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特种陶瓷行业发展

  世界陶瓷科学院院士、新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室主任、清华大学校务委员会委员潘伟

  借这个机会,我想介绍一下特种陶瓷行业的发展。特种陶瓷又称新材料,一般来说它具有电、磁、声、光、热及优异的力学性能。这种材料在电子信息、化工冶金、机械、能源、环保、国防军工、航空航天等高科技领域发挥了不可替代的作用,具有这些性能的陶瓷材料和我们传统陶瓷有什么共性与区别呢?

  首先,特种陶瓷原料纯度很高、超细,是精制的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等化合物,这些化合物在自然界中很多。但是像我们的传统陶瓷,就是以黏土或者瓷土作为原料,或者一些人工合成的化合物的混合,它相对来说比较复杂。

  从晶体结构上来看,特种陶瓷晶体结构沿用了各种矿物质的结构和表述。也就是说和我们这些天然陶瓷,如果我们用科学定义的话,它的名称是一样的。就像钙钛矿、锐钛矿、荧石、焦绿石、磷灰石等等,这些都是我们在进行材料结构分析时用的名词。这些名词应该说和传统陶瓷是一模一样的。

  从制造工艺方面,特种陶瓷借鉴了传统陶瓷的一些成型工艺,比如注浆成型、陈化等等。但也发展了很多特殊工艺,比如流延成型、等静压成型、干压成型、激光成型,包括3D打印、精密机加工等技术。

  像烧结工艺,传统陶瓷一般用普通窑炉,当然现在我们的窑炉也希望能够精确控制它的氧化气氛或者还原气氛。但是对于特种陶瓷,它要严格控制气氛,一般有无压烧结、气体压力烧结、干热压烧结、热等静压烧结、真空烧结、等离子脉冲烧结等。

  最后能够制备出哪些产品出来呢?首先是信息功能陶瓷材料和器件,如手机里可以说将近80%以上的器件是陶瓷做的,还有电容器、滤波器、微波器件、传感器、声波原件、延迟器、驱动器。再如照相机,现在里面都是自动聚焦的,它驱动的是压电陶瓷马达,可以精确控制聚焦。又如笔记本电脑显示器后面的背光源需要一个升压装置,升压装置就是一种用压电陶瓷做的升压。

  还有陶瓷电路板。电路板过去一般是环氧树脂等树脂纤维混合的电路板。这种电路板在一些严苛环境下,比方说在汽车发动机附近装上的话,会老化得很快,这时候使用的电路板一般是陶瓷的。它实际上是有一些多层的电子器件,而且做得很薄,这是用流延法做出来的,大概都在1毫米以下,甚至0.5毫米厚,现在最薄到100个微米左右。在这上面做好电路,然后做成一些特别是在严苛环境下应用的器件。

  还有最新技术LTCC,即低温共烧技术,是把电路板通过流延出来以后,再通过丝网印刷把各种器件一次做到多层的,最后电路板烧出来以后,实际上把电容、电感、电阻都固化到里面去了,这样就一次性把一个电子元器件的模块就做出来了。

  刚才讲的是在信息功能电子领域中陶瓷材料的应用,还有一类陶瓷叫结构陶瓷,主要是利用它很好的机械性能以及耐高温、耐磨损、耐腐蚀的性能,所以我们把它称作高性能的结构陶瓷材料。在半导体装备里面就用了很多的陶瓷零部件,可以做到非常精密。因为半导体的一些装备,对精度要求很高,如果有一些部件用金属做比较容易变形,影响半导体设备的精度。

  像高马赫数空天飞行器,因为要和大气摩擦,产生很高的热量,这时候金属是不行的,很多部件必须用陶瓷材料。包括一些飞机像战斗机的装甲材料,特别底层的装甲材料,现在一般都是用碳化硼和碳化硅,因为它要求很轻、很薄,而金属钢的密度大也更重。

  刚才讲的很多氮化硅、氧化铝,清华大学从20世纪80年代就开发氮化硅的刀具,是在数控机床尖端用来切削用的,包括可以用氧化铝来做小的刀具,它可以实现高速的切削。

  从20世纪90年代起制作防弹装甲,现在很多防弹衣大家看到里面插的是一个陶瓷片,最便宜的是氧化铝。尽管它比碳化硼要重一些,但是和钢板比起来要好很多,特别是它能够抗子弹的打击。在潜艇里面也使用了很多陶瓷轴承,陶瓷轴承耐腐蚀,具有自润滑效果,还有抗电磁的效应。

  下面给大家介绍关于陶瓷材料在汽车领域的应用,其实我们汽车里面有很多的陶瓷部件,如钛酸铝主要是在汽车缸盖和排气管这个地方,主要为了隔热和保温,提高汽缸里燃烧温度。另外一个是氧化铝喷油器,喷油的时候需要耐腐蚀,同时它还需要绝缘,所以用氧化铝陶瓷来做。还有废气排气管的阀门一般是用氧化锆陶瓷做的。还有我们在汽车里用的电路板,为防止老化、破损,一般都是用氧化铝陶瓷做电路基板。此外,氧化铝、氧化硅、碳化硅陶瓷材料分别在汽车大灯、涡轮增压器、过滤器等器件上面也有应用。

  再简单介绍一下关于能源环境陶瓷材料及应用。刚才讲陶瓷的过滤器,煤发电厂的高温烟气的过滤很重要,一般用其他过滤器,往往不抗高温,而陶瓷过滤器有耐高温的优点。在水的过滤里,也有很多用陶瓷过滤器,比如说粘了污染物以后,在炉子里烧一下,过滤器就可以重复使用了。还有一些在工业上用的高温陶瓷蓄热式热交换器,一些陶瓷材料热容比较高,它可以通过这种交换式进行蓄热,然后再对冷风进行换热,这样就回收了高温烟气废气中的一些能量。用堇青石陶瓷做的热交换器,实际上是在工业上有大量的应用,对热量的回收非常好。

  最后介绍一下生物医用陶瓷材料。大家非常熟悉陶瓷牙,陶瓷牙一般是氧化锆,做出来以后,它要在表面施一层釉,这个釉有不同的颜色,医生会根据周围其他牙的颜色来调,让新换牙的颜色不至于看上去和其他的牙面差别太大。另外人工关节过去是钛合金的,再在表面喷涂一层陶瓷层,但现在可以做全陶瓷的人工关节,包括陶瓷的骨修复材料。

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