先進(jìn)陶瓷材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,成為許多高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要關(guān)鍵材料,備受各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的極大關(guān)注,其發(fā)展在很大程度上也影響著其他工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。由于先進(jìn)陶瓷特定的精細(xì)結(jié)構(gòu)和其高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光、半導(dǎo)體以及壓電、鐵電、聲光、超導(dǎo)、生物相容等一系列優(yōu)良性能,被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、化工、冶金、電子、機(jī)械、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。先進(jìn)陶瓷的發(fā)展是國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn),其研究、應(yīng)用、開(kāi)發(fā)狀況是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。
先進(jìn)陶瓷是“采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學(xué)組成,按照便于控制的制造技術(shù)加工、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并且有優(yōu)異特性的陶瓷”。按其特性和用途,可分為2大類:結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷,它具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性;結(jié)構(gòu)陶瓷大致分為氧化物系、非氧化物系和結(jié)構(gòu)用陶瓷基復(fù)合材料。功能陶瓷是指具有電、磁、光、聲、超導(dǎo)、化學(xué)、生物等特性,且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占70%的市場(chǎng)份額,其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。
由于先進(jìn)陶瓷各種功能的不斷發(fā)現(xiàn),在微電子工業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)、自動(dòng)化控制和未來(lái)智能化技術(shù)等方面作為支撐材料的地位將日益明顯,其市場(chǎng)容量將不斷提升。
一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.國(guó)外研究發(fā)展情況
目前,全球范圍內(nèi)先進(jìn)陶瓷技術(shù)快速進(jìn)步、應(yīng)用領(lǐng)域拓寬及市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)明顯。
美國(guó)和日本在先進(jìn)陶瓷的研制與應(yīng)用領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位。美國(guó)國(guó)家航空和宇航局(NASA)則在結(jié)構(gòu)陶瓷的開(kāi)發(fā)和加工技術(shù)方面正實(shí)施大規(guī)模的研究與發(fā)展計(jì)劃,重點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、民用熱機(jī)中的關(guān)鍵閉環(huán)實(shí)現(xiàn)陶瓷替代,同時(shí)對(duì)納米陶瓷涂層、生物醫(yī)學(xué)陶瓷和光電陶瓷的研究、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行資助。美國(guó)的“脆性材料設(shè)計(jì)”等10大計(jì)劃;美國(guó)聯(lián)邦計(jì)劃“先進(jìn)材料與材料設(shè)備”中每年用于材料研究與工程費(fèi)高達(dá)20億~25億美元,以提高其國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。日本先進(jìn)陶瓷以其先進(jìn)的制造設(shè)備,優(yōu)良的產(chǎn)品穩(wěn)定性逐步成為國(guó)際市場(chǎng)的引導(dǎo)者,特別是功能陶瓷領(lǐng)域包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等逐步壟斷國(guó)際市場(chǎng)。日本通產(chǎn)省精細(xì)陶瓷研究與開(kāi)發(fā)的“月光計(jì)劃”;
300kW陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)研制計(jì)劃。此外,歐盟各國(guó),特別是德國(guó)、法國(guó)在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)研究,主要集中在發(fā)電裝備、新能源材料和發(fā)動(dòng)機(jī)中的陶瓷器件等領(lǐng)域。歐盟包括德、法、英等國(guó)家也采取了一些發(fā)展新材料的相應(yīng)措施,如“尤里卡計(jì)劃”等。美國(guó)陶瓷工業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示,美國(guó)、日本、歐盟的先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)率為12%,其中歐盟先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)總值年平均增長(zhǎng)率達(dá)15%~18%;美國(guó)先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)總值年平均增長(zhǎng)率9.9%;日本精細(xì)陶瓷協(xié)會(huì)對(duì)日本先進(jìn)陶瓷市場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè),其年平均增長(zhǎng)率為7.2%。目前先進(jìn)陶瓷更大市場(chǎng)在日本和美國(guó),其次是歐盟。
2.國(guó)內(nèi)研究發(fā)展情況
20世紀(jì)80年代到90年代初,許多現(xiàn)代陶瓷理論和工藝在精細(xì)陶瓷的制備中得到應(yīng)用。利用和金屬材料的相變理論、仿生學(xué)等學(xué)科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)相陶瓷,陶瓷基復(fù)合材料的韌性得到較大提高,通過(guò)仿生學(xué)在精細(xì)陶瓷制備工藝中得到應(yīng)用,層狀材料得到較大發(fā)展。聚合物裂解轉(zhuǎn)化、化學(xué)氣相沉(滲)積、溶膠工藝的采用,使得特種纖維的制造、連續(xù)纖維復(fù)合材料制備技術(shù)快速發(fā)展。納米技術(shù)在陶瓷中的應(yīng)用使材料性能發(fā)生根本性變化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結(jié)溫度大大降低。
進(jìn)入21世紀(jì),功能陶瓷的研究也得到了國(guó)家和各科研院所的高度重視。從1995—2015年我國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)值及預(yù)測(cè)(圖1)可以看出,我國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期,預(yù)計(jì)到2015年產(chǎn)值可達(dá)到450億元。精密小尺寸產(chǎn)品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結(jié)技術(shù)、低成本規(guī)模化制備技術(shù),陶瓷加工系統(tǒng)等領(lǐng)域不斷打破國(guó)外壟斷和技術(shù)封鎖。例如凝膠注模工藝生產(chǎn)的大尺寸熔融石英陶瓷方坩堝打破了美國(guó)賽瑞丹、日本東芝和法國(guó)維蘇威3大公司的技術(shù)壟斷,在2007年率先實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,通過(guò)近5年的不斷發(fā)展,已經(jīng)形成110~1100mm系列產(chǎn)品(圖2),產(chǎn)能居于全球第1位
但是,國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷總體水平與美國(guó)、日本和德國(guó)相比還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:
1.技術(shù)及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏
世界上開(kāi)發(fā)了200多種陶瓷材料及2000多種應(yīng)用產(chǎn)品。雖然我國(guó)同樣能制備出性能良好的陶瓷材料,但絕大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室樣品上,有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問(wèn)題,市場(chǎng)還不能接受,所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相差甚遠(yuǎn)。
2.高端粉體制備及分散技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后
我國(guó)對(duì)陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視,多種陶瓷粉料尚無(wú)專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè),許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。例如:高純氧化鋁粉,日本企業(yè)99.99%氧化鋁粉燒結(jié)溫度只需1300℃,而國(guó)內(nèi)需要到1600℃以上;高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國(guó)H.C.Stark的限制,國(guó)內(nèi)企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動(dòng)。同時(shí),粉體的高效分散技術(shù)也存在較大差距。
3.制造裝備加工技術(shù)落后
雖然我國(guó)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的工藝裝備,像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注射成型機(jī)、流延機(jī)等來(lái)提高我國(guó)的技術(shù)裝備水平,但因投資大,在經(jīng)濟(jì)上給企業(yè)造成了很大壓力,從而限制了先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。而國(guó)內(nèi)仿制設(shè)備因加工水平差距,可靠性和穩(wěn)定性暫時(shí)無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品相比。
我國(guó)在“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃中明確指出大力發(fā)展新型功能與智能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料、納米材料、新型電子功能材料、高溫合金材料等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。實(shí)施高性能纖維及復(fù)合材料、先進(jìn)稀土材料等科技產(chǎn)業(yè)化工程。掌握新材料的設(shè)計(jì)、制備加工、高效利用、安全服役、低成本循環(huán)再利用等關(guān)鍵技術(shù),提高關(guān)鍵材料的供給能力,搶占新材料應(yīng)用技術(shù)和高端制造制高點(diǎn)。同時(shí),對(duì)先進(jìn)陶瓷主要應(yīng)用領(lǐng)域新能源、電子信息、環(huán)境保護(hù)、高端機(jī)械制造等同樣提出了規(guī)劃要求,將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)陶瓷向規(guī)?;?yīng)用化、高端化發(fā)展。
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