搶占高端制造制高點，先進(jìn)陶瓷材料還需掌握這5大殺手锏
編輯：轉(zhuǎn)自：材料科學(xué)與工程技術(shù)
發(fā)布時間：2023-10-27
說到先進(jìn)陶瓷目前的市場形勢，除了各材料行業(yè)都在極力靠攏的新能源領(lǐng)域外，軍工領(lǐng)域也是先進(jìn)陶瓷的一個非?；鸨氖袌?。提高國防能力在任何時代下都是一個國家的首要重點任務(wù)之一，而提高國防能力首先就要從裝備的升級開始。因此，作為軍工裝備的關(guān)鍵材料之一，先進(jìn)陶瓷材料的發(fā)展也得到了強(qiáng)有力的驅(qū)動。
一、先進(jìn)陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分陶瓷是以粘土為主要原料，并與其他天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品，是陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以粘土等無機(jī)非金屬礦物為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)混煉、成形、煅燒而制成的各種制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物，因 此它與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)同屬于“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。
廣義上的陶瓷材料指的是除有機(jī)和金屬材料以外的其他所有材料，即無機(jī)非金屬材料。陶瓷制品的品種繁多，它們之間的化學(xué)成分、礦物組成、物理性質(zhì)，以及制 造方法，常常互相接近交錯，無明顯的界限，而在應(yīng)用上卻有很大的區(qū)別。因此，很難硬性地把它們歸納為幾個系統(tǒng)，詳細(xì)的分類法也說法不一，到現(xiàn)在國際上還沒有一個統(tǒng)一的分類方法。按陶瓷的制備技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域分類，可分為傳統(tǒng)陶瓷材料和先進(jìn)陶瓷材料。
傳統(tǒng)陶瓷：傳統(tǒng)意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物為原料，經(jīng)過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所制得的各種制品，通常會被稱為"普通陶瓷 "或傳統(tǒng)陶瓷，例如日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷。
先進(jìn)陶瓷：按化學(xué)成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學(xué)特性等特點，主要包括絕緣和介質(zhì)陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導(dǎo)體及其敏感陶瓷等；結(jié)構(gòu)陶瓷主要基于材料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)用途，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點。
功能陶瓷在先進(jìn)陶瓷中約占70%的市場份額，其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。陶瓷材料的軍工應(yīng)用則主要集中在結(jié)構(gòu)材料及電子器件方面：1. 用于航空發(fā)動機(jī)及飛機(jī)剎車盤對于航空發(fā)動機(jī)來說，提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣甙l(fā)動機(jī)推力的主要技術(shù)途徑，但是目前的渦輪前燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)逐步接近高溫合金自身的熔點，溫度上升空間很小，因此需要有替代材料。陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫特性，可用于熱端構(gòu)件。研究表明陶瓷基復(fù)合材料可將渦輪前燃?xì)鉁囟仍诂F(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高300K以上。同時陶瓷基復(fù)合材料密度小，有利于發(fā)動機(jī)減重。隨著民用航空業(yè)對提高燃油效率的不斷追求，通用航空GE預(yù)計在今后十年陶瓷基復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用將增長十倍。碳陶剎車盤與上一代剎車盤相比，靜摩擦系數(shù)提高1-2倍，濕態(tài)摩擦性能衰減降低60%以上，磨損率降低50%以上，使用壽命提高1-2倍。生產(chǎn)周期降低2/3，生產(chǎn)成本降低1/3，能耗降低2/3，性價比提高2-3倍。是目前國際上發(fā)現(xiàn)唯一能在1500℃高溫環(huán)境下，各項物理性能不發(fā)生衰減的材料。推廣應(yīng)用后，每年可為中國民航客機(jī)節(jié)約成本3億元左右。
3. 用于火箭發(fā)動機(jī)熱結(jié)構(gòu)件陶瓷基復(fù)合材料可用于火箭發(fā)動機(jī)中。由于陶瓷基復(fù)合材料耐熱沖擊性高，對液體推進(jìn)劑化學(xué)穩(wěn)定性高，比金屬材料耐高溫，具有較高的抗蠕變性，是一種理想的液體火箭發(fā)動機(jī)熱結(jié)構(gòu)件材料。4. 用于航天飛行器和導(dǎo)彈的熱防護(hù)材料航天飛行器在進(jìn)入大氣的過程中，由于強(qiáng)烈的氣動加熱，飛行器的頭錐和機(jī)翼前緣的溫度高達(dá)1650℃，熱防護(hù)系統(tǒng)是航天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一。第一代熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計是采用放熱-結(jié)構(gòu)分開的思想，即冷卻結(jié)構(gòu)外部加放熱系統(tǒng)。C/SiC復(fù)合材料的發(fā)展，使飛行器的承載結(jié)構(gòu)和放熱一體化。尤其是哥倫比亞號熱防護(hù)系統(tǒng)失效造成的機(jī)毀人亡事件后，使C/SiC陶瓷基復(fù)合材料更受關(guān)注。在熱結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)件中包括航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的鼻錐、導(dǎo)翼、機(jī)翼和蓋板等。衛(wèi)星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數(shù)CTE低、高導(dǎo)熱性以及適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度、可設(shè)計性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此，國內(nèi)外都正在研究C/SiC復(fù)合材料反射鏡，該復(fù)合材料密度較低，剛度高，在低溫下熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱性能良好，熱性能和力學(xué)性能都比較理想，而且可以得到極好的表面拋光，是一種十分理想的衛(wèi)星反射鏡基座材料。美國、俄羅斯、德國、加拿大等利用碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。6. 陶瓷材料及陶瓷基復(fù)合材料會被用在裝甲中如防彈衣、戰(zhàn)機(jī)和裝甲車的防護(hù)層等。防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成，防彈層可吸收彈頭或彈片的動能，對低速彈頭或彈片有明顯的防護(hù)效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷基復(fù)合材料可以用于制造堅固的抗擊打的盔甲板。我國是世界上三大的防彈衣生產(chǎn)國，在國際市場上，我國防彈衣價格大約500美元左右，而其他國家的防彈衣價格在800美元左右，在制造成本方面我國存在優(yōu)勢。一些軍用直升機(jī)均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統(tǒng)等部件在內(nèi)的陶瓷裝甲系統(tǒng)。此外，陶瓷基復(fù)合材料還應(yīng)用在陸軍的裝甲戰(zhàn)車上，如斯特瑞克中型裝甲車。軍用陶瓷電容器需求旺盛。電子陶瓷除了在民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，隨著武器裝備信息化的加速，如陶瓷電容器這類電子陶瓷在軍工領(lǐng)域的需求不斷增大，尤其是片式多層瓷介電容器（MLCC，市占率超過90%），而軍用市場對電容器質(zhì)量要求較高，中國軍用陶瓷電容器市場規(guī)模常年保持10%以上的增長。
國內(nèi)的先進(jìn)陶瓷體系不斷拓展，制備技術(shù)不斷豐富與進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域也從單一的軍事、航空航天推廣到環(huán)保、新能源、電子信息等更為廣泛的民用市場，陶瓷材料也從結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷向結(jié)構(gòu)——功能一體化發(fā)展。針對目前國內(nèi)先進(jìn)陶瓷現(xiàn)狀，仍需從幾個方面進(jìn)行重點研究開發(fā)：
- 陶瓷技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計需要匹配應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)陶瓷的發(fā)展要求，能夠?qū)π麦w系、新產(chǎn)品、新應(yīng)用和批量化轉(zhuǎn)化提供技術(shù)保障
- 陶瓷粉體技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化，要打破高端粉體仍受國外制約的現(xiàn)狀，滿足陶瓷材料發(fā)展的基本需要
- 增韌技術(shù)的研究是突破先進(jìn)陶瓷應(yīng)用局限性的關(guān)鍵之一，強(qiáng)韌化技術(shù)將實現(xiàn)先進(jìn)陶瓷應(yīng)用翻天覆地的變化
- 降低先進(jìn)陶瓷生產(chǎn)成本是突破先進(jìn)陶瓷應(yīng)用局限性的另一個關(guān)鍵因素，特別是大批量化生產(chǎn)制備技術(shù)、生產(chǎn)裝備的精密制造技術(shù)、陶瓷精密加工技術(shù)的發(fā)展將決定成本降低的能力
- 注射成型、注凝成型和固體無模成型技術(shù)將成為最具批量化應(yīng)用潛力的成型技術(shù)，微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)技術(shù)將會給陶瓷材料性能帶來質(zhì)的飛躍
結(jié)合“十三五”規(guī)劃的要求和工業(yè)發(fā)展的要求，能源轉(zhuǎn)化載體的儲能陶瓷、在環(huán)境保護(hù)中作用突出的過濾陶瓷（膜）等功能——結(jié)構(gòu)一體化陶瓷、以氮化硅為代表綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷、以AlON透明陶瓷為代表的光電陶瓷將成為應(yīng)用、研究的主力。當(dāng)今先進(jìn)陶瓷材料的發(fā)展不再局限于傳統(tǒng)技術(shù)，而更多的是與現(xiàn)代信息、自動化技術(shù)、不同材料的結(jié)合而形成新的技術(shù)科學(xué)（計算材料科學(xué)、功能-結(jié)構(gòu)一體化等），先進(jìn)陶瓷發(fā)展的新時代即將到來。
