高性能陶瓷材料拓展的新天地.pdf

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1、1 百度文库帮手网 w w w.365x u e y u a n.c o m 免费帮下载 文库积分资料1 本文由l u r e n d i n g 1920贡献 p d f 文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。前 沿 科 技 高性 能陶瓷材料拓展 的新天地 日 新?!1 高性 能 陶瓷新材 料 的应用前 景 新 料 材 特种 陶瓷 材料 湖北 武汉风神 汽车修理厂 李 婷 或保护器(与熔融金属接触),超高温涂层等 近年来,对 S 一 C一 超高温陶瓷材料的研究发 i B一 N 展很快 制备工艺主要是采用有机前驱体法 对超高 温稳 定化机理 的研 究主要

2、集 中在硼 的作用 上 目前 正 在探索其作为超高温涂层材料方面的应用 C N T S 陶瓷基 复合材料 除了用 作吸 波材 料在航空 飞行 器等军事领域 应用外,用 作 电磁 波屏 蔽材 料在军 用和 民用 方面也具 有广阔 的应 用前景 现代 高科 技战 结 构 陶瓷 主 高 性能 陶瓷 是新 材 料 的一个 组成 部分,它在 国 民经济 中的能源 电子 航 空航 天 机械 汽 车 冶 金 石 油 化工 和 生物 等 各 方 面都 有 广 阔 的应 用 前景,成 为各 工业 技 术特别 是 尖端 技术 中不 可缺 少 的关 键材 料,在 国防现 代化 建设 中,武器 装备 的发 展也离 不

3、 开 高性 能 陶瓷 一 般 分 为 结 构 陶 瓷 和功 能 陶 瓷,有 的还 分为 陶瓷 涂层 及 陶瓷 复合材 料 等 争中的新型电子对抗技术,其核心之一是释放宽频率 和 波长 的强 电磁波 来破 坏对方 军 事设 施 中的电 子设 要是利用其耐高温 高强度 耐磨的性能,应用 于热 新 术 技 机部件 耐磨部件,如刀具 轴承 密封环 阀门等热 交换器 防弹材料及生物陶瓷等 SIC,Z r O Z,A 12O 3,SIA L O N 等 备的遥感 遥测和遥控等功能,使对方 的军事设施处 于失控状态,达到突袭 的 目的 国防 航 空航天 的轻 质化 和小 型化 对先进 陶瓷 材 主要材料有

4、S 3 4 i N,所谓高性能陶瓷材料是指人工合成的高纯度超 细粉末作为原料,采用精密控制工艺成型烧结而制 成的高性能陶瓷,与金属或高分子材料相 比,高性能 陶瓷材料具有耐高温 耐腐蚀 耐磨损及一些特殊功 能(电 磁 光 热 声 等性 能及 功能藕 合效 应),是 其 它 材料 难 于具备 的,颇受 青 睐,是 最重要 的无机非 金属 材料 高 性能 陶 瓷材 料 已经 在很 多领 域,特别 是诸 多 高技术 领域 获得 关键 性 的应 用,在 航 空航 天 国防及 料的需求 日 趋强烈 高性能陶瓷材料密度仅为高温合 金 的 1 3 一1/,使 用温度 高达 1 500/4 以上,因此应用p

5、a g e 1 高性能陶瓷材料作为结构件可明显 的降低结构重量,同时还可起到耐腐蚀耐磨损等功能作用 我国在航空 发动机热端部件等开始应用,提高了航空发动机的推 重 比,缩 小航空发 动机与 国际先进 发动机 的差距 又 如在导 弹天线罩 喷管 喉衬等均有 应用 在 民用方 面,高性能 陶瓷 应用更 为广 泛,如在 矿 山 发 电 冶金用耐磨耐腐蚀陶瓷部件,其寿命 比高铬铁制 品寿命提高 8 一 倍,仅宝钢每年就有数千万件需求 o r ;矿山 电子部门用渣浆陶瓷内衬 比现有产品使用寿 命提高 2 一 倍 用陶瓷熔融金属过滤器,提高金属铸 3 件的质量,不仅在国防军工同时在现代交通等领域对 高温熔

6、融金属(钢)夹杂物过滤器的市场需求越来越 大 又如在机械工业,机床主轴应用陶瓷轴承,寿命提 高 5 一r 倍,市场也在逐 渐扩大 o 3 高性能 陶瓷成为支柱产 业的关键 新材 料 功 能 陶瓷是指 以电 磁 光 声 热 力 化 学和 生 趁 材 海 上 民用等高技术领域具有广泛且不可替代 的作用,高 性 能 陶瓷 材料 每年 以 7%至 10%的速度 发展 功 能陶 瓷 主要 是 利用 其上 述功 能 特性,广 泛应 用于 国 防 航 空航天 机械 化工 建筑等领域的绝缘子,集成电路 的基 片,电容 器,压 电和 铁 电 及 敏感 元 件 等,已成 为 一 一 四大类材料(金属 陶瓷 高分子

7、和复合材料)之一 2 高性 能 陶瓷新 材料 的性能 凸显 一般高温陶瓷材料的预期使用温度在 1 400 年 o 一 500,而超 高 温材 料是 指 能在 1 80 1 0 以上 使 用 的 材 料,主 要包 括 过 渡 金属(i z r T a 等)的 硼 化 物 T 物 等 信息 的检测 转 换 藕 合 传 输 及 存 储 等 功 能 为 主要 特 征的 陶瓷材 料,主要包 括 铁 电 压 电 介 电 半 导 体 超 导和 磁性 陶瓷 等 功能 陶 瓷在 信息 的检 测 转化 处理 和存 储 显示 中应用 广 泛,是 信 息技 术 中基 础元器 件 的关键材 料,对 发展 电子 信息产

8、业 等许 多 碳 化 物 以及 近 年 出现 的 51一 一 一 超 高 温 陶瓷 材料 B C N 期 三,等,还 可 以包 括 碳(石 墨)和 氮化硼 等 这类 材料 的 主 要 特点是超 高温熔 点 超高 温稳定 超 高温耐腐 蚀性 应 用 于 国 防,航 天,超 高 温 电极,超高 温 耐 腐蚀 容 器 沿,科 技#高科 技产 业具 有重要 的战略意 义 功 能 陶瓷在 小型 化和 便携 式 电子产 品 中 占有 十 制造水平的重要标志之一 硬质合金模具以其高耐磨 性 高刚度 耐高温 低摩擦系数等优异性能在某些领 域正逐渐替代钢质模具 当冲压速度很高时,只有硬 质合金材料才可以使模具刚

9、性好,冲压过程平稳,不 产生振 动 同样,也 只有这种 材料 才可 以使 极小 尺寸 的凸模等易损件持有令人满意的使用寿命 集成电路 用引线 框架级进 模 的凸模最 小宽度 仅 0 2m m ,用 硬质.合金制造 的凸模 和凹模拼块 制造精 度达 2 卜m 在 800 次/i 的高速 冲压过程 中模 具刃磨 寿命 10 m n 0 万次,总寿命可超过 1 亿次 在高温模具方面,硬质合 金及 陶瓷模 具 的地位 不可替代,如钢铁 工业 中 的热 作 分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在电子 陶瓷及其元器件的新产品 新技术 新工艺 新材料 新设备方面投人巨资进行研究开发 高投人 的研发 竞争激

10、 使得 电子 陶瓷及元器件成为一个创新活跃 件 问世 近些 年来,在 国家 诸 多重点 科研 计 划 的支持 和 一 皓 二:?断 料 材 烈的领域,每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器p a g e 2 推动下,我国在功能陶瓷材料的科学研究与产业化 方面有了很大发展,但总体来看,我国的电子信息产 业,特别是一些附加价值高 技术含量高的新型电子 信息产品和一些基础 电子产 品的生产水平与发达国 家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的 程 度上被外 资企业 所控制 国外大公 司如村 田 松 下 模具及轧辊等,其他材料难于满足高温下硬度和耐磨 性的要求 我国在此领域有一定 的基础,国内已可生

11、一般 产世界上最大的硬质合金轧辊,直径达 35 m m 0 模具国内可以自 行制造,但很多大型 复杂 精密和长 京都陶瓷 摩托罗拉等近年来长驱直人中国市场,目 前 已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件 市场相 当大的份额 我国信息产业正面临着产品升 级换代的机遇和挑战 近年来,随着电子信息技术的 新 材 料研 究 中十分 活跃 的领 域 寿命的模具仍需依靠进 口,近年来,模具进 口量 已超 过国内生产的商品模具 的总销售量 4 我国高性能陶瓷新材料市场的开发应用现状 高性能陶瓷是 由人工合成的原料制成的,陶瓷粉 料的性能在 很大程度 上决定 了陶瓷 的质 量,所 以各 国 对陶瓷粉料的研

12、究开发 制备十分重视,目前发达国 家各种高纯超细的粉料,成分控制的特种陶瓷 的粉料 都有专业的公司生产,规格齐全,质量稳定 高性能陶瓷作为一种新材料,近十年来得到了迅 速的发展,陶瓷材料的性能提高到一个崭新的水平,制备工艺技术取得了很大的进步,大大地加速 了结构 陶瓷实用化进 程 世界上 大约开发 了 20 多种 陶瓷 材 0 料及 2 00 多种应用 产 品 0 未 技 肠 高速发展,以信息技术为应用领域的功能陶瓷成为 而其 应 用领 域正 在 从传统的消费类电子产品转 向数字化的信息产品,包括通信设备 计算机和数字化音视频设备等 数字 技术对陶瓷元器件提出了一系列特殊 的要求 为了 满 足

13、这 些要求,世界 各 国 的大学 研究 机构 和企 业都 在 新材 料 新 工 艺 新 产 品方 面投 人 巨资进 行研 究 开 发 现 代制 造 业 已成 为我 国 国民经济 的关 键领 域 之 一 现代 制造 技术 对新 型刀 具 模具 材料 需求 越来越 迫 切,先 进 陶瓷 材料 在 此领 域 的重要地 位 日益 突 出 陶瓷 金 属陶瓷 陶瓷涂 层 等刀具 材料 以其 良好 的硬 度 耐 高 温 抗 氧化 和 高温抗 蠕变 能力,在 高速 精 密 切削 加工 逐步 占据 主要 地 位,在 刀具 材料 中的 比例 逐年 上升 功能陶瓷由于电子 信息 通信事业的发展,仍稳 步地增长,大约

14、每年以 1%的增长率发展 通过多年 0 的努力,我 国高性能 陶瓷 的研究 开发取 得 了很 大 的进 展,特种 陶瓷 的品种不 断增多,性能也不 断提 高,同时 趁 材 海 上 形成一批具有较高素质的科研开发队伍 我国也经历 了 同样 的过程 我 国的高性 能陶瓷 是五 六 十年代 为 支撑我 国?两弹一 星?的研制 而发展起来 的 经过几 十 年 的发 展,功 能 陶瓷 已形 成 了一 个行 业,主要 生产 陶 二 O 无 机材 料 在传 统 产 业 改 造 中 的作 用 越来 越 大 各类高档耐磨耐腐蚀密封材料 陶瓷轴承 钢筋轧制 用复合陶瓷材料不仅提高 了相关传统行业 的效率,节约 了

15、成 本,减 轻 了 劳动强 度,还对 环境 保护 大有 裨 益 高性能的发热体材料是半导体行业使用 的加热 设备 的关 键材料 采用金 属陶瓷(硬质 合金)制造 精密 复杂 大型 瓷基 片 陶瓷 电容器 陶瓷滤 波 器 压 电陶瓷 敏感 陶 瓷 磁性 陶瓷 绝缘瓷p a g e 3 等等 结构 陶瓷通 过科技攻 关,进行结 构陶瓷 的研 究与开发,使结 构 陶瓷取得 了很 大 地进步,品种不断增 加 国家 约投人 了 1 亿人 民币,用 于结 构 陶瓷和功 能 陶瓷 的攻关 及?86?划,使 得 我 3 计 国特 种 陶瓷研究 工作 进人 世界 的前 列 年 O 翔 三,高效率 长寿命模具技术

16、已成为衡量一个国家模具 息 新 信 有 科 技 问 沿#在结构陶瓷材料的研究水平和性能上接近或达到国 际先进水平,在国际上享有较高的学术地位 但与发 达 国家 相 比,无论是 在市场 开发,产 品的工 程化开发,规模化工艺技术,还是在规模生产的工艺装备,工艺 控制等方面都存在着较大的差距 虽然我国能制备 出性能 良好的陶瓷材料,但许多仍停留在实验室的 少量样 品上,有的产品由于成本高及可靠性等问题,市场还不能接受,所以产品的销售额与发达国家相 比相差 甚远 P 10 5 高性 能陶瓷 新材 料的 开发应 用新 领域 高性能陶瓷 由于拥有众多优异性能,因而用途 广泛 料等 耐热性能优 良的特种陶

17、瓷可望作为超高温材 高温电极材 隔热性优 良的特种陶瓷可作 为新的高温隔热 导 热性 优 良的特 种 陶 瓷极 有 希望 用 作 内 料用于与原子能有关的高温结构材料 材料,用于高温加热炉 热处理炉 高温反应容器 核 反应 堆 等 部装有大规模集成电路和超大规模集成电路 电子器 件 的散热片 耐磨 性优 良的硬质 特种 陶瓷用 途广 泛,目前 世界 发达 国家基 本垄 断 了特 种 陶 瓷 的国际市 场,日本在 世界 特 种 陶瓷市 场 中 占据 主 导地 位,占世 界 市场 的 6%左 右,美 国 占 3%左 右,0 6 主要 的原 因是 日本 十分 注重 产 品 的开发 应用,但 美 材

18、新 料 国在 基 础研 究 和工 艺 技术 上 仍 然 处 于领 先 的地 位 为 了满 足 国 内的需 要,我 国每年 还 不得不 从 国外 进 口大量 的特种 陶瓷产 品(包括 陶瓷粉 料)我 国发展 特种 陶瓷 的 自然 资 源 十分丰 富,也有 术 新 技 目 前的工作主要是集中在轴承 切削刀具方面 高强 度 的 陶瓷 可 用作 燃 气 轮机 的燃 烧 器 叶 片 涡 轮 套 管等;在加工机械上可用于机床 身 轴承 燃烧喷嘴 等 目前,这方面的工作开展得较 多,许多 国家如美 国 日本 德国等都投人了大量的人力和物力,试图 这类 陶瓷有氮化 硅 碳 化硅 塞隆 氮 取 得领先 地位 化

19、铝 氧化 铝等 具有 润滑性 的 陶瓷 如六 方 晶型氮化 硼 极为 引人注 目,目前 国外 正在加 紧研 究 生物 陶瓷 一批水平较高的科研开发队伍,还有一定 的生产企 业,这 是发 展 的优 势 我 国对陶 瓷粉料 的制备 还未 引 起足够的重视,我 国有许多特种陶瓷的粉料尚无专 业 化生 产企业,许 多企 业不得 不?自产 自销?在这种 方面 目 前正在进行氧化铝 磷石炭等用作人工牙齿 人工 骨 人工 关节 等研 究,这 方 面 的应 用 引起 人 们极 大关 注 情况下,我 国每年还不得不从国外进 口大量 的氧化 铝 氮 化硅 钦 酸钡 和氧 化铝 等 粉料 来满 足 生产 陶瓷 基

20、片 电容器 和滤波 器及 结构 陶瓷 等的需要 目前 我 国高性 能 陶瓷 生 产设 备 的研 究 开发 尚未p a g e 4 6 正 在研发 的高 性能 陶瓷材 料 由于陶瓷材料具有高耐磨性 耐高温和抗侵蚀 能力,国外 目前 已将 其应用 于发 动机 高速轴 承 活 塞 密封环阀门导轨等要求转速高和配合精度高的部件 此外,有许多陶瓷基复合材料 的发动机高温构件正 在研制之 中 由于提高了燃烧温度,取消或减少 了冷 却系统,预计发动机热效率可从 目前的 2%提高到 6 46%未来航空发动机高压压气机叶片和机匣 高压 与低 压 涡 轮 盘及 叶片 燃 烧 室 加 大 燃 烧 室 火 焰 稳 定

21、器及排气喷管等都将采用陶瓷基复合材料 为了提高航空发动机的推重比和降低燃料消耗,最 根本 的措施 是提高 发动 机 的涡轮进 口温度,而涡 轮 进 口温度与热端部件材料的最高允许工作温度直接 相 关 上 世纪 60 年代,发 动机 热端 部件 材 料主 要是 铸造高温合金,其使用温度为 80 0 一 0 0 9;进人 80 年代以后,相继开发出了高温单晶合金 弥散强化 超合金以及金属间化合物等,并且热障涂层技术得 到 了广 泛 的 应 用,使 热 端 部 件 的 使 用 温度 提 高 到 1200 一1 30 0,已接 近 这类 合金 熔 点 的 8%,虽 0 然 通 过 各种 冷 却 技术

22、可 进 一 步 提 高 涡轮 进 口温度,但 作为 代价 降低 了热效 率,增 加 了结 构 复杂 性 和制 造 难度,而且对小 而薄 型 的热端部 件 难 以进 行冷 却,受到足够的重视,能提供的工艺装备也是落后的,即 使引进了国外先进 的工艺装备,像气氛加压烧结炉 热等静压 注射成型机 流延机等来提高我国的工艺 技术装备水平,但也因价格 昂贵,投资大,在经济上 材 趁 海 上 给企业 造成 了很大 的压 力,从 而 限制 了特种 陶 瓷 的 发展 我 国虽然 能在 实 验室 里 制备 出性 能很 好 的 陶 有 的 即使 投 人 瓷材料,但 由于资金不足,缺乏 中间试验这一环节,不 能很好

23、 地过 渡 到规 模化 生 产 阶段 二 0 了规模生产,结果也因工艺技术装备落后,生产成本 高以及产品的可靠性 重复性等问题,使产品很难被 市场接 受,结果 影响 了产 品的开 发进程 高性能陶瓷属于高技术范畴,是高投人高风险 年 o 的一个行 业,在 没 有 足够 的资金 投 人来 建立 先进 工 艺 装备 的生 产线 的情况 下,产 品的质 量 是很 难得 到 保证 的,同 时市 场 的开发 是要 有一 个 过程 的,新产 品 策 三 期 对用 户来 说也 要 有一 个 了解认 识 的过 程,所 以开始 的经 济效益 是不 会很 明显 的 因此,必须 建立 风险投 资基 金来扶 持这 个

24、行 业 的发展 佑 新 前 阅 息 技 科 沿#因而再提 高 的潜 力极 其有 限 进 人 2 世 纪来,世界各工 业发 达 国家对 于发动 1 持力度较小,民间参与程度低,相应的工业基础又较 薄弱,直接导致我国陶瓷材料产业基础薄,装备差,质 量低 而不稳 因此,一方 面要加大 投人,另一方面要针 机用高温结构陶瓷复合材料的研究与开发一直十分 重视,相继 制定 了各 自的 国家 发展计 划,并 投人 了大量 的人力 物力和财力,对这一新型材料寄予厚望 如美 国 N A SA 制定 的先进高温热机材料计划(H T M P)I E D O E N A SA 的先进涡轮技术应用计划 美 国国家宇航/

25、计 划(A SP 美 国国 防关 键 技 术计 划 以及 日本 的月 N)光计划等都把高温结构陶瓷基复合材料作为重点研 究对象,其研制 目 标是将发动机热端部件 的使用温度 提高到 1 650 或更高,从而提高发动机涡轮进 口温 度,达到节能 减重 提高推重 比和延长寿命的 目的,满足军事和民用热机 的需要,陶瓷基复合材料有望成 为替代金属及其合金的发动机热端结构首选材料 高性能结构材料具有高温强度好 耐磨损 抗腐 蚀等优点 高温结构陶瓷材料 目 前正p a g e 5在研制的有碳化 硅 氧化硅 氮化硅 硼化物 增韧氧化错 陶瓷和纤维 增强无机合成材料等 如在内燃机中用陶瓷代替金属 可减少燃料

26、消耗 3%,提高热效率 5%0 0 高性能复合 材料可根据要求进行设计,能够使材料扬长避短,当 前的研究重点有:纤维增强塑料 碳/碳复合材料 陶 瓷基复合材料和金属基复合材料 高分子功能材料是 近年来发展最快的有机合成材料,每年的递增速度达 到 1%4 7 高性能 陶瓷材料 的发展趋 势 对这样的薄弱环境,大力进行工程化工艺技术的研究 和装备攻关,走出一条利用较廉价的国产设备和生产 工艺,实现高 品质 陶瓷生产 的发展 道路 很多高技术产业和国防军工的发展在很大程度 上要依赖包括高性能陶瓷材料在内的无机材料技术 的突破和发展才得 以实现 国家对高技术和高技术产 业的未来需求 同样离不开高性能陶

27、瓷材料的进一步 发展 反过来,我国的高技术产业和国防军工的发展,无疑也向无机材料提出了新的更高要求 高性能陶瓷 材料的密度一般仅为高温合金的 1/一 4,最高使用 3 1/温度高达 1 500 以上,是大推重比(0 航空发动机 l )不可 替代 的材料,也是矢量 发动机 喷管 的重要 材料之 料 材 新 洲,无机材料是现代信息与通信技术的基础,高性能 陶瓷材料是不可替代的 大型集成电路中的各类陶瓷 基片和衬底材料,光纤通信中的石英光纤等是整个信 息产业中最为关键 的材料;另外光纤通信 中有源器件 中的激 光工作物 质 无源器 件 中光 纤连接 器用 的氧化 锗陶瓷材料等都是现代光通信领域 内必

28、不可少的关 键材料 现代制造业 已成为我国国民经济的关键领域 之一 在此领域,对先进陶瓷的需求更为广泛 高性能 陶瓷材料将在 国防 航空航天 信息产业 生物医用 现代交通 新能源 环保和传统产业改造中发挥越来 越 大的作用 高性能陶瓷材 料近二 十年来迅 速发 展,我 国高性 能 陶瓷的发展具 有一定优 势和机遇,也 同样具 有发展 术 技 新 高性能陶瓷虽然发展很快,但是有些问题 目前尚 不十分清 楚,技 术上也 没有达 到完善及 实用 的阶段,如不能有效地控制其显微结构 产品的形状及尺寸 等 目前 国外,尤其 日本对 陶瓷纤 维及 晶须增强 金属 复合 材料 的研 究极为重 视,其研究 主

29、要集 中于碳 化硅 及氨 化硅;多孔 陶瓷 由于具有 特殊 的结 构,所 以引起 了各 界 的 重视;陶瓷 与 陶瓷或 陶瓷与 其它 材 料复 合(陶瓷纤 维增强 陶瓷,陶瓷 纤维增 强金属)问题也 是现 阶段 的研 究 重点;在 非氮 化物 陶瓷 中,目前 国外 研究 材 海 上 趁 前景 和突破机会 我 国是世 界上经济 发展最快 的发展 中国家,发 展潜 力也 最大,这 必将 为无 机材 料 的发展 和应用 提供越来 越多 的机会 同时无 机材料产 业具有 高技术含量,也往往需要较多的劳动力,具有技术密 集 和劳动密集 的特征,十分适 合我 国的 国 清 如果我 们 能够把 握 住机 会

30、,加强 材料 基 础理论 研究,加 快先 进无 机材料高 技术 的开 发与应 用,必 将使我 国先进无 机 材料 的 高技术 产业 获得 更 大 更好 地发 展,为 国民 经 济做 出更大 贡献 如果 能抓住 当前 国家经济发展 和 国外产业转移 的机会,积 极开 拓政府 与 民间的投人 渠 道,针 对关 键 问题进 行集 中攻关 和科 技创 新,整个 高 翔 三,年 0 二 O 最多的是陶瓷发动机,高压热交换器及陶瓷刀具等;随着 生物 化 学,生物 医学 这些新 兴 学科 的发 展,生物 陶瓷 的开发研 究也变得越 来越重要 目前全球各类高性能陶瓷材料及其产品的市场 销售 总额每 年达 数百亿 美 元p a g e 6,年增长 率达 8%,结 构 陶 瓷 占销售额 的 3%左右 在发 达 国家,由于政府对 陶 0 瓷材 料研 究 的持续支持 与大企业 积极参 与,加上 工业 基础 好,陶瓷产 业 的市场 规模成 长很快 我 国政府支 性能陶瓷的高技术研究与产业化将迎来前所未有的 兴旺1p a g e 7