特種陶瓷概述

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. 特種陶瓷概述 摘要 本文主要敘述了國內(nèi)特種陶瓷市場發(fā)展和生產(chǎn)現(xiàn)狀，講述了相關(guān)的制備方法和最新的相關(guān)技術(shù)前沿工藝，最后展望了特種陶瓷未來的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞 特種陶瓷；市場現(xiàn)狀；制備工藝；發(fā)展規(guī)模 前言 特種陶瓷也稱為先進(jìn)陶瓷、新型陶瓷、高性能陶瓷等，突破了傳統(tǒng)陶瓷以黏土為主要原料的界限，主要以氧化物、炭化物、氮化物、硅化物等為主要原料，有時還可以與金屬進(jìn)行復(fù)合形成陶瓷金屬復(fù)合材料，是一種采用現(xiàn)代材料工藝制備的，具有獨特和優(yōu)異性能的陶瓷材料。已成為現(xiàn)代高性能復(fù)合材料的一個研究熱點。特種陶瓷于二十世紀(jì)發(fā)展起來，在近二、三十年內(nèi)，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，特別是在高技術(shù)、新技術(shù)領(lǐng)域中的地位日趨重要。許多科學(xué)家預(yù)言：特種陶瓷在二十一世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，必將占據(jù)十分重要的地位。特種陶瓷不同的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定了它不同的特殊性質(zhì)和功能，可作為工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用于機械、電子、化工、冶煉、能源、醫(yī)學(xué)、激光、核反應(yīng)、宇航等領(lǐng)域。一些經(jīng)濟發(fā)達(dá)國家，特別是日本、美國和西歐國家，為了加速新技術(shù)革命，為新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，投入大量人力、物力和財力研究開發(fā)特種陶瓷，因此，特種陶瓷的發(fā)展十分迅速，在技術(shù)上也有很大突破。 1.發(fā)展現(xiàn)狀 1.1市場情況： 與20年前相比，目前我國特陶行業(yè)結(jié)構(gòu)變化巨大，私營企業(yè)、外資企業(yè)的數(shù)量和比重迅猛增加，特別是外資企業(yè)增長勢頭迅猛，約占我國全部特陶企業(yè)的10%左右。當(dāng)前在電子陶瓷行業(yè)中，股份制和三資企業(yè)市場競爭力最強。 我國特陶市場的開放和市場規(guī)模的潛力，吸引許多國外企業(yè)紛紛進(jìn)入，投資不斷增加，規(guī)模逐步擴大，其投資模式已從最初的產(chǎn)品輸入（經(jīng)銷產(chǎn)品）到生產(chǎn)輸入（投資設(shè)廠），再到應(yīng)用研究輸入（設(shè)立實驗室），對我國本土特陶企業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。 1995年我國特種陶瓷產(chǎn)品銷售額80億元人民幣（約合10億美元），其中電子陶瓷約占70%，約56億元；結(jié)構(gòu)陶瓷占30%，約為24億元。相當(dāng)于日本的1/9、美國的1/5，與歐洲的市場規(guī)模相當(dāng)。2015年，特種陶瓷產(chǎn)品產(chǎn)值達(dá)到約450億元。 2010年，我國特種陶瓷在無機非金屬新材料6大領(lǐng)域（玻璃纖維、玻璃鋼／復(fù)合材料、特種玻璃及深加工玻璃、石英玻璃、特種陶瓷、人工晶體）總需求919.64億元中以32.6%的比例占首位。 我國特種陶瓷的市場需求巨大，為特種陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了大好機遇。今后我國需求較大的特種陶瓷主要產(chǎn)品有：高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基片、低介電常數(shù)陶瓷基片、陶瓷電容器、敏感陶瓷用瓷料、陶瓷光纖連接器、微波介質(zhì)陶瓷材料等功能陶瓷產(chǎn)品；以機械行業(yè)需要的陶瓷刀具、陶瓷軸承、陶瓷密封環(huán)、陶瓷火花塞，建材行業(yè)需要的氧化鋁研磨介質(zhì)和襯里、輥道窯陶瓷輥棒，石油化工行業(yè)需要的球閥、缸套等耐磨耐腐蝕陶瓷部件等結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品；國防工業(yè)需要的特殊陶瓷材料；環(huán)境保護(hù)需要的生態(tài)環(huán)境陶瓷材料和生物醫(yī)用陶瓷材料。 1.2生產(chǎn)廠家 我國特種陶瓷生產(chǎn)企業(yè)有200多家。集中分布在北京、上海、天津、江蘇、山東、浙江、福建、廣東等沿海城市和地區(qū)，武漢等華中部分城市地區(qū)，西南、西北等偏遠(yuǎn)地區(qū)以原軍工三線企業(yè)為主。電子陶瓷材料多集中在北京、廣東、福建和長江三角洲地區(qū)等。 廣東是我國的電子產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地，多集中在佛山、深圳、東莞、惠州等地，已形成了完整的電子元器件產(chǎn)業(yè)集群，產(chǎn)業(yè)配套體系比較完善；廣東省內(nèi)清遠(yuǎn)、河源、三水、高要等新型陶瓷生產(chǎn)基地，大都已完成一期投資。一些新規(guī)劃陶瓷工業(yè)園如四會、廣寧、德慶等地已準(zhǔn)備建設(shè)。 福建已在泉州建設(shè)臺灣學(xué)者創(chuàng)業(yè)園，首期項目重點開發(fā)生產(chǎn)微波介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、陶瓷敏感器件、光導(dǎo)陶瓷材料與原器件等先進(jìn)的特種陶瓷產(chǎn)品。 上海以中科院上海硅酸鹽研究所為代表形成了產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的無機新材料產(chǎn)業(yè)，在鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷器件、氧化鋁增韌陶瓷、多孔陶瓷等方面具有很大優(yōu)勢。 浙江在杭州、嘉興、湖州等地集中了壓電陶瓷制造基地。 四川在稀土功能陶瓷材料方面已形成產(chǎn)業(yè)化。 國產(chǎn)特種陶瓷主要企業(yè)有：淄博華光、江蘇高淳、唐山陶瓷、中材高新、深圳南玻、江蘇華硅、景德鎮(zhèn)特陶、河北隆達(dá)、湖南新化、紹興銳克、湖南精誠、湖南泰鑫、福建智勝、南京泰龍、廣東風(fēng)華、珠?；浛魄迦A、沈陽星光、鄭州富煒、石家莊依斯特、中山高科等。 境內(nèi)外資企業(yè)主要有：華光菲尼克斯、上海京瓷、上海華克、蘇州共立、上海摩根美超、江蘇江佳、江蘇捷嘉、武進(jìn)興勤、珠海西門子－松下、大連須內(nèi)等。 1.3生產(chǎn)規(guī)模 我國特種陶瓷的研究和生產(chǎn)在過去二十幾年中得到很大發(fā)展，但在實際應(yīng)用、生產(chǎn)水平和工業(yè)化程度上仍然與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn)。預(yù)計，到2010年和2015年，我國特種陶瓷產(chǎn)值將分別達(dá)到300億元和450億元，市場需求巨大。我國從事特種陶瓷開發(fā)研制的高校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)已超過300家，其中研發(fā)生產(chǎn)功能陶瓷的單位占63.6%，研發(fā)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的單位占36.4%。中國科學(xué)院、上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等對我國特種材料研究起到了重要的推動作用。特種陶瓷廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械設(shè)備、燃?xì)饩咝袠I(yè)、汽車（摩托車）行業(yè)、紡織工業(yè)、機電行業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高科技陶瓷的應(yīng)用范圍也不斷擴大。 2009年1-6月，全國規(guī)模以上日用陶瓷企業(yè)總產(chǎn)量完成75.11億件，同比增長9.52%;衛(wèi)生陶瓷完成0.7805億件，同比增長3.85%;墻地磚完成28.03億平米，同比增長7.8%;日用陶瓷制品總產(chǎn)值完成598.39億元，同比增長4.6%;工業(yè)銷售產(chǎn)值累計完成580.08億元，同比增長4.9%;出口交貨累計136.50億元，同比降低10.3%;出口占銷售比重23.5%.1-6月，日用陶瓷（包括藝術(shù)瓷及未列名陶瓷）出口量為107.41萬噸，同比降低12.23%,出口額累計13.08億美元，同比增長5.96%;墻地磚出口量2.95億平米，同比降低6.59%,出口額累計12.19億美元，同比降低1.25%;衛(wèi)生瓷累計出口量2149萬件，同比降低14.24%,出口額累計3.06億美元，同比降低15.83%.1-6月，日用陶瓷進(jìn)口量0.4678萬噸，同比降低10.5%;進(jìn)口額累計0.5986億美元，同比降低32.06%.墻地磚進(jìn)口量103.8萬平米，同比降低35.36%;進(jìn)口額1609.56萬美元，同比降低37.99%;衛(wèi)生瓷累計進(jìn)口13.25萬件，同比降低27.63%;進(jìn)口額累計1253.19萬美元，同比降低24.25%. 2009年下半年以來，在各方的共同努力下，金融危機的寒冰在日漸消融。面對金融危機引發(fā)的經(jīng)濟頹勢，國家及時出臺實施了擴內(nèi)需保增長、提高出口退稅率等一系列利好政策和措施，有力拉動了國內(nèi)市場，對陶瓷企業(yè)降低損失、止跌回升產(chǎn)生了積極影響，發(fā)揮了重要作用。但市場的回暖需要一個過程，特別是國際市場，而企業(yè)經(jīng)歷了金融危機的洗禮，復(fù)原也需要一段時間，因此效果不可能立竿見影。受房地產(chǎn)影響，陶瓷上半年走勢下滑，在下半年，由于內(nèi)需的強勁拉升，陶瓷的發(fā)展速度會得到提升，預(yù)計建筑陶瓷全年增速將達(dá)到20%左右，衛(wèi)生陶瓷增速在15%左右。受世界經(jīng)濟下滑影響，2009年我國陶瓷產(chǎn)品出口市場不容樂觀，出口額將大幅下降。據(jù)有關(guān)數(shù)字顯示，上半年陶瓷磚累計出口2.96億平方米，同比下降6.6%，出口金額12.2億美元，同比下降1.2%；衛(wèi)生陶瓷累計出口金額3.06億美元，同比下降15.8%。目前，我國經(jīng)濟進(jìn)入一個企穩(wěn)回升的關(guān)鍵時期，但經(jīng)濟復(fù)蘇的基礎(chǔ)尚不穩(wěn)固，陶瓷業(yè)也是如此。雖然國內(nèi)市場已呈現(xiàn)回暖復(fù)蘇的積極跡象，房地產(chǎn)升溫、國家拉動經(jīng)濟的成效開始顯現(xiàn)，但陶瓷企業(yè)近幾年來的急劇擴張，新建生產(chǎn)線的產(chǎn)能釋放也將在近一兩年內(nèi)發(fā)生，本就產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的陶瓷市場，競爭將會更加激烈。而國際市場的復(fù)蘇更有待時日，雖然國內(nèi)市場廣闊，但許多陶瓷企業(yè)的外銷比例都十分突出，對國際市場的依存度仍然較高，巨大產(chǎn)能的消化，國內(nèi)市場是完不成的，必須依靠國際市場，從而導(dǎo)致國內(nèi)陶瓷企業(yè)仍面臨著尚未全面脫困的艱難時期。 2.特種陶瓷的生產(chǎn) 2.1生產(chǎn)工藝 特種陶瓷的生產(chǎn)步驟大致可以分為三步：第一步是陶瓷粉體的制備、第二步是成形，第三步是燒結(jié)。下圖為特種陶瓷制備工藝流程圖： 粉末制備 坯料制備 成型 干燥 燒結(jié) 后處理 熱壓或熱等靜壓燒結(jié) 成品 2.1.1陶瓷粉體的制備 粉料的制備工藝、粉料的性質(zhì)和成形工藝對燒結(jié)時微觀結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展有著巨大的影響，即陶瓷的最終微觀組織結(jié)構(gòu)不僅與燒結(jié)工藝有關(guān)，而且還受粉料性質(zhì)的影響。由于陶瓷的材料零件制造工藝一體化的特點，使得顯微組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣不單單影響材料本身的性能，而且還直接影響著制品的性能。陶瓷材料本身具有硬、脆、難變形等特點。因此，陶瓷材料的制備工藝顯得更加重要。由于陶瓷材料是采用粉末燒結(jié)的方法制造的，而燒結(jié)過程主要是沿粉料表面或晶界的固相擴散物質(zhì)的遷移過程。因此界面和表面的大小起著至關(guān)重要的作用。就是說，粉末的粒徑是描述粉末品質(zhì)的最重要的參數(shù)。因為粉末粒徑越小，表面積越大，單位質(zhì)量粉末的表面積(比表面積)越大，燒結(jié)時進(jìn)行固相擴散物質(zhì)遷移的界面就越多，即越容易致密化。制備現(xiàn)代陶瓷材料所用粉末都是亞微米(＜lμm)級超細(xì)粉末，且現(xiàn)在已發(fā)展到納米級超細(xì)粉。粉末顆粒形狀、尺寸分布及相結(jié)構(gòu)對陶瓷的性能也有著顯著使組分之間發(fā)生固相反應(yīng)，得到所需的物相。粉末制備方法很多，但大體上可以歸結(jié)為機械研磨法和化學(xué)法兩個方面。 傳統(tǒng)陶瓷粉料的合成方法是固相反應(yīng)加機械粉碎(球磨)。 其過程一般為：將所需要的組分或它們的先驅(qū)物用機械球磨方法（干磨、濕磨）進(jìn)行粉碎并混合。然后在一定的溫度下煅燒。由于達(dá)不到微觀均勻，而且粉末的細(xì)度有限（通常很難小于 lμm 而達(dá)到亞微米級），因此人們普遍采用化學(xué)法得到各種粉末原料。為了克服機械研磨法的缺點，人們普遍采用化學(xué)法得到各種粉末原料。根據(jù)起始組分的形態(tài)和反應(yīng)的不同，化學(xué)法可分為以下三種類型： (1) 液相合成法 液相有熔液和溶液兩種。 將陶瓷的熔液制成液滴，以等離子流使之形成霧狀，固化后便可獲得粉末。 雖然這種方法作為合成金屬而廣泛使用， 但陶瓷的液化必須在高溫下進(jìn)行，因為一面分解，另一面易于引起相分離。 所以廣泛采用溶液合成法。 (2) 氣相合成法 氣相合成法有蒸發(fā)凝聚法 （物理氣相沉積、PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）法。 由氣相合成析出的固體形態(tài)有晶須、薄膜、晶粒和微細(xì)粉末等。 蒸發(fā)凝聚法與液相合成法中的溶液噴霧法一樣，將原料在高溫下氣化，用電弧、等離子體進(jìn)行急冷而使其凝縮為微細(xì)粉料。 (3) 氣相反應(yīng)法 氣相反應(yīng)法是通過金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)而合成的方法。 一般在 Si C、Si3N4等的合成中使用該方法。 2.1.2特種陶瓷的成型 粉末成形是陶瓷材料或制品制備過程中的重要環(huán)節(jié)。粉料成形技術(shù)的目的是為了使坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、致密，它是提高陶瓷產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵步驟。成形過程就是將分散體系（粉料、塑性物料、漿料）轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◣缀涡螤詈蛷姸鹊膲K體，也稱素坯。 粉末的成形方法很多，如膠態(tài)成形工藝、固體無模成形工藝、陶瓷膠態(tài)注射成形等。不同形態(tài)的物料應(yīng)用不同的成形方法。究竟選擇哪一種成形方法取決于對制品各方面的要求和粉料的自身性質(zhì)（如顆粒尺寸、分布、表面積）。 陶瓷材料的成形除將粉末壓成一定形狀外，還可以外加壓力，使粉末顆粒之間相互作用，并減少孔隙度，使顆粒之間接觸點產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力在燒結(jié)過程中，是固相擴散物質(zhì)遷移致密化的驅(qū)動力。沒有經(jīng)過冷成形壓實的粉末，即使在很高的溫度下燒結(jié)，也不會產(chǎn)生致密化的制品。經(jīng)燒結(jié)后即可得到致密無孔的陶瓷，可見成形在陶瓷燒結(jié)致密化中的重要作用。 (1) 熱壓鑄成形 熱壓鑄成形也是注漿成形的一種， 但不同之處在于它是在坯料中混入石蠟，利用石蠟的熱流特性，使用金屬模具在壓力下進(jìn)行成形，冷凝后獲得坯體的方法。 熱壓鑄成形的工作原理如下： 先將定量石蠟熔化為蠟液再與烘干的陶瓷粉混合，凝固后制成蠟板，再將蠟板置于熱壓鑄機筒內(nèi)，加熱熔化成漿料，通過吸鑄口壓入模腔，保壓、去壓、冷卻成形，然后脫模取出坯體，熱壓鑄形成的坯體在燒結(jié)之前須經(jīng)排蠟處理。 該工藝適合形狀復(fù)雜、精度要求高的中小型產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)備簡單、操作方便、勞動強度小、生產(chǎn)效率高。 在特種陶瓷生產(chǎn)中經(jīng)常被采用。 但該工藝工序比較復(fù)雜、耗能大、工期長，對于大而長的薄壁制品，由于其不易充滿模具型腔而不太適宜。 (2) 擠壓成形 將粉料、粘結(jié)劑、潤滑劑等與水均勻混合，然后將塑性物料擠壓出剛性模具即可得到管狀、柱狀、板狀以及多孔柱狀成形體。 其缺點主要是物料強度低容易變形，并可能產(chǎn)生表面凹坑和起泡、開裂以及內(nèi)部裂紋等缺陷。 擠壓成形用的物料以粘結(jié)劑和水做塑性載體， 尤其需用粘土以提高物料相容性，故其廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)耐火材料，如爐管以及一些電子材料的成形生產(chǎn)。 (3) 流延成形 流延成形是將粉料與塑化劑混合得到流動的粘稠漿料，然后將漿料均勻地涂到轉(zhuǎn)動著的基帶上，或用刀片均勻地刷到支撐面上，形成漿膜，干燥后得到一層薄膜，薄膜厚度一般為 0.01～1mm。流延法用于鐵電材料的澆注成形。此外，它還被廣泛用于多層陶瓷、電子電路基板、壓電陶瓷等器件的生產(chǎn)中。 (4) 凝膠注模成形 凝膠注模成形是一種膠態(tài)成形工藝，它將傳統(tǒng)陶瓷工藝和化學(xué)理論有機結(jié)合起來，將高分子化學(xué)單體聚合的方法靈活地引入到陶瓷的成形工藝中，通過將有機聚合物單體及陶瓷粉末顆粒分散在介質(zhì)中制成低粘度，高固相體積分?jǐn)?shù)的濃懸浮體，并加入引發(fā)劑和催化劑，然后將濃懸浮體（漿料）注入非多孔模具中，通過引發(fā)劑和催化劑的作用使有機物聚合物單體交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)狀聚合物凝膠，并將陶瓷顆粒原位粘結(jié)而固化成坯體。凝膠注模成形作為一種新型的膠態(tài)成形方法，可凈尺寸成形形狀復(fù)雜、強度高、微觀結(jié)構(gòu)均勻、密度高的坯體，燒結(jié)成瓷的部件較干壓成形的陶瓷部件有更好的電性能。目前已廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)、汽車等領(lǐng)域。 (5) 氣相成形 利用氣相反應(yīng)生成納米顆粒， 如能使顆粒有效而且致密地沉積到模具表面，累積到一定厚度即成為制品，或者先使用其它方法制成一個具有開口氣孔的坯體， 再通過氣相沉積工藝將氣孔填充致密，用這種方法可以制造各種復(fù)合材料。由于固相顆粒的生成與成形過程同時進(jìn)行，因此可以避免一般超細(xì)粉料中的團(tuán)聚問題。 在成形過程中不存在排除液相的問題，從而避免了濕法工藝帶來的種種弊端。 (6) 注漿成形 根據(jù)所需陶瓷的組成進(jìn)行配料計算，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ苽涮沾煞垠w進(jìn)行混合、塑化、造粒等，才能應(yīng)用于成形。注漿成形適用于制造大型的、形狀復(fù)雜的、薄壁的陶瓷產(chǎn)品。對料漿性能也有一定的要求，如：流動性好、粘度小，利于料漿充型，穩(wěn)定性好。料漿能長時間保持穩(wěn)定，不易沉淀和分層，含水量和含氣量盡可能小等。 注漿成形的方法有：空心注漿和實心注漿。為提高注漿速度和坯體質(zhì)量，可采用壓力注漿、離心注漿和真空注漿等新方法。注漿成形工藝成本低、過程簡單、易于操作和控制，但成形形狀粗糙，注漿時間較長、坯體密度、強度也不高。在傳統(tǒng)注漿成形的基礎(chǔ)上，相繼發(fā)展產(chǎn)生了新的壓濾成形和離心注漿成形工藝，借助于外加壓力和離心力的作用，來提高素坯的密度和強度，避免了注射成形中復(fù)雜的脫脂過程，但由于坯體均勻性差，因而不能滿足制備高性能、高可靠性陶瓷材料的要求。 坯體除以上成形方法之外，還有模壓成形、等靜壓成形等方法，當(dāng)配方、混合、成形等工序完成后，還必須進(jìn)行燒結(jié)才能使材料獲得預(yù)期的顯微結(jié)構(gòu)，賦予材料各種性能。 2.1.3特種陶瓷的燒結(jié)方法 燒結(jié)是將成形后的坯體加熱到高溫并保持一定時間，通過固相或部分液相擴散物質(zhì)遷移，而消除孔隙。 將顆粒狀陶瓷坯體置于高溫爐中， 使其致密化形成強固體材料過程。 燒結(jié)開始于坯料顆粒間空隙排除，使相鄰粒子結(jié)合成緊密體。 但燒結(jié)過程必須具備兩個基本條件：應(yīng)該存在物質(zhì)遷移機理；必須有一種能量促進(jìn)和維持物質(zhì)遷移。 現(xiàn)在精細(xì)陶瓷結(jié)機理已出現(xiàn)了氣相燒結(jié)、固相燒結(jié)、液相燒結(jié)及反應(yīng)液體燒結(jié)等四種燒結(jié)模式。 它們材料結(jié)構(gòu)機理與燒結(jié)驅(qū)動力方式各不相同，尤其傳統(tǒng)陶瓷和大部分電子陶瓷燒結(jié)依賴于液相形成、 粘滯流動和溶解再沉淀過程，而對于高純、高強結(jié)構(gòu)陶瓷燒結(jié)，則以固相燒結(jié)為主，它們通過晶界擴散或點陣擴散來達(dá)到物質(zhì)遷移。燒結(jié)是陶瓷材料制備工藝過程中的一個十分重要的最終環(huán)節(jié)。 (1) 陶瓷燒結(jié)示意圖： (a)顆粒間的松散接觸；(b)顆粒間形成頸部；(c)晶界向小晶粒方向移動并逐漸消失，晶粒逐漸長大；(d)顆?；ハ喽逊e形成多晶聚合體 (2) 陶瓷的燒結(jié)過程： ①低溫階段（室溫至300℃左右） ②中溫階段（亦稱分解氧化階段，300 至950C） ③高溫階段（950C至燒成溫度） ④保溫階段 ⑤冷卻階段 (3) 燒結(jié)方法： ①常壓燒結(jié)（或稱無壓燒結(jié)） 常壓燒結(jié)是使用最廣泛的一種方法。它在大氣中燒結(jié)，即不抽真空，也不加任何保護(hù)氣體在電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)。這種方法適用于燒結(jié)氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷有時也采用常壓燒結(jié)。陶瓷器、耐火材料最先采用這種方法。后來，氧化鋁、 鐵氧體等許多新的陶瓷也采用了這一方法。與其它方法相比經(jīng)濟有效，但也有不利之處。為了使物質(zhì)所具的功能充分發(fā)揮出來，也有采用其它方法進(jìn)行燒結(jié)的情況。常壓燒結(jié)用電阻爐的關(guān)鍵部件是發(fā)熱體元件。通常生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同材料的燒結(jié)溫度，而選擇不同加熱體的電阻爐。 ②熱壓燒結(jié) 熱壓燒結(jié)即是將粉末填充于模型內(nèi)，在高溫下一邊加壓一邊進(jìn)行燒結(jié)的方法，同時進(jìn)行加溫、加壓(機械壓力而不是氣壓)的燒結(jié)。加壓方式一般都是單向加壓，熱壓時的壓力不能太高，一般為 50MPa。而冷壓成形的壓力可達(dá)200 MPa，甚至更高。熱壓燒結(jié)的加熱方式仍為電阻加熱，加壓方式為液壓傳動加載。熱壓燒結(jié)使用的模具多為石墨模具。它制造簡單、成本低。熱壓燒結(jié)的主要優(yōu)點是加快致密化進(jìn)程，減少氣孔隙，提高致密度，同時，可降低燒結(jié)溫度。Si3N4、SiC、Al2O3陶瓷等使用該法燒結(jié)，然而因成本較高，故其應(yīng)用受到限制。 ③熱等靜壓燒結(jié) 熱等靜壓一般是沿單軸方向進(jìn)行加壓燒結(jié)， 相對而言，這種方法是借助于氣體壓力而施加等靜壓的方法。 除SiC、Si3N4使用該法外，Al2O3、超硬合金等也使用該法。盡管熱壓燒結(jié)有許多優(yōu)點，但由于是單軸向加壓，故只能制得形狀簡單如片狀或環(huán)狀的樣品。 另外，對非等軸晶系的樣品熱壓后片狀或柱狀晶粒嚴(yán)重?fù)駜?yōu)取向而產(chǎn)生各向異性。 熱等靜壓與熱壓和無壓燒結(jié)一樣，已成功地用于多種結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié)或后處理。 此外，熱等靜壓還可以用于金屬鑄件、金屬基復(fù)合材料、噴射沉積成形材料、機械合金化與粉末冶金材料和產(chǎn)品零部件的致密化等。 ④氣氛燒結(jié) 氣氛燒結(jié)是采用各種氣氛作保護(hù)或反應(yīng)參與物，進(jìn)行燒結(jié)。 常用的有真空、氫、氧、氮和惰性氣體（如氬）等各種氣氛。 例如透明氧化鋁陶瓷可用氫氣氛燒結(jié)，透明鐵電陶瓷宜用氧氣氛燒結(jié)， 氮化物陶瓷如氮化鋁等宜用氮氣氛燒結(jié)。 2.2節(jié)能降耗 陶瓷薄板技術(shù)是一個偉大的陶瓷科技創(chuàng)新，采用世界先進(jìn)的特種陶瓷科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，專業(yè)生產(chǎn)僅有4.8毫米厚的大規(guī)格陶瓷薄板。單位面積建筑陶瓷材料重量初步估算比傳統(tǒng)同規(guī)格產(chǎn)品可降低1倍以上，節(jié)約60%以上的原料資源，降低綜合能耗50%以上。陶瓷薄板的應(yīng)用是對傳統(tǒng)的建筑陶瓷和傳統(tǒng)的飾面材料進(jìn)行革命性替代，并且能夠體現(xiàn)出對傳統(tǒng)的建筑陶瓷和傳統(tǒng)的飾面材料的優(yōu)勢優(yōu)點。防火，防潮，防霉，環(huán)保耐用，節(jié)約成本，節(jié)約資源，降低勞動強度，改善勞動環(huán)境。能廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)外墻空間裝飾、車站、機場、地鐵等各種場合裝飾。采用最流行的時尚經(jīng)典設(shè)計元素，不但滿足設(shè)計師以及建筑美學(xué)的要求，為建筑提供“新的皮膚”。 2.3 存在問題 目前在中國，生產(chǎn)特種陶瓷的企業(yè)比較多，分布散，不像建陶企業(yè)集中度那么高，特陶沒有形成一個個生產(chǎn)基地。雖然如此，我國對特種陶瓷的需求仍然比較大，其主要應(yīng)用于現(xiàn)代冶金、機械工程、信息技術(shù)、航天航空、動力工程、核能技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、軍事工程等技術(shù)領(lǐng)域，這就要求材料有更長的工作壽命，更高的使用溫度，更能承受各種殘酷的環(huán)境。然而，當(dāng)前國內(nèi)特種陶瓷遇到了一些發(fā)展上的瓶頸： 一是原料，目前各種高端原料都在日本，特種陶瓷的原料不像建筑陶瓷那樣，在周邊地區(qū)就可以采集，特種陶瓷對于原料的純度和燒結(jié)活性要求高，因為這會影響特陶質(zhì)量的穩(wěn)定性。 二是技術(shù)，原料可以依靠國外進(jìn)口，但最主要的還是技術(shù)，我國的特陶生產(chǎn)技術(shù)水平及總體實力與美國、日本相比，差距比較大，特別在實際應(yīng)用、生產(chǎn)水平和工業(yè)化程度上仍然與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn);還有一個發(fā)展瓶頸是設(shè)備問題，氧化物陶瓷對燒結(jié)設(shè)備的要求不是很高，但非氧化物如碳化物、硼化物、硅化物等材料對燒結(jié)設(shè)備要求很高，使用的設(shè)備大都依靠國外進(jìn)口，而且燒結(jié)設(shè)備非常昂貴。 早在1998年的時候日本就有公司可以生產(chǎn)的氧化鋁粉的純度可高達(dá)99.99%，但燒結(jié)溫度只需1300℃。一般來說，氧化鋁純度越高，燒結(jié)溫度就越高，而我國生產(chǎn)的氧化鋁純度僅為99.5%，但燒結(jié)溫度還需要1600~1700℃。與此同時，該日本氧化鋁，其抗彎強度、斷裂韌性、維氏硬度、沖蝕磨損率均比國產(chǎn)氧化鋁的要好得多。目前世界上能生產(chǎn)出這樣的氧化鋁粉的企業(yè)，就只有日本這一家公司。 目前，由于國家陸續(xù)出臺促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的政策，一些財力雄厚的建陶企業(yè)也產(chǎn)生向特種陶瓷這些新材料轉(zhuǎn)型的想法，但如果要將特種陶瓷產(chǎn)業(yè)化，我們的技術(shù)力量還是比較薄弱，特種陶瓷不像建筑陶瓷一樣，買了設(shè)備也就有了技術(shù)，特種陶瓷對技術(shù)要求比較高，像金剛的輥棒，從80年代開始，經(jīng)過這么多年的研發(fā)，才做到如今的‘世界老大’。這也說明，特種陶瓷與建筑陶瓷、日用陶瓷不同的是，其進(jìn)入門檻高，體現(xiàn)在技術(shù)要求高、資金需求多，與此同時，它的附加值也會比較高。 特種陶瓷目前還存在成本高的現(xiàn)狀，力學(xué)性能、可靠性和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步改善等問題，這也是制約特種陶瓷大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的重要瓶頸，高性能、低成本、高可靠性陶瓷材料的設(shè)計和制備方法的研究顯得尤為重要，任重道遠(yuǎn)。 3. 制備特種陶瓷新技術(shù) 3.1 超高溫技術(shù) 利用超高溫技術(shù)不但可廉價地研制特種陶瓷，還可廉價地研制新型玻璃，如光纖維、磁性玻璃、混合集成電路板、零膨脹結(jié)晶玻璃、高強度玻璃、人造骨頭和齒棍等。此外，利用超高溫技術(shù)還可以研制出象鉭、鉬、鎢、釩鐵合金和鈦等能夠應(yīng)用于太空飛行、海洋、核聚變等尖端領(lǐng)域的材料。例如日本在4000—15000℃和一個大氣壓以下制造金鋼石，其效率比現(xiàn)在普遍采用的低溫低壓等離子體技術(shù)高一百二十倍。 超高溫技術(shù)具有如下優(yōu)點：能生產(chǎn)出用以往方法所不能生產(chǎn)的物質(zhì)；能夠獲得純度極高的物質(zhì)：生產(chǎn)率會大幅度提高；可使作業(yè)程序簡化、易行。目前，在超高溫技術(shù)方面居領(lǐng)先地位的是日本。據(jù)統(tǒng)計，2000年日本超高溫技術(shù)的特種陶瓷市場規(guī)模也將會超過20萬億日元。此外，溶解法制備粉末、化學(xué)氣相沉積法制備陶瓷粉末、溶膠K凝膠法生產(chǎn)莫來石超細(xì)粉末以及等離子體氣相反應(yīng)法等也引起了人們的關(guān)注。在這幾種方法中，絕大部分是近年開發(fā)研究出來的或是在近期得以完善的。 3.2 熱等靜壓法 該法與熱壓法相比能使物料受到各向同性的壓力，因而其瓷質(zhì)均勻，此外由于熱壓靜法可以施加幾千個大氣壓的高壓，這樣就使得要燒結(jié)的材料能在極低的溫度下得以燒結(jié)。目前，市場上出售的熱等靜壓法設(shè)備的最高使用溫度及最高壓力通常為2000℃，2000個大氣壓。 3.3 真空擴散焊接法 采用真空擴散焊接法不僅可獲得高強度、高致密度、高幾何尺寸精度的金屬陶瓷制品(泄漏率不大于510ˉ11立方米帕/秒)，而且無需使用貴重的稀有焊料，可用于制作各種形狀、各種尺寸，特別是大規(guī)格的金屬陶瓷制品。 3.4 采用刀具加工陶瓷 目前，這方面的工作僅處于研究實驗階段，由于用超高精度的車床和金剛石單晶車刀進(jìn)行加工，以微米數(shù)量級的微小吃刀深度和微小的走刀量，能獲得0.1微米左右的加工精度，因而許多國家把這種加工技術(shù)作為超精密加工的一個方面而加以開發(fā)研究。 4今后研究與開發(fā)的方向 （1）加強基礎(chǔ)技術(shù)研究，例如燒結(jié)機理、檢測技術(shù)和粉末制備技術(shù)等； （2）超導(dǎo)陶瓷的研究； （3）陶瓷與陶瓷或陶瓷與其它材料復(fù)合（陶瓷纖維增強陶瓷，陶瓷纖維增強金屬）問題是現(xiàn)階段的研究重點。 （4）特種陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法，因而，許多國家都把它作為一項主要內(nèi)容而加以研究； （5）陶瓷的纖維化是研制隔熱材料、復(fù)合增強材料等的重要基礎(chǔ)，目前國外，尤其是日本對陶瓷纖維及晶須增強金屬復(fù)合材料的研究極為重視，其研究主要集中于碳化硅及氮化硅； （6）在非氮化物陶瓷中，目前國外研究最多的是陶瓷發(fā)動機，高壓熱交換器及陶瓷刀具等； （7）隨著生物化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)這些新興學(xué)科的發(fā)展，生物陶瓷的開發(fā)研究也變得越來越重要。 5結(jié)語 近年來，特種陶瓷因其性能優(yōu)異而倍受關(guān)注，陶瓷產(chǎn)業(yè)也獲得了長足發(fā)展，但歷來材料的研究是以金屬材料和高分子有機材料為主體。相對來說，對陶瓷的研究和開發(fā)不夠深入，正因為如此，陶瓷材料的許多獨特性能有待我們?nèi)ラ_發(fā)，所以特種陶瓷的發(fā)展?jié)摿艽?。隨著科技的發(fā)展和人們對陶瓷研究的深入，特種陶瓷將在新材料領(lǐng)域占有重要的地位。 .