（報(bào)告出品方/作者：華安證券，鄭小霞、鄧承佯）

1 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(cuò)，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(gè)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(gè)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(huì)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(diǎn)，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(diǎn)。

1.1 結(jié)構(gòu)陶瓷：極端環(huán)境領(lǐng)域最具潛質(zhì)的優(yōu)質(zhì)材料

結(jié)構(gòu)陶瓷憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能及熱學(xué)性能成為陶瓷材料的重要分支，約占整 個(gè)陶瓷市場的 30%左右。近二十年來，國家重大工程和尖端技術(shù)對陶瓷材料及其制備 技術(shù)也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)：例如航天工業(yè)火箭發(fā)射中液氫液氧渦輪泵用的氮 化硅陶瓷軸承在低溫極端條件下無滑狀態(tài)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，要求陶瓷抽承強(qiáng)度高、初性 好、耐磨損、表面加工精度高;核電站主泵用的大尺寸陶瓷密封環(huán)需要長壽命高可靠 性，特別是地球衛(wèi)星拍攝地面目標(biāo)的對地監(jiān)測使用的碳化硅陶瓷反射鏡，除了高彈 性模量、低熱膨脹系數(shù)和輕量化，要求高精度超鏡面和大尺寸，這對大尺寸結(jié)構(gòu)陶 瓷材料的成型技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)、加工技術(shù)都是一個(gè)挑戰(zhàn);而光通訊中的光纖連接器陶 瓷插芯，其內(nèi)孔為 125 微米，并且要求極高的表面光潔度與尺寸精度及同心度。

力學(xué)性能方面，高熔點(diǎn)及使用溫度范圍廣奠定了陶瓷材料在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的應(yīng)用 基礎(chǔ)。有機(jī)材料大多是分子鍵結(jié)合，金屬材料則以金屬鍵結(jié)合為主，陶瓷材料主要 以離子鍵及共價(jià)鍵結(jié)合，因而陶瓷材料熔點(diǎn)相較最高。同時(shí)陶瓷材料在承受載荷的 長期使用溫度也均穩(wěn)定在 1000℃以上，相較金屬材料中，當(dāng)前使用溫度最高的為高 溫合金，其使用溫度為 1200℃以下，承受載荷情況時(shí)使用溫度在 1000℃以上。

此外，高強(qiáng)度及耐磨性能使得陶瓷材料在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域選材中脫穎而出。相較有機(jī) 材料及金屬材料，在相同密度、比剛度及成本情況下，陶瓷材料的強(qiáng)度最強(qiáng)，因而決 定了陶瓷材料可以更好適用于更加苛刻的環(huán)境中，此外，經(jīng)中南工大粉末冶金研究 所測定，陶瓷材料耐磨性相當(dāng)于錳鋼的 266 倍，高鉻鑄鐵的 171.5 倍。

熱學(xué)性能方面，良好的導(dǎo)熱性能、熱膨脹性能及抗熱震性使得陶瓷材料在許多 應(yīng)用領(lǐng)域有著金屬等其它材料不可替代的地位。相比于有機(jī)材料，陶瓷材料及金屬 材料的導(dǎo)熱性能更好，但在高溫情況下，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)及熱應(yīng)力斷裂抵抗 因子低于金屬材料，意味著陶瓷材料在高溫情況下可以經(jīng)受住較大的熱沖擊，是極 端環(huán)境中最佳材料。

結(jié)構(gòu)陶瓷材料的致命弱點(diǎn)是脆性。目前結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究及開發(fā)已從原先傾 向于單相和高純度的特點(diǎn)向多相復(fù)合的發(fā)向發(fā)展，其中包括纖維（或者晶須）補(bǔ)強(qiáng) 的陶瓷基復(fù)合材料、自補(bǔ)強(qiáng)陶瓷材料及納米復(fù)相陶瓷等等，使得結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能 得到了極大的改觀。

1.1.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子結(jié)合以離子鍵為主，存在部分共價(jià)鍵，因此具有許多優(yōu) 良的性能。大部分氧化物具有很高的熔點(diǎn)，良好的電絕緣性能，特別是具有優(yōu)異的 化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，在工程領(lǐng)域已得到了較廣泛的應(yīng)用。按組分可分為單一氧 化物陶瓷（如氧化鋁、氧化鈹、二氧化鈦陶瓷等）及復(fù)合氧化物陶瓷（如尖晶石 MgO·Al2O3，莫來石 3Al2O3·2SiO2、鋯鈦酸鉛 PZT 陶瓷等）。

氧化鋁陶瓷：發(fā)展最早及應(yīng)用范圍最廣的結(jié)構(gòu)陶瓷

氧化鋁陶瓷制備方面，目前商用的方法有拜耳法、化學(xué)法、燒結(jié)片狀剛玉法及電 熔剛玉法，其中拜耳法應(yīng)用最為廣泛。拜耳法可制備得到純度為 99.5%的氧化鋁粉 末，但主要含有氧化鈉等雜質(zhì)，后化學(xué)法出現(xiàn)，可制備出 99.99%純度的氧化鋁高純 細(xì)粉。

應(yīng)用端，氧化鋁陶瓷目前可應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域耐磨器件、電力領(lǐng)域耐高溫絕緣結(jié) 構(gòu)件、半導(dǎo)體領(lǐng)域陶瓷基板等。

氧化鋯陶瓷：高性能結(jié)構(gòu)陶瓷，增韌是制備的關(guān)鍵

氧化鋯的傳統(tǒng)應(yīng)用主要是作為耐火材料、涂層和釉料等的原料，但是隨著對氧 化鋯陶瓷熱力學(xué)和電學(xué)性能的深入了解，使它有可能作為高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和固體電 介質(zhì)材料而獲得廣泛應(yīng)用。特別是隨著對氧化鋯相變過程深入了解， 在 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)了氧化鋯陶瓷增韌材料，使氧化鋯陶瓷材料的力學(xué)性能獲得了大幅度提高， 尤其是室溫韌性高居陶瓷材料榜首。

制備端，增韌是最核心的目標(biāo)，最常見的方式就是添加穩(wěn)定劑。二氧化鋯都是 由鋯砂和斜鋯石礦制得。鋯砂以硅酸鋯(ZrO2·SiO2)為主要成分，斜鋯石礦的主要成 分為 ZrO2，含有少量 SiO2、TiO2等雜質(zhì)。氧化鋯的制備以往全都以上述兩種天然礦 物為原料，而工程陶瓷用的易燒結(jié)性二氧化鋯微粉是以這兩種天然礦物制備的鋯鹽 為原料而制造的。氧化鉻有三種晶型：立方相(c)、四方相(t)和單斜相(m)。熱力學(xué) 觀點(diǎn)分析表明，純氧化鋯單斜相在 1170℃以下是穩(wěn)定的，超過此溫度轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵?溫度到達(dá) 2370℃則轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?，直?2680-2700℃發(fā)生熔化。整個(gè)相變過程可逆。 當(dāng)從高溫冷卻到四方相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于存在相變滯后現(xiàn)象，故大約要在 1050℃左 右，即偏低 100℃才由 t 相轉(zhuǎn)變成 m 相，稱之為馬氏體相變，與此同時(shí)相變會(huì)產(chǎn)生 5％-9％的體積膨脹，這一體積變化足以超過 ZrO2晶粒的彈性限度，從而導(dǎo)致材料開 裂。因此從熱力學(xué)和晶體相變過程來看制備純 ZrO2 材料幾乎是不可能的。為了避免 這一相變，可以來用二價(jià)氧化物(CaO，MgO，SrO)和稀土氧化物(Y2O3，CeO2)等的作為 穩(wěn)定劑與 ZrO2 形成固溶體，生成穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。不過，這些穩(wěn)定劑氧化物金屬 離子的半徑與 Zr4+離子半徑相差小于 40％時(shí)，才能起到穩(wěn)定作用。

應(yīng)用端，氧化鋯(特別是增韌的)陶瓷由于其優(yōu)良的性能，已在各工業(yè)及技術(shù)領(lǐng) 域得到廣泛的應(yīng)用。最主要的是，其憑借優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能作為結(jié)構(gòu)材 料，應(yīng)用于機(jī)械工程(做陶瓷刀具、量具、軸承、模具、密封件等)、冶金工業(yè)(坩堝、 耐火材料、連鑄注口、抗壓支撐、導(dǎo)輥等)、軍事工業(yè)(火箭隔熱層、防彈裝甲板)以 及化學(xué)工業(yè)、紡織工業(yè)、生物工程和日常生活等各方面。

氧化鈹陶瓷：導(dǎo)熱系數(shù)最大的氧化物陶瓷，但粉末毒性限制了其應(yīng)用

BeO 是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于 BeO 具有纖鋅礦型和強(qiáng) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，而且相對分子質(zhì)量很低，因此，BeO 具有極高的熱導(dǎo)率，是氧化鋁的 10 倍左右，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 250W/(m·K)，與金屬的熱導(dǎo)率相當(dāng)，并且在高溫、高頻 下，其電氣性能、耐熱性、耐熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性俱佳。但 BeO 陶瓷的致命缺點(diǎn)是 其劇毒性，長期吸入 BeO 粉塵會(huì)引起中毒甚至危及生命，并會(huì)對環(huán)境造成污染，這 極大影響了 BeO 陶瓷基片的生產(chǎn)和應(yīng)用。

應(yīng)用端，氧化鈹陶瓷具有高的熱導(dǎo)率、高的耐火度、良好的核性能以及優(yōu)良的 電性能，因而可應(yīng)用于高級耐火材料、原子能反應(yīng)堆以及各種大功率電子器件和集 成電路等。然而，氧化鈹?shù)亩拘允遣豢珊雎缘?，隨著世界各國對環(huán)境保護(hù)的日趨重 視，氧化鈹陶瓷的使用今后可能會(huì)受到一定的限制和影響。

氧化鎂陶瓷：現(xiàn)代冶金行業(yè)的關(guān)鍵材料

氧化鎂陶瓷是典型的新型陶瓷，也屬于傳統(tǒng)的耐火材料。氧化鎂本身對堿性金 屬溶液有較強(qiáng)的抗侵蝕能力，制備的氧化鎂陶瓷坩堝具有優(yōu)異的化學(xué)性能和抵抗金 屬侵蝕的穩(wěn)定性，與鎂、鎳、鈾、鋁、鉬等不起作用。在氧化氣氛或氮?dú)獗Ｗo(hù)下氧化 鎂陶瓷可穩(wěn)定工作到 2400℃，因此氧化鎂是現(xiàn)代冶金工業(yè)先進(jìn)工藝中的關(guān)鍵材料。

制備方面，原材料源于礦物或海水，燒結(jié)過程需加入添加劑調(diào)節(jié)性能。自然界 中含鎂的化合物很豐富，它以多種礦物形式存在于地殼和海洋之中，如菱鎂礦、白 云石、水鎂石、滑石等。工業(yè)上主要從上述礦物中提取 MgO,近來發(fā)展從海水中提取。 從礦物或海水中提取 MgO，大多先制成氫氧化鎂或碳酸鎂，然后經(jīng)煅燒分解成 MgO， 將這種 MgO 通過進(jìn)一步化學(xué)處理或熱處理可得到高純 MgO。制備時(shí)對 MgO 原料進(jìn)行 處理后，按組成進(jìn)行配料。為了促進(jìn)燒結(jié)以及能使晶粒稍微長大些，同時(shí)為了減少 制備的水化傾向，可加入一些添加劑，如 TiO2、Al2O3、V2O3等。如果要求具有高純度 的 MgO 陶瓷，就不能采用加入添加劑的方法來促進(jìn)燒結(jié)和晶粒長大，而是采用活化 燒結(jié)的方法，即將 Mg(OH)2 在適當(dāng)溫度下煅燒，得到具有很多晶格缺陷的活性 MgO， 用以制造燒結(jié)氧化鎂陶瓷。

應(yīng)用端，氧化鎂陶瓷理論使用溫度高達(dá) 2200℃，可在 1600℃~1800℃長期使用。 其高溫穩(wěn)定性及耐腐蝕性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷，且與 Fe、Ni、U、Th、Zn、Al、Mo、 Mg、Cu、Pt 等都不起作用，所以其應(yīng)用范圍可包括：鋼鐵、玻璃等冶煉行業(yè)中腐蝕 性條件下的坩堝或者其他耐火材料。MgO 陶瓷可用作冶煉金屬的坩堝，在原子能工業(yè) 中也適于冶煉高純度的鈾和釷；還可用作熱電偶保護(hù)套管。利用它能使電磁波通過 的性質(zhì)，作雷達(dá)罩及紅外輻射的投射窗口材料等、冶煉金屬、合金，如鎳合金、放射 性金屬鈾、釷合金、鐵及其合金等的坩堝。壓電、超導(dǎo)材料等的原料，并且無污染、 耐鉛腐蝕等；亦可做陶瓷燒結(jié)載體，特別是β-Al2O3等高溫下有腐蝕性、揮發(fā)性物質(zhì) 的陶瓷產(chǎn)品的燒結(jié)保護(hù)。（報(bào)告來源：未來智庫）

莫來石：鋁硅酸鹽組成的礦物統(tǒng)稱

莫來石是一種優(yōu)質(zhì)的耐火原料，這一類礦物比較稀少。莫來石是鋁硅酸鹽在高 溫下生成的礦物，人工加熱鋁硅酸鹽時(shí)會(huì)形成莫來石。天然的莫來石晶體為細(xì)長的 針狀且呈放射簇狀。莫來石礦被用來生產(chǎn)高溫耐火材料。在 C/C 復(fù)合材料中多作為 熱障涂層，應(yīng)用廣泛。莫來石 AI2O3-SiO2元系中常壓下穩(wěn)定的二元固溶體，化學(xué)式為 AI2O3-SiO2的天然莫來石非常少，通常燒結(jié)法或電熔法等人工合成。

高溫工業(yè)大規(guī)模使用的莫來石按其制備方法分為電熔莫來石和燒結(jié)莫來石兩大 類。莫來石是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料。最早在蘇格蘭的莫爾島被發(fā)現(xiàn)而被命名。莫來 石的鋁和硅的成分是一個(gè)范圍，其 在常溫常壓下能夠穩(wěn)定存在。天然的莫來石比較 稀少，通常是通過對鋁硅系化合物進(jìn)行熱處理后制備莫來石。莫來石的合成可分為 固相合成(包括傳統(tǒng)的溶膠-凝膠(SSG)工藝)，液態(tài)合成和氣態(tài)合成。固態(tài)合成和液 態(tài)合成的莫來石根據(jù)加熱處理的溫度和鋁硅的組成，可以被分為燒結(jié)莫來石和熔融 莫來石。燒結(jié)莫來石是指將合成莫來石的原料加熱到生成少量液相的溫度，促進(jìn)燒 結(jié)又不影響其固相燒結(jié)，繼而保溫，使莫來石結(jié)晶并發(fā)育長大，形成所需要的莫來 石形貌和結(jié)構(gòu)。而熔融莫來石則是將氧化鋁和二氧化硅的混合物加熱到莫來石熔點(diǎn) 以上，在冷卻過程中結(jié)晶形成的莫來石。溶膠凝膠法制備莫來石也被稱為化學(xué)莫來 石，是由化學(xué)反應(yīng)、熱分解和莫來石化得到的莫來石，這種方法所制備的莫來石其 性能高度依賴于化合物的純度、均勻性、結(jié)晶溫度以及致密度等條件。

應(yīng)用端，莫來石制備的耐火新材料，目前廣泛應(yīng)用于馬弗爐、煅燒爐、鍋爐、回 轉(zhuǎn)窯等高溫設(shè)備中。由莫來石制備耐高溫設(shè)備，不僅僅耐高溫，而且使用壽命長、耐 腐蝕。莫來石與其他優(yōu)質(zhì)的材料進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，復(fù)合合成更加優(yōu)良性能的耐火材料。 如采用堇青石-莫來石復(fù)合合成陶瓷窯具材料，制備的材料具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱 震性優(yōu)異、耐火度高、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，莫來石在電性能領(lǐng)域的應(yīng)用就體 現(xiàn)在其作為一種優(yōu)秀的基片材料，它具有很低的介電常數(shù)，能承擔(dān)高的線路密度， 莫來石陶瓷和莫來石質(zhì)玻璃-陶瓷復(fù)合材料被用作高性能集成電路的優(yōu)良功能材料。

1.1.2 氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮與金屬或非金屬元素造成的陶瓷，是一類重要的結(jié)構(gòu)與功能材 料。

氮化物陶瓷具有良好的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)及高溫物理性能，在冶金、航空、 化工、陶瓷、電子、機(jī)械及半導(dǎo)體等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。但許多由氮元素和金屬元 素構(gòu)成的氮化物在高溫下不穩(wěn)定，易氧化，因而在自然界不能自由存在，只能靠人 工合成。目前主要合成氮化物可分為氮化硼，氮化鋁，氮化硅等共價(jià)結(jié)合型。

氮化硅陶瓷：先進(jìn)陶瓷中綜合性能最好的材料之一

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空、航天能源等技術(shù)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)材料的要求越來 越高，耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、高強(qiáng)度、高硬度和綜合力學(xué)性能好的結(jié)構(gòu)材料的開 發(fā)和研究已經(jīng)變得十分重要。Si3N4 陶瓷是先進(jìn)陶瓷中綜合性能最好的材料之一，它 的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性質(zhì)十分優(yōu)良，在氧化氣氛中可使用到 1400℃，在中性或還原 性氣氛中可使用到 1850℃。它既突出了一般陶瓷材料的堅(jiān)硬、耐熱、耐磨、耐腐蝕 的優(yōu)點(diǎn)，又具備了抗熱震好、耐高溫蠕變、自潤滑好、化學(xué)穩(wěn)定性能佳等優(yōu)勢，還具 有相對較低的密度以及低的介電常數(shù)、介電損耗等優(yōu)良的介電性能。

氮化硅分子量 140.28，按重量百分比，其中硅占 60.28%，氮占 39.94%。兩種元 素電負(fù)性相近，氮化硅晶體中 Si-N 之間以共價(jià)鍵結(jié)合為主 (其中離子鍵僅占 30%)， 鍵合強(qiáng)度高。氮化硅沒有熔點(diǎn)，在常壓下于 1870°C 升華分解，具有高的蒸汽壓和 很低的擴(kuò)散系數(shù)。Si 原子與 N 原子以鍵強(qiáng)很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，導(dǎo)致氮化硅高強(qiáng)度、 高硬度、耐高溫、絕緣等性能。因?yàn)?Si 原子與 N 原子之間強(qiáng)共價(jià)鍵，高溫下原子擴(kuò) 散很慢，所以燒結(jié)過程中需加入高溫形成液相的添加劑促進(jìn)擴(kuò)散，加快燒結(jié)致密。

氮化硅陶瓷的性能與燒結(jié)方法密切相關(guān)。氮化硅的高溫力學(xué)性能在很大程度上 取決于晶界玻璃相。為了改善氮化硅的燒結(jié)性能在原料中加入燒結(jié)助劑，高溫時(shí)燒 結(jié)助劑形成玻璃相，冷卻后玻璃相存在于晶界處，必須經(jīng)過晶界工程處理才能保持 和發(fā)揮氮化硅的這一高溫特性，否則晶界玻璃相在高溫下軟化造成晶界滑移，對高 溫強(qiáng)度、蠕變和靜態(tài)疲勞中的緩慢裂紋擴(kuò)展都有很大的影響，晶界滑移速度同玻璃 相的性質(zhì)（如粘度等）、數(shù)量及分布有關(guān)。

應(yīng)用端，Si3N4 陶瓷是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，它是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤滑 性，并且耐磨損；除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)，抗腐蝕能力強(qiáng)，高溫時(shí)抗氧 化. 而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到 1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱， 也不會(huì)碎裂.正是由于Si3N4陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來制造軸承、 氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。其中，利用 Si3N4 重量輕和剛度 大的特點(diǎn)，可用來制造滾珠軸承、它比金屬軸承具有更高的精度，產(chǎn)生熱量少，而且 能在較高的溫度和腐蝕性介質(zhì)中操作。用 Si3N4陶瓷制造的蒸汽噴嘴具有耐磨、耐熱 等特性，用于 650℃鍋爐幾個(gè)月后無明顯損壞，而其它耐熱耐蝕合金鋼噴嘴在同樣條 件下只能使用 1-2 個(gè)月。

氮化鋁陶瓷：微電子工業(yè)電路基板及封裝的理想結(jié)構(gòu)材料

氮化鋁(AlN)作為一種新型陶瓷材料，是近年來新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。雖 然早在一百多年前，AlN 粉末便被合成制得，但由于它固有的難于燒結(jié)的缺點(diǎn)，在隨 后的幾十年中，有關(guān) AlN 的研究并不多，本世紀(jì)五十年代，AlN 陶瓷才被第一次制 得，但當(dāng)時(shí)強(qiáng)度很低，限制了其工業(yè)應(yīng)用。至七十年代，致密的氮化鋁陶瓷得以制 備，其優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、可靠的電絕緣性、耐高溫、耐腐蝕、低的介電常數(shù)以及與硅 相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特點(diǎn)才顯現(xiàn)出來。尤其是近些年來，隨著微電子 技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件日趨多功能、小型化、高集成度大功率的電子器件工作 時(shí)產(chǎn)生大量熱量，為了避免電子器件因過熱而失效，需要采用具有高熱導(dǎo)率的基片 將熱量帶帶。AlN 具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是新一代基片的理想材料，在電子工業(yè)中的 應(yīng)用前景十分廣闊，其優(yōu)良的高溫耐蝕性、高溫穩(wěn)定性、較高的強(qiáng)度和硬度，使其在 高溫結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用也很有潛力。

氮化鋁作為共價(jià)鍵化合物，難以進(jìn)行固相燒結(jié)，通常采用液相燒結(jié)機(jī)制，即向 氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相的燒結(jié)助劑，并通過溶解產(chǎn)生液相，促進(jìn)燒結(jié)。

作為一種人工合成的材料，氮化鋁陶瓷的制備過程通常是先合成氮化鋁粉體，再將 得到的粉體燒結(jié)制備成陶瓷。由于氮化鋁中的鋁-氮鍵（Al-N）具有較高的共價(jià)鍵成 分，所以氮化鋁的熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散系數(shù)小，燒結(jié)活性低，因此是一種難燒結(jié)的陶瓷材 料。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解，當(dāng)?shù)X粉體純度較高時(shí)，非常難以通過燒結(jié)達(dá)到完 全致密，在陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在，這極大地限制了氮化鋁陶瓷的實(shí)際 應(yīng)用。引入合適的燒結(jié)助劑，一方面可以與 AlN 表面氧化形成的 Al2O3反應(yīng)生成較低 熔點(diǎn)的第二相，由于液相表面的張力作用，促進(jìn) AlN 晶粒的重排，加速燒結(jié)體致密 化進(jìn)程。另一方面形成的第二相冷卻后，淀析凝結(jié)在晶界上，減少了高溫下氧進(jìn)入 晶格的可能，起到凈化晶格，提高熱導(dǎo)率的作用。目前常用的燒結(jié)助劑主要為氧化 物和氟化物，氧化物主要為 Y2O3，Sm2O3，La2O3，Dy2O3，CaO；而氟化物有 CaF2，YF3等。 其中 Y2O3驅(qū)氧能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好等綜合性能優(yōu)越，成為最常用的燒結(jié)助劑；而 CaO 由 于液相形成溫度較低，在低溫?zé)Y(jié)中的作用比較明顯。

應(yīng)用端，氮化鋁陶瓷室溫比較強(qiáng)度高，且不易受溫度變化影響，同時(shí)具有比較 高的熱導(dǎo)系數(shù)和比較低的熱膨脹系數(shù)，是一種優(yōu)良的耐熱沖材料及熱交換材料，作 為熱交換材料，可望應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的熱交換器上。此外，氮化鋁陶瓷是一種高溫 耐熱材料，其熱導(dǎo)率高，較氧化鋁陶瓷高 5 倍以上，膨脹系數(shù)低，與硅性能一致。 使用氮化鋁陶瓷為主要原材料制造而成的基板，具有高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強(qiáng) 度、耐腐蝕、電性能優(yōu)、光傳輸性好等優(yōu)異特性，是理想的大規(guī)模集成電路散熱基板 和封裝材料。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷升級，PCB 基板小型化、功能集成化成為趨 勢，市場對散熱基板與封裝材料的散熱性與耐高溫性要求不斷提升，性能相對普通 的基板材料難以滿足市場需求，氮化鋁陶瓷基板行業(yè)發(fā)展迎來機(jī)遇。

氮化硼陶瓷：陶瓷材料中的軟質(zhì)陶瓷，機(jī)械加工性能好

氮化硼問世于 100 多年前，最早的應(yīng)用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼[簡稱： h—BN，或 a—BN，或 g—BN(即石墨型氮化硼)]，h—BN 不僅結(jié)構(gòu)而且其性能也與石 墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱白石墨。氮化硼（BN）陶瓷是早在 1842 年被人 發(fā)現(xiàn)的化合物。國外對 BN 材料從第二次世界大戰(zhàn)后進(jìn)行了大量的研究工作，直到 1955 年解決了 BN 熱壓方法后才發(fā)展起來的。美國金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投 入了生產(chǎn)，1960 年已生產(chǎn) 10 噸以上。1957 年 R·H·Wentrof 率先試制成功 CBN， 1969 年美國通用電氣公司以商品 Borazon 銷售，1973 年美國宣布制成 CBN 刀具。 1975 年日本從美國引進(jìn)技術(shù)也制備了 CBN 刀具。1979 年 Sokolowski 首次成功采用 脈沖等離子體技術(shù)在低溫低壓卜制備崩 c—BN 薄膜。20 世紀(jì) 90 年代末，人們已能夠 運(yùn)用多種物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法制備 c—BN 薄膜。它有良 好的耐熱性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、高溫介電強(qiáng)度，是理想的散熱材料和高溫絕緣材 料。氮化硼的化學(xué)穩(wěn)定性好，能抵抗大部分熔融金屬的浸蝕。它也有很好的自潤滑 性。氮化硼制品的硬度低，可進(jìn)行機(jī)械加工，精度為 1/100mm。

制備端，共價(jià)鍵化合物一般采取添加燒結(jié)助劑的辦法，BN 常用的燒結(jié)助劑有 B2O3、 Si3N4、ZrO2、SiO2、BaCO3等。目前氮化硼粉體的制備方法有很多，根據(jù)其原理大致可 以分為兩大類：其中一類是合成法，主要有高溫合成法、溶劑熱合成法、模板法和化 學(xué)氣相沉積法(CVD)等；而另一類是剝離法，包括液相超聲剝離法、激光蝕刻剝離法、 機(jī)械球磨法等。隨著對氮化硼的研究不斷深入，一些納米結(jié)構(gòu)的氮化硼的性質(zhì)逐漸 被發(fā)現(xiàn)。一方面納米粉體比表面能高，燒結(jié)活性高，可以有效地促進(jìn) h-BN 陶瓷的致 密化；另一方面，以納米粉體作為原料，可以降低燒結(jié)溫度，減小陶瓷燒結(jié)體晶粒尺 寸，提高陶瓷的韌性，增強(qiáng) h-BN 陶瓷的力學(xué)性能，為 h-BN 陶瓷工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用 奠定基礎(chǔ)。

應(yīng)用端，氮化硼可用于制造熔煉半導(dǎo)體的坩堝及冶金用高溫容器、半導(dǎo)體散熱 絕緣零件、高溫軸承、熱電偶套管及玻璃成形模具等。通常制得的氮化硼是石墨型 結(jié)構(gòu)，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍愃疲?型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（800Mpa）下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎傂偷?。這種氮化硼 中 B－N 鍵長（156pm）與金剛石在 C－C 鍵長（154pm）相似，密度也和金剛石相近， 它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用 于制作鉆頭、磨具和切割工具。

賽隆陶瓷：陶瓷材料中的軟質(zhì)陶瓷，機(jī)械加工性能好

賽隆（sialon）是由 Si、Al、O、N 四種元素的合成詞，音譯為“賽隆”。賽隆陶 瓷是 Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2 系列化合物的總稱，是在 Si3N4 陶瓷基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種 Si-N-O-Al 致密多晶氮化物陶瓷，由 Al2O3中的 Al 原子和 O 原子部分置換 Si3N4中的 Si 原子和 N 原子形成。賽隆陶瓷由日本的 Oyama 和 Kamigaito（1971 年）及英國的 Jack 和 Wilson（1972 年）發(fā)現(xiàn)，他們在對氮化硅陶瓷各種添加劑的研究中發(fā)現(xiàn)了金 屬氮化物中的固溶體，即在 SiO2-Al2O3系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了 Si3N4的固溶體，這能有效地促 進(jìn)燒結(jié)，從而發(fā)現(xiàn)了 sialon（賽?。?。賽隆陶瓷的主要類別有β’-sialon、α’- sialon、O’-sialon 三種，尤其以前兩種最為常見。

制備端，在制備賽隆陶瓷時(shí)應(yīng)選擇超細(xì)、高α相的 Si3N4粉末，采用適當(dāng)?shù)墓に?措施控制其晶界相的組成和結(jié)構(gòu)，才能獲得性能優(yōu)異的材料。由于賽隆陶瓷有很寬 的固溶范圍，可通過調(diào)整固溶體的組分比例按預(yù)定性能對賽隆陶瓷進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，通過添加劑加入量的適當(dāng)調(diào)節(jié)可以得到最佳α-sialon 和β-sialon 的比例，獲得最 佳強(qiáng)度和硬度配合的材料。賽隆陶瓷通常采用無壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)，在 1600-1800℃ 的惰性氣氛中燒結(jié)，可獲得接近理論密度的賽隆陶瓷燒結(jié)體，主要的添加劑為 MgO、 Al2O3、AlN、SiO2等。同時(shí)，添加 Y2O3、Al2O3能獲得強(qiáng)度很高的賽隆陶瓷。此外，加 入 Y2O3可降低賽隆陶瓷的燒結(jié)溫度。常壓燒結(jié)賽隆陶瓷的制造工藝是將 Si3N4粉與適 量的 Al2O3粉及 AlN 粉共同混合，成型之后在 1700℃的 N2氣氛中燒結(jié)。固溶體的性 質(zhì)隨其組成和處理溫度而異。

應(yīng)用端，賽隆陶瓷作為一種性能優(yōu)異的新型高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，在軍事工業(yè)、航空 航天工業(yè)、機(jī)械工業(yè)和電子工業(yè)等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。賽隆陶瓷硬度高、耐磨性能好，已在機(jī)械工業(yè)上用于制造軸承、密封件、焊接套筒和定位銷及磨損件等。 賽隆陶瓷還可以用作連鑄用的分流換、熱電偶保護(hù)套管、晶體生長器、坩堝、高爐下 部內(nèi)襯、銅鋁合金管拉拔芯棒，以及滾軋、擠壓和壓鑄用模具材料。賽隆陶瓷還可以 用來制作切削工具，其熱硬性優(yōu)于 WC-Co 硬質(zhì)合金和氧化鋁，刀尖溫度大于 1000℃ 時(shí)仍可進(jìn)行高速切削。塞隆陶瓷還可制作透明陶瓷（高壓鈉燈燈管、高溫紅外測溫 儀窗口），以及用作生物陶瓷、制作人工關(guān)節(jié)等。

1.1.3 碳化物陶瓷

碳化物陶瓷以其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、耐蝕耐磨性能和特殊 的電、熱學(xué)等性能而倍受人們的青睞。作為一類新型工程陶瓷材料，碳化物陶瓷展 現(xiàn)了極為廣闊的應(yīng)用前景，并由此可能推動(dòng)一些相關(guān)科技的進(jìn)步, 具有重要的研究價(jià)值。然而，碳化物陶瓷的研究進(jìn)展和應(yīng)用并不如人們想象的那么順利，存在的主 要問題：一是制造的成本高，二是制品性能的可靠性和重現(xiàn)性差。為了研制具有工 業(yè)應(yīng)用價(jià)值的高性能和高可靠性產(chǎn)品，必須進(jìn)一步提高它們的綜合性能。從研究結(jié) 果看，碳化物復(fù)相陶瓷或其復(fù)合材料比單一材料具有更優(yōu)異的性能。另外，以超細(xì) 粉末制備的納米材料，同樣具有很好的應(yīng)用和研究價(jià)值，這些都有可能成為今后碳 化物陶瓷發(fā)展的主要方向。另外，為了獲得組成和結(jié)構(gòu)更均勻的復(fù)相陶瓷，已開始 了“組成－結(jié)構(gòu)－性能”的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

目前，碳化物陶瓷的研究熱點(diǎn)是納米級復(fù)合材料合成和高溫自蔓燃（SHS 法）納 米復(fù)相陶瓷。在粉末的制備技術(shù)方面，溶膠－凝膠法（Sol－Gel 法）、化學(xué)氣相法 （CVD 法）和高溫自蔓燃（SHS 法）合成三足鼎立；從低成本和實(shí)用化來看，無機(jī)溶 膠－凝膠法（Sol－Gel 法）和高溫自蔓燃（SHS 法）合成較為優(yōu)勢；在成形技術(shù)方 面，膠態(tài)分散成形、注漿成形和等靜壓成形引人注目；在燒結(jié)技術(shù)方面，除刀具外， 一般更傾向于常壓燒結(jié)或氣氛燒結(jié)。

碳化硅陶瓷：既古老又新型的陶瓷材料

碳化硅是一種人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，才證實(shí)隕石中及地殼上 偶然存在碳化硅，碳化硅的分子式為 SiC，分子量為 40.07，質(zhì)量百分組成為 70.045 的硅與 29.955 的碳，碳化硅的理論密度為 3.16-3.2g/cm3。

SiC 是以共價(jià)鍵為主的共價(jià)化合物，由于碳和硅兩元素在形成 SiC 晶體時(shí)，它的 基本單元是四面體，所有 SiC 均由 SiC 四面體堆積而成，所不同的只是平行結(jié)合和 反平行結(jié)合，從而形成具有金剛石結(jié)構(gòu)的 SiC。SiC 共有 75 種變體，如 3C-SiC、4HSiC、15R-SiC 等，其中α-SiC、β-SiC 最為常見。β-SiC 的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系， Si 和 C 分別組成面心立方晶格；α-SiC 存在著 4H、15R 和 6H 等 100 余種多型體， 其中，6H 多型體為工業(yè)應(yīng)用上最為普遍的一種。在 SiC 的多種型體之間存在著一定 的熱穩(wěn)定性關(guān)系，在溫度低于 1600℃時(shí)，SiC 以β-SiC 形式存在。當(dāng)高于 1600℃時(shí)， β-SiC 緩慢轉(zhuǎn)變成α-SiC 的各種多型體。4H-SiC 在 2000℃左右容易生成；15R 和 6H 多型體均需在 2100℃以上的高溫才易生成；對于 6H-SiC，即使溫度超過 2200℃， 也是非常穩(wěn)定的。SiC 中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質(zhì)的固溶 也會(huì)引起多型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。

制備端，在工業(yè)生產(chǎn)中，用于合成 SiC 的石英砂和焦炭通常含有 Al 和 Fe 等金 屬雜質(zhì)。其中雜質(zhì)含量少的呈綠色，被稱為綠色碳化硅；雜質(zhì)含量多的呈黑色，被稱 為黑色碳化硅。一般碳化硅含量愈高、顏色愈淺，高純碳化硅應(yīng)為無色。SiC 是強(qiáng) 共價(jià)鍵結(jié)合的化合物， 燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散速率相當(dāng)?shù)?，即使?2100 ℃的高溫下，C 和 Si 的自擴(kuò)散系數(shù)也僅為 1.5×10-10 cm 2 /s 和 2.5×10-13 cm 2 /s。所以，很難燒結(jié) SiC， 必須借助添加劑形成特殊的工藝手段促進(jìn)燒結(jié)。目前制備高溫 SiC 陶瓷的方法主要 有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等。

應(yīng)用端，SiC 的最初應(yīng)用是由于其超硬性能，可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、 砂紙以及各類磨料，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。第二次世界大戰(zhàn)中又發(fā)現(xiàn)它還 可以作為煉鋼時(shí)的還原劑以及加熱元件，從而促進(jìn)了 SiC 的快速發(fā)展。SiC 陶瓷在石 油、化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、激光、礦業(yè)及原子能等工業(yè)領(lǐng)域獲得 了廣泛的應(yīng)用，碳化硅已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及 高溫和高頻范圍的電子設(shè)備零部件等領(lǐng)域。

碳化硼陶瓷：僅次于金剛石、立方氮化硼的超硬材料

碳化硼（B4C)是一種重要的工程陶瓷材料，其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是高硬度和低密度： 常溫下其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，高溫下其恒定的硬度(>30GPa)甚至優(yōu)于 金剛石和立方氮化硼；而密度僅有 2.52g/cm3，遠(yuǎn)小于 Al2O3，SiC 等其他結(jié)構(gòu)陶瓷。 同時(shí)，碳化硼陶瓷還具有高模量、良好的耐磨性、優(yōu)異的中子吸收性能、高熔點(diǎn) （2450℃）、良好的熱電性、優(yōu)越的抗化學(xué)侵蝕能力等特點(diǎn)。

制備端，無壓燒結(jié)碳化硼陶瓷材料是一種大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜零件的工藝方法， 但其對粉末存在過于苛刻的條件，燒結(jié)溫度高且燒結(jié)溫度范圍窄，因此在大批量生 產(chǎn)中工藝參數(shù)難以控制，制品的性能也參差不齊。隨著陶瓷燒結(jié)助劑的進(jìn)一步研究， 無壓燒結(jié)技術(shù)仍將不斷改善。熱壓燒結(jié)由于將外界施加的壓力與表面能一同作為碳 化硼燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力，因此具有降低燒結(jié)溫度的作用，在其基礎(chǔ)上利用惰性氣體施加 壓力的熱等靜壓燒結(jié)應(yīng)運(yùn)而生，解決了其無法顯著降低燒結(jié)溫度以及難以制作復(fù)雜 零件的痛點(diǎn)。液相燒結(jié)作為較新的致密化燒結(jié)技術(shù)，使得碳化硼的相對密度甚至達(dá) 到 100％，但是其內(nèi)在機(jī)理的研究仍亟待進(jìn)行。

應(yīng)用端，碳化硼陶瓷具有優(yōu)秀的性能，而且隨著燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能 還在不斷提升，性能越來越突出，當(dāng)前碳化硼陶瓷在高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等條件 下具有重要應(yīng)用，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于國防、核能、耐磨技術(shù)和溫差電偶等諸多領(lǐng) 域，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是當(dāng)前碳化硼陶瓷還存在成本較高、燒結(jié)溫度高、斷裂 韌性低和對金屬穩(wěn)定性差等方面的問題，這些問題制約了碳化硼陶瓷的進(jìn)一步應(yīng)用， 因此對碳化硼陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行調(diào)控，改進(jìn)燒結(jié)技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)性提高其性能 的同時(shí)，降低成本，對擴(kuò)大其應(yīng)用范圍非常重要。（報(bào)告來源：未來智庫）

1.1.4 低膨脹陶瓷

陶瓷材料有不一樣的膨脹特性，根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)的大小，可將陶瓷材料分 為三類，分別是低膨脹類、中膨脹類和高膨脹類：高膨脹類熱膨脹系數(shù)＞8×10-6 /℃ 的 BeO、Al2O3、MgO、MgO·Al2O3、穩(wěn)定 ZrO2等;中膨脹類熱膨脹系數(shù)＝2×10-6 /℃-8×10- 6 /℃的 SiC、SnO2、3Al2O3·2SiO2、ZrSiO4 等;低膨脹類熱膨脹系數(shù)＜2×10-6 /℃的 2MgO·2Al2O3·5SiO2、Al2O3·TiO2、2ZrO2·P2O5、Nb2O5等。

堇青石陶瓷：僅次于金剛石、立方氮化硼的超硬材料

堇青石的化學(xué)式為 2MgO2·Al2O3·5SiO2（MgO2 13.7wt%，Al2O3 34.9wt%，SiO2 51.4wt%），其熔點(diǎn)為 1460℃。堇青石材料具有低膨脹特性（熱膨脹系數(shù)為 210-6 /℃ 左右）和低介電性能，還具有良好的耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性等，因此被廣泛應(yīng)用在耐 火材料、火焰噴嘴、熱交換器和耐熱瓷等高溫領(lǐng)域。工業(yè)上所使用的堇青石大多為 人工合成。

為了滿足各種實(shí)際需求，人們通過各種途徑合成堇青石。應(yīng)用最廣泛的是固相 合成法，此外還有玻璃反玻化法、溶膠-凝膠法、水解-沉淀法。通過這些方法均可以 制備出符合實(shí)際應(yīng)用的堇青石相關(guān)產(chǎn)品，并不斷從實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用中改善工藝、降 低成本、提高產(chǎn)量、開發(fā)新產(chǎn)品，以滿足堇青石的市場需求。

堇青石具有較低的熱膨脹系數(shù)，是優(yōu)良的高溫抗熱震材料，被廣泛用作陶瓷窯 棚板、匣缽、電子封裝材料、催化劑載體、泡沫陶瓷、生物陶瓷和高溫?zé)彷椛洳牧?等。由于堇青石的低熱膨脹性，可以大大延長匣體(陶瓷燒成的封裝材料)的壽命， 因此，堇青石最初用于匣缽。隨后又用于隧道窯的棚板和支架材料，從而可以使生 產(chǎn)周期大大縮短。輕質(zhì)堇青石材料，導(dǎo)熱系數(shù)低，使用溫度高而直接用在火焰上面， 達(dá)到高效節(jié)能的效果。此外，堇青石陶瓷可應(yīng)用于汽車尾氣凈化方面，作為催化劑 載體。由于堇青石具有較低的膨脹系數(shù)和良好吸附性等特點(diǎn)，堇青石制成的催化劑 載體可使催化劑更好地吸附和分散到載體上，而且由于其熱導(dǎo)率較低，可以使催化 劑能快速地達(dá)到活化溫度，使用效果較佳。

鈦酸鋁陶瓷：兼具高熔點(diǎn)及熱膨脹系數(shù)的陶瓷材料

鈦酸鋁陶瓷是一種集高熔點(diǎn)（1860±10℃）和低熱膨脹系數(shù)（0～1.5×10-6 /℃， RT～1000℃）于一身的優(yōu)異材料，因此它具有極其優(yōu)良的抗熱震穩(wěn)定性，耐火度高、 隔熱性能好，并且它還耐腐蝕、耐堿、抗渣，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、陶瓷等許多工 業(yè)領(lǐng)域。但該材料也存在著兩大致命弱點(diǎn)：一是在 750～1300℃溫度區(qū)間易分解成 金紅石和剛玉相，失去其優(yōu)良的低膨脹性能，限制了其應(yīng)用；二是晶體冷卻時(shí)內(nèi) 部會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋，造成機(jī)械強(qiáng)度低的缺陷。

制備端，粉體的合成方法可以歸納為固相法、金屬或者金屬醇鹽水解物的液相 法和化學(xué)氣相法。但由于鈦酸鋁材料的特點(diǎn),為了對鈦酸鋁改性抑制它的熱分解,改 善熱穩(wěn)定性和降低它的各向異性,減少微裂紋,改善其機(jī)械性能,燒結(jié)過程通常引入 添加劑。國內(nèi)外鈦酸鋁改性用到的添加劑有 Li2O、B2O、Cr2O3、La2O3、CeO2、SiC、Si3N4、 SiO2、MgO、F2O3、ZrO2以及 FeTiO3+Fe2O3等。

石英陶瓷：玻璃相為主的陶瓷材料

熔融石英陶瓷也稱作石英陶瓷, 最早由美國 Georgia 理工學(xué)院在 20 世紀(jì) 60 年 代研制成功并于 1963 年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,是一種以熔融石英或者石英玻璃為原料,經(jīng)過 粉碎 、成型、燒結(jié)等工藝而制成的燒結(jié)體。熔融石英陶瓷具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹 系數(shù)小、介電常數(shù)低、耐酸堿腐蝕性好、電絕緣性好、成本低等一系列優(yōu)異性質(zhì)。

制備端，在國內(nèi)外石英陶瓷的生產(chǎn)中,一般普遍采用注漿成型工藝, 也有離心澆 注成型、蠟澆注成型、等靜壓成型、搗打成型等工藝。然而采用上述工藝制備的制品 中普遍存在著顯微結(jié)構(gòu)不均勻、難以制作形狀復(fù)雜的制品、生產(chǎn)周期長、成本高 、 效率低等缺點(diǎn)。例如采用壓制成型的石英陶瓷坯體存在強(qiáng)度不高、易破碎開裂、燒 成后的坯體變形大、致密度低等不足,難以適應(yīng)大批量工業(yè)化生產(chǎn)的需要。目前石英 陶瓷比較成熟的成型工藝為振動(dòng)壓力注漿成型工藝和凝膠注模成型工藝。燒結(jié)方面， 石英陶瓷普遍采用常壓燒結(jié), 即在常壓下, 石英陶瓷坯體在高溫的作用下通過介質(zhì) 擴(kuò)散形成致密體。石英陶瓷在燒結(jié)過程中關(guān)鍵要注意防止石英原料的非晶態(tài)遭到破 壞。例如當(dāng)石英陶瓷采用振動(dòng)壓力注漿成型或凝膠注模成型工藝時(shí),一般來說在低溫階段要緩慢升溫,這樣有利于硅膠的脫水及坯體中有機(jī)物的排除。而在高溫階段應(yīng)當(dāng) 快速升溫,并在燒結(jié)完成后進(jìn)行快速冷卻, 以避免形成晶態(tài)方石英。此外，由于石英 陶瓷的燒結(jié)溫度不能過高, 所以在燒結(jié)過程中石英陶瓷收縮不到 5%,通常存在 10% 左右的氣孔率, 因此石英陶瓷存在密度低和強(qiáng)度差的問題,而引入少量的添加劑是 改善石英陶瓷的燒結(jié)性能、提高其密度和強(qiáng)度的常用方法。

鋰質(zhì)陶瓷：無膨脹和低膨脹的陶瓷材料

鋰輝石的化學(xué)組成 LiAl[Si2O6]，其中 LiO2 的理論含量為 8.03%。熔點(diǎn) 1420℃， 有α和β兩種晶型。鋰輝石的化學(xué)組成較穩(wěn)定，常有少量 Fe3+、Mn 代替 6 次配位的 Al，Na 代替 Li?？珊邢∮性?、稀土元素和 Cs 的混入物。以及 Ga、Cr、V、Co、 Ni、Cu、Sn 等微量元素，部分溶于 HCl、H2SO4及 HNO3中，抗腐蝕性強(qiáng)。

制備端，鋰質(zhì)低膨脹陶瓷可以是單一的β-鋰輝石固溶體或者透鋰長石固溶體為 晶相，也可以是β-鋰輝石或者透鋰長石與其他晶相構(gòu)成的多項(xiàng)材料，通常根據(jù)相圖， 以鋰輝石（或者碳酸鋰）、高嶺土（或黏土）、石英為原料進(jìn)行配料，成型后于高溫下 固熔燒結(jié)，使其生成β-鋰輝石固溶體。

應(yīng)用端，在抗熱震陶瓷材料體系中，鋰質(zhì)陶瓷材料因 β-鋰輝石具有獨(dú)特的螺 旋鏈狀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、極低的膨脹系數(shù)，廣泛應(yīng)用于窯具、感應(yīng)加熱部件、耐熱 微晶陶瓷面板、高溫夾具、內(nèi)燃機(jī)部件以及要求尺寸很穩(wěn)定的高精度電子元部件等 使用環(huán)境嚴(yán)苛的眾多領(lǐng)域。

1.2 功能陶瓷：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)先行領(lǐng)域的關(guān)鍵材料

功能陶瓷是利用光、熱、力、聲、磁、電等直接效應(yīng)及耦合效應(yīng)的一種先進(jìn)材料。功能陶瓷經(jīng)歷了電介質(zhì)陶瓷、壓電鐵電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷等一系列 的過程，目前在微電子技術(shù)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、光電子技術(shù)、通信、 環(huán)保、能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為推動(dòng)我國科技發(fā)展的重要功能性 材料。當(dāng)前功能陶瓷正朝著智能化、小型化、復(fù)合化、多功能化和材料、設(shè)計(jì)、工藝 一體化的方向進(jìn)一步的發(fā)展。

1.2.1 電介質(zhì)陶瓷

電介質(zhì)陶瓷即是指電阻率大于 10 8Ω˙m 的陶瓷材料，能夠承受較強(qiáng)的電場而不 被擊穿。在靜電場或者交變電場中使用時(shí)，通常用體積電阻率、介電常數(shù)和介電損 耗等參數(shù)來對其性能進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)參數(shù)的不同，可分為電絕緣陶瓷和電容器介質(zhì) 陶瓷等兩大類。

電絕緣陶瓷：在電子設(shè)備中作為安裝、固定、支撐、保護(hù)、絕緣、隔離及鏈 接各種無線電子元件及器件的陶瓷材料

電絕緣陶瓷也稱之為絕緣裝置瓷，具有優(yōu)良的電絕緣性能，用于電子設(shè)備和器 件中的結(jié)構(gòu)件、基片和外殼等的電子陶瓷。絕緣裝置瓷件包括各種絕緣子、線圈骨 架、電子管座、波段開關(guān)、電容器支柱支架、集成電路基片和封裝外殼等。

瓷介電容器陶瓷：電子設(shè)備中不可缺少的零部件

陶瓷電容器是目前飛速發(fā)展的電子技術(shù)的基礎(chǔ)之一，今后隨著集成電路、大規(guī) 模集成電路的發(fā)展，陶瓷電容器將迎來繁榮發(fā)展。陶瓷電容器的用途可以分為低頻 高介電容器瓷、高頻熱補(bǔ)償電容器瓷，高頻熱穩(wěn)定電容器瓷和高壓電容器瓷等，按 照結(jié)構(gòu)及機(jī)理可分為單層和多層（即獨(dú)石電容器）以及內(nèi)邊界電容器，按照電容器 的材料性質(zhì)則可分為非鐵電電容器陶瓷、鐵電電容器陶瓷、反鐵電電容器陶瓷及半 導(dǎo)體電容器陶瓷。1970 年，隨著混合 IC、計(jì)算機(jī)、以及便攜電子設(shè)備的進(jìn)步，陶瓷 介質(zhì)電容器也隨之迅速的發(fā)展起來，成為電子設(shè)備中不可缺少的零部件?，F(xiàn)在的陶 瓷介質(zhì)電容器的全部數(shù)量約占電容器市場的 70%左右。

電容器陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域是無源電子元件。MLCC 是目前用量最大的無源元件 之一，主要用于各類電子整機(jī)中的振蕩、耦合、濾波旁路電路中，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及自 動(dòng)儀表、數(shù)字家電、汽車電器、通信、計(jì)算機(jī)等行業(yè)。MLCC 的主流發(fā)展趨勢是小型 化、大容量、薄層化、賤金屬化、高可靠性，其中內(nèi)電極賤金屬化相關(guān)技術(shù)在近年來 發(fā)展最為迅速，采用賤金屬內(nèi)電極是降低 MLCC 成本的最有效途徑，而實(shí)現(xiàn)賤金屬 化的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)展高性能抗還原鈦酸鋇瓷料。未來的發(fā)展趨勢是制備出顆粒尺寸 ≤ 150 nm 的鈦酸鋇材料作為 MLCC 介質(zhì)層的主晶相材料。

壓電陶瓷：被廣泛應(yīng)用于傳感器等

任何無對稱中心的材料，都或多或少具有壓電效應(yīng)。有些電介質(zhì)材料通過純粹 的機(jī)械作用而發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，這種效應(yīng) 稱壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的陶瓷稱為壓電陶瓷。1943 年間發(fā)現(xiàn) BaCO3 具有壓電效 應(yīng)，并于 1947 年制成器件，這對壓電材料的發(fā)展有很重要的意義。50 年代初發(fā)現(xiàn)了 鋯鈦酸鉛系列，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇。60 年代發(fā)展了鈮酸鹽壓電陶瓷，70 年代發(fā)展 了鋯鈦酸鉛鑭透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的品種和系列進(jìn)一步擴(kuò)大，目前應(yīng)用最多 的是 PT 和 PZT2 大系列。壓電陶瓷是一種極為重要的、世界各國競相研究開發(fā)的功 能材料，其應(yīng)用已遍及日常生活及生產(chǎn)的不同角落。近年來，隨著宇航、電子、計(jì)算 機(jī)、激光、微聲和能源等新技術(shù)的發(fā)展，對各類材料器件提出了更高的性能要求，壓 電陶瓷作為一種新型功能材料，在日常生活中，作為壓電元件廣泛應(yīng)用于傳感器、 氣體點(diǎn)火器、報(bào)警器、音響設(shè)備、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通信等裝置中。它的重要應(yīng) 用大致分為壓電振子和壓電換能器 2 大類。前者主要是利用振子本身的諧振特性， 要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn) 換成另一種能量形式，現(xiàn)在所用的壓電陶瓷材料，主要是 Pb（Ti,Zr）O（3 PZT）、PbTiO3- PbTiO3-ABO3（ABO3為復(fù)合鈣鈦礦型鐵電體）等鉛基壓電陶瓷。

1.2.2 敏感陶瓷

敏感陶瓷指某些性能隨外界條件（溫度、電壓、濕度、氣氛）的變化而發(fā)生改變 的陶瓷。當(dāng)某一個(gè)外界條件，如溫度、壓力、濕度、氣氛、電場、光及射線等改變時(shí)， 能引起該材料某種物理性能的變化，從而能從這種元件上準(zhǔn)確迅速地獲得某種有用 的信號(hào)。

敏感陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統(tǒng)，通過人為摻雜，造成晶粒表面 的組分偏離，在晶粒表面產(chǎn)生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界處產(chǎn)生異質(zhì)相的析出、 雜質(zhì)的聚集、晶格缺陷及晶格各種異性等。這種晶粒邊界層的組成、結(jié)構(gòu)變化，顯著 改變了晶界的電性能，從而導(dǎo)致整個(gè)陶瓷電氣性能的顯著變化（產(chǎn)生敏感特性的機(jī) 理）。

敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根據(jù)某些陶瓷的電阻率、電動(dòng)勢等物理量對熱、 濕、光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感這一特性，按其相應(yīng)的特性，可 把這些材料分別稱作熱敏、濕敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。此外，還有具 有壓電效應(yīng)的壓力、位置、速度、聲波敏感陶瓷，具有鐵氧體性質(zhì)的磁敏感陶瓷及具 有多種敏感特性的多功能敏感陶瓷等。這些陶瓷已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、控制儀器、 交通運(yùn)輸系統(tǒng)、汽車、機(jī)器人、防止公害、防災(zāi)、公安及家用電器等領(lǐng)域。

1.2.3 光學(xué)陶瓷

所謂透明陶瓷就是能透過光線的陶瓷。通常陶瓷是不透明的，其原因是陶瓷材 料內(nèi)部含有的微氣孔等缺陷對光纖產(chǎn)生折射和散射作用，使得光線幾乎無法透過陶 瓷體。1959 年通用電氣公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性，隨后 1962 年 R.L.Coble 首次制備了半透明的 Al2O3陶瓷證實(shí)了這一點(diǎn)，同時(shí)也為陶瓷材料開辟了 新的應(yīng)用領(lǐng)域。

透明陶瓷不僅有良好的透明性和光學(xué)特性，而且耐腐蝕、耐高溫、電絕緣好、熱 導(dǎo)率高及良好的介電性能，因此在新型照明技術(shù)、高溫高壓及腐蝕環(huán)境下的觀測窗 口、紅外探測用窗、導(dǎo)彈用防護(hù)整流罩、軍事用透明裝甲等領(lǐng)域得到愈來愈多的應(yīng) 用。 此外，與單晶相比，透明陶瓷制造成本低、易于大批量生產(chǎn)，可以制成尺寸較 大、形狀復(fù)雜的制品；而與玻璃相比，透明陶瓷具有強(qiáng)度和硬度高、光學(xué)透過范圍 大、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、可以實(shí)現(xiàn)活性離子的高濃度均勻摻雜等特點(diǎn)，所以對于許多 特殊要求的光學(xué)零部件及激光材料，透明陶瓷具有無可比擬的優(yōu)勢。

1.2.4 生物陶瓷

生物陶瓷，是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體 或與人體相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。生物陶瓷不僅具有不銹鋼、塑 料等所具有的特性，而且具有親水性，能與細(xì)胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性， 它是材料工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域，受到世界各國的重視。

生物吸收陶瓷的特點(diǎn)是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能夠誘發(fā) 新生骨的生長。

生物活性玻璃主要是由 SiO2、P2O5、CaO、Na2O 構(gòu)成，可以鍵合到現(xiàn)有的骨組織 中，可降解，并通過它們的溶解產(chǎn)物對細(xì)胞的作用刺激新骨生長。它具有區(qū)別于其 他生物材料的獨(dú)特屬性，能在植入部位迅速發(fā)生一系列表面反應(yīng)，最終導(dǎo)致含碳酸 鹽基磷灰石層的形成。 生物活性陶瓷中應(yīng)用最多的是羥基磷灰石，簡稱 HAp，屬表面活性材料，由于生 物體硬組織（牙齒、骨）的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱 為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應(yīng)、不致癌、可降解、可 與骨直接結(jié)合等特點(diǎn)，是一種臨床應(yīng)用價(jià)值很高的生物活性陶瓷材料。

2 粉體制備、成型、燒結(jié)及加工是主要的環(huán)節(jié)

一般地，可以把陶瓷工藝過程分為粉體合成、粉體處理、材料制備、坯體成型、 干燥、脫脂、燒結(jié)和后加工等幾個(gè)階段，其中粉體合成主要包括固固反應(yīng)、固相熔融 鹽法、液相沉淀法、溶膠-凝膠、燃燒合成、化學(xué)共沉淀和水熱合成等多種方法；粉 體處理包括煅燒、研磨、粉碎、混合等；材料制備過程中的處理包括懸浮、混合、除 氣、噴霧干燥等；關(guān)鍵的成型工藝包括干壓成型、等靜壓成型、擠出成型、注射成 型、注漿成型、壓濾成型、流延成型等；陶瓷燒結(jié)包括熱壓燒結(jié)、常壓燒結(jié)、等離子 燒結(jié)等。

粉體的特性對后續(xù)的成型和燒結(jié)具有顯著的影響，特別是對陶瓷最終纖維結(jié)構(gòu) 和力學(xué)性能具有重要的作用。通常純度高、粒徑細(xì)小均勻且燒結(jié)活性好的粉體有利 于制備出結(jié)構(gòu)均勻致密和力學(xué)性能優(yōu)異的陶瓷材料。先進(jìn)的陶瓷粉體特征主要包括 顆粒大小、粒徑分布、顆粒形狀、團(tuán)聚度、化學(xué)純度及相組成，此外，粉體表面的結(jié) 構(gòu)以及化學(xué)狀態(tài)對燒結(jié)活性也具有重要的影響。

成型作為聯(lián)系粉體與制品的中間環(huán)節(jié)，對陶瓷材料的可靠性有著至關(guān)重要的影 響。 因?yàn)楸M管陶瓷制品中的各種缺陷大都表現(xiàn)于干燥、燒結(jié)、后加工乃至使用過程 中，但這些缺陷基本上都起源于成型。 成型坯體中組分分布和密度分布的不均勻在 干燥和燒成過程中引起坯體的不一致收縮，形成裂紋，即使不出現(xiàn)裂紋，也會(huì)留下 相當(dāng)?shù)膬?nèi)應(yīng)力，給后續(xù)工藝和使用階段留下隱患，所以成型工藝對于保證陶瓷制品 微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，從而保證陶瓷制品的可靠性有著至關(guān)重要的作用。

2.1 粉體制備：對最終結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能具有的重要作用

粉末體簡稱粉末或粉體，通常是指由大量的固體顆粒及顆粒間的空隙所構(gòu)成的 集合體。而組成粉末體的最小單位或個(gè)體稱為粉末顆粒，簡稱顆粒，其大小一般小 于 1000μm。粉體在陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中可以是原料、半成品或成品。粉末顆粒的大小、 形狀、表面性質(zhì)、堆積特性，各種物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)不僅關(guān)系到粉體的應(yīng)用，也直 接取決于并影響生產(chǎn)粉體的單元操作過程。 因此，研究粉體的性能及表征、制備技 術(shù)及表面處理也變得尤為重要。

粉料團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致成型坯體的不均勻性，這又會(huì)在燒結(jié)過程中因各部位收縮速率 不同而導(dǎo)致“差異燒結(jié)”，從而在燒結(jié)體中形成大的不規(guī)則孔洞或類似裂紋的孔洞。 這些孔洞成為潛在的裂紋源，從而大大降低材料的力學(xué)性能和可靠性。可見，粉末 的團(tuán)聚會(huì)嚴(yán)重影響到燒結(jié)后陶瓷的致密度和顯微結(jié)構(gòu)的均勻性。通常團(tuán)聚可分為兩 類，即顆粒之間以弱的范德華力連接的軟團(tuán)聚和顆粒之間以強(qiáng)化學(xué)鍵連接的硬團(tuán)聚。 對于陶瓷粉體最理想的 27 狀態(tài)是避免團(tuán)聚，但在大多數(shù)情況下是不可能的，此時(shí)， 可允許軟團(tuán)聚而盡可能通過機(jī)械方法避免硬團(tuán)聚。另外，粉體中的雜質(zhì)對粉體性能 有重要影響，一方面雜質(zhì)可能對顆粒在液體中的分散不利，因?yàn)殡s質(zhì)離子會(huì)減小雙 電層厚度和 Zeta 電位，增大陶瓷懸浮體的粘度；另一方面，雜質(zhì)有可能在燒結(jié)過 程中產(chǎn)生少量液相，導(dǎo)致少數(shù)晶粒的異常長大，難以獲得晶粒均勻細(xì)小的顯微結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)代高技術(shù)陶瓷材料對粉體的基本要求是高純、超細(xì)、粒度分布均勻、團(tuán)聚程度低、 燒結(jié)活性好。這里所說的超細(xì)，通常是指顆粒的平均直徑小于 1μm 的微粉，其極 小的粒徑、巨大的比表面積使其具有很高的表面活性，可以顯著降低材料的燒結(jié)致密化溫度，節(jié)約能源；使陶瓷材料的組成分布致密均勻，改善陶瓷材料的性能，提高 其使用可靠性；甚至可以在納米尺度（l~100nm）上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于 充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。（報(bào)告來源：未來智庫）

2.2 成型工藝：得到內(nèi)部均勻及高密度坯體的核心環(huán)節(jié)

陶瓷制品的主要制備流程包括：粉體造粒，成型、干燥、燒結(jié)。其傳統(tǒng)的成型工 藝包括：干壓成型、等靜壓成型、擠出成型、注射成型、注漿成型、流延成型、熱壓 鑄成型等， 后來又發(fā)展起來凝膠注模成型、直接凝固成型等新型膠態(tài)成型工藝和固 體無模成型工藝。這些成型方法，成型原理及過程不同，因此其優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同。 干壓成型和冷等靜壓成型已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。盡管干壓成 型可能存在密度梯度和不夠均勻等缺陷，但由于其成型效率高、尺寸精確、成本低， 成為一般結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品首選的成型工藝。冷等靜壓成型因可獲得高密度、高均勻性 及高強(qiáng)度的陶瓷坯體，從而成為高性能結(jié)構(gòu)陶瓷部件的主要成型方法，例如高壓鈉 燈用透明陶瓷管、陶瓷軸承球等。 粘塑性成型工藝中的擠壓成型特別適合制造截面 尺寸一致的陶瓷產(chǎn)品，特別是對長寬比大的管狀或棒狀產(chǎn)品具有更大的優(yōu)勢，并且 成型的陶瓷坯體可大可小，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和機(jī)械化的批量生產(chǎn)。呈粘塑特性的熱 壓鑄成型（國際上稱之為低壓注射成型）和注射成型是制備小型復(fù)雜形狀精密陶瓷 零部件的有效方法，特別是注射壓力大、成型密度高的陶瓷注射成型工藝近 10 多 年在國內(nèi)外先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)中發(fā)展迅速；例如光纖連接器用氧化鋯陶瓷插芯和套筒、 發(fā)動(dòng)機(jī)用增壓器渦輪轉(zhuǎn)子、金鹵燈中球形陶瓷發(fā)光管等都是采用陶瓷注射成型制備 的。陶瓷成型中的傳統(tǒng)注漿成型因工藝簡單，可制備形狀相當(dāng)復(fù)雜、尺寸較大的制 品且成型坯體密度高，仍是結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品制造中不可或缺的一種主要成型方法。以 漿料形態(tài)進(jìn)行的流延成型除了廣泛用于氧化鋁、氮化鋁等基板材料的制備，也用于 燃料電池介質(zhì)薄膜、仿生疊層復(fù)合材料薄層的成型，并由傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑流延成型 發(fā)展出環(huán)保的水基流延及凝膠流延多種方法。

作為新型漿料成型的凝膠注模成型和直接凝固成型，其成型機(jī)理不同于傳統(tǒng)的 石膏模注漿成型，它們是通過漿料內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)使?jié){料產(chǎn)生原位固化成型得到坯體， 因此，具有更好的均勻性，特別是可制備大尺寸和厚截面的陶瓷制品，如熔融石英 陶瓷匣板和多晶硅熔煉用石英坩堝。因此，各種不同成型機(jī)理的凝膠注模成型方法 在近十幾年來得到了廣泛的研究和關(guān)注。20 世紀(jì) 90 年代初出現(xiàn)了固體無模成型的 陶瓷成型新方法，該方法也被譯為固體自由成型制造或快速自動(dòng)成型技術(shù)。 陶瓷制品分為塊狀制品、基片和層狀制品兩大類。傳統(tǒng)的陶瓷成型方法包括干 法成型、塑性成型和流態(tài)成型。

2.3 燒結(jié)工藝：坯體轉(zhuǎn)變成高強(qiáng)度致密瓷體的必經(jīng)之路

燒結(jié)是陶瓷制備過程中的一個(gè)最重要環(huán)節(jié)。所謂燒結(jié)，是指陶瓷坯體在一定的 高溫過程中，內(nèi)部通過一系列的物理化學(xué)過程，使材料獲得一定密度、微結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度 和其他物理性能的一個(gè)過程。它對材料的微觀結(jié)構(gòu)、最終性質(zhì)起著重要作用。傳統(tǒng) 陶瓷的燒結(jié)過程相當(dāng)復(fù)雜，包括諸如相變、化學(xué)反應(yīng)、溶解沉淀、晶粒生長并相互結(jié) 合、致密化等過程。 燒結(jié)的目的是：使坯體在高溫下發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)， 形成預(yù)期的礦物組成的顯微結(jié)構(gòu)，通過物質(zhì)傳遞變成致密的具有一定強(qiáng)度和固定外 形的陶瓷。 燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力是粉體的表面能降低和系統(tǒng)自由能降低，燒結(jié)過程由低能 量晶界取代高能量晶粒表面和坯體體積收縮引起的總界面積減少來驅(qū)動(dòng)；而促使坯 體致密化的燒結(jié)機(jī)理包括蒸發(fā)-凝聚、晶格擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、粘滯流動(dòng)等。

對于致密陶瓷材料，相對密度一般可達(dá)到 98%以上，而對于透明陶瓷要求燒結(jié)后 陶瓷內(nèi)部氣孔率趨近于零。燒結(jié)過程按照壓力大小可分為常壓燒結(jié)和壓力燒結(jié)，按 照反應(yīng)可分為固相、液相、氣相、活化以及反應(yīng)燒結(jié)，按照是否產(chǎn)生液相又可分為固 相燒結(jié)和液相燒結(jié)。常壓燒結(jié)是在大氣壓條件下進(jìn)行陶瓷燒結(jié)，氣氛通常是空氣，也可以是其他還原性或惰性氣氛， 具有成本低，適合規(guī)?；a(chǎn)和制備復(fù)雜形狀制 品的特點(diǎn)。大多數(shù)氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷都是采用這種燒結(jié)工藝。真空燒結(jié)因不易氧化適 合金屬陶瓷和碳化物陶瓷燒結(jié)。而對于共價(jià)鍵結(jié)合、自擴(kuò)散系數(shù)小的非氧化物陶瓷， 如 SiC、AlN、BN、B4C 等高溫陶瓷或者 ZrB2、HfB2等超高溫陶瓷，常采用熱壓或熱等 靜壓燒結(jié)。此外，采用特殊加熱原理實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)的一些新工藝，如微波燒結(jié)、放電 等離子燒結(jié)、自蔓延合成與致密化燒結(jié)等，近些年也得到廣泛關(guān)注與研究。 陶瓷燒結(jié)涉及到溫度、氣氛、壓力等因素及調(diào)控，因而可以分為常壓燒結(jié)、真空 燒結(jié)、氣氛燒結(jié)及各種壓力燒結(jié)。

熱壓燒結(jié)：技術(shù)成熟且重要的燒結(jié)工藝

熱壓燒結(jié)包括一般熱壓燒結(jié)和等靜壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)指在燒成過程中施加一定 的壓力 （在 10～40MPa），促使材料加速流動(dòng)、重排與致密化。連續(xù)熱壓燒結(jié)生產(chǎn) 效率高，但設(shè)備與模具費(fèi)用較高，又不利于過高過厚制品的燒制。 熱壓燒結(jié)是一種 機(jī)械加壓的燒結(jié)方法，此法是把陶瓷粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時(shí)將粉末加熱到 燒成溫度，由于從外部施加壓力而補(bǔ)充了驅(qū)動(dòng)力，因此可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到致密化， 并且可獲得具有細(xì)小均勻晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。因此，對于共價(jià)鍵難燒結(jié)的高溫陶瓷材 料（如 Si3N4、B4C、SiC、TiB2、ZrB2等），熱壓燒結(jié)是一種有效的致密化技術(shù)。 熱壓燒結(jié)可在低于常壓燒結(jié)溫度 100-200℃的稍低溫度下得到接近理論密度的 陶瓷產(chǎn)品，熱壓燒結(jié)還可以提高制品的性能，例如透明性、電導(dǎo)率、力學(xué)性能以及使 用可靠性。但熱壓燒結(jié)通

氣氛燒結(jié)：促進(jìn)陶瓷材料致密化的重要手段

氣氛燒結(jié)是指陶瓷坯體在通入一定氣體的爐膛內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的方法。不同的材料 選擇適宜的氣氛燒結(jié)，有助于燒結(jié)過程，提高制品致密化程度、獲得良好的性能的 制品。氣氛燒結(jié)中常用的氣體有真空、氫、氧、氮和惰性氣體（如氬氣）等。例如透 明氧化鋁陶瓷可用氫氣氣氛燒結(jié)，透明鐵電陶瓷宜用氧氣氣氛燒結(jié)，氮化物陶瓷如 氮化鋁等宜用氮?dú)鈿夥諢Y(jié)。

熱等靜壓燒結(jié)：較為以來設(shè)備的燒結(jié)方式

熱等靜壓是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)， 是工程陶瓷快速致密化 燒結(jié)最有效的一種方法，其基本原理是：以高壓氣體作為壓力介質(zhì)作用于陶瓷材料 （包封的粉末和素坯，或者燒結(jié)體），使其在加壓過程中經(jīng)受各向均衡的壓力，借助 于高溫和高壓的共同作用達(dá)到材料致密化。熱等靜壓最早是在 1955 年由美國 Battelle Columbus 實(shí)驗(yàn)室研制成功，隨后瑞典的 ASEA 公司，美國的 ABB 公司生產(chǎn) 出商業(yè)用熱等靜壓設(shè)備。從 20 世紀(jì) 60 年代開始，熱等靜壓技術(shù)已經(jīng)在粉末冶金領(lǐng) 域（硬質(zhì)合金產(chǎn)品的燒結(jié)）得到廣泛應(yīng)用。隨著設(shè)備所能達(dá)到的溫度和壓力不斷提 高，也引起了陶瓷工作者的極大興趣。70 年代后熱等靜壓技術(shù)現(xiàn)代陶瓷燒結(jié)領(lǐng)域， 成為許多高性能陶瓷產(chǎn)品制備的一種關(guān)鍵技術(shù)。

微波燒結(jié)：快速、均勻、能效高且無熱原污染的燒結(jié)方式

微波是一種電磁波，它遵循光的有關(guān)定律，可以被物質(zhì)傳遞、吸收或反射，同時(shí) 還能透過各種氣體，很方便地實(shí)現(xiàn)在各種氣氛保護(hù)下的微波加熱及有氣相參與的合 成反應(yīng)。微波燒結(jié)就是利用微波加熱原理來對材料進(jìn)行的燒結(jié)。作為一種新型的陶 瓷加工技術(shù)，微波燒結(jié)的應(yīng)用時(shí)間并不長。加拿大的 W.R.Tinga 等人在 60 年代末期 最早嘗試了用微波加熱及燒結(jié)陶瓷材料，并獲得了初步成功。進(jìn)入 80 年代以后，人 們對微波燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并成功的制備出了 Al2O3、B4C、Y2O3-ZrO2、 SiO2、TiO2、ZnO 等陶瓷材料。

放電等離子燒結(jié)：快速低溫且高效的燒結(jié)方式

放電等離子燒結(jié)又稱等離子活化燒結(jié)或等離子輔助燒結(jié)，是近年來發(fā)展起來的 一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)。放電等離子燒結(jié)技術(shù)融等離子活化、熱壓、電阻加熱為 一體，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、冷卻迅速、外加壓力和燒結(jié)氣氛可控、節(jié)能環(huán) 保等特點(diǎn)，可廣泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷和金屬間 復(fù)合材料等一系列新型材料的燒結(jié)， 并在納米材料、復(fù)合材料等的制備中顯示了極 大的優(yōu)越性，是一項(xiàng)有重要使用價(jià)值和廣泛前景的燒結(jié)新技術(shù)。

自蔓延高溫合成及燒結(jié)：制備塊體陶瓷材料的極佳工藝

自蔓延高溫合成技術(shù)，是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱，依靠燃燒波自我維持，并通過 控制自維持反應(yīng)速度、燃燒溫度、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率等條件，進(jìn)而獲得具有指定成分和結(jié) 構(gòu)產(chǎn)物的一種新型材料制備技術(shù)。自 1967 年前蘇聯(lián)的 Merzhanov 等發(fā)明后，經(jīng)其國 家保密 20 余年后，現(xiàn)已受到國際物理、化工、冶金、材料與機(jī)械工程等領(lǐng)域界的日 益重視和廣泛應(yīng)用，已成為合成、制造和加工處理材料的新技術(shù)。生產(chǎn)效率提高，產(chǎn) 品成本降低，是目前 SHS 技術(shù)研究與開發(fā)的主要方向。（報(bào)告來源：未來智庫）

2.4 加工工藝：改善表面光潔度及尺寸精度的關(guān)鍵工藝

陶瓷經(jīng)成型和燒結(jié)，雖然具有一定的形狀和尺寸，但較大的燒結(jié)收縮，使得燒結(jié) 體尺寸偏差通常在毫米數(shù)量級以上，必需要加工之后才能應(yīng)用。

機(jī)械加工：陶瓷部件的機(jī)械加工主要包括磨削、研磨、拋光，是目前陶 瓷工業(yè)上廣泛使用的機(jī)械加工方式。

化學(xué)加工：陶瓷部件的化學(xué)加工主要包括化學(xué)研磨、化學(xué)刻蝕、電泳拋 光及磨削。

電火花加工：利用工具點(diǎn)擊及工件電極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象對 材料進(jìn)行加工。火花放電時(shí)，在放電區(qū)域能量高度集中，瞬間溫度高達(dá) 10000℃左右，足以使陶瓷材料局部熔化和氣化而被蝕除，因而可加工相 聚晶金剛石、立方氮化硼等一類超硬陶瓷。

激光加工：工程陶瓷加工的新方法，只要材料能吸收激光就可以進(jìn)行加 工。

激光加工：在加工工具或被加工材料上施加超聲波震動(dòng)，在工具和工件中加入由磨料和液體混合的懸浮液，并以較小的壓力使工具貼壓在工件 上進(jìn)而在超聲振動(dòng)中進(jìn)行加工。

打孔加工：主要有機(jī)械加工、超聲波加工及激光加工等方式，是陶瓷加 工的重要技術(shù)。

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