现代陶瓷新技术

作者：孙文德

来源：金属世界  发布时间：2013-7-21

  现代陶瓷,已不仅是粘土烧制的茶杯花瓶,以氮化硅为基础的高性能陶瓷已成为现代工业新材料家族中的重要一员。从人们嘴巴里的牙齿,到厨房里的水龙头,到轴承、防弹衣、坦克装甲板、飞机发动机和火箭助推器,到处都有陶瓷的踪影,因为新型陶瓷比钢和其他金属密度低,硬度高,耐热性能好。

  然而,要想做出高强度的新型陶瓷非常不容易,它需要具备非常苛刻的条件。因为陶瓷有一个固有的致命弱点:太脆,容易开;传统烧结方法需要长时间的高温烧烤,其间发生的物理化学反应很难得到精确控制,导致获得的陶瓷材料性能不稳定,可靠性差。也就是说烧出来是什么样,就是什么样,人们很难对它进行控制与改变。另外,利用传统的烧结方法做出来的新型陶瓷成本非常高昂,比如与铝合金比,成本相差10多倍都不止。因此,未能大规模地应用。要使陶瓷材料进人大规模的实用阶段,必须改善其脆性,提高其可靠性,还要将成本降下来。 

  现在这个问题被一位中国科学家攻克了。据最新出版的英国《自然》杂志报道,取得这一科学突破的是在瑞典斯德哥尔摩大学从事科研的中国科学家沈志坚博士。他发明的新烧结原理,能在几分钟之内“解决问题” 。通过迅速加温,可以更简便、精确地控制反应过程,并以一种“动力学成熟”法来控制氮化硅颗粒的形态与大小。用一句行话说,就是将组成陶瓷的细小晶体颗粒制成长针状,使它们相互咬合,从而提高韧性,基于这一原理,不仅可以通过调控微观结构来改善陶瓷材料的脆性并提高其可靠性,而且可望降低高性能陶瓷材料的生产成本 。

  由于这项成果, 长期困扰陶瓷研究界的“成本”与“可靠性”两大难题有望解决。在新材料及陶瓷研究方面享有很高国际声誉的英国教授德里克·汤姆森在《自然》杂志上发表评论,他对这一成果感到非常惊讶,他说:能在这么短时间内生长出针状晶粒,真是非常了不起,它为陶瓷新材料的工业应用增加了可能性,提供了新方法。汤姆森教授说,这一发现实现了30 年的历史跨越,做到了30 年没能做到的事情,为将来制备更高性能的陶瓷开拓了思路。

  沈志坚博士介绍,该技术现在还限于实验室阶段,但他对这种强韧陶瓷的大规模工业应用前景表示乐观。

  由于“成本”与“可靠性”问题的解决,陶瓷的工业应用将离人们的生活越来越近。譬如,科学家们正在研究让陶瓷取代金属来制造汽车发动机,那时发动机的水冷装置就可以省去了。提高涡轮发动机热利用效率的途径之一是提高工作温度,如果用新陶瓷制作涡轮,人口温度可从800一900℃提高到1350℃,热利用效率可从现在的巧20%提高到42%。

  利用陶瓷还可实现多种功能互换。如安放在打火机中的压电陶瓷,一经敲打即产生一个电火花,将机械能转变成电能。医用B超发生器的心脏也是一块压电陶瓷,它实现的是将电脉冲转变成机械振动,产生超声波。高温燃料电池是陶瓷材料应用的又一新领域。将来,在生活小区里,不再需要锅炉,只要一个陶瓷做的燃料电池,无噪音,无污染,靠它发生的氢氧反应,就可解决供热、制冷问题。

  陶瓷的应用对人们的日常生活也意义重大。比如镶牙、种牙。有一种陶瓷做的牙齿,种进去后可与骨头生长在一起,达到“一体化”程度,无论外观还是使用功能,都与正常牙齿没什么两样,但这种牙齿价格高昂。如果以后制作这种陶瓷牙解决了成本问题,那会给更多的牙病患者带来福音。