(整理)陶瓷塔轮新材料研究

拉丝机/陶瓷塔轮/台州市康嘉机械有限公司先进陶瓷材料是二十世纪发展起来的新材料之一。

所谓先进陶瓷材料是指人工合成的高纯度超细粉末作为原料，采用精密控制工艺成型烧结而制成的高性能陶瓷，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损及一些特殊功能，颇受青睐，是最重要的无机非金属材料。

每年以7%至10%的速度发展，广泛应用于国防、航空航天、机械、化工、建筑等领域，已成为四大类材料（金属、陶瓷、高分子和复合材料）之一。

“十五”期间，863新材料领域在高性能结构材料，功能材料以及国防材料专项对先进陶瓷材料都给予了重视，对于先进结构陶瓷材料，在高性能结构材料技术专题，始终都把耐高温、高强、耐磨损、耐腐蚀陶瓷材料及部件的研究作为重点项目来部署。

从研究内容看，主要集中在三个方面：1、先进陶瓷材料本身的研究；2、先进陶瓷材料新制备工艺的研究；3、低成本、高可靠性陶瓷部件的产业化关键技术研究。

国防、航空航天的轻质化和小型化对先进陶瓷材料的需求日趋强烈。

先进陶瓷材料密度仅为高温合金的1/3~1/4，使用温度高达1500℃以上，因此应用先进陶瓷材料作为结构件可明显的降低结构重量，同时还可起到耐腐蚀耐磨损等功能作用。

我国在航空发动机热端部件等开始应用，提高了航空发动机的推重比，缩小航空发动机与国际先进发动机的差距。

又如在导弹天线罩、喷管、喉衬等均有应用。

在民用方面，先进陶瓷应用更为广泛，如在矿山、发电、冶金用耐磨耐腐蚀陶瓷部件，其寿命比高铬铁制品寿命提高8-10倍，仅宝钢每年就有数千万件需求；矿山、电子部门用渣浆陶瓷内衬比现有产品使用寿命提高2-3倍。

用陶瓷熔融金属过滤器，提高金属铸件的质量，不仅在国防军工同时在现代交通等领域对高温熔融金属（钢）夹杂物过滤器的市场需求越来越大。

又如在机械工业，机床主轴应用陶瓷轴承，寿命提高5-10倍，市场也在逐渐扩大。

从先进陶瓷材料的“十五”计划实施中，主要的经验与体会是：1、“十五”在先进陶瓷材料研究计划中，明确了我国在此方面的差距（仅占国际市场的1%左右），在此基础上突出了重点，以氮化物、碳化物为重点，且根据不同用途，对性能指标及成品率提出了明确要求，使先进陶瓷材料的研究取得突出成绩。

2、根据陶瓷材料的特点，突出陶瓷部件制备工艺是发展先进陶瓷材料的关键。

特别支持了陶瓷粉体的分散与高密度素坯的成型工艺。

高密度复杂形状的陶瓷零部件成型工艺，精密陶瓷部件成型与烧结中的缺陷控制，多孔陶瓷部件的烧结工艺等。

3、在管理机制上，采用滚动支持是激励项目承担单位圆满或超额完成任务的重要措施。

如对新一代铝电解金属陶瓷、自增韧氮化硅及其陶瓷轧辊制备技术，耐高温、高强、耐腐蚀陶瓷部件的关键制备技术以及陶瓷膜材料设计与制备技术项目均采取了不同程度的滚动支持。

4、“十五”计划中，同样注意了先进陶瓷材料及其部件的产业化技术，充分调动了相关产业积极性，得到可喜进展。

如陶瓷轴承方面，形成年产值3500万的规模，陶瓷过滤器形成八千万到一亿元产值能力，渣浆泵可带来每年节约几十亿的社会效益，发挥稀土和晶须联合强韧化的稀土-碳化硅陶瓷线材轧辊提高了我国线材生产水平等。

这些充分展示了陶瓷材料的产业前景。

5、先进陶瓷应用潜力大，原材料在我国极为丰富，“十一五”应集中规划，突出关键技术，扩大应用领域，科研院所与相关企业紧密结合，推进产业化，使我国现代陶瓷在国际上占有重要一席之地。

二、先进陶瓷材料国内外发展现状和趋势先进陶瓷材料是具有特殊优越性能的新型材料，各国在基础与应用以及工程化方面，对此给与了特殊重视，特别是在信息、国防、现代交通与能源产业中均将其置于重要地位。

1、信息产业方面--微电子新材料和光电子材料与器件技术世界范围的产业结构正发生急剧变化，以新型电子元器件为基础的先进信息高技术越来越成为构成一个国家综合国力和国际竞争力的重要因素。

在此领域先进功能陶瓷材料是不可替代的。

功能陶瓷主要包括铁电、压电、介电、热释电、半导、导电、超导和磁性等功能各异的陶瓷材料，它是电子信息、集成电路、移动通讯、计算机、自动控制等近代高技术领域的重要基础材料。

随着信息技术的飞跃发展，先进功能陶瓷及器件日益向微型化、集成化、高灵敏等方向发展。

目前功能陶瓷及其元件主要的发展方向有：片式陶瓷元件（电容、电感、电阻）；灵敏陶瓷传感器；压电陶瓷驱动器件；低介高导热高密度封装陶瓷基片；微波介电陶瓷等。

目前日本在功能陶瓷及其元件相关高技术领域处于领先地位，全世界相关产品50%以上为日本公司产品。

日本电子陶瓷制造商的研发成果产业化效率居于世界领先水平，这是日本电子陶瓷业在全球领先的一个重要原因，而同期美国专利大多数为实验室获得，未能迅速应用到生产中。

我国电子陶瓷高端市场基本被日本公司所垄断，以片式陶瓷电容器市场为例，北京村田电子公司、上海京瓷公司、厦门TDK公司和天津松下公司占据了国内90％的市场份额。

国内虽有很多电子陶瓷公司，但绝大多数脱胎于50年代建设起来的电子材料厂，存在技术落后、规模小和产品品种单一等问题，只能占据电子陶瓷的低端市场，获取微薄的利润。

国内只有风华高科一家公司可以与日本公司抗衡，开发了具有世界先进水平的片式电容和电感器件。

电信设备和计算机的制造商所需要的高端产品只能依赖进口。

电子浆料主要用于制造厚膜混合集成电路、电阻器，多层陶瓷电容器、电阻网络、敏感元器件及其它电子元器件，是电子信息产业中的基础材料。

国内的电子信息产业迅速发展，海外的电子元器件厂商纷纷将生产地转移到中国内地，国内市场对电子浆料产品的需求在迅速增长。

美国杜邦公司、日本住友公司相继在中国设立了电子浆料合资企业，其它海外公司也在伺机进入中国。

中国国内的电子浆料企业正面临着发展的机遇和严峻的考验。

从产品的技术水平上看，我国电子浆料生产企业经过多年来的不懈努力，大部分产品能够满足目前国内用户的需要，部分产品已具有一定的实力和水平，比如宏星西安电子浆料厂生产的片式电阻用系列导体浆料、电阻浆料、介质浆料，厚膜混合集成电路用导体浆料、电阻浆料、包装介质浆料、高压聚焦电位器用的高压高阻系列电阻浆料。

但总的来看，我国原有的电子浆料生产企业的技术水平与国际水平相比，还存在很大的差距，生产的大部分产品还属于中低档产品。

真正达到国际一流水平的品种还极少，尤其是技术含量较高的品种，比如电阻类浆料，在性能指标和产品一致性、稳定性方面还不能满足用户需要。

加之投入少，产品更新换代慢导致产品缺乏市场竞争力。

? 以高品质电子陶瓷粉末和浆料、超薄精细流延技术、低温烧结和共烧结技术等为技术基础，主要发展方向有如下一些内容：高性能大规模集成电路的基片和衬底材料；片式电子陶瓷器件的小型化、高频化、系列化、集成化；高强、高热稳定性和低损耗的压电陶瓷和驱动器件；陶瓷传感器灵敏化、微型化、集成化；高性能微波介质陶瓷；功能陶瓷薄膜制备技术及其与微电子技术的兼容与集成；固体氧化物燃料电池等。

2、面向传统产业和支柱产业的关键新材料技术1）现代制造业现代制造业已成为我国国民经济的关键领域之一。

现代制造技术对新型刀具、模具材料需求越来越迫切，先进陶瓷材料在此领域的重要地位日益突出。

陶瓷、金属陶瓷、陶瓷涂层等刀具材料以其良好的硬度、耐高温、抗氧化和高温抗蠕变能力，在高速、精密切削加工逐步占据主要地位，在刀具材料中的比例逐年上升。

仅以陶瓷刀片为例，其占可转位刀片的比例约为：美国3%～5%、俄罗斯5%～7%、日本7%～9%、德国9%～12%，英国、法国、瑞典等也在大力推广应用。

硬质合金刀具材料的发展主要是细晶粒（1~0.5）和超细晶粒（<0.5）硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大提高，可替代高速钢造小规格钻头、立铣刀和丝锥等量大面广的通用刀具，使其切削速度和刀具寿命远远超过高速钢。

随着整体硬质合金刀具的使用，将显着提高原先用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率。

国内高速切削刀具最具有优势的是陶瓷刀具，研究开发的水平与国际相当。

目前已有陶瓷刀具30多个品种，其中氧化铝基20多个、氮化硅基近10个，包括带孔和不带孔陶瓷刀具的生产能力也很大。

在一汽集团的轿车刀具国产化过程中，国产陶瓷刀具的性能已达到国外先进产品的水品。

经过多年的努力国内近年来开发成功CVD TiC- TiN、Al2O3- TiN 多涂层硬质合金刀片和PVD-TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN 复合多涂层高速钢复杂刀具。

但目前市场上涂层刀具的主要产品是CVD-Al2O3和TiN复合涂层硬质合金刀片以及PVD TiN涂层高速钢刀具。

TiCN、TiAlN和TiAlCN商品化涂层产品，由于技术原因难于及时供应，质量与国外还有差距。

PVD硬质涂层如氮化碳(CN)、Al2O3、氮化物[TiN(NbN)、TiN/VN等]以及金刚石PCD 膜涂层和软涂层(MoS2,WS2)和纳米多层涂层等有待开发。

无机材料在传统产业改造中的作用越来越大。

各类高档耐磨耐腐蚀密封材料、陶瓷轴承、钢筋轧制用复合陶瓷材料不仅提高了相关传统行业的效率，节约了成本，减轻了劳动强度，还对环境保护大有禅益。

高性能的发热体材料是半导体行业使用的加热设备的关键材料。

采用金属陶瓷（硬质合金）制造精密、复杂、大型、高效率、长寿命模具技术已成为衡量一个国家模具制造水平的重要标志之一。

硬质合金模具以其高耐磨性、高刚度、耐高温、低摩擦系数等优异性能在某些领域正逐渐替代钢质模具。

当冲压速度很高时，只有硬质合金材料才可以使模具刚性好，冲压过程平稳，不产生振动。

同样，也只有这种材料才可以使极小尺寸的凸模等易损特有令人满意的使用寿命。

集成电路用引线框架级进模的凸模最小宽度仅0.2mm，用硬质合金制造的凸模和凹模拼块制造精度达2μm。

在800次／min的高速冲压过程中模具刃磨寿命＞100万次，总寿命可超过1亿次。

为了保证冲压制品的质量（表面平整度、毛刺、尺寸精度、断面质量、塌角等），模具的运动副必然要选择和保证小间隙，对于这一要求也只有硬质合金才能胜任。

在高温模具方面，硬质合金及陶瓷模具的地位不可替代，如钢铁工业中的热作模具及轧辊等，其他材料难于满足高温下硬度和耐磨性的要求。

我国在此领域有一定的基础，国内已可生产世界上最大的硬质合金轧辊，直径达350mm。

一般模具国内可以自行制造，但很多大型、复杂、精密和长寿命的模具仍需依靠进口，近年来模具进口量已超过国内生产的商品模具的总销售量。

2）汽车及交通运输产业高速列车是我国现代交通的一个重要的战略发展方向，目前已决定建设时速为300km的高速铁路。

其中需要攻克的关键技术之一是制动技术，高性能制动闸片摩擦材料是一个急需开发的重要课题。

日、法等高速列车发展较早的国家对制动闸片材料进行了大量的研究和开发,技术最成熟、应用最广泛的金属陶瓷制动闸片(粉末冶金制动闸片)材料已成功应用于高速列车。