隨著現(xiàn)代高新技術的發(fā)展，先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分，成為許多高技術領域發(fā)展的重要關鍵材料，備受各工業(yè)發(fā)達國家的極大關注，其發(fā)展在很大程度上也影響著其他工業(yè)的發(fā)展和進步。由于先進陶瓷特定的精細結(jié)構(gòu)和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、聲光、超導、生物相容等一系列優(yōu)良性能，被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫(yī)學等國民經(jīng)濟的各個領域。先進陶瓷的發(fā)展是國民經(jīng)濟新的增長點，其研究、應用、開發(fā)狀況是體現(xiàn)一個國家國民經(jīng)濟綜合實力的重要標志之一。

  先進陶瓷是“采用高度精選或合成的原料，具有精確控制的化學組成，按照便于控制的制造技術加工、便于進行結(jié)構(gòu)設計，并且有優(yōu)異特性的陶瓷”。按其特性和用途，可分為2大類：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷（詳見表1）。結(jié)構(gòu)陶瓷是指能作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷，它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性；結(jié)構(gòu)陶瓷大致分為氧化物系、非氧化物系和結(jié)構(gòu)用陶瓷基復合材料。功能陶瓷是指具有電、磁、光、聲、超導、化學、生物等特性，且具有相互轉(zhuǎn)化功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額，其余為結(jié)構(gòu)陶瓷。 

由于先進陶瓷各種功能的不斷發(fā)現(xiàn)，在微電子工業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)、自動化控制和未來智能化技術等方面作為支撐材料的地位將日益明顯，其市場容量將不斷提升。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.國外研究發(fā)展情況

　　目前，全球范圍內(nèi)先進陶瓷技術快速進步、應用領域拓寬及市場穩(wěn)定增長的發(fā)展趨勢明顯。

　　美國和日本在先進陶瓷的研制與應用領域居于領先地位。美國國家航空和宇航局（NASA）則在結(jié)構(gòu)陶瓷的開發(fā)和加工技術方面正實施大規(guī)模的研究與發(fā)展計劃，重點對航空發(fā)動機、民用熱機中的關鍵閉環(huán)實現(xiàn)陶瓷替代，同時對納米陶瓷涂層、生物醫(yī)學陶瓷和光電陶瓷的研究、產(chǎn)業(yè)化進行資助。美國的“脆性材料設計”等10大計劃；美國聯(lián)邦計劃“先進材料與材料設備”中每年用于材料研究與工程費高達20億～25億美元，以提高其國際上的競爭力。日本先進陶瓷以其先進的制造設備，優(yōu)良的產(chǎn)品穩(wěn)定性逐步成為國際市場的引導者，特別是功能陶瓷領域包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等逐步壟斷國際市場。日本通產(chǎn)省精細陶瓷研究與開發(fā)的“月光計劃”；

　　300kW陶瓷燃氣輪機研制計劃。此外，歐盟各國，特別是德國、法國在結(jié)構(gòu)陶瓷領域進行了重點研究，主要集中在發(fā)電裝備、新能源材料和發(fā)動機中的陶瓷器件等領域。歐盟包括德、法、英等國家也采取了一些發(fā)展新材料的相應措施，如“尤里卡計劃”等。美國陶瓷工業(yè)部門的統(tǒng)計數(shù)字顯示，美國、日本、歐盟的先進陶瓷市場年平均增長率為12%，其中歐盟先進陶瓷市場總值年平均增長率達15%～18%；美國先進陶瓷市場總值年平均增長率9.9%；日本精細陶瓷協(xié)會對日本先進陶瓷市場進行了預測，其年平均增長率為7.2%。目前先進陶瓷最大市場在日本和美國，其次是歐盟。

2.國內(nèi)研究發(fā)展情況

　　20世紀80年代到90年代初，許多現(xiàn)代陶瓷理論和工藝在精細陶瓷的制備中得到應用。利用和金屬材料的相變理論、仿生學等學科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高，研制的纖維補強復相陶瓷，陶瓷基復合材料的韌性得到較大提高，通過仿生學在精細陶瓷制備工藝中得到應用，層狀材料得到較大發(fā)展。聚合物裂解轉(zhuǎn)化、化學氣相沉（滲）積、溶膠工藝的采用，使得特種纖維的制造、連續(xù)纖維復合材料制備技術快速發(fā)展。納米技術在陶瓷中的應用使材料性能發(fā)生根本性變化，使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結(jié)溫度大大降低。

　　進入21世紀，功能陶瓷的研究也得到了國家和各科研院所的高度重視。從1995—2015年我國先進陶瓷產(chǎn)值及預測（圖1）可以看出，我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)進入了快速發(fā)展期，預計到2015年產(chǎn)值可達到450億元。精密小尺寸產(chǎn)品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結(jié)技術、低成本規(guī)模化制備技術，陶瓷加工系統(tǒng)等領域不斷打破國外壟斷和技術封鎖。例如凝膠注模工藝生產(chǎn)的大尺寸熔融石英陶瓷方坩堝打破了美國賽瑞丹、日本東芝和法國維蘇威3大公司的技術壟斷，在2007年率先實現(xiàn)國產(chǎn)化，通過近5年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成110～1100mm系列產(chǎn)品（圖2），產(chǎn)能居于全球第1位。

圖1  1995—2015年我國先進陶瓷產(chǎn)值及預測

資料來源：中國國工程院、中國科學院《我國建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀及邁入新世紀的咨詢報告》

圖2  太陽能熔融石英方坩堝（110～1100mm）

但是，國內(nèi)先進陶瓷總體水平與美國、日本和德國相比還存在一定的差距。主要表現(xiàn)在3個方面：

1.技術及新產(chǎn)品工程轉(zhuǎn)化極度匱乏

  世界上開發(fā)了200多種陶瓷材料及2000多種應用產(chǎn)品。雖然我國同樣能制備出性能良好的陶瓷材料，但絕大部分仍停留在實驗室樣品上，有的產(chǎn)品由于成本高及可靠性等問題，市場還不能接受，所以產(chǎn)品的銷售額與發(fā)達國家相比相差甚遠。

2.高端粉體制備及分散技術遠遠落后

　　我國對陶瓷粉料的制備仍未引起足夠的重視，多種陶瓷粉料尚無專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，許多企業(yè)不得不“自產(chǎn)自銷”。例如：高純氧化鋁粉，日本企業(yè)99.99%氧化鋁粉燒結(jié)溫度只需1300℃，而國內(nèi)需要到1600℃以上；高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國H.C.Stark的限制，國內(nèi)企業(yè)在粉料質(zhì)量上仍存在較大的波動。同時，粉體的高效分散技術也存在較大差距。

3.制造裝備加工技術落后

　　雖然我國引進了國外先進的工藝裝備，像氣壓燒結(jié)爐、熱等靜壓、注射成型機、流延機等來提高我國的技術裝備水平，但因投資大，在經(jīng)濟上給企業(yè)造成了很大壓力，從而限制了先進陶瓷的發(fā)展。而國內(nèi)仿制設備因加工水平差距，可靠性和穩(wěn)定性暫時無法與國外產(chǎn)品相比。

　　我國在“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃中明確指出大力發(fā)展新型功能與智能材料、先進結(jié)構(gòu)與復合材料、納米材料、新型電子功能材料、高溫合金材料等關鍵基礎材料。實施高性能纖維及復合材料、先進稀土材料等科技產(chǎn)業(yè)化工程。掌握新材料的設計、制備加工、高效利用、安全服役、低成本循環(huán)再利用等關鍵技術，提高關鍵材料的供給能力，搶占新材料應用技術和高端制造制高點。同時，對先進陶瓷主要應用領域新能源、電子信息、環(huán)境保護、高端機械制造等同樣提出了規(guī)劃要求，將進一步推動我國先進陶瓷向規(guī)?；?、應用化、高端化發(fā)展。

一、先進陶瓷制備技術發(fā)展情況

1. 陶瓷粉體的制備方法

　　粉體的特性對先進陶瓷后續(xù)成型和燒結(jié)有著顯著的影響，特別是顯著影響陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和機械性能。通常情況下，活性高、純度高、粒徑小的粉體有利于制備結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的陶瓷材料。

　　陶瓷粉體的制備主要包含固相反應法、液相反應法和氣相反應法3大類。其中固相反應法特點是成本較低、便于批量化生產(chǎn)，但雜質(zhì)較多，主要包括碳熱還原法〔碳化硅（SiC）粉體、氧氮化鋁（AlON）粉體）〕、高溫固相合成法（鎂鋁尖晶石粉體、鈦酸鋇粉體等）、自蔓延合成法氮化硅〔（Si3N4）粉體等300余種〕和鹽類分解法〔三氧化二鋁（Al2O3）粉體〕等。其中近幾年興起的沖擊波固體合成法可以大大降低反應溫度，提高粉體活性。

　　液相反應法生產(chǎn)的粉料粒徑小、活性高、化學組成便于控制，化學摻雜方便，能夠合成復合粉體，主要包括化學沉淀法、溶膠——凝膠法、醇鹽水解法、水熱法、溶劑蒸發(fā)法。

氣相反應法包括物理氣相沉積和化學氣相沉積2種。與液相反應法相比，氣相反應制備的粉體純度高、粉料分散性好、粒度均勻，但是投資較大、成本高。隨著納米技術的發(fā)展，近10年來，粉體表面積大、球形度高、粒徑分布窄等特點，為高性能陶瓷提供了基礎保障。

2.先進陶瓷的成型技術

　　先進陶瓷成型方法種類繁多，除了傳統(tǒng)的干壓成型、注漿成型之外，根據(jù)陶瓷粉體的特性和產(chǎn)品的制備要求，發(fā)展出多種成型方法?？偟膩碚f可以歸納為4類：干法壓制成型、塑性成型、漿料成型和固體無模成型，其中每一類成形又可細分為不同成形方法。

　　干法壓制成型：干壓成型、冷等靜壓成型；

塑性成型：擠壓成型、注射成型、熱蠟鑄成型、扎膜成型；

　　漿料成型：注漿成型、流延成型、凝膠注模成型和原位凝固成型；

　　固體無模成型：熔融沉積成型、三維打印成型、分層實體成型、立體光刻成型和激光選取燒結(jié)成型。根據(jù)先進陶瓷的發(fā)展進程，重點介紹以下成型方法：

（1）冷等靜壓成型

　　等靜壓成型是最常見的瘠性料先進陶瓷成型工藝，通過將粉體放入柔性模具或包套中，通過對其施加各項均勻的壓力成型，是目前國內(nèi)應用最為廣泛、最為成熟的工藝，分為干袋式等靜壓和濕袋式等靜壓。其特點是成本低、模具簡單，生坯強度高，但尺寸不精確、復雜形狀成型較困難，濕袋式自動化生產(chǎn)效率低。圖3所示為冷等靜壓成型超特高壓絕緣子。

圖3  冷等靜壓成型超特高壓絕緣子

（２）流延成型

　　1945年，美國麻省理工學院首先對流延成型進行了報道。其原理是粘度適合、分散性良好的料漿通過流延機漿料槽道口流到基帶上，通過基帶和刮刀的相對運動使料漿鋪展，在表面張力作用下形成有光滑表面的坯體。坯體具有良好的韌性和強度，可以制備幾個微米到1mm厚的陶瓷薄片材料，目前已經(jīng)廣泛應用到電容器瓷片、Al2O3基片和壓電陶瓷膜片中，圖4所示為Al2O3基片。此外，可利用流延法制備Si3N4、SiC、氮化硼（BN）等疊層復合材料，從而制備出高韌性先進陶瓷。

圖4  Al2O3陶瓷基片

（３）注射成型

　　注射成型是將高分子聚合物注射成型方法與陶瓷制備工藝相結(jié)合發(fā)展起來的一種制備陶瓷零部件的新工藝。圖5是國內(nèi)引進瑞典首臺套中壓注塑成型設備。近幾年在國內(nèi)發(fā)展勢頭迅猛，在小尺寸、高精度、復雜形狀陶瓷的大批量生產(chǎn)方面最具優(yōu)勢。發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片、滑動軸承、陶瓷軸承球、光線連接器用陶瓷插芯、陶瓷牙、陶瓷手表等近幾年均實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。注射成型方法將是小尺寸陶瓷部件特別是復雜形狀陶瓷部件最具發(fā)展前景的成型方法。圖6為中壓注塑成型出的圓度很好的氮化硅軸承球坯體。

圖5  國內(nèi)引進瑞典首臺套中壓注塑成型設備

圖6　中壓注塑成型制備圓度很好的氮化硅軸承球坯體

（４）凝膠注模成型

　　凝膠注模成型，即注凝成型是借助料漿中有機單體聚合交聯(lián)將陶瓷料漿固化成型，可制備出大尺寸薄壁陶瓷或形狀復雜的產(chǎn)品。其特點是近凈尺寸成型、有機物含量少，坯體強度高可進行機械加工，適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)。

目前國內(nèi)注凝成型應用最成熟的產(chǎn)品為大尺寸熔融石英坩堝、薄片Al2O3基片、二氧化鋯（ZrO2）陶瓷微珠等產(chǎn)品。我國的熔融石英坩堝尺寸達1200×1200×540（mm），是全球唯一采用注凝工藝生產(chǎn)石英坩堝的國家，其使用性能達到國際先進水平。

５）固體無模成型

　　陶瓷無模成型是直接利用CAD設計結(jié)果，通過計算形成可執(zhí)行的像素單元文件，然后通過類似計算機打印輸出設備將要成型的陶瓷粉體快速形成實際像素單元（尺寸可小至微米級），一個一個單元疊加的結(jié)果即可直接成型所需要的三維立體構(gòu)件。美國Rutgers大學和Argonne實驗室利用熔融沉積成型技術制備了Al2O3噴嘴座，燒結(jié)密度98%，強度824±110MPa；麻省理工學院利用3D打印成型技術研制的四方氧化鋯陶瓷強度670MPa，斷裂韌性4MPa·m1/2，并制造出熱氣體陶瓷過濾器；英國布魯諾大學利用10%體積含量的ZrO2墨水采用噴墨打印機成型制備出相關陶瓷樣品。圖8為3D打印成型技術制備的各種精密陶瓷部件。

圖8  3D打印成型技術制備的陶瓷部件

雖然目前固體無模成型設備昂貴、技術封閉、材料性能不理想，但其與現(xiàn)代智能技術結(jié)合將進一步提高陶瓷制備工業(yè)的水平，是成型技術發(fā)展的主要方向。

1. 先進陶瓷的燒結(jié)技術

　　陶瓷坯體通過燒結(jié)促使晶粒遷移、尺寸長大、坯體收縮、氣孔排出形成陶瓷材料，根據(jù)燒結(jié)過程中不同的狀態(tài)，分為固態(tài)燒結(jié)和液相燒結(jié)。先進陶瓷的燒結(jié)技術按照燒結(jié)壓力分主要有常壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、真空燒結(jié)以及熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)等各種壓力燒結(jié)。近些年通過特殊的加熱原理出現(xiàn)微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、自蔓延燒結(jié)等新型燒結(jié)技術。

（1）熱壓燒結(jié)（HP）

　　對共價鍵難燒材料如Si3N4、BN、二硼化鋯（ZrB2）需要在加熱過程中給予外加機械力，使其達到致密化，此種燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)，分為單向加壓和雙向加壓。熱壓燒結(jié)的特點是可以低于常壓燒結(jié)溫度100～200℃的條件下接近理論密度，同時提高制品的性能如透明性、電導率及可靠性。熱壓燒結(jié)目前在國內(nèi)AlON、YAG等透明陶瓷、BN可切削陶瓷達到或接近國際水平。

但是熱壓燒結(jié)通常只能制造形狀單一產(chǎn)品，并且會加大后期的加工成本，因此該燒結(jié)方式制造成本較高。

（２）氣壓燒結(jié)（GPS）

　　氣壓燒結(jié)是指在陶瓷高溫燒結(jié)過程中施加一定的氣體壓力，范圍在1～10MPa以便抑制高溫下陶瓷材料的分解和失重，從而可以提高燒結(jié)溫度，促進材料的致密化，是先進陶瓷最重要的燒結(jié)技術之一。

　　該技術最早由日本的Mitomo報道，其最大優(yōu)勢在于可以較低成本制備性能優(yōu)良、形狀復雜的共價鍵陶瓷，并可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。近30年來氣壓燒結(jié)在日本、美國、德國和中國得到了廣泛而深入的研究，燒結(jié)材料的范圍不斷擴大與推廣，國內(nèi)在大尺寸氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方面突破了國外技術封鎖，實現(xiàn)技術國產(chǎn)化。

圖10為國內(nèi)最大規(guī)格（600×900mm）氣氛壓力燒結(jié)爐和制備的大尺寸（70mm）氮化硅陶瓷軸承球。

（２）氣壓燒結(jié)（GPS）

　　氣壓燒結(jié)是指在陶瓷高溫燒結(jié)過程中施加一定的氣體壓力，范圍在1～10MPa以便抑制高溫下陶瓷材料的分解和失重，從而可以提高燒結(jié)溫度，促進材料的致密化，是先進陶瓷最重要的燒結(jié)技術之一。

　　該技術最早由日本的Mitomo報道，其最大優(yōu)勢在于可以較低成本制備性能優(yōu)良、形狀復雜的共價鍵陶瓷，并可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。近30年來氣壓燒結(jié)在日本、美國、德國和中國得到了廣泛而深入的研究，燒結(jié)材料的范圍不斷擴大與推廣，國內(nèi)在大尺寸氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方面突破了國外技術封鎖，實現(xiàn)技術國產(chǎn)化。圖10為國內(nèi)最大規(guī)格（600×900mm）氣氛壓力燒結(jié)爐和制備的大尺寸（70mm）氮化硅陶瓷軸承球。

（1）放電等離子燒結(jié)

　　放電等離子體燒結(jié)是利用等離子體所特有的高溫快速燒成特點的一種新型材料制備工藝方法，被譽為陶瓷燒結(jié)技術發(fā)展的一次突破，廣泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、透明陶瓷、纖維增強陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料。其優(yōu)點是：燒結(jié)溫度低（比HP和HIP低200～300℃），燒結(jié)時間短（只需3～10min），晶粒細小，致密度高，是近凈尺寸燒結(jié)技術。此外，裝置相對較簡單，能量利用率高，運行費用低，易實現(xiàn)燒結(jié)工藝的一體化和自動化。

（2）微波燒結(jié)技術

　　微波燒結(jié)是微波電磁場與材料介質(zhì)相互作用導致介電損耗而使材料表面和內(nèi)部同時受熱。其優(yōu)點是：升溫速率快，可實現(xiàn)快速燒結(jié)和晶粒細化；陶瓷產(chǎn)品整體均勻加熱，內(nèi)部溫度場均勻；利用微波對材料的選擇性加熱，可以對材料某些部位進行加熱修復或缺陷愈合；微波加熱高效節(jié)能，節(jié)能效率可達50%左右；無熱慣性，便于實現(xiàn)燒結(jié)的瞬時升、降溫自動控制。美國橡樹嶺國家實驗室Kinrey等人利用微波燒結(jié)1200℃制備了相對密度98.5%的Al2O3/ZrO2陶瓷材料；徐耕夫等借助微波燒結(jié)在1650℃制備了相對密度97.5%的β-SiAlON陶瓷。

４. 陶瓷精密加工技術

　　先進陶瓷屬于脆性材料，硬度高、脆性大。由于陶瓷加工性能差，加工難度大，稍有不慎就可能產(chǎn)生裂紋或者破壞，因此不斷開發(fā)高效率、高質(zhì)量、低成本的陶瓷材料精密加工技術已經(jīng)成為國內(nèi)外陶瓷領域的熱點。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術主要體現(xiàn)在機械加工，包括陶瓷磨削、研磨和拋光。近20年來，電火花加工、超聲波加工、激光加工和化學加工等加工技術逐步在陶瓷加工中應用。圖11為精密加工的石英陶瓷輥。

圖11-左硅鋼線退火爐用石英陶瓷爐底輥（180×2150mm,空心）

圖11-右玻璃水平鋼化爐用石英陶瓷輥（Φ8×765mm到Φ150×6000mm各種規(guī)格）