智能纳米多孔陶瓷材料，具有很高的表面积和合适的孔洞，能够将水银和其他有毒物质从火力发电厂的废水中除去。11月，普度大学的科学家研究表明，通过植入在相同方向排列的碳纳米管和细丝，并仿照人工骨中陶瓷晶体和胶原质纤维的排列方式，即可以提高人工关节的性能。美国发展概况在2005年1月10-12日举行的医疗器械的设计与制造会议上，美国Biophan技术公司展示了用于医疗和生命科学中的陶瓷发动机。2005年5月，美国Rensselaer工学院的研究人员利用陶瓷模板产生分又的纳米线和纳米管。美国加州伯克利大学化学系研究人员与美国劳伦斯国家实验室的科学家合作，利用外延镀膜新技术，首次成功地合成了具有单晶结构的氮化镓(GaN)纳米管，这种新技术也可以应用于合成其他材料的单晶纳米管。美国发展概况1112美国国防部由美国国防部资助，从2005年开始执行，为期4年，每年投资1500万美元。目的是开发新的技术和创新点来弥补特定的技术需求。计划分为检测（传感技术、遥感与报警等）；模型与模拟战场；保护；自净化四部分，其中与纳米陶瓷材料相关的内容是开发军用防护服、防毒面具、净化系统和掩护材料系统。发明轻质、可以进行化学武器、毒气、悬浮物质等防护的材料，用于皮肤保护，减小生理压力。研究内容包括采用高透性的纳米材料减小悬浮物质深透的衣料（纳米纤维材料、高潮湿气体传输膜），能够随外界环境打开或者关闭孔隙的智能膜材料，感知并显示生命体存在，提高耐用性、触知性相关的纳米材料。13美国国防部非医疗科学与技术、化学生物防御的解决方案项目。研究的技术焦点是纳米吸附材料相关的技术在近地表环境检测、活体检测以及污染区净化等方面的技术及应用。14美国国防部含有碳纳米管增强剂的高强度陶瓷材料研发美国国防部2002年5月份宣布资助含有碳纳米管增强剂的高强度陶瓷材料研发项目的研究。由材料与电化学研究公司和纳米试验室有限公司共同完成。研发内容包括：开发陶瓷体的碳纳米管和其他纳米管／纳米棒增强剂来增加军用和商业用陶瓷，如氧化铝、碳化硅、碳化硼等的强度和韧性，为军方提供各种形状的高性能陶瓷样品以供检测；选择用于各种用途、能合成高强度、高硬度的纳米陶瓷复合材料，研究通过碳纳米管和其它纳米管和纳米棒颗粒对陶瓷进行补强增韧；研发即保持陶瓷特性、同时又具有优异强度性能的陶瓷基纳米复合材料。15美国国防部金属、陶瓷与非破坏性评估先进技术美国国防部空军研究实验室资助金属、陶瓷与非破坏性评估先进技术项目，计划从2004-2010年间，每年投资20～25万美元，用于研究包括金属、陶瓷等高性能材料的开发、加工方法、寿命预测技术和计算机模拟方法。另一个感兴趣的领域是开发并使用先进理论和模拟技术对高温金属间化合物、金属基复合材料以及纳米晶体材料的开发和使用。16美国国防部纳米颗粒陶瓷的固化研究项目美国国防部导弹研究开发与工程中心资助纳米陶瓷的固化项目。受资助单位：Ceranova公司和Surmet公司。目的是制造高质量的光学纳米红外透明窗，采用50纳米或更小的尺寸纳米颗粒粉末，得到力学强度至少是传统大粒度陶瓷2倍的高性能材料，重点是利用纳米颗粒粉末的固化研究。17美国国防部用于地面运输保护的陶瓷瓦连续动力学过程研究美国国防部陆军坦克汽车研究开发工程中心资助进行用于地面运输保护的陶瓷瓦连续动力学过程，资助时间为2004年8月，受资助的单位为IAP研究有限公司。项目的内容是开发基于碳化硅防弹瓦的动态磁固结方法，以提高防弹瓦的性能并减小花费。18美国国防部混合碳/陶瓷纳米复合材料研究美国国防部空军研究实验室2005年资助混合碳／陶瓷纳米复合材料的研究项目。预期投资85万美元以内。目的是设计、合成并分析用于结构陶瓷中的高性能碳／陶瓷纳米复合材料。19日本发展概况NGK绝缘体公司发明了一种沸石膜，能够用作分子筛，具有纳米级的空洞，利用该分子筛，NGK已经成功从甲烷和二氧化碳的混合气体中分离出了二氧化碳。2005年4月，日本东北大学多元科学技术研究所与宇部兴产公司共同研发出下一代耐热结构材料，具有在1500℃高温下也能承受1400MPa压力的特点，作为汽车和飞机等的耐热零部件，将有广阔的使用前景。日本研制出一种够经受1700℃以上的高温复合材料，其是氧化铝粉末经熔化、冷却、再铝化后制成，它强度大，加工性能好，在高温下不会变质。20日本发展概况日本发展先进陶瓷的战略步骤是首先开发制造生活用品和某些发热元件，如陶瓷剪刀、陶瓷加热器、陶瓷手术刀、人造陶瓷关节以及陶瓷滚珠圆珠笔等。在积累了一定的特种陶瓷生产工艺、掌握了特种陶瓷生产技术的基础上，开始研究开发高级技术陶瓷及精密陶瓷元件。日立公司采用陶瓷薄膜磁头，既降低了产品的生产成本，又提高了磁头的录音、演奏与消磁性能。随即向市场投放陶瓷光盘，到2000年陶瓷光盘的销售额已达到10亿美元，并成功地打入东南亚、西欧和美国市场。另外，在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑胶复合陶瓷以及各种精细陶瓷材料与陶瓷元件等方面，日本均处于领先地位。21日本发展概况研究机构调研日本从事先进陶瓷研发与制造的机构大约有70多个，其中包括国立研究机构、大学以及赢利性公司的研发部门等。日本产业技术研究所的通用能源器件研究室和先进制造研究中心涉及到先进陶瓷材料有关的研究，其中先进材料制造中心下属的高效制造技术研究组、功能一创新性制造技术研究组、柔性制造技术研究组、安全和可靠性基础研究组等四个研究组均涉及到陶瓷材料的相关研究，在陶瓷粉末的制备、烧结方法的探讨以及陶瓷材料电、磁、光、机械性能等性质的研究直至先进陶瓷的相关应用等领域均有涉及。2223242526欧盟发展概况欧盟第六框架计划支持广泛的多领域课题的研究，其中有一些专门针对先进陶瓷材料的研发项目，硅石耐火材料项目研究计划就是其中的一个。英国陶瓷协会2004年参与该项研究，与其一起研发的包括SME公司等其他机构，其目的在于更好的研究陶瓷工艺对耐火材料表面化学以及毒性的研究，此项目有望继续刺激此领域的研发进展。2005年3月，德国发明一种新型陶瓷电容。该产品专为没有采取安全措施的应用而设计，在这些应用中电容通常永久性与正极相连，通过串联连接该电容可降低电路危险，同时无需其他安全措施，因此适合于用户产品的现有设计和布局。27欧盟发展概况欧洲是高档建筑卫生陶瓷最发达的地区，其中以意大利和西班牙为建筑卫生陶瓷工业的领头羊。欧洲的建筑卫生陶瓷工业在实现自动化与机械化的同时，在坯料与釉料制备方面颇具技术实力与开发能力，估计领先其他国家20～30年。欧洲建筑卫生陶瓷业非常注重采用先进的釉料技术，拥有一大批著名的专业性很强的陶瓷釉料和陶瓷熔块、色料公司。如英国魏基伍德公司与道顿公司。德国的迪高沙与凯勒公司，意大利的海马与西斯特勒公司，西班牙亚卡迪和欧莱等专业化公司等。28我国从20世纪50年代开始进行先进陶瓷的研究，材料以氧化铝陶瓷为主，60年代为适应我国电子技术与核技术发展的需要，先进陶瓷的研发获得了长足进展，氧化铍、氧化钙以及其他非氧化物先进陶瓷不断问世。截至2002年，我国从事先进陶瓷开发研制的高校、科研院所和生产企业已超过300家，其中从事功能陶瓷的单位占63.6％，从事结构陶瓷的单位占36.4％。主要分布在江苏、浙江、上海、山东、天津、北京、福建和广东沿海地区的城市。西南、西北偏远地区从事先进陶瓷研制的单位以原来的军工企业为主。先进陶瓷我国“十五”科技规划中与先进陶瓷有关的发展领域有：超细粉末的制备技术，批量和工业生产装备的研究；高性能陶瓷的特殊成型、烧结、精密加工、涂层、纤维增强复合技术和工艺装备的研究；脆性材料的评价技术、无损检测、破坏准则及烧结、复合机理；高温工程陶瓷如燃气轮机、高温封阀轴承、风机、炼钢机械部件等研制；光学功能(如透光、偏光、集光、荧光等)陶瓷和光电、光磁、非线性光学陶瓷的研制；敏感陶瓷与电子陶瓷、各种气敏、光敏、声敏、压敏等敏感元件、高热导、高绝缘基板及磁性材料等的研制；化学功能陶瓷(耐腐蚀、催化剂及其载体、燃料电池、离子交换剂等)研制；生物功能陶瓷(如具有生物活性和亲和性的人工骨、牙齿、心瓣膜)研制等。先进陶瓷在我国“十一五”中长期科技发展规划中，提出在新材料领域要“开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料，开发超级结构材料、新一代光电信息材料等新材料”，这些均与先进陶瓷材料的研发具有密切关系。先进陶瓷中国科学院在先进功能陶瓷领域的研究在国内具有一定的优势。上海硅酸盐所和清华大学联合主持了科技报“973”项目“信息功能陶瓷的若干基础问题的研究”。中国科学院对弛豫铁电单晶研究方面的最新进展及其应用前景非常关注，支持了声学所和上海硅酸盐所共同承担的知识创新工程方向性项目“新型弛豫铁电单晶声纳换能器研究”。上海硅酸盐所在国际上率先用Bridgeman方法直接从熔体中生长出了高质量的PMN-PT单晶，目前尺寸已达到50mm×80mm，处于国际