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我国特种陶瓷发展依然任重道远

www.xmzfan.com点击次数:更新时间:2012-09-01【打印】【关闭】

  谈到特种陶瓷,华南理工大学材料学院的饶平根教授绝对是一个够资格的专业人士。他自1988年参加工作起就一直从事高性能陶瓷及超细粉体等方面的研究和开发工作,作为主要成员先后参与并完成了国家重大攻关项目、国家863项目、国家基金及省部级项目共20余项,并主持完成了多个省级科技项目、产学研项目。

  特种陶瓷作为一种新材料,近十几年来得到了迅速的发展,现代科学技术和社会生产力的发展,迫切要求研制与发展高温、高强、高韧、耐磨并具有特殊性能的新材料,使得特种陶瓷在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。

  日前,记者一行人怀揣着关于特种陶瓷发展状况的一些问题,来到华南理工大学拜访饶教授。拜访之时,饶教授刚忙完一个关于清洁生产项目的鉴定验收,为了接待记者一行,饶教授匆匆赶回办公室,稍稍喘了口气,就滔滔不绝地向我们讲述目前特种陶瓷的发展情况。

  现状:三大瓶颈制约特种陶瓷发展

  饶教授介绍,目前在中国,生产特种陶瓷的企业比较多,分布散,不像建陶企业集中度那么高,特陶没有形成一个个生产基地。虽然如此,我国对特种陶瓷的需求仍然比较大,其主要应用于现代冶金、机械工程、信息技术、航天航空、动力工程、核能技术、生物医学、环境保护、军事工程等技术领域,这就要求材料有更长的工作寿命,更高的使用温度,更能承受各种残酷的环境。

  然而,当前国内特种陶瓷遇到了一些发展上的瓶颈,一是原料,饶教授告诉记者,目前各种高端原料都在日本,特种陶瓷的原料不像建筑陶瓷那样,在周边地区就可以采集,特种陶瓷对于原料的纯度和烧结活性要求高,因为这会影响特陶质量的稳定性;另一个发展瓶颈是技术,原料可以依靠国外进口,但最主要的还是技术,我国的特陶生产技术水平及总体实力与美国、日本相比,差距比较大,特别在实际应用、生产水平和工业化程度上仍然与发达国家相差甚远;还有一个发展瓶颈是设备问题,氧化物陶瓷对烧结设备的要求不是很高,但非氧化物如碳化物、硼化物、硅化物等材料对烧结设备要求很高,使用的设备大都依靠国外进口,而且烧结设备非常昂贵。饶教授补充道,国产设备一直都在发展之中,但是高端设备只能从国外进口。

  “我给你看样东西,你就知道我们和国外的技术水平相差有多少。”说完,饶教授便从书柜里拿出一个“宝盒”,里面装着各类特陶样板,他在其中挑出一块氧化铝小圆板向记者介绍,“不要小看这块氧化铝,这是我1998年刚到日本的时候,我的日本老板告诉我,现在日本有家公司生产的氧化铝粉的纯度可高达99.99%,但烧结温度只需1300℃。当时我感到十分惊讶!随后几天就用该氧化铝粉压制和烧结了几个小圆板,烧结性能果然如此。一般来说,氧化铝纯度越高,烧结温度就越高,而我国生产的氧化铝纯度仅为99.5%,但烧结温度还需要1600~1700℃。与此同时,该日本氧化铝,其抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度、冲蚀磨损率均比国产氧化铝的要好得多。目前世界上能生产出这样的氧化铝粉的企业,就只有日本这一家公司。”

  目前,由于国家陆续出台促进产业转型升级的政策,一些财力雄厚的建陶企业也产生向特种陶瓷这些新材料转型的想法,饶教授表示:“这些企业并不缺钱,但如果要将特种陶瓷产业化,我们的技术力量还是比较薄弱,特种陶瓷不像建筑陶瓷一样,买了设备也就有了技术,特种陶瓷对技术要求比较高,像金刚的辊棒,从80年代开始,经过这么多年的研发,才做到如今的‘世界老大’。”这也说明,特种陶瓷与建筑陶瓷、日用陶瓷不同的是,其进入门槛高,体现在技术要求高、资金需求多,与此同时,它的附加值也会比较高。

  前景:克服陶瓷脆性,扩大特陶应用范围

  虽然特种陶瓷有高弹性模量、高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点,但其断裂韧性低,属于脆性材料,所以特种陶瓷在应用上的主要障碍是脆性、可靠性和加工成本。

  饶教授解释,脆性是陶瓷的特征,也是陶瓷的致命弱点,它间接地反映在陶瓷较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度骤变性,直观地表现在一旦受到临界的外加负荷,陶瓷的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。而断裂韧性是衡量材料脆性的指标,是材料固有的性能,是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量。

  “作为最常用的工程材料之一的氧化铝陶瓷,其断裂韧性只有一般的铸铁材料的1/6左右,抗弯强度也仅仅为350MPa左右,因此,克服陶瓷材料的脆性,提高陶瓷材料的强度,达到材料的强化和韧化是进一步扩大其应用范围的关键。”

  那么如何克服陶瓷材料断裂韧性低这一固有的性能呢?饶教授介绍:“目前可以通过氧化锆相变增韧、纤维(或晶须)增强增韧、第二相颗粒弥散强化等途径来增韧和强化陶瓷,像日本Tosho公司的氧化锆复合氧化铝陶瓷,其抗弯强度可达2500MPa。”与此同时,饶教授还向我们展示了一块集金属、高分子、陶瓷三大材料于一身的多层复合材料,“多层复合材料汲取了各种材料的优点,即陶瓷的耐磨、耐高温、高分子较好的弹塑性和金属良好的韧性,这也使得该材料在更高、更严酷的环境下仍可保持优良的综合性能。然而,这块多层复合材料并没有根本解决陶瓷的脆性,只可以说,这块复合材料的断裂韧性和断裂功比较高。”

  饶教授认为,现在不管是建筑陶瓷还是日用陶瓷,都已经达到一种饱和的状态,一些建陶企业想要加快转型升级,考虑进军特种陶瓷领域,但由于国内特种陶瓷的技术仍有待加强,这类企业如果想成功转型,可通过加强产学研合作来实现。“国内高校与国外高校的特陶研究水平差距并不大,而且很多产学研项目都得到了国家的大力支持,尤其资金方面的支持力度比较大。”

  每当谈到我国特种陶瓷与国外水平上的差距,饶教授总有一股紧迫感,他认为,特种陶瓷目前还存在成本高的现状,力学性能、可靠性和稳定性还需要进一步改善等问题,这也是制约特种陶瓷大规模产业化的重要瓶颈,高性能、低成本、高可靠性陶瓷材料的设计和制备方法的研究显得尤为重要,任重道远。

关键词:特种陶瓷,陶瓷,新材料

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