從陶到瓷,從金屬陶瓷到納米陶瓷刀具談科技創新

摘 要:陶瓷的發展史折射出科技進步對人類文明有著極大推進作用，納米陶瓷刀具革命更說明了科技創新將具劃時代的意義，納米復合陶瓷刀具的創新必將促進高速切削領域的新革命。

關鍵詞:陶瓷材料刀具納米

中圖分類號:TG113文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0011-01

陶瓷的發展經歷了一個漫長的歷史時期，從最初的陶器發展到瓷器，從傳統陶瓷到先進陶瓷，可以說是人類文明發展的一個縮影，是人類的需求和科技進步使然。從陶器發展到瓷器是人類對陶瓷制備技術逐漸認知的過程;從傳統陶瓷到近代先進陶瓷則是工業革命和科學技術進步的產物。而現代為了滿足特殊要求的高性能陶瓷，則更加離不開科學技術的進步。

1 陶瓷發展的科技進步史

八千年前，人類在火堆中把用黏土做的器皿燒制成堅硬的陶器。陶器的出現使人類社會生產力產生了一次飛躍。隨著金屬冶煉技術的發展，人類發明的釉。陶器最終發展到了瓷器，這是陶瓷發展史的一個里程碑。這一過程經歷了六千多年。

陶器、瓷器的發展極大地豐富了人類生產、生活的需要。然而，從傳統陶瓷發展到先進陶瓷，其間又經歷了近兩千年的歷史。直到二十世紀四、五十年代，隨著電子工業的迅速發展和宇宙開發、原子能工業的興起，以及激光技術、傳感技術、光電技術等新技術的出現，對陶瓷材料提出了很高的要求。迫使人們從原料、成形和燒結工藝上進行改進和創新。從而，實現了傳統陶瓷到先進陶瓷的飛躍。

經過半個多世紀的發展，同其它領域一樣，先進陶瓷也將迎接納米時代的到來。陶瓷的發展正面臨著第三次飛躍。即從微米向納米陶瓷發展、向結構功能一體化和多功能發展、向陶瓷基復合材料發展。陶瓷的發展歷史，又一次向人們揭示了“科學技術是生產力”的道理。當代科學技術的進步已使科學技術成為了“第一生產力”。

2 金屬陶瓷到納米陶瓷刀具革命

在陶瓷材料中，金屬陶瓷刀具更是科技進步和工業革命的結晶。在現代化加工過程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術，而現代科學技術和生產的發展越來越多地采用超堅硬、難加工的材料，使刀具的性能成為決定性的因素之一。陶瓷刀具則以其優異的耐熱性、耐磨性和化學穩定性，在高速切削領域和難加工材料方面顯示出傳統刀具無法比擬的優勢。新型陶瓷刀具由于有很高的硬度(HRA93～95)，可加工硬度高達HRC65的各類難加工材料，從而避免了退火加工所消耗的電能和時間，工件硬度提高，設備壽命延長。陶瓷刀具是現代結構陶瓷在材料加工中的一個重要應用。雖然陶瓷刀具有著硬質合金無法比擬的優點，但其缺點是抗彎強度偏低，且脆性較大(即斷裂韌性低)。微米陶瓷刀片材料的出現，雖使陶瓷刀具材料的性能有所提高，但始終存在一個瓶頸。

1987年，德國的Karch等[1]人首次報道了他們研制的納米陶瓷具有高的韌性與低溫超塑性。比如:平板試件彎曲180℃而不發生裂紋擴展。這些研究成果第一次向世界展示了納米陶瓷潛在的優異性能。英國著名科學家Kahn在《自然》雜志上撰文說:“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑”。納米材料問世以來，幾乎滲透到各個學科和各個工程技術領域，引起了世界性的開發熱潮，大有掀起第三次產業革命之勢。

納米材料從根本上改變了材料的結構，為克服材料科學研究領域中長期未能解決的問題開辟了新途徑。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優點。納米陶瓷刀具的開發為進一步提高陶瓷刀具的性能帶來了希望。

3 納米復合陶瓷刀具的進展

作為刀片的材料，Ti(C，N)基金屬陶瓷是以TiC、TiN硬質相顆粒為主體，添加少量WC、TaC、NbC、HfC、VC、AlN等添加劑中的一種或幾種，并以Ni、Mo或Co作粘結劑，通過粉末冶金方法制備的新型顆粒復合硬質材料。國外，Ti(C，N)基金屬陶瓷的大量研究始于二十世紀七十年代以后。關于Ti(C，N)基金屬陶瓷制備技術方面的專利不斷出現，Ti(C，N)基金屬陶瓷產品的市場占有額也逐年增加[2]。

此外，其他體系納米金屬陶瓷的研究也有報道，例如美國Rutgers大學的Mc Candlish和Kear[3]提出了用噴霧方法制備納米結構WC/Co粉末，并獲得了專利。隨著超細粉末制備技術的飛速發展，人們可以用多種方法，如溶膠－凝膠法、微乳液法、CVD法、自蔓延合成、原位生成法、液相分散包裹法等先進的工藝手段制備單相粉末或直接制成納米－微米復合陶瓷材料，為納米復合陶瓷刀具的研究、發展和應用提供了良好的基礎。

據有關文獻報道，納米復合陶瓷材料的常規力學性能、蠕變強度和高溫性能都有大幅度提高。研究還表明:納米第二相在一定范圍內增加，復合陶瓷的斷裂韌性、斷裂強度、硬度及高溫性能均隨之會不同程度的提高。

國內，復合納米陶瓷材料的研究起步較晚，但已有多個課題組積極開展了納米復合陶瓷刀具研究開發工作。2005年“納米TiN、AlN改性TiC基金屬陶瓷刀具制造技術”，已通過鑒定。據《硅酸鹽通報》科技信息欄報道[5]，這標志著我國利用納米材料研制的新型金屬陶瓷刀具問世。這一納米TiN改性TiC基金屬陶瓷刀具具有優良的力學性能，是一種高技術含量、高附加值的新型刀具。

4 結語

新型的陶瓷刀具具有其它刀具材料所無法比擬的優勢，高性能陶瓷基納米復合材料亦為新型陶瓷刀具的開發奠定了基礎。納米改性、納米復合及超細晶粒陶瓷刀片材料的研究與開發將是今后刀具材料發展的主要方向。納米材料在刀具運用中還急需解決幾個問題:納米材料與基體的相容性以及刀具與工件材料的相容性問題;納米材料的制備和添加納米材料的分散性問題;納米復合陶瓷刀具材料的晶型結構控制問題等等。新型陶瓷刀具材料的使用，必將促進高效機床及高速切削技術的發展，促進綠色加工技術的發展，同時，這些技術的發展又將對新型的陶瓷刀具材料提出更高、更新的要求。從陶瓷的發展，從陶瓷刀片到金屬陶瓷刀片，再到納米復合陶瓷刀片的科技進步，無不體現了馬克思唯物辯證法的偉大。一個小小的刀片再一次向人們印證了馬克思主義思想的普遍性和正確性。他將繼續指導我們在科學的未知領域探索和實踐。

參考文獻

[1]高濂，李蔚.納米陶瓷[M].北京:化學工業出版社，2002.6.

[2] 納米氮化鈦陶瓷刀具研制成功.硅酸鹽通報[J].2005.