高性能新型陶瓷材料的介绍与研究现状
蓝天旺 黄南兴
摘 要：本文讲述了高性能新型陶瓷的几种分类，包括透明陶瓷、纳米陶瓷膜和汽车发动机陶瓷。同时探讨了这几种陶瓷的基本状况、制备工艺及应用等问题。
关键词：透明陶瓷;纳米陶瓷膜;发动机陶瓷
1 高性能新型陶瓷的基本概况
高性能陶瓷也称精细陶瓷、先进陶瓷、高技术陶瓷、特种陶瓷、新型陶瓷等。它以其特有的轻质、高强度、高硬度、耐摩擦、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等一系列优异的性能，为金属、有机高分子材料所无法匹敌，成为航天、新能源、新材料、微电子、激光、海洋工程和生物工程等高技术的重要组成部分和不可缺少的物质基础。因此，各国科学家、政府及产业部门投入了大量的研究人力和物力，竞相占领这一制高点。然而，目前尚需研究和解决的问题很多，其中成型工艺及其基础理论的研究是制备高性能陶瓷材料及其部件的关键，是材料设计和配方实现的前提，是限制高性能陶瓷实用化和产业化的主要问题之一。
近年来，随着高性能陶瓷的应用和研究日益活跃，传统的成型方法如干压成型、注浆成型等已不能满足各行业对陶瓷材料用途和制品形状的要求，新的成型工艺不断涌现。本文旨在对高性能陶瓷成型工艺的重要性及目前研究进展作一综述，并对今后新工艺的研究与开发提出作者的见解。
陶瓷制品及材料的种类繁多，其用途和制品形状也涉及许多方面，故它们的制备工艺也多种多样。一般来说，陶瓷的制备工艺可概括为四步，即粉体的制备与处理技术（包括配料与混料技术）、成型、烧结和最终制品的精加工。这一看似简单的过程，实则包含着相当复杂的内容。
陶瓷作为一门粉体科学技术，颗粒的特性诸如形状、大小、分布及表面特性、纯度等直接影响着材料及制品的成型与烧结性能。因此，高质量的粉体是陶瓷制备工艺的基础。为了制备高性能的陶瓷材料及其制品，其粉体向高纯、超细方面发展。但由于范德华引力的存在，颗粒团聚无处不在。团聚体的存在将直接影响成型坯体的性能（如：均匀性、密度、气孔分布等）及制品烧结过程中的变形、开裂及其它烧结行为;另外，陶瓷复合材料如晶须或纤维复相陶瓷、纳米复相陶瓷等要求两相或多相颗粒在坯体中均匀分散，以发挥材料潜力，达到增强增韧的目的。
2 透明陶瓷
2.1 透明陶瓷特点
自1962年R.L.Coble首次报道成功制备了透明氧化铝陶瓷材料以来，为陶瓷材料开辟了新的应用领域。这种材料不仅具有较好的透明性，且耐腐蚀，能在高温高压下工作。还有许多其它材料无可比拟的性质，如强度高、介电性能优良、低电导率、高热导性等，所以逐渐在照明技术、光学、特种仪器制造、无线电子技术及高温技术等领域获得日益广泛的应用。近38年来，世界上许多国家，尤其是美国、日本、英国、俄罗斯、法国等对透明陶瓷材料作了大量的研究工作，先后开发出了Al2O3、Y2O3、MgO、CaO、TiO2、ThO2、ZrO2等氧化物透明陶瓷以及AlN、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2等非氧化物透明陶瓷。
2.2 透明陶瓷的制备工艺
透明陶瓷的制备过程包括制粉、成型、烧结及机械加工的过程。为了达到陶瓷的透光性，必须具备以下条件：①致密性高;②晶界没有杂质及玻璃相，或晶界的光学性质与微晶体之间差别很小;③晶粒较小而且均匀，其中没有空隙;④晶体对入射光的选择吸收很小;⑤无光学各向异性，晶体的结构最好是立方晶系;⑥表面光洁度高。因此，对制备过程的每一步，都必须精确调控，以制备出良好的透明陶瓷材料。
2.2.1 粉料制备
透明陶瓷的原料粉有四个要求：①具有很高的纯度和分散性;②具有较高的烧结活性;③颗粒比较均匀并呈球形;④不能凝聚，随时间的推移也不会出现新相。
传统的粉料制备方法主要有固相反应法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法以及不发生化学反应的蒸发-凝聚法和气相化学反应法。除此之外，新的陶瓷制粉工艺也不断地涌现出来，如激光等离子体法、喷雾干燥法和自蔓延法等。
制备粉料的方式对陶瓷的透光性有很大的影响。金属氧化物球磨方法制备粉料，粉料的细度不能得到保证;固相反应时粉料的活性低、颗粒粗;即使采用热压法烧结也不易形成高密度的陶瓷，且陶瓷的化学组成和均匀性差。而化学工艺制备粉料的显著特点是能获得纯度均匀、细颗粒的超微粉，合成温度显著下降。这种粉料制备的陶瓷，其致密度可达到理论密度的99.9%或更高。一般的化学方法，包括沉淀法、溶胶-凝胶法等制备出的原料粉具有高的分散度，从而保证其良好的烧结活性。这是因为高分散度的颗粒具有较大的表面能，而表面能是烧结的动力。同时，用化学方法制备陶瓷原料粉能较好的引入各类添加剂。他们将金属铝和镁分别与异丙醇、乙醇反应生成醇盐化合物，再将其混合、水解、干燥、高温煅烧，即得到性能良好的尖晶石粉料以制备透明铝酸镁陶瓷。
2.2.2 成型技术
透明陶瓷成型可以采用各种方法，如泥浆浇注、热塑泥浆压铸、挤压成型、干压成型以及等静压成型等。
干压成型是将粉料加少量结合剂，经过造粒然后将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体。干压成型的实质是外力作用下，借助内摩擦力牢固地把各颗粒联系起来，保持一定的形状。实践证明，坯体的性能与加压方式、加压速度和保压时间有较大的联系。干压成型具有工艺简单、操作方便、周期短、效率高、便于实行自动化生产等优点。而且制出的坯体密度大、尺寸精确、收缩小、机械强度高、电性能好。但干压成型也有不少缺点，如模具磨损大、加工复杂、成本高、加压时压力分布不均匀。这种不均匀导致密度不均匀和收缩不均匀，以致产生开裂、分层等现象。
等静压成型是利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法，它将配好的坯料装入塑料或橡胶做成的弹性模具内，置于高压容器中，密封后打入高压液体介质，压力传递至弹性模具对坯体加压。等静压成型有以下特点：①可以生产形状复杂、大件及细长的制品，而且成型質量高;②成型压力高，而且压力作用效果好;③坯体密度高而且均匀，烧成收缩小，不易变形;④模具制作方便、寿命长、成本较低;⑤可以少用或不用粘结剂。
2.2.3 烧结方法
透明陶瓷的烧结方法多种多样，最常用的是常压烧结。这种方法生产成本低，是最普通的烧结方法。除此之外，人们还采用不少特种烧结方法，如热压烧结、气氛烧结、微波烧结及SPS放电等离子烧结技术。
热压烧结是在加热粉体的同时进行加压，因此烧结主要取决于塑性流动，而不是扩散。对于同一种材料而言，压力烧结与常压烧结相比，烧结温度低很多，而且烧结体中气孔率也低;另外由于在较低的温度下烧结，就抑制了晶粒的成长，所得的烧结体致密，且具有较高的强度。热压烧结的特点是加热、冷却时间长，而且必须进行后加工，生产效率低，只能生产形状不太复杂的制品。
气氛烧结是透明陶瓷常用的一种烧结工艺。为了使烧结体具有优异的透光性，必须使烧结体中气孔率尽量降低（直至零）。但在空气中烧结时，很难消除烧结后期晶粒之间存在的孤立气孔。相反，在真空或氢气中烧结时，气孔内的气体被置换而很快地进行扩散，气孔就易被消除。除了Al2O3透明陶瓷外，MgO、BeO、Y2O3等透明陶瓷均可以采用气氛烧结。
微波烧结是利用在微波电磁场中材料的介电损耗使陶瓷及其复合材料整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结的新技术。微波烧结的速度快、时间短，从而避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大，最终可获得高强度和高致密度的透明陶瓷。微波烧结工艺中的关键是如何保证烧结试样的温度均匀性和防止局部区域热断裂现象，这可以从改进电场的均匀性和改善材料的介电、导热性能等方面考虑。
SPS放电等离子烧结是90年代发展并成熟的一种烧结技术，其装置如图1所示。SPS装置设备非常类似于热压烧结炉，所不同的是这一过程给一个承压导电模具加上可控脉冲电流，脉冲电流通过模具，也通过样品本身，并有一部分贯穿样品与模具间隙。通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面，击穿孔隙内残余气体，局部放电甚至产生等离子体，促进晶粒间的局部结合。通过模具的部分电流加热模具，给样品提供一个外在加热源。所以，在SPS过程中样品同时被内外加热，加热可以很迅速。又因为仅仅模具和样品导通后得到加热，截断后它们即实现快速冷却，冷却速度可达300℃/min以上。
3 纳米陶瓷膜
纳米陶瓷膜产生于21世纪初，是氧化树脂的氧化物，利用光谱筛选的隔热原理，用最先进的纳米技术与优越的喷溅技术制造生产而成。将1米的10亿分之一的纳米陶瓷物质，均匀涂层在高透明、高品质的聚酯薄膜上，就制成了世界上最先进的能够具有光谱选择性，只筛选可见光的纳米陶瓷隔热膜。纳米陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长等众多优势，并且对GPS信号无任何屏蔽作用。纳米陶瓷隔热膜是21世纪的航天领域高科技产品，该产品起先应用于美国军事、航空、航天领域，如美国航天飞机表面的蜂窝陶瓷涂层等。
3.1 纳米陶瓷膜的性能特点
陶瓷隔热膜系列既不是染色膜也不是金属膜，由导电性物质氮氧化物组成，具有独特的分子结构，它是一种性能独特并持久耐用的复合陶瓷膜结构。由于纳米陶瓷膜的特殊结构使其具有众多优异特性。其具有阻隔红外线、分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染等众多优势。能够保持最高的可见光透射率的同时，又能提供最高的红外线和远红外线的反射，颜色持久度高达10年以上。另外它还大大改善了雾度的问题，收缩能力也大大加强，施工安装变得非常容易。表1是纳米陶瓷膜与传统金属膜特性的对比。
3.2 纳米陶瓷膜的研究现状及应用
纳米陶瓷膜目前主要采用纳米材料积淀技术，有别于PET表面涂布纳米陶瓷，而是将纳米陶瓷材料混合到PET基材颗粒，从而使产品性能达到前所未有的稳定。在金属膜的技术上通过纳米陶瓷技术，采用先进的真空磁控溅射工艺，用精微的纳米状陶瓷物质来制造，从而使产品对光进行智能滤光筛选，最大限度阻隔热量，性能大大优于单纯金属薄膜。此外，纳米陶瓷膜的生产还采用了高隔热低反光技术，一方面可以使薄膜有效隔热率超过90%，提高室内舒适度和节省能源;另一方面却没有增加薄膜的反光（通常提高隔热能力的同时，总是要加强隔热膜的反光，这样会使得室内可见光大量损失，并且使得通信信号大幅减弱;强烈的内反光极易干扰视线，引起视觉疲劳）。
对于建筑物门窗玻璃、汽车车窗玻璃、船舰玻璃对可见光的透过性有较高的要求，但在满足采光需要而使可见光透过的同时，太阳光的热量也随着传递。因此，对室内温度和空调制冷能耗产生很大影响。特别是在夏季，透过玻璃窗进入室内的太阳热量构成了空调负荷的主要因素。通常空调的设定温度与负荷具有如下关系：设定的制冷温度提高2℃，制冷电力负荷将减少约20%;设定的制热温度调低2℃，制热电力负荷将减少约30%。为了节约能源，人们采用了金属镀膜热反射玻璃和各种热反射贴膜，用以反射部分太阳光中的能量，从而达到隔热降温的目的。但是，这些产品存在的在可见光区的不透明性和高反射率问题，限制了它们的应用范围。而且，有的产品隔热效果不佳，有的透光率较低，有的则需要昂贵的设备，工艺条件的控制也很复杂。纳米陶瓷膜的出现，为透明隔热问题的解决提供了新的途径，具有广阔的应用前景及市场价值。
4 汽车发动机陶瓷
汽车发动机陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其3倍以上，能耐1000℃以上高温，新材料推进了汽车上新用途的开发。例如：要将柴油机的燃耗降低30%以上，可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现在汽油机中，燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的，柴油机热效率为33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上的热能量损失掉。因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，有实验证明，这样可把热效率提高到48%。
同时，由于新型陶瓷的使用，柴油机瞬间快速启动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的三分之一。因此新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。其它正在进行研究的还有——采用新型陶瓷的活塞销和活塞环等运动部件。由于重量的减轻，发动机效率可望得到提高。
由于陶瓷材料具有优良的耐热性、耐磨性、隔热性及重量轻等优点，故使用陶瓷材料替代金属制备热机部件的技术受到了世界各国的高度重视。目前，发动机的主要零部件，如活塞、气缸盖、气门、排气管、涡轮增压器、氧传感器及火花塞等都可用先进的陶瓷材料来制造，并研制出了无水冷的绝热陶瓷发动机。另外为了防止汽车废气对大气环境的影响，各国都采取措施，制定严格的排放标准，这些都促进了汽车工业用新技术的开发以及新材料的研究，特别是在发动机用先进陶瓷材料方面取得了较大的进展，并在近年来的技术创新中发挥着更重要的作用。
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