先进陶瓷的发展与技术创新
时间：2020-03-18 05:14:28 来源：千叶帆 本文已影响人
打开文本图片集
摘 要：先进陶瓷有着比普通陶瓷更优异的性能，也不同于金属材料和有机材料，在多个行业领域发挥出越来越重要的作用，市场的需求促进了先进陶瓷的快速发展与技术创新。本文从国内外实际工业应用的角度简述了近年来先进陶瓷某些领域的发展和部分已得到实际应用的创新技术。
关键词：先进陶瓷；技术创新；发展；结构陶瓷
1 前言
先进陶瓷（Advanced Ceramics）是欧美国家的称呼；在日本，则习惯称为精细陶瓷（Fine Ceramics）；在中国，有多种叫法，如特种陶瓷（其中还包括功能陶瓷，或电子陶瓷）、结构陶瓷、工程技术陶瓷、高温陶瓷等。主要是指比普通硅酸盐陶瓷有更高机械力学性能，更优良的热学、电学性能的陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等。这些陶瓷在生产过程中，往往需要高纯的原料，高烧成温度，甚至高压，气氛烧结等。产品则具有更高的强度、耐更高使用温度、耐磨、耐腐蚀等性能。因此可以应用在很多苛刻的工况环境下，起到用其它材料难以胜任的作用，推动各行业技术的进步。
近年来，新材料一直是我国和许多国家的重点研发方向，在轻、重工业以及国防、航天等领域有着广泛的应用，国家、省、市各有关部门每年都重点支持新材料项目。但是，与欧美、日本等发达国家相比，我国的先进陶瓷产业除少数达到甚至超过国外同行外，总体上是明显落后于发达国家的水平。本文对国内外先进陶瓷发展的几个侧重点进行说明，并列出最近出现的几种新技术，以供了解参考。
2 原料及原料加工
2.1 原料的系列化
原料的供应越来越专业化、系列化，具有更高性能、更高品质的原料不断出现，为高性能的陶瓷制备打下基础。
德国Nabaltec公司是一个世界范围的合成原材料生产商，产品分类非常细致，不同用途、不同类别有不同的注册商标；同一种商标下又有许多种牌号供用户选择。例如氧化铝原料商标名称，如表1所示。
对于干压粉，依照氧化铝含量的不同，又有多种规格，如含量92%、95%、96%、98%、99.6%、99.7%等。同样的含量，又有多种粒度、多种烧成温度的选择，分得非常细。配方粉中除了干压粉外，还有一类无粘结剂的合成粉，也有不同氧化铝含量的分级，各种规格的产品均有详细的参数、性能数据及使用要求，方便客户选用。
河北鹏达（pengda）新材料有限公司生产系列化的高纯氧化铝、氧化锆等原料，其中提供99.999%的高纯氧化铝可作为蓝宝石单晶生长用途，99.99%的高纯氧化铝适于用作制备高压钠灯、透明陶瓷等用途。另有一个系列的氧化铝含量为95%、99%、99.5%、99.7%、99.95%、 99.99%的产品，包括原粉、干压粉和抛光粉，产品系列化、专业化。
日本UBE工业公司的高纯氮化硅粉品种齐全，采用化学法生产，有标准级的E系列产品和高纯级产品。其α相达到95wt%以上，清晰的SEM图像（如图1所示）显示氮化硅圆柱形的粒子粒度均匀，分散良好。不同规格的产品烧结后有不同的力学性质，如相对密度、抗弯强度、维氏硬度以及微观形貌，利于用户选择制作高质量的相关产品。
韩国Juson Tech公司提供高纯建卫陶瓷原料，如用于建卫陶瓷、日用陶瓷等行业的标准化的石英、长石、酸洗高白砂等。不仅有多种型号，每种型号有详细的成份、粒度、白度、吸油性、pH值等理化性质和建议的用途，有生产过程介绍和主要生产工艺说明，为用户提供了尽量多的信息。
2.2 原料加工新技术
瑞典PowderPro公司开发了冷冻造粒技术（Freeze Granulation），可造粒出纳米粉体，在液相中易重新分散，干压时可解团聚。并提供多款型号的冷冻造粒设备供选择。其工艺过程示意如图2所示。
3 先进的设备和配件得到不断发展和提高，利于生产高性能的产品
德国MUT Advanced Heating 公司是其中一个高质量热处理元件和设备的供应商，有不同温度、不同气氛的各种加热炉设备，如各种电炉、石墨炉、钼丝炉、钨发热炉等，种类非常齐全，可应用于硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、高纯金属、合金、PIM/MIM/CIM工艺、原材料加工等众多领域，各种加热炉专业化、系列化。法国的SAINT-GoBain（圣戈班）则可提供各种高级窑具材料。如SiC质快速烧成窑具；异形棚板；梭式窑用的各种承重支架、梁、板等；SiC辊棒；隧道窑使用的各种窑具配件。可以提供整体的解决方案，如设计整体的节能窑车，配套的窑具系统等。意大利的TAV-Vacuum Furnaces 公司专业为先进陶瓷提供各种系列化的真空炉，使用温度1600～2500 ℃，真空度可达10-4～10-6 mbar。
Kanthal是Sandvik旗下的一个从事加热技术的品牌，其SiC加热元件热端可至3500 mm，达到更长、更轻、更有效的目的，如图3所示。发热元件材料内部孔结构更封闭，减少有害物质的渗入。稳定性、重复性好，循环使用寿命更长。
4 产品技术方面
4.1 高纯氧化铝、氧化锆材料越来越系列化，氧化铝与氧化锆两种组分相互掺加进行增强增韧的材料很多，得到多种不同改性的材料。
西班牙Nanoker公司Keratec品牌主要是先进技术陶瓷产品。如高纯氧化铝、氧化锆等，包括含量96%、 99.7%、99.9%的氧化铝，Y-TZP、 Y-PSZ、 Mg-PSZ、Y-FSZ等，还有ZTA产品，品种齐全多样。部分产品应用放电等离子体技术快速烧结，缩短了生产周期。
德国Klager公司采用注射成型技术生产96%～99%含量的氧化铝产品，多种色彩的氧化锆制品，另有ATZ、ZTA等多种氧化物陶瓷，应用于激光切割头，食品加工，咖啡磨轮，高压清洗喷嘴等。
德国Ferotec公司生产品种齐全的工业精细陶瓷，如96%～99.99%纯度的氧化铝，包括96%、 99.7%、 99.8%、 99.9%、 99.99%等不同纯度。另有氮化硅、碳化硅、氮化铝、氧化锆等一系列材质可以生产。
韩国Fine Ceramics Orient公司专业生产96%、 99.7%氧化铝，Y-氧化锆，碳化硅，氮化硅系列工程技术陶瓷产品，用于电器、半导体、结构陶瓷工业。
国内的宁波国泰陶瓷有限公司也有一系列的95%、 97% 、99%、 99.5%、 99.8%氧化铝瓷，另有Y-氧化锆、氮化硅、碳化硅、堇青石陶瓷，应用于点火器、坩埚、基板等。
4.2 可以制造出大件甚至超大件先进陶瓷产品
韩国Mirae ceratec公司有品种繁多的氧化铝、氧化锆等产品，生产的99.7%氧化铝陶瓷大尺寸可做到3000 mm×500 mm×30 mm板状和Φ500 mm×40 mm环状，管状产品可做到Φ320 mm×Φ1350 mm×1100 mm。
德国FCT公司生产的SSIC化学工业反应器尺寸可达Φ700 mm，长度为1900 mm，如图4所示。氧化锆元件直径、长度可达350 mm。成型的生坯尺寸可达Φ900 mm，长度可达2500 mm，烧结温度可至2400 ℃。
斯洛文尼亚的Avt OG公司专业生产管状陶瓷产品，用于各种工业保护管和绝缘、绝热用途，氧化铝含量为62%、95%、99.7%，吸水率为0%，长度可达2100 mm，直径2～50 mm。
4.3 加工精度越来越高，可以在小尺寸的精细陶瓷体上加工出非常复杂的形状，精度达到微米级，平面度、圆度、球形度等公差最高甚至可达到亚微米级。
瑞士Banger公司生产先进陶瓷的精密元件，高质量标准，氧化铝、氧化锆、ATZ/ZTA，氮化硅、碳化硅、碳化钨、碳化钛等。可做出高精度的复杂形状，如用于医疗行业的氧化锆元件，可加工出M1.6内螺纹，0.02 mm公差，圆度要求0.001 mm的氧化锆柱塞，陶瓷与金属装配的外径公差要求±0.001 mm，即1 μm。
荷兰Formatec ceramics生产的先进陶瓷产品，可在2 mm×2 mm表面加工出64个125 μm的孔，公差仅为2 μm，另可加工器型异常复杂的元件。
法国High Tech陶瓷公司，可精加工各种高技术陶瓷，尺寸范围Φ0.5～400 mm，长度可至1000 mm，进一步可精密加工Φ0.2～50 mm，公差0.5 μm，球形度0.25 μm。
上海泛联科技股份有限公司，也是一个专业的先进陶瓷制造商，生产系列化的氮化硅轴承球，Φ0.4～150 mm，级别G5～G60，采用GPS气压烧结和HIP热等静压烧结。同时，也生产精密尺寸的氧化锆球和99.5%氧化铝球，ZTA球，碳化硅球，用于各种轴承，拥有自有专利的球加工技术，用于化学、半导体、泵、阀、食品、电子、医药、真空等行业；也加工各种工业工程陶瓷。
4.4 成型工艺方面，采用注射成型技术大量生产精细陶瓷，并且发展出微注射成型工艺，一次成型出更精密更细致的产品。
韩国MID公司采用陶瓷注射成型技术（CIM）生产氧化铝、氧化锆产品，其注射氧化锆的颜色就有几十种，产品应用于手表壳、链、带，剪发器的切割工具，工业零件，各种彩色装饰品等。
德国Arburg公司拥有完善的粉末注射成型技术（PIM），可用于金属和陶瓷元件的低成本大量生产。工艺流程大致为：
粉末、粘结剂→造粒→成型→排胶→烧结→加工
提供注射成型设备以及无缺陷的模具加工方式。部分产品如图5所示。
瑞士Small Precision Tools公司（SPT），以手表起家，核心技术为精密加工，也采用陶瓷注射成型工艺（CIM），做出高质量的精细陶瓷产品，应用于半导体、医疗等行业，如半导体芯片的连线工具。同时开发出精细陶瓷的微注射成型工艺，在普通设计的基础上更精细，更多修改、修饰。如图6所示生产的用于药物流量控制的精细陶瓷喷嘴，在复杂外形上，加工出Φ0.05 mm的孔。
匈牙利Ceramdisc公司是一个技术陶瓷生产商，拥有陶瓷注射成型（CIM）技术，陶瓷研磨抛光工艺，高精度加工工艺等。品种繁多，用于绝热器件、自动化工业、热容器、泵、轴、阀、密封件等，使用范围非常广泛。
4.5 易加工陶瓷
易加工陶瓷得到推广应用，有白色和灰色两种，除硬度远低于氧化铝、氧化锆等陶瓷外，其它机械力学性能、热性能、电性能良好，非常容易加工，可广泛应用于不需要耐磨的高温、耐腐蚀、密封、绝缘、装配等方面。
美国Precision Ceramics公司开发出了一个系列的易加工陶瓷，有白色的玻璃陶瓷，也有同时具有高热导率和高机械强度的白色、灰色易加工陶瓷。用普通硬度的常用工具设备就可以轻易加工到非常精细的程度。
德国Ferotec公司开发了一系列的易加工陶瓷，吸水率为0%，密度仅为2.5～3.5 g/cm3，维氏硬度低至2～4 GPa，仅为氧化铝的1/5左右，非常易于加工，但抗弯强度高达300～500 MPa，同时具有低热膨胀系数、高热导率，及优异的电绝缘性能。有白、灰两种颜色，可钻孔至Φ0.03 mm圆孔，0.07 mm方孔，可刻出宽0.05 mm的窄缝，用于各种精密装配的场合，如图7所示。
法国Corning公司开发出Macor品牌的工业应用易加工白色玻璃陶瓷，吸水率为0%，密度为2.52 g/cm3，抗弯强度超过90 MPa，但硬度仅2.5 GPa，非常易于加工，其热、电性能优良。部分产品如图8所示。（下转第29页）
4.6透明氧化铝窑具
荷兰Philips Ceramics Uden公司使用高纯的氧化铝原料生产透明的窑具产品，如透明氧化铝匣钵，透明坩埚，透明氧化铝垫板，透明氧化铝保护管等，如图9所示。可使用至1800 ℃，具有更高承载能力，热辐射更有效，热阻力小，温场更均匀，高纯无污染，无气孔，无吸附，适用所有气氛。
5 结语
需求是发展和创新的动力，各行各业对陶瓷产品越来越高的性能要求推动了先进陶瓷的不断发展。从原料、设备、成型、烧结到加工，相关陶瓷领域产生的技术进步又促进了应用行业的技术革新，推动了各行业整体的发展。
相关热词搜索：技术创新，陶瓷，先进，发展，
