先進陶瓷以其優(yōu)異的性能在新材料領(lǐng)域獨樹一幟,成為航空航天、通信電子、半導體微電子、生物醫(yī)療、國防軍工及高鐵、新能源汽車等高科技領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵材料,受到人們世界各國的高度重視。
01、我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍落后于國外
我國先進陶瓷研究始于上世紀50年代,起步較晚且前期發(fā)展稍慢。從20世紀80年代開始,經(jīng)過“六五”“ 七五”“ 八五”攻關(guān)及“863”“ 973”“ 科技支撐”“ 科技部重大專項”等*科研項目的投入和研發(fā),突破了高效發(fā)動機中以高溫陶瓷為關(guān)鍵零部件的技術(shù)難題,由此開展了陶瓷材料的組成設(shè)計、晶界工程、氣壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、凈尺寸成型等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作,使得此后幾十年,我國在精尖陶瓷制備技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域取得了巨大發(fā)展成果。
進入21世紀后,我國先進陶瓷材料制備技術(shù)快速發(fā)展,不斷打破國外壟斷和技術(shù)封鎖,包括各種燒結(jié)技術(shù)、成型工藝、粉末制備技術(shù)、精密加工工藝和陶瓷與金屬的封接技術(shù)等。正是這些裝備技術(shù)的研發(fā)與應用及科研人員的積極參與,推動了我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
近些年來,我國已經(jīng)陸續(xù)將先進陶瓷應用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)中的諸多領(lǐng)域。目前,我國在某些*先進陶瓷的理論研究和實驗水平已經(jīng)達到國際先進水平,且研究領(lǐng)域廣泛,幾乎涉獵了所有先進陶瓷材料的研究、開發(fā)和生產(chǎn)。許多先進陶瓷產(chǎn)品在我國已能大批量生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定,并能占領(lǐng)一定的國際市場。
但是,整體來看,我國的先進陶瓷產(chǎn)業(yè)除少數(shù)達到甚至超過國外同行外,總體上是明顯落后于發(fā)達國家的水平。
02、粉體——我國先進陶瓷產(chǎn)業(yè)的“葫蘆腰”
從概念上看,先進陶瓷是一類采用高純度、超細、人工合成或精選的無機化合物為原料,具有*的化學組成、精密的制造加工技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計,并具有優(yōu)異的力學、聲、光、熱、電、生物等特性的陶瓷材料。
從生產(chǎn)流程上看,先進陶瓷生產(chǎn)主要涉及粉體制備,成型、燒結(jié)、精加工等重要環(huán)節(jié),其中陶瓷產(chǎn)品的性能很大程度上取決于原料粉體的特性已成為業(yè)內(nèi)共識。因此有專家直接指出:我們的先進陶瓷和世界先進水平相比還是有一定的差距,這個差距很大一部分是來源于我們的原料粉體技術(shù)仍然落后于世界先進水平。
把范圍稍微放大一點,據(jù)媒體的統(tǒng)計,至少包括超細銀粉、高純碳化硅粉、高純度氧化鎂、氧化鋯粉體、氮化鋁粉體、球形硅微粉、高純氧化鋁、球形氧化鋁、氮化硅粉體、導電炭黑、3D打印用球形金屬粉、MLCC高端陶瓷粉料等在內(nèi)的幾十種粉體原材料的高端產(chǎn)品仍未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化替代,大量依賴進口!
可以說,原料粉體已成為制約我國先進陶瓷乃至整個新材料產(chǎn)業(yè)的“葫蘆腰”,是產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展中*為“瘦弱”的環(huán)節(jié)。
目前,日本在先進陶瓷材料科研、制備方面占有*、突出的地位,日資企業(yè)在全球先進陶瓷領(lǐng)域市場份額達50%左右,是當之無愧的先進陶瓷*強國。
日本在先進陶瓷領(lǐng)域的強大體現(xiàn)在其產(chǎn)業(yè)鏈完整以及各環(huán)節(jié)的深厚實力,尤其在粉體方面。日本誕生了一批以生產(chǎn)陶瓷粉料聞名的企業(yè),并牢牢占據(jù)了全球陶瓷粉體的高端市場。
例如在許多高端的Al2O3陶瓷產(chǎn)品方面,晶粒細小、結(jié)構(gòu)均勻、機電性能和耐磨性好Al2O3陶瓷零部件所使用的Al2O3粉末由日本企業(yè)把控;在高性能MLCC陶瓷粉體方面,日系廠商可以根據(jù)訂單要求,在100nm的鈦酸鋇基礎(chǔ)上改性,*終可制成小尺寸(0402、0201等)、大容量(10~100μF)的MLCC。此外,著名陶瓷粉體企業(yè)還有生產(chǎn)高性能Si3N4粉末的日本宇部興產(chǎn)株式會社,生產(chǎn)高導熱基板用AlN陶瓷粉的德山曹達,生產(chǎn)高分散性細粒度的高純氧化鋁的住友化學等等。
相比之下,雖然目前國內(nèi)先進陶瓷粉末原料生產(chǎn)企業(yè)很多,很多陶瓷粉體也實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破,純度、細度方面也沒問題,但除少數(shù)已完全實現(xiàn)替代并打進國際市場的陶瓷粉體外,仍有很多關(guān)鍵粉體在穩(wěn)定性、分散性、成型性能、燒結(jié)性能等方面有很大的進步空間。
03、什么樣的陶瓷粉體是“理想粉體”
一般來說,理想陶瓷粉體或高質(zhì)量陶瓷粉體主要包括以下幾個方面。
1.化學成分
從化學成分來講,一般追求兩個方面:高純度與*的配比。
高純度方面。雜質(zhì)的存在有時候會嚴重影響到制品的性能,例如:在高純氧化鋁中,往往會存在硅、鈣、鐵、鈉、鉀等雜質(zhì)。鐵雜質(zhì)的存在會使燒結(jié)后的材料發(fā)黑發(fā)暗;鈉、鉀雜質(zhì)會影響材料的電性能,導致其電性能變差;剩余兩種雜質(zhì)會導致材料在燒結(jié)過程中晶粒異常長大。在透明陶瓷方面雜質(zhì)的影響就更大了,陶瓷粉體中雜質(zhì)的存在將直接宣布透明陶瓷“失明”,這是因為雜質(zhì)作為第二相,與陶瓷本體材料的光學性能差異巨大,往往會造成散射和吸收中心,會大大降低了陶瓷的透光性。在氮化硅和氮化鋁等氮化物陶瓷中,氧雜質(zhì)的存在會導致導熱性能的下降。
配比方面。在陶瓷生產(chǎn)配方中,大多時候不需要極度“高純”的單一組分,而往往會摻雜一些輔料,如燒結(jié)助劑等。這種情況下,配比準確是*基本要求,因為不同的化學成分和含量,會對制品的性能產(chǎn)生決定性的影響。
2.相組成
一般要求粉體盡可能具備與陶瓷制品相同的物相,不希望在燒結(jié)過程中發(fā)生相變。雖然某些時候,相變的確對陶瓷的致密化能起到促進作用,但在絕大多數(shù)情況下,相變的發(fā)生是不利于陶瓷的燒結(jié)的。比如氧化鋁陶瓷的燒結(jié),一般都采用α-相也就是剛玉相粉料,如果采用的是θ-相或γ-相粉料,在燒結(jié)過程中相變產(chǎn)生的體積收縮很難控制,制品容易出現(xiàn)變形。而如果是氧化鋯陶瓷,如果燒結(jié)過程中發(fā)生相變,那就會直接導致陶瓷的開裂。對氮化硅陶瓷而言,α相質(zhì)量分數(shù)高的氮化硅陶瓷粉末作為燒結(jié)的初始粉末是制備高性能氮化硅陶瓷材料的基礎(chǔ)。
3.顆粒尺寸與形貌
一般而言,顆粒越細越好。因為按照現(xiàn)有的燒結(jié)理論,坯體致密度的速度與粉料的大小(或其某次方的大。┦浅煞幢鹊模w粒越小,越有利于燒結(jié)。例如超細氮化鋁粉體由于其高的比表面積,會在燒結(jié)的過程中增加燒結(jié)的推動力,加速燒結(jié)的過程。此外,粉體的尺寸變小也就意味著物質(zhì)的擴散距離變短,高溫下有利于液相物質(zhì)的生成,極大地加強了流動傳質(zhì)作用。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解,工業(yè)上一般要求超細氮化鋁粉體的D50(即顆粒累積分布為50%的粒徑)尺寸盡可能地保持在1~1.5μm左右且粒度均勻。
也有研究表明,合理的顆粒粒度及顆粒級配的粉料、通過加入粘結(jié)劑對粉末進行造粒,使其具有更好的流動性對后續(xù)的成型和燒結(jié)會產(chǎn)生積極的影響,主要原因是粒度分布寬的粉體中存在的大顆粒會形成較多空隙,這些空隙在成型過程中會被細顆粒所填充,但前提是必須在一定的粒度分布范圍內(nèi)。
規(guī)則形貌的陶瓷粉體具有更好的流動性對后續(xù)的成型和燒結(jié)會產(chǎn)生積極的影響,造粒工藝就是讓粉體在粘結(jié)劑的作用下形成類球狀的形貌,這也間接表明球形陶瓷粉體在成型和燒結(jié)過程中對提高陶瓷的致密度有著積極的作用。
4.均勻性
粉料的均勻性很容易被忽略,但實際上其重要性比前面幾方面更為重要,或者說前面幾方面性能的好壞,很重要的一點就是看其均勻性如何。
比如粉料的化學成分。前面說過,理論上化學組成按化學計量*合適,但前提是各種組成分布均勻。然而在實際上,粉體中的成分分布往往存在局部的不均勻,使某些區(qū)域的成分配比偏離化學計量。這樣的粉體有時候會導致陶瓷性能的下降。
顆粒大小也是如此。一般對于粉體顆粒度的要求是細而且分布窄,同時還要具備分散性好等特性,避免團聚等現(xiàn)象的發(fā)生造成對燒結(jié)性能的不利影響,*好還都是球形顆粒,像一堆微小的乒乓球,以保證有良好的流動性。
04、小結(jié)
當然,目前我們陶瓷粉體要實現(xiàn)快速追趕,不是幾句話就能解決的,需要研發(fā)、技術(shù)、設(shè)備、生產(chǎn)經(jīng)驗等全方面的長期積淀以及上下游的協(xié)同合作。但粉體原料在先進陶瓷生產(chǎn)中的重要性已不言而喻,希望能引起產(chǎn)研界及政府部門的進一步重視。