先进材料导论论文
（先进结构陶瓷材料）
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先进结构陶瓷材料
摘
要 随着现代高新技术的发展，先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分，成为许多高技术领域发展的重要关键材料，备受各工业发达国家的极大关注，其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步。先进陶瓷是“采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷”。功能陶瓷在先进陶瓷中约占 70%的市场份额，其余为结构陶瓷。由于先进陶瓷各种功能的不断发现，在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益明显，其市场容量将不断提升。本文介绍先进结构陶瓷材料当前的发展背景，互联网和高新技术发展时代下陶瓷材料的发展前景。
关键词
先进结构陶瓷 高新技术 功能陶瓷
1、 研究背景 目前，全球范围内先进陶瓷技术快速进步、应用领域拓宽及市场稳定增长的发展趋势明显。随着现代高新技术的发展，先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分，成为许多高技术领域发展的重要关键材料，备受各工业发达国家的极大关注，其发展在很大程度上也影响着其他工业的发展和进步。【1】
由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济的各个领域。先进陶瓷的发展是国民经济新的增长点，其研究、应用、开发状况是体现一个国家国民经济综合实力的重要标志之一。
先进陶瓷是“采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷”。
2、 国内外研究现状及发展趋势、国外研究发展情况 先进结构陶瓷材料的研究，需要跟踪国际科技前沿，对新设想、新技术进行广泛探索。自蔓延高温燃烧合成技术(SHS)、凝胶注模成形技术、微观结构设计已成为研究热点。
美国和日本在先进陶瓷的研制与应用领域居于领先地位。美国国家航空和宇航局（NASA）则在结构陶瓷的开发和加工技术方面正实施大规模的研究与发展计划，重点对航空发动机、民用热机中的关键闭环实现陶瓷替代，同时对纳米陶瓷涂层、生物医学陶瓷和光电陶瓷的研究、产业化进行资助。美国的“脆性材料设计”等 10 大计划；美国联邦计划“先进材料与材料设备”中每年用于材料研究与工程费高达 20 亿～25 亿美元，以提高其国际上的竞争力。
日本先进陶瓷以其先进的制造设备，优良的产品稳定性逐步成为国际市场的引导者，特别是功能陶瓷领域包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等逐步垄断国际市场。
300kW 陶瓷燃气轮机研制计划。此外，欧盟各国，特别是德国、法国在结构陶瓷领域进行了重点研究，主要集中在发电装备、新能源材料和发动机中的陶瓷器件等领域。欧盟包括德、法、英等国家也采取了一些发展新材料的相应措施，如“尤里卡计划”等。
美国陶瓷工业部门的统计数字显示，美国、日本、欧盟的先进陶瓷市场年平均增长率为 12%，其中欧盟先进陶瓷市场总值年平均增长率达 15%～18%；美国先进陶瓷市场总值年平均增长率 9.9%；日本精细陶瓷协会对日本先进陶瓷市场进行了预测，其年平均增长率为 7.2%。目前先进陶瓷最大市场在日本和美国，
其次是欧盟。
20 世纪 80 年代到 90 年代初，许多现代陶瓷理论和工艺在精细陶瓷的制备中得到应用。利用和金属材料的相变理论、仿生学等学科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高，研制的纤维补强复相陶瓷，陶瓷基复合材料的韧性得到较大提高，通过仿生学在精细陶瓷制备工艺中得到应用，层状材料得到较大发展。
聚合物裂解转化、化学气相沉（渗）积、溶胶工艺的采用，使得特种纤维的制造、连续纤维复合材料制备技术快速发展。纳米技术在陶瓷中的应用使材料性能发生根本性变化，使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的烧结温度大大降低。
进入 21 世纪，功能陶瓷的研究也得到了国家和各科研院所的高度重视。从1995—2015 年我国先进陶瓷产值及预测可以看出，我国先进陶瓷产业进入了快速发展期，预计到 2015 年产值可达到 450 亿元。精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧结技术、低成本规模化制备技术，陶瓷加工系统等领域不断打破国外垄断和技术封锁。
例如凝胶注模工艺生产的大尺寸熔融石英陶瓷方坩埚打破了美国赛瑞丹、日本东芝和法国维苏威 3 大公司的技术垄断，在 2007 年率先实现国产化，通过近5 年的不断发展，已经形成 110～1100mm 系列产品，产能居于全球第 1 位。【2】
陶瓷材料的许多独特性能有待我们去开发，所以先进陶瓷的发展潜力很大。随着科技的发展和人们对陶瓷研究的深入，先进陶瓷将在新材料领域占有重要的地位。
3、 但是，国内先进陶瓷总体水平与美国、日本和德国相比还存在一定的差距。主要表现在 3 个方面：
3.1 技术及新产品工程转化极度匮乏 世界上开发了 200 多种陶瓷材料及 2000 多种应用产品。虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。
3.2 高端粉体制备及分散技术远远落后 我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。例如：高纯氧化铝粉，日本企业 99.99%氧化铝粉烧结温度只需 1300℃，而国内需要到 1600℃以上；高纯氮化硅粉仍受到日本 UBE 和德国 H.C.Stark 的限制，国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动。
同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。
3.3
制造装备加工技术落后
虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。
我国在“十二五”科技发展规划中明确指出大力发展新型功能与智能材料、先进结构与复合材料、纳米材料、新型电子功能材料、高温合金材料等关键基础材料。实施高性能纤维及复合材料、先进稀土材料等科技产业化工程。掌握新材料的设计、制备加工、高效利用、安全服役、低成本循环再利用等关键技术，提高关键材料的供给能力，抢占新材料应用技术和高端制造制高点。
对先进陶瓷主要应用领域新能源、电子信息、环境保护、高端机械制造等同样提出了规划要求，将进一步推动我国先进陶瓷向规模化、应用化、高端化发展。
4、 发展前景 在对先进结构陶瓷材料的前景展望的时候，应该先了解这种陶瓷材料是用什么成型技术烧结而成的。利用先进的成型技术才能够得到出各个领域所需要的先进陶瓷材料。首先先进陶瓷成型方法种类繁多，除了传统的干压成型、注浆成型之外，根据陶瓷粉体的特性和产品的制备要求，发展出多种成型方法。总的来说可以归纳为 4 类：干法压制成型、塑性成型、浆料成型和固体无模成型，【3】
其中每一类成形又可细分为不同成形方法。还有先进陶瓷的烧结技术其中有热压烧结、气压烧结、放电等离子烧结、微波烧结技术等等。之后还要进行对烧结得到的陶瓷材料进行精密加工，先进陶瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大。由于陶瓷加工性能差，加工难度大，稍有不慎就可能产生裂纹或者破坏，因此不断开发高效率、高质量、低成本的陶瓷材料精密加工技术已经成为国内外陶瓷领域的热点。传统的陶瓷加工技术主要体现在机械加工，包括陶瓷磨削、研磨和抛光。近 20年来，电火花加工、超声波加工、激光加工和化学加工等加工技术逐步在陶瓷加工中应用。
在陶瓷材料发展的过程中从传统的烧结手段到现在使用的注凝成型技术、放电等离子烧结技术，为满足市场的应用和科研的需要，都对成型、烧结、加工技术都有了大跨步的技术升级。国内的陶瓷发展体系不断扩展，技术手段不断提高，也从单反面的军事、航空领域拓展到了电子产业、环境等其他领域。同时也从单一陶瓷性质到功能一体化陶瓷材料的发展。其中陶瓷材料最为重要的一点——增韧技术的研究是突破先进陶瓷应用局限性的关键之一，强韧化技术将实现先进陶瓷应用翻天覆地的变化。降低生产成本也是一项突破局限的关键因素。结合“十三五”规划的要求和工业发展的要求，能源转化载体的储能陶瓷、在环境保护中
作用突出的过滤陶瓷（膜）等功能——结构一体化陶瓷、以 Si3N4 为代表综合性能优良的结构陶瓷、以 AlON（氮氧化铝）【 4 】
透明陶瓷为代表的光电陶瓷将成为应用、研究的主力。
当今先进陶瓷材料的发展不再局限于传统技术，而更多的是与现代信息、自动化技术、不同材料的结合而形成新的技术科学。面对挑战，抓住机遇迎接陶瓷发展的新时代。
参考文献 【1】《中国大百科全书》总编委会．中国大百科全书（第二版）：中国大百科全书出版社，2009 【2】资料来源：中国国工程院、中国科学院《我国建筑材料发展现状及迈入新世纪的咨询报告》1995—2015 年我国先进陶瓷产值及预测 【3】黄勇, 李建保, 谢志鹏, et al. 先进陶瓷材料成型技术的现状与发展趋势[C]// 94"全国结构陶瓷、功能陶瓷、金属/陶瓷封接学术会议. 0. 【4】陈凤. AlON 透明陶瓷的研究进展[J]. 湖北理工学院学报, 2019(3):58-62.