先進陶瓷的發展與技術創新

周耀

（佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山　528000）

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先進陶瓷的發展與技術創新

周耀

（佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山528000）

先進陶瓷有著比普通陶瓷更優異的性能，也不同于金屬材料和有機材料，在多個行業領域發揮出越來越重要的作用，市場的需求促進了先進陶瓷的快速發展與技術創新。本文從國內外實際工業應用的角度簡述了近年來先進陶瓷某些領域的發展和部分已得到實際應用的創新技術。

先進陶瓷；技術創新；發展；結構陶瓷

1　前言

先進陶瓷（Advanced Ceramics）是歐美國家的稱呼；在日本，則習慣稱為精細陶瓷（Fine Ceramics）；在中國，有多種叫法，如特種陶瓷（其中還包括功能陶瓷，或電子陶瓷）、結構陶瓷、工程技術陶瓷、高溫陶瓷等。主要是指比普通硅酸鹽陶瓷有更高機械力學性能，更優良的熱學、電學性能的陶瓷材料，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等。這些陶瓷在生產過程中，往往需要高純的原料，高燒成溫度，甚至高壓，氣氛燒結等。產品則具有更高的強度、耐更高使用溫度、耐磨、耐腐蝕等性能。因此可以應用在很多苛刻的工況環境下，起到用其它材料難以勝任的作用，推動各行業技術的進步。

近年來，新材料一直是我國和許多國家的重點研發方向，在輕、重工業以及國防、航天等領域有著廣泛的應用，國家、省、市各有關部門每年都重點支持新材料項目。但是，與歐美、日本等發達國家相比，我國的先進陶瓷產業除少數達到甚至超過國外同行外，總體上是明顯落后于發達國家的水平。本文對國內外先進陶瓷發展的幾個側重點進行說明，并列出最近出現的幾種新技術，以供了解參考。

2　原料及原料加工

2.1原料的系列化

原料的供應越來越專業化、系列化，具有更高性能、更高品質的原料不斷出現，為高性能的陶瓷制備打下基礎。

德國Nabaltec公司是一個世界范圍的合成原材料生產商，產品分類非常細致，不同用途、不同類別有不同的注冊商標；同一種商標下又有許多種牌號供用戶選擇。例如氧化鋁原料商標名稱，如表1所示。

表1　氧化鋁商標名稱

對于干壓粉，依照氧化鋁含量的不同，又有多種規格，如含量92%、95%、96%、98%、99.6%、99.7%等。同樣的含量，又有多種粒度、多種燒成溫度的選擇，分得非常細。配方粉中除了干壓粉外，還有一類無粘結劑的合成粉，也有不同氧化鋁含量的分級，各種規格的產品均有詳細的參數、性能數據及使用要求，方便客戶選用。

河北鵬達（pengda）新材料有限公司生產系列化的高純氧化鋁、氧化鋯等原料，其中提供99.999%的高純氧化鋁可作為藍寶石單晶生長用途，99.99%的高純氧化鋁適于用作制備高壓鈉燈、透明陶瓷等用途。另有一個系列的氧化鋁含量為95%、99%、99.5%、99.7%、99.95%、99.99%的產品，包括原粉、干壓粉和拋光粉，產品系列化、專業化。

日本UBE工業公司的高純氮化硅粉品種齊全，采用化學法生產，有標準級的E系列產品和高純級產品。其α相達到95wt%以上，清晰的SEM圖像（如圖1所示）顯示氮化硅圓柱形的粒子粒度均勻，分散良好。不同規格的產品燒結后有不同的力學性質，如相對密度、抗彎強度、維氏硬度以及微觀形貌，利于用戶選擇制作高質量的相關產品。

圖1　化學法氮化硅粉體SEM圖像（×5000）

韓國Juson Tech公司提供高純建衛陶瓷原料，如用于建衛陶瓷、日用陶瓷等行業的標準化的石英、長石、酸洗高白砂等。不僅有多種型號，每種型號有詳細的成份、粒度、白度、吸油性、pH值等理化性質和建議的用途，有生產過程介紹和主要生產工藝說明，為用戶提供了盡量多的信息。

2.2原料加工新技術

瑞典PowderPro公司開發了冷凍造粒技術（Freeze Granulation），可造粒出納米粉體，在液相中易重新分散，干壓時可解團聚。并提供多款型號的冷凍造粒設備供選擇。其工藝過程示意如圖2所示。

3　先進的設備和配件得到不斷發展和提高，利于生產高性能的產品

圖2　冷凍造粒工藝過程示意圖

德國MUT Advanced Heating公司是其中一個高質量熱處理元件和設備的供應商，有不同溫度、不同氣氛的各種加熱爐設備，如各種電爐、石墨爐、鉬絲爐、鎢發熱爐等，種類非常齊全，可應用于硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、高純金屬、合金、PIM/MIM/CIM工藝、原材料加工等眾多領域，各種加熱爐專業化、系列化。法國的SAINT-GoBain（圣戈班）則可提供各種高級窯具材料。如SiC質快速燒成窯具；異形棚板；梭式窯用的各種承重支架、梁、板等；SiC輥棒；隧道窯使用的各種窯具配件?？梢蕴峁┱w的解決方案，如設計整體的節能窯車，配套的窯具系統等。意大利的TAV-Vacuum Furnaces公司專業為先進陶瓷提供各種系列化的真空爐，使用溫度1600～2500℃，真空度可達10-4～10-6mbar。

Kanthal是Sandvik旗下的一個從事加熱技術的品牌，其SiC加熱元件熱端可至3500 mm，達到更長、更輕、更有效的目的，如圖3所示。發熱元件材料內部孔結構更封閉，減少有害物質的滲入。穩定性、重復性好，循環使用壽命更長。

圖3　超長和異形SiC發熱元件

4　產品技術方面

4.1高純氧化鋁、氧化鋯材料越來越系列化，氧化鋁與氧化鋯兩種組分相互摻加進行增強增韌的材料很多，得到多種不同改性的材料。

西班牙Nanoker公司Keratec品牌主要是先進技術陶瓷產品。如高純氧化鋁、氧化鋯等，包括含量96%、99.7%、99.9%的氧化鋁，Y-TZP、Y-PSZ、Mg-PSZ、Y-FSZ等，還有ZTA產品，品種齊全多樣。部分產品應用放電等離子體技術快速燒結，縮短了生產周期。

德國Klager公司采用注射成型技術生產96%～99%含量的氧化鋁產品，多種色彩的氧化鋯制品，另有ATZ、ZTA等多種氧化物陶瓷，應用于激光切割頭，食品加工，咖啡磨輪，高壓清洗噴嘴等。

德國Ferotec公司生產品種齊全的工業精細陶瓷，如96%～99.99%純度的氧化鋁，包括96%、99.7%、99.8%、99.9%、99.99%等不同純度。另有氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鋯等一系列材質可以生產。

韓國 Fine Ceramics Orient公司專業生產 96%、99.7%氧化鋁，Y-氧化鋯，碳化硅，氮化硅系列工程技術陶瓷產品，用于電器、半導體、結構陶瓷工業。

國內的寧波國泰陶瓷有限公司也有一系列的95%、97%、99%、99.5%、99.8%氧化鋁瓷，另有Y-氧化鋯、氮化硅、碳化硅、堇青石陶瓷，應用于點火器、坩堝、基板等。

4.2可以制造出大件甚至超大件先進陶瓷產品

韓國Mirae ceratec公司有品種繁多的氧化鋁、氧化鋯等產品，生產的99.7%氧化鋁陶瓷大尺寸可做到3000 mm×500 mm×30 mm板狀和Φ500 mm×40 mm環狀，管狀產品可做到Φ320 mm×Φ1350 mm×1100 mm。

德國FCT公司生產的SSIC化學工業反應器尺寸可達Φ700 mm，長度為1900 mm，如圖4所示。氧化鋯元件直徑、長度可達350 mm。成型的生坯尺寸可達Φ900 mm，長度可達2500 mm，燒結溫度可至2400℃。

圖4　大型陶瓷反應器

斯洛文尼亞的Avt OG公司專業生產管狀陶瓷產品，用于各種工業保護管和絕緣、絕熱用途，氧化鋁含量為62%、95%、99.7%，吸水率為0%，長度可達2100 mm，直徑2～50 mm。

4.3加工精度越來越高，可以在小尺寸的精細陶瓷體上加工出非常復雜的形狀，精度達到微米級，平面度、圓度、球形度等公差最高甚至可達到亞微米級。

瑞士Banger公司生產先進陶瓷的精密元件，高質量標準，氧化鋁、氧化鋯、ATZ/ZTA，氮化硅、碳化硅、碳化鎢、碳化鈦等?？勺龀龈呔鹊膹碗s形狀，如用于醫療行業的氧化鋯元件，可加工出M1.6內螺紋，0.02 mm公差，圓度要求0.001 mm的氧化鋯柱塞，陶瓷與金屬裝配的外徑公差要求±0.001 mm，即1 μm。

荷蘭Formatec ceramics生產的先進陶瓷產品，可在2 mm×2 mm表面加工出64個125 μm的孔，公差僅為2 μm，另可加工器型異常復雜的元件。

法國High Tech陶瓷公司，可精加工各種高技術陶瓷，尺寸范圍Φ0.5～400 mm，長度可至1000 mm，進一步可精密加工Φ0.2～50 mm，公差0.5 μm，球形度0.25 μm。

上海泛聯科技股份有限公司，也是一個專業的先進陶瓷制造商，生產系列化的氮化硅軸承球，Φ0.4～150 mm，級別G5～G60，采用GPS氣壓燒結和HIP熱等靜壓燒結。同時，也生產精密尺寸的氧化鋯球和99.5%氧化鋁球，ZTA球，碳化硅球，用于各種軸承，擁有自有專利的球加工技術，用于化學、半導體、泵、閥、食品、電子、醫藥、真空等行業；也加工各種工業工程陶瓷。

4.4成型工藝方面，采用注射成型技術大量生產精細陶瓷，并且發展出微注射成型工藝，一次成型出更精密更細致的產品。

韓國MID公司采用陶瓷注射成型技術（CIM）生產氧化鋁、氧化鋯產品，其注射氧化鋯的顏色就有幾十種，產品應用于手表殼、鏈、帶，剪發器的切割工具，工業零件，各種彩色裝飾品等。

德國 Arburg公司擁有完善的粉末注射成型技術（PIM），可用于金屬和陶瓷元件的低成本大量生產。工藝流程大致為：

粉末、粘結劑→造粒→成型→排膠→燒結→加工

提供注射成型設備以及無缺陷的模具加工方式。部分產品如圖5所示。

瑞士Small Precision Tools公司（SPT），以手表起家，核心技術為精密加工，也采用陶瓷注射成型工藝（CIM），做出高質量的精細陶瓷產品，應用于半導體、醫療等行業，如半導體芯片的連線工具。同時開發出精細陶瓷的微注射成型工藝，在普通設計的基礎上更精細，更多修改、修飾。如圖6所示生產的用于藥物流量控制的精細陶瓷噴嘴，在復雜外形上，加工出Φ0.05 mm的孔。

匈牙利Ceramdisc公司是一個技術陶瓷生產商，擁有陶瓷注射成型（CIM）技術，陶瓷研磨拋光工藝，高精度加工工藝等。品種繁多，用于絕熱器件、自動化工業、熱容器、泵、軸、閥、密封件等，使用范圍非常廣泛。

圖5　微注射成型精細陶瓷

圖6　微孔加工精細陶瓷噴嘴

圖7　精密尺寸易加工陶瓷

圖8　白色易加工玻璃陶瓷

圖9?。╝）透明氧化鋁匣缽

圖9?。╞）透明氧化鋁保護管等制品

4.5易加工陶瓷

易加工陶瓷得到推廣應用，有白色和灰色兩種，除硬度遠低于氧化鋁、氧化鋯等陶瓷外，其它機械力學性能、熱性能、電性能良好，非常容易加工，可廣泛應用于不需要耐磨的高溫、耐腐蝕、密封、絕緣、裝配等方面。

美國Precision Ceramics公司開發出了一個系列的易加工陶瓷，有白色的玻璃陶瓷，也有同時具有高熱導率和高機械強度的白色、灰色易加工陶瓷。用普通硬度的常用工具設備就可以輕易加工到非常精細的程度。

德國Ferotec公司開發了一系列的易加工陶瓷，吸水率為0%，密度僅為2.5～3.5 g/cm3，維氏硬度低至2～4 GPa，僅為氧化鋁的1/5左右，非常易于加工，但抗彎強度高達300～500 MPa，同時具有低熱膨脹系數、高熱導率，及優異的電絕緣性能。有白、灰兩種顏色，可鉆孔至Φ0.03 mm圓孔，0.07 mm方孔，可刻出寬0.05 mm的窄縫，用于各種精密裝配的場合，如圖7所示。

法國Corning公司開發出Macor品牌的工業應用易加工白色玻璃陶瓷，吸水率為0%，密度為2.52 g/cm3，抗彎強度超過90 MPa，但硬度僅2.5 GPa，非常易于加工，其熱、電性能優良。部分產品如圖8所示。

4.6透明氧化鋁窯具

荷蘭Philips Ceramics Uden公司使用高純的氧化鋁原料生產透明的窯具產品，如透明氧化鋁匣缽，透明坩堝，透明氧化鋁墊板，透明氧化鋁保護管等，如圖9所示?？墒褂弥?800℃，具有更高承載能力，熱輻射更有效，熱阻力小，溫場更均勻，高純無污染，無氣孔，無吸附，適用所有氣氛。

5　結語

需求是發展和創新的動力，各行各業對陶瓷產品越來越高的性能要求推動了先進陶瓷的不斷發展。從原料、設備、成型、燒結到加工，相關陶瓷領域產生的技術進步又促進了應用行業的技術革新，推動了各行業整體的發展。