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特種陶瓷將爭奪中國高端產業市場

發布時間: 2013年08月24日          瀏覽次數: 1357

 “特種陶瓷”是指以高純人工合成的無機化合物為原料,采用精密控制工藝燒結而制成的高性能陶瓷。按照性能及材質等特點分類,特種陶瓷大致分為結構陶瓷、功能陶瓷、半導體陶瓷、陶瓷纖維強化陶瓷基復合材料和金屬陶瓷五大類。在實際研發和應用上,主要以結構陶瓷和功能陶瓷為主。特種陶瓷產業是應用高新技術發展的低碳產業。

  特種陶瓷市場基本特點
  我國功能陶瓷占整個特種陶瓷銷售量的80%,而且每年以20%的速度增長著。在功能陶瓷中,電磁功能陶瓷有占到80%的比例。即特種陶瓷市場中60%以上是電磁功能陶瓷。功能陶瓷已在能源開發、空間技術、電子技術、傳感技術、激光技術、光電子技術、紅外技術、生物技術、環境科學等領域得到廣泛的應用。隨著宇航、航空、原子能和先進能源等近代科技大發展,對高溫、高強度材料提出越來越苛刻的要求,金屬基高溫合金往往難以完全滿足。結構陶瓷材料的熔點和硬度比金屬材料高得多,加上它還具有良好的化學穩定性、抗氧化性和其它好的性能,所以結構陶瓷在高溫技術中得到越來越廣泛的應用。特別是在傳統陶瓷窯爐領域使用氧化鋁、碳化硅輥棒、火嘴磚、莫來石板陶瓷纖維等高承重、耐高溫傳動、燒成配件,以及隔熱耐火材料,中國具有全球最大的生產能力和性價比優勢。
 
 特種陶瓷發展現狀及前景
  我國特種陶瓷的研究和生產在改革開放的30多年得到很大發展,但在實際應用、生產水平和工業化程度上仍然與發達國家相差甚遠。預計,到2010年和2015年,我國特種陶瓷產值將分別達到300億元和450億元,市場需求巨大。我國從事特種陶瓷開發研制的高校、科研院所和生產企業已超過300家,其中研發生產功能陶瓷的單位占63.6%,研發生產結構陶瓷的單位占36.4%。中國科學院、上海硅酸鹽研究所、清華大學等對我國特種材料研究起到了重要的推動作用。
  特種陶瓷廣泛應用于工業機械設備、燃氣具行業、汽車(摩托車)行業、紡織工業、機電行業、醫療器械等領域。隨著經濟的發展,高科技陶瓷的應用范圍也不斷擴大。
  進入21世紀,新一代技術革命領域——生物工程、新能源、信息工程、宇宙開發、海洋開發——急需大量的新材料。作為基礎的材料無疑要在這些技術革命中發揮重要的作用。在材料的發展過程中,盡管陶瓷出現得最早,但歷來是以金屬材料和有機高分子為主的,所以它們研究得比較透徹、應用得比較廣泛。正因為如此,相對來說潛力也挖掘得比較充分。特種陶瓷發展的歷史較短,研究的深度和廣度遠不如金屬和聚合物,而且特種陶瓷具有許多獨特的性能,潛力巨大。因此,發現新材料的幾率是很高的。
  2009年度重點研究的部分特種陶瓷項目
  2009年以來,我國特種陶瓷形成較大規模發展的項目的主要有汽車陶瓷剎車片、氧化鋯固體電解質研究、納米陶瓷成形、鈷酸鈣系熱電材料研究、二氧化鈦光催化技術的應用、生物功能陶瓷等。這些領域均取得突破性的發展,必將成為產業化發展的新途徑。
  一、汽車剎車片應用項目
  汽車高速化要求越來越高,目前國內已應用的摩擦材料中,無一能全面綜合滿足新的要求,這一現狀嚴重制約了汽車的制動性能乃至我國汽車業的高速發展。
  陶瓷剎車片相比于半金屬摩擦材料和無石棉摩擦材料剎車片,具有比重小、熔點高、硬度大、化學性能好和耐腐蝕等優點,已被廣泛地使用在摩擦材料上。因此,開發摩擦性能穩定、磨損率低、使用壽命長、無噪音和振動的新型陶瓷摩擦材料已成為現在摩擦材料研究的一個熱門領域。
二、氧化鋯基固體電解質項目
  固體氧化物燃料電池(SOFC)是20世紀80年代迅速發展起來的新型綠色能源。固體電解質是SOFC的核心部件,SOFC要求電解質具有高的離子電導率,低的電子遷移數,與電極材料、氧化燃氣保持化學穩定,在一個較寬的溫度和氧化壓范圍內保持熱力學穩定,與其它電池組件在熱膨脹系數上匹配,具有良好的氣密性以及適宜的力學性能等。
   氧化鋯陶瓷因其擁有較高的離子電導率,良好的化學穩定性和結構穩定性,成為研究最多、應用最為廣泛的一類電解質材料。通過對氧化鋯基電解質薄膜制備工藝的改進,降低此類材料的操作溫度和制備成本,力爭可以實現產業化也是未來研究的重要方向。
  三、納米陶瓷成形
  和普通陶瓷的成形一樣,納米陶瓷的成形方法也可分為干法成形和濕法成形兩大類。但對于普通陶瓷的粗顆粒粉體,納米粉體的成形往往要困難得多,這是因為納米粉體顆粒很小,單位體積中顆粒間的接觸點大大多于普通粉體,每個接觸點都可能因摩擦力的作用而阻礙顆粒間的滑移和重排,從而影響到素坯密度的提高和組織的均勻化。更重要的是,納米顆粒之間很容易因范德華力的作用而形成團聚,致使素坯中的顆粒堆積的不均勻性增加,同時坯體的密度降低。而且,如果這些團聚體不在成形階段壓碎或除去,極易在燒結時形成差分燒結,其結果就是導致燒結溫度的提高和晶粒的生產,這對于制備納米陶瓷極其不利。此外,納米顆粒表面很容易吸附雜質,也可能會對成形甚至后續的燒結及材料的性能造成影響。因此,尋找合適的技術工藝,獲得團聚少或無團聚、相對密度高且結構均勻的素坯,是納米陶瓷制備中的一項重要任務。
  四、鈷酸鈣系熱電材料研究
  由于熱電材料制備的設備具有無振動、無噪聲、體積小、重量輕、對環境無任何污染等優點,因此熱電材料在溫差發電和制冷領域具有重要的應用價值和廣泛的應用前景。
  鉆酸鈣系氧化物是一種新型的熱電材料,該氧化物具有不易潮解、化學穩定性好以及較好的熱電性能等優點。隨著能源和環境問題的日益突出,鈷酸鈣系基熱電材料由于其在工業廢熱等低品位能源的利用及環境保護方面的特殊功能,將成為綠色能源研究領域的新熱點。但目前鈷酸鈣系基熱電材料還不能替代傳統的制冷和發電技術,實現其在工業上的應用,需進行以下研究:繼續研究摻雜對材料熱電性能的影響,進行納米復合的研究,加強器件的制作工藝研究,以加快熱電材料的實用化進程。
  五、二氧化鈦光催化技術的應用
  二氧化鈦光催化技術起源于20世紀70年代。納米二氧化鈦在結構、光電和化學性質等方面均有許多優異性能,能夠把光能轉化為電能和化學能,使其在通常情況下難于實現或不能實現的反應能夠在溫和的條件下順利的進行。特別是二氧化鈦作為光催化劑具有無毒、廉價、理化性質穩定等特點,光激發產生的空穴以及進一步形成的羥基自由基可以無選擇的氧化有機污染物,并徹底礦化,沒有二次污染而備受青睞。隨著光催化技術的發展和納米Ti02催化活性的提高,其應用領域更加廣泛。
  當前,在我國沿海發達地區已開始采用“光觸媒”作為醫院、公共設施甚至出租車的空氣凈化手段。一些汽車生產廠家針對新車出產前采用光催化技術進行處理,推出健康汽車。但是Ti02的分離、反應器模型、催化劑的固載化以及提高可見光利用效率等問題仍需進一步研究。
  六、生物功能陶瓷
  生物功能材料的基本要求就是對健康無危害,又不被生化作用所破壞。即要求材料物理、化學和生理學性質穩定,對生物組織無刺激,不被生物組織腐蝕、吸收、具有良好的相容性。同時,人體骨骼必須承受較大的應力,大約需要200MPa的強度。
  許多陶瓷材料具備上述各種要求,所以近30年來,它正在逐步取代傳統的生物硬組織材料,如不銹鋼、鈦合金和其它金屬材料。傳統的金屬生物材料易在生物體內溶析、腐蝕。有機非金屬生物材料強度低。而陶瓷的表面結構呈親水性,與生物組織有優異的親和力,同時具有重量輕、強度高和剛度大等優點。
  生物功能陶瓷按用途可分為七個方面。第一、人工骨或人造關節;第二、運動系統的人工臟器材料;第三、形態修復和整形外科材料;第四、人造牙根和假牙;第五、人工肝臟內的吸附材料(活性炭);第六、固定酶載體(多孔玻璃);第七、診斷檢測儀器的溫度、氣體、離子傳感器等各種傳感器材料。生物功能陶瓷對保障人體健康、美容等發揮發揮了不可替代的作用。

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