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先進陶瓷材料研究現狀及發(fā)展趨勢

文章出處:網責任編輯:胡尊芳作者:人氣:-發(fā)表時間:2017-02-09 10:22:00【

  隨著現代高新技術的發(fā)展,先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,成為許多高技術領域發(fā)展的重要關鍵材料,備受各工業(yè)發(fā)達國家的極大關注,其發(fā)展在很大程度上也影響著其他工業(yè)的發(fā)展和進步。由于先進陶瓷特定的精細結構和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、聲光、超導、生物相容等一系列優(yōu)良性能,被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫(yī)學等國民經濟的各個領域。先進陶瓷的發(fā)展是國民經濟新的增長點,其研究、應用、開發(fā)狀況是體現一個國家國民經濟綜合實力的重要標志之一。
  先進陶瓷是“采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學組成,按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計,并且有優(yōu)異特性的陶瓷”。按其特性和用途,可分為2大類:結構陶瓷和功能陶瓷。結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性;結構陶瓷大致分為氧化物系、非氧化物系和結構用陶瓷基復合材料。功能陶瓷是指具有電、磁、光、聲、超導、化學、生物等特性,且具有相互轉化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。
  由于先進陶瓷各種功能的不斷發(fā)現,在微電子工業(yè)、通訊產業(yè)、自動化控制和未來智能化技術等方面作為支撐材料的地位將日益明顯,其市場容量將不斷提升。
一、國內外研究現狀及發(fā)展趨勢
1.國外研究發(fā)展情況
目前,全球范圍內先進陶瓷技術快速進步、應用領域拓寬及市場穩(wěn)定增長的發(fā)展趨勢明顯。
美國和日本在先進陶瓷的研制與應用領域居于領先地位。美國國家航空和宇航局(NASA)則在結構陶瓷的開發(fā)和加工技術方面正實施大規(guī)模的研究與發(fā)展計劃,重點對航空發(fā)動機、民用熱機中的關鍵閉環(huán)實現陶瓷替代,同時對納米陶瓷涂層、生物醫(yī)學陶瓷和光電陶瓷的研究、產業(yè)化進行資助。美國的“脆性材料設計”等10大計劃;美國聯邦計劃“先進材料與材料設備”中每年用于材料研究與工程費高達20億~25億美元,以提高其國際上的競爭力。日本先進陶瓷以其先進的制造設備,優(yōu)良的產品穩(wěn)定性逐步成為國際市場的引導者,特別是功能陶瓷領域包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等逐步壟斷國際市場。日本通產省精細陶瓷研究與開發(fā)的“月光計劃”;
  300kW陶瓷燃氣輪機研制計劃。此外,歐盟各國,特別是德國、法國在結構陶瓷領域進行了重點研究,主要集中在發(fā)電裝備、新能源材料和發(fā)動機中的陶瓷器件等領域。歐盟包括德、法、英等國家也采取了一些發(fā)展新材料的相應措施,如“尤里卡計劃”等。美國陶瓷工業(yè)部門的統(tǒng)計數字顯示,美國、日本、歐盟的先進陶瓷市場年平均增長率為12%,其中歐盟先進陶瓷市場總值年平均增長率達15%~18%;美國先進陶瓷市場總值年平均增長率9.9%;日本精細陶瓷協(xié)會對日本先進陶瓷市場進行了預測,其年平均增長率為7.2%。目前先進陶瓷更大市場在日本和美國,其次是歐盟。
2.國內研究發(fā)展情況
20世紀80年代到90年代初,許多現代陶瓷理論和工藝在精細陶瓷的制備中得到應用。利用和金屬材料的相變理論、仿生學等學科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纖維補強復相陶瓷,陶瓷基復合材料的韌性得到較大提高,通過仿生學在精細陶瓷制備工藝中得到應用,層狀材料得到較大發(fā)展。聚合物裂解轉化、化學氣相沉(滲)積、溶膠工藝的采用,使得特種纖維的制造、連續(xù)纖維復合材料制備技術快速發(fā)展。納米技術在陶瓷中的應用使材料性能發(fā)生根本性變化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結溫度大大降低。
  進入21世紀,功能陶瓷的研究也得到了國家和各科研院所的高度重視。從1995—2015年我國先進陶瓷產值及預測(圖1)可以看出,我國先進陶瓷產業(yè)進入了快速發(fā)展期,預計到2015年產值可達到450億元。精密小尺寸產品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結技術、低成本規(guī)?;苽浼夹g,陶瓷加工系統(tǒng)等領域不斷打破國外壟斷和技術封鎖。例如凝膠注模工藝生產的大尺寸熔融石英陶瓷方坩堝打破了美國賽瑞丹、日本東芝和法國維蘇威3大公司的技術壟斷,在2007年率先實現國產化,通過近5年的不斷發(fā)展,已經形成110~1100mm系列產品(圖2),產能居于全球第1位
  但是,國內先進陶瓷總體水平與美國、日本和德國相比還存在一定的差距。主要表現在3個方面:
1.技術及新產品工程轉化極度匱乏
世界上開發(fā)了200多種陶瓷材料及2000多種應用產品。雖然我國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驗室樣品上,有的產品由于成本高及可靠性等問題,市場還不能接受,所以產品的銷售額與發(fā)達國家相比相差甚遠。
2.高端粉體制備及分散技術遠遠落后
我國對陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視,多種陶瓷粉料尚無專業(yè)化生產企業(yè),許多企業(yè)不得不“自產自銷”。例如:高純氧化鋁粉,日本企業(yè)99.99%氧化鋁粉燒結溫度只需1300℃,而國內需要到1600℃以上;高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國H.C.Stark的限制,國內企業(yè)在粉料質量上仍存在較大的波動。同時,粉體的高效分散技術也存在較大差距。
3.制造裝備加工技術落后
雖然我國引進了國外先進的工藝裝備,像氣壓燒結爐、熱等靜壓、注射成型機、流延機等來提高我國的技術裝備水平,但因投資大,在經濟上給企業(yè)造成了很大壓力,從而限制了先進陶瓷的發(fā)展。而國內仿制設備因加工水平差距,可靠性和穩(wěn)定性暫時無法與國外產品相比。
  我國在“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、先進結構與復合材料、納米材料、新型電子功能材料、高溫合金材料等關鍵基礎材料。實施高性能纖維及復合材料、先進稀土材料等科技產業(yè)化工程。掌握新材料的設計、制備加工、高效利用、安全服役、低成本循環(huán)再利用等關鍵技術,提高關鍵材料的供給能力,搶占新材料應用技術和高端制造制高點。同時,對先進陶瓷主要應用領域新能源、電子信息、環(huán)境保護、高端機械制造等同樣提出了規(guī)劃要求,將進一步推動我國先進陶瓷向規(guī)?;?、應用化、高端化發(fā)展。
 

此文關鍵字:碳化硅陶瓷

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