新型陶瓷

劉冬 徐淑瓊

【摘 要】對最新的較成熟的多孔陶瓷、透明陶瓷、柔性陶瓷以及碳納米陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了分析對比，展望了未來發(fā)展的趨勢。

【關(guān)鍵詞】陶瓷材料;碳納米;柔性陶瓷;多孔陶瓷

中圖分類號： TQ174.65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0157-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.075

【Abstract】The latest more mature porous ceramics， transparent ceramics， flexible ceramics and carbon nano-ceramic matrix composites are analyzed and compared， and the future development trend is prospected.

【Key words】Ceramic materials; Carbon nano; Flexible ceramics; Porous ceramics

0 概述

先進(jìn)陶瓷使用了人工合成的高純度的無機(jī)化合物作為原料，具有優(yōu)異的光學(xué)性能、耐高溫性能、機(jī)械性能以及優(yōu)異的化學(xué)性能，也稱做高性能陶瓷，精細(xì)陶瓷以及高技術(shù)陶瓷。現(xiàn)代先進(jìn)陶瓷不僅具有熔點高、強(qiáng)度大、耐磨損腐蝕等的基本屬性，還具有抗壓抗剪能力好，抗氧化性能好，絕緣，超導(dǎo)等一系列優(yōu)點。本文以多孔陶瓷，透明陶瓷，柔性陶瓷以及碳納米陶瓷基復(fù)合材料為核心，進(jìn)行了分析對比，展望了未來發(fā)展的趨勢。

分析對比其他陶瓷，針對其主要用途以及未來發(fā)展作出合理的假設(shè)推論。

1 我國陶瓷材料發(fā)展現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，材料學(xué)發(fā)展進(jìn)入了一個快速的時期。陶瓷材料的日趨完善及發(fā)展在很大程度上影響著整個工業(yè)大環(huán)境的發(fā)展，越來越多的國家對先進(jìn)陶瓷材料的研究投入了更多的經(jīng)費和人員力求創(chuàng)新突破。陶瓷材料的核心制備技術(shù)在很大程度上制約了我國工業(yè)的發(fā)展使得我們的一些設(shè)計理念很難完整的體現(xiàn)到實際生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)。所以加快發(fā)展我國的基礎(chǔ)研究，提高生產(chǎn)制備過程中的生產(chǎn)技術(shù)，完善生產(chǎn)工藝以此來促進(jìn)我國工藝的發(fā)展，提高國家國民經(jīng)濟(jì)實力。

在材料學(xué)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，美國，歐盟，日本，俄羅斯等工業(yè)強(qiáng)國在陶瓷材料方面分別取得了突破。美國將先進(jìn)陶瓷材料應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，加大對先進(jìn)材料與材料設(shè)備的研究經(jīng)費。歐盟主要占據(jù)的是新能源材料及發(fā)電設(shè)備中的陶瓷替代件的研究。日本則將注意力放在生活日常領(lǐng)域，日本的先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)化規(guī)模大，有效地降低了成本，產(chǎn)品的穩(wěn)定性也首屈一指。俄羅斯將先進(jìn)陶瓷材料主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備和其他的一些老牌傳統(tǒng)工程領(lǐng)域。而我國由于起步較晚，先天條件較美國，日本等工業(yè)強(qiáng)國差，但21世紀(jì)以來，我國的先進(jìn)材料的發(fā)展受到了國家的重點關(guān)注，在國家的大力支持下，我國在1995年到2015年期間，陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速的發(fā)展期，產(chǎn)能在2007年超越美國居于全球第一位。

2 四種新型陶瓷

2.1 納米陶瓷

陶瓷基復(fù)合材料使用納米級的顆粒或者纖維與基體相結(jié)合，創(chuàng)新而成的新型陶瓷材料。這種新型的復(fù)合而成的陶瓷材料使得材料的有效提高了陶瓷材料韌性，使之具有良好的超塑性和切削加工性。陶瓷基的基體可以是SiC，Si3N4等，用具有高強(qiáng)度的和彈性大的顆粒或者是纖維與陶瓷基體進(jìn)行合成的話可以顯著提高陶瓷材料的韌性。我們通過物理或化學(xué)方面的方法制備得到分子結(jié)構(gòu)為納米級的粉體，而后通過燒結(jié)的方式使粉體之間沒有空隙，形成致密的結(jié)構(gòu)。主要的方法為物理法和化學(xué)氣相沉淀法，水熱法，溶膠凝膠法等。

納米晶粒增韌的強(qiáng)化途徑則是通過納米化，改善其韌性。納米陶瓷制備及試驗的重點大致在以下的幾個方面：研制更加效率的催化劑，完善制造工藝降低成本;控制化學(xué)反應(yīng)的過程，實現(xiàn)兩者之間的相容。

2.2 透明陶瓷

陶瓷材料的分子結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)無法完全被去除，分子與分子之間也是有孔隙度的，所以其內(nèi)部廣泛分布著形狀尺寸不一的氣泡。雜質(zhì)和氣泡能對光進(jìn)行吸收和散射，因此陶瓷材料都是不透明的。陶瓷不透明的主要原因有氣孔率，分子與分子之間的致密度以及在生產(chǎn)過程中所使用的一些添加劑等等。而減少雜質(zhì)和氣泡是透明陶瓷制備的基本原理，也就是降低內(nèi)部光的折射率和提高光的透過率。

透明陶瓷具備陶瓷固有的熔點高、強(qiáng)度大、耐磨損腐蝕等特點，且同時具備良好的光學(xué)性能。制備透明陶瓷材料及方法主要有氟化鈣透明陶瓷，鋁鎂尖晶石超高壓下制備透明陶瓷，YAG激光透明陶瓷，Y2O3基透明陶瓷，高透過率的ALON陶瓷以及非傳統(tǒng)的超高壓燒結(jié)方式制備透明陶瓷材料等等。隨著透明陶瓷研究的更深層次的發(fā)掘，制備技術(shù)的成熟完善，各種先進(jìn)設(shè)備的快速投入，制備氟化物透明陶瓷材料又開始受到研究者們的重視。

2.3 柔性陶瓷

柔性陶瓷是納米科技與化學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，它具有形狀記憶功能，也就類似于工程上所說的它所產(chǎn)生的變形時彈性變形，在去除力的作用后能恢復(fù)原狀的功能，大大提高了陶瓷材料的韌性。使陶瓷具有形狀記憶的功能，這是從柔性陶瓷制備生產(chǎn)的角度而言的。研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷形狀記憶的關(guān)鍵就在于盡量減小陶瓷內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)。讓分子結(jié)構(gòu)變小的基本原理：先造出極小的顆粒，使顆粒填滿整個結(jié)構(gòu)，抹平晶粒之間的邊界以消除破碎和裂縫現(xiàn)象。研究人員最終發(fā)現(xiàn)他們通過上述方式做出的陶瓷樣本只有百分之一能夠具有形狀功能而不發(fā)生破碎，而樣本并不能隨心所欲的憑著我們想要的形狀去彎曲變形，只有材料的一部分，百分之七能發(fā)生彎曲變形。

目前國際上對于柔性的定義并沒有做出明確的規(guī)范，到底用什么來衡量其柔性的大小？現(xiàn)在所謂的柔性陶瓷只是一個籠統(tǒng)的概念。我國對于新型陶瓷的研究還需更一步的發(fā)展。

2.4 多孔材料

多孔陶瓷的內(nèi)部存在互通或閉合的且大小不同，分布不均的氣孔，就多孔材料而言，它的孔隙率可達(dá)70%-80%，這些氣孔的存在使得多孔材料在電性能，機(jī)械性能，高溫性能方面表現(xiàn)不俗應(yīng)用領(lǐng)域也較為寬泛。多孔陶瓷材料的氣孔率高，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有發(fā)達(dá)的比表面積，良好的極佳抗熱沖擊性使得它可用作超高溫應(yīng)用領(lǐng)域防隔熱一體化的器件。多孔陶瓷材料的研究過程中目前所存在的問題：缺乏市場需求量;一些制備工藝尚不成熟、應(yīng)用領(lǐng)域尚不明確，制備技術(shù)以及成本方面未能得到控制的問題。因此我們需要結(jié)合其他先進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)如3D打印技術(shù)，激光技術(shù)，人工智能過程控制等等來減少加工成本，完善加工工藝以滿足應(yīng)用需求。而3D打印技術(shù)最新的科研成果更是推出了激光掃描打印，以及4D打印的一個概念，并得到了驗證，為材料學(xué)的發(fā)展提供了更為廣闊的前景。

3 結(jié)語

陶瓷材料從日常生活中的使用逐漸走向工廠實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用于化工以及國防科技，由此可見陶瓷材料不僅是在我們的生活中作為一種觀賞性的物質(zhì)，它現(xiàn)在的發(fā)展與進(jìn)步都是人類在歷史上邁出的一大步。但在新型陶瓷的制作工藝上，如何將顆粒的大小限制在納米級成為我們在之后的研究中需要克服的難點。如何使得制備納米陶瓷的工藝更加簡便，提高陶瓷材料的制作工藝的同時，又能控制成本實現(xiàn)對陶瓷材料性能的改善成為未來陶瓷的發(fā)展趨勢以及未來的研究中心，而3D打印技術(shù)能將多孔陶瓷的制備生產(chǎn)推進(jìn)一大步，使得人們能精確控制氣孔的分布，大小等等。陶瓷工業(yè)數(shù)字化，與打印技術(shù)密切相關(guān)的陶瓷數(shù)碼噴墨技術(shù)等等一系列技術(shù)的發(fā)展需要我們更加深入的研究和探索。而材料學(xué)未來的發(fā)展勢必與現(xiàn)在的智能化，信息化技術(shù)的發(fā)展休戚相關(guān)，正是這些以及即將出現(xiàn)的更加完善的技術(shù)將會引領(lǐng)材料學(xué)的發(fā)展，對我國對全人類的未來做出更偉大的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊金山，黃凱，游瀟，董紹明.3D打印三維石墨烯及其高性能陶瓷基復(fù)合材料[J].中國材料進(jìn)展，2018，37（08）：590-596.

[2]盧帥，周有福，蘇明毅，王光強(qiáng)，蒙釗.透明AlON陶瓷的研究進(jìn)展與展望[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2017，38（02）：85-95.

[3]張強(qiáng)宏.，納米陶瓷的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2017，第46卷（5）：215-223.

[4]劉作冬，賈夢盈，劉嫻，井強(qiáng)山，劉鵬，李威威，宋京紅.Er，Yb：CaF_2透明陶瓷的制備及其性能研究[J].硅酸鹽通報，2018，37（08）：2417-2422.

[5]劉寶成，廉兵杰，曹碧輝，方健君，徐科，馬勝軍.柔性陶瓷重防腐涂料的研制及性能研究[J].涂料工業(yè)，2018，48（09）：29-33.

[6]徐曉燕，趙永武，等.碳納米管增強(qiáng)膠黏陶瓷涂層的制備及性能表征BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY，第36卷第10期2017年10月.