陶瓷复合材料

陶瓷复合材料（精选12篇）

陶瓷复合材料 篇1

0 引言

木陶瓷(Woodceramics)自20世纪90年代初由冈部敏弘、斋藤幸司开发以来,作为一种典型的环境材料,就以其广泛的应用性和良好的环境协调性引起学术界的普遍关注[1]。木陶瓷是木质材料在热固性树脂中浸渍后真空碳化而成的新型多孔碳素材料,具有低密度、优异的耐磨和减磨性、优良的电磁屏蔽效应和远红外线放射特性等特点。但由于木质材料在绝氧碳化后转化为多孔的软质无定形碳,浸渍的热固性树脂生成了硬质的玻璃碳,该材料的力学性能(强度、韧性)、高温抗氧化性、导热和导电性能较差,阻碍了其应用[2]。以木陶瓷为模板,把具有可塑性、导热性、导电性优异的金属材料(如Al、Mg、Cu等)浸入到脆性大的木陶瓷生物组织互相贯通的孔隙中,获得一种具有两相或多相互穿网络结构的木陶瓷/金属复合材料,可以有效提高木陶瓷材料的性能,其中的陶瓷相可以提高材料的耐磨性、耐热性、耐蚀性或强度,并可以降低热膨胀系数和密度,而金属相可以改进材料的韧性、导热性和导电性等。这种复合材料以其良好的力学性能、热学性能、摩擦学性能、阻尼性能等受到了广泛关注,具有广阔的应用前景。

目前,对于木陶瓷/金属复合材料的研究还不深入,主要在材料制备工艺、材料性能和增韧增强机理等方面开展研究。对这种新型复合材料的低成本高效率制备方法与性能特点进行深入研究,并且探索可能的应用途径,将是近期研究的重点[3,4]。为此,本文就木陶瓷/金属复合材料的研究现状及发展趋势进行了综述,并提出了一种以麻纤维织物为模板制备纤维织物遗态陶瓷/金属复合材料的新思路。

1 木陶瓷/金属复合材料制备机理及制备方法

1.1 木陶瓷/金属复合材料的制备机理

木质材料是一种可再生的、天然多孔性高分子材料,其优异的结构形态为陶瓷基复合材料提供了成型的骨架[5]。木质材料主要由纤维素、半纤维素、木质素等生物高分子组成,具有显著的多层次复合结构。植物细胞死亡后留下的空隙和管道是木质材料的主要结构特征,具有很高的气孔率[6],其中空隙所占的体积比随木质材料的种类和相对密度的不同而不同[7]。绝大多数阔叶材有导管,按管孔大小分为小管孔(0.1mm以下)、中等管孔(0.1～0.3mm)、大管孔(0.3mm以上);针叶材管胞平均直径约为40μm[8];禾本科植物如竹材导管平均直径为100μm左右;韧皮科植物如苎麻纤维管胞直径为10～30μm。木陶瓷模板继承了木质材料的天然空隙和管道结构,烧结后获得了孔隙发达的碳模板,其孔隙有两种类型,即纤维素之间的间隙孔和纤维素内部的柱形孔,前者孔径大,在三维方向上容易互相连通呈网络状,能够构成熔融金属浸渍的主要通道;后者不易形成互相连通的结构,因此向木陶瓷模板的孔隙中浸渍金属材料可以获得两相或多相的木陶瓷/金属复合材料[9]。陶瓷相模板目前多为C基木陶瓷模板,也可以是Al2O3、SiC、TiC、Si3N4 和TiN等木陶瓷模板,金属相多选择轻质的铝合金、镁合金,也有铜合金、锌合金和铁合金。事实上选择这种复合材料的各相材质可以多种多样,因此,虽然木陶瓷的多孔隙结构为熔融金属的浸渍提供了通道,但是由于原料和浸渍物选取、制备工艺以及木陶瓷模板与金属的浸润性等方面的差异,所制备的木陶瓷/金属复合材料的结构性能也各有不同。

1.2 木陶瓷/金属复合材料的预制体模板制备方法

最初制备木陶瓷/金属复合材料预制体模板的方法是用木材、竹子、秸秆、棉花、甘蔗渣等各种纤维及废弃材料浸渍酚醛树脂或直接绝氧碳化制得多孔C基木陶瓷预制体模板[10],但由于C基木陶瓷模板的结构和性能不能满足实际应用的要求,随后进行了改性处理的研究:通过向木质材料或其C基木陶瓷模板中浸渍金属醇盐或其溶胶、金属无机盐或无机熔融硅等物质,在烧结工艺中浸渍物与基体材料发生反应制备出氧化物(如Al2O3、TiO2、ZrO2等)[11]、碳化物(如SiC、TiC)[12,13]和氮化物(如Si3N4 )木陶瓷模板[14]。以其作为预制体模板提高了木陶瓷/金属复合材料的性能,改善了陶瓷与金属的界面结合性。预制体模板的制备方法如图1所示。

1.3 木陶瓷/金属复合材料的制备方法

1.3.1 烧结法

首先将预制件骨架的颗粒在压力机上挤压成块或者用粉体浇注法并辅以特定的粘结剂加工成形,然后在烧结炉内以适当温度烧结而成。这种方法简单易行,成本低,但压实程度和孔隙尺寸分布不易控制[15]。

李淑君等[16]利用烧结法制备出了Fe、Zn粉末强化木陶瓷,其工艺流程为:木纤维→酚醛树脂浸渍→强化材料添加→成型、干燥→高温烧结。利用此方法获得了Fe、Zn粉末强化木陶瓷,提高了木陶瓷的硬度、耐磨性、电磁屏蔽性能。但此种方法并不能保证木纤维与强化材料混合均匀,造成木纤维聚集成团,对成板的性能和外观都产生了很大影响。同时他们分析强化木陶瓷微观结构时指出:采用Fe粉强化时,添加的Fe元素大部分以较大的颗粒状存在于样品中,未能均匀分布。

宋强等[17]以秸秆纤维为基体,不锈钢纤维材料为增强体,通过非织造加工,使两类材料间互相搭接、融合、交织,使其形成结构致密的预烧结非织造材料,然后采用酚醛树脂浸渍,再利用烧结工艺制备出了金属纤维增强的木陶瓷复合材料,研究了增强体对陶瓷成品力学性能的影响。

1.3.2 原位反应法

原位反应法主要运用木陶瓷/金属复合材料组成相的一部分或全部在浸渍过程中由浸渍物与基体发生原位反应或自身分解的原理,其特点是反应生成相与复合材料其它相的相容性好,界面结合稳定。

王俊勃等[18]公开了一种利用原位反应法制备麻纤维遗态结构C/Sn复合材料的专利技术。该技术以麻纤维为模板材料,向其或其C模板中浸渍纳米混杂SnO2前驱体水溶液,干燥成型后,置于真空热压炉或氮气保护热压炉内,制得具有麻纤维遗态结构的C/Sn复合材料。该材料具有质轻,消振、吸音和减摩耐磨性好的特点。

1.3.3 浸渗法

浸渗法就是熔融金属液填充到多孔木陶瓷的孔隙中,然后逐渐凝固成型的铸造过程。由于高温的作用,在金属与陶瓷的界面上不仅存在界面的机械结合和溶解扩散现象,也可能会发生各种化学反应。

(1)挤压浸渗法

挤压浸渗法就是利用挤压铸造技术,用挤压机将液态金属强行压入多孔陶瓷预制件中进行非反应挤压浸渗,并在压力下凝固,最终制成连续网络结构复合材料。此方法利用外加压力克服了毛细现象所产生的阻止液态金属浸渍到预制体陶瓷空隙中的附加压力,保证了液态合金充分浸渗预制体。挤压浸渗法要求预制件具有一定的机械强度,避免在压渗液态金属的过程中变形甚至垮塌。Zollfrank等[19]利用挤压浸渗法在65MPa的压力下把预加热到750℃的Al-Si合金压入到生态多孔SiC木陶瓷中,制备出了生态Si-SiC/Al-Si复合材料。

(2)真空压力浸渗法

真空压力浸渍法就是采用高压惰性气体将金属液体压入抽成真空的预制件中,在内外压力差的作用下凝固生成复合材料。用这种方法制备的复合材料组织致密。

谢贤清等[9,20]以木陶瓷为预制体骨架,利用真空压力浸渍炉,在750℃以9MPa的压力向炉内通入氩气,把熔融铝加压浸渍到木陶瓷预制件中,保持压力直到复合材料中的熔融铝液冷却并凝固,从而制备了具有网络互穿结构的WCMs/Al复合材料。研究表明,木陶瓷与Al复合后,与模板材料相比,WCMs/Al复合材料的密度略有增加,导热率显著提高,热膨胀系数明显增加,力学性能得到显著改善。利用上述工艺,谢贤清等[21]又把MB15合金浸渍到木陶瓷中,制备出了具有高温阻尼性能的WCMs/MB15复合材料;把ZK60A镁合金浸渍到木陶瓷孔隙中,制备出了两种连续相的网络互穿结构复合材料WCMs/ZK60A[22]。

文献[23]利用此工艺分别以柳安木C基木陶瓷、SiC木陶瓷为预制体骨架,利用真空压力浸渍炉,在720℃以8.5MPa的压力向炉内通入氮气,把熔融Al合金加压浸渍到木陶瓷预制件中,制备出了耐磨性良好的C/Al和(C+SiC)/Al复合材料。

(3)无压浸渗法

无压浸渗法是指在氮气气氛下不需施加任何压力靠毛细吸附作用将合金熔体渗透预制体模板中。这种方法受合金成分、浸渍温度、浸渍时间、大气成分的影响。Rambo等[24]利用该工艺向多孔碳模板中熔融渗入Ti-Cu合金制备了TiC/Ti-Cu复合陶瓷,其最终产物中包括TiCx (x=0.78)、Ti-Cu和未反应的碳,其中TiCx颗粒弥散在Ti-Cu基体材料中。目前制备木陶瓷/金属复合材料的方法还不是很成熟,常用方法是真空压力浸渗法。运用这种方法的前提是需制备出多孔木陶瓷预制体,并且需要较高的设备条件。因此,还有待寻求新的简单易行的制备方法满足不同预制体模板的浸渍要求,从而改善木陶瓷预制体与金属的润湿性、界面结合性和浸渍均匀性。

2 木陶瓷/金属复合材料的性能及应用

木陶瓷/金属复合材料的性能不仅依赖于预制体的材质、木陶瓷网络结构及其熔融金属的性能,更重要的是木陶瓷与金属的界面结合状况。木陶瓷与金属实现牢固界面结合的关键在于增强金属对木陶瓷材料的润湿与浸渗能力。而木陶瓷/金属复合材料的性能决定了其应用。

2.1 力学性能

木陶瓷/金属复合材料的力学性能与木陶瓷的力学性能相比,得到了较大提高,尤其是其强度和韧性。宋强等[17]对以秸秆纤维为基体,以不锈钢纤维为增强体制备木陶瓷的研究表明:采用秸秆纤维/金属纤维比采用秸秆纤维/酚醛树脂所制备的样品的浸渍率要高,大约为40%。而木质陶瓷密度随浸渍率的增加呈上升趋势,同时对烧结成型后的得碳率有重大影响,从而影响其性能。木质陶瓷密度的提高使得气孔尺寸和数量不断减少,从而降低了气孔作为裂缝源导致断裂的可能性,使得抗弯强度提高,弹性模量增大,损耗小,同时硬度也增大。这些都归功于增强材料和粘合剂对组织的加强作用,也就是对陶瓷成品力学性能的加强作用。

李淑君等[16]制备的Fe、Zn粉末强化木陶瓷与木陶瓷相比,硬度有明显提高,其中,酚醛树脂与木纤维质量比为1∶1时,添加木纤维质量的18%的Fe金属粉末,产品的硬度由8.45MPa提高到了13.60MPa,为原来的1.61倍。采用Zn金属粉末时,产品的硬度提高到9.80MPa,为原来的1.16倍。然而,平面抗拉强度和抗压强度的增强规律不明显,甚至下降。

谢贤清等[9]制备的WCMs/Al网络互穿结构复合材料的弯曲强度为128.4MPa,比木陶瓷(18.6MPa)增加6倍,压缩强度为17.83MPa,高于木陶瓷的35.8MPa。金属铝的加入还能有效阻碍木陶瓷内部裂纹的产生,韧性好的铝还能对裂纹的扩展起到桥接作用,阻碍裂纹的进一步扩展。用同样方法制备的WCMs/MB15复合材料[21]与木陶瓷相比,力学性能获得显著提高,MB15合金的加入使弯曲强度从木质陶瓷的25.6MPa提高到复合后的213.3MPa,增加了近8倍,压缩强度也从44.9MPa增加到391.8MPa,弹性模量在木质陶瓷的基础上增加了2倍。制得的WCMs/ZK60A复合材料的力学性能明显改善,抗压强度由45MPa提高到390MPa,抗弯强度由26MPa提高到210MPa,弹性模量是木陶瓷的2倍[22]。

Zollfrank等[19]利用挤压浸渗法制备的生态Si-SiC/Al-Si复合材料与SiC木陶瓷相比,力学性能有了明显提高,弯曲强度可达200MPa。基于该材料优良的力学性能可将其用作机床导轨结构材料、轴承材料等[25]。

研究者从不同角度对网络互穿结构陶瓷/金属复合材料比其基体的力学性能有大幅度提高的原因进行了研究。R.M.de Souza[26]认为,对于多孔陶瓷,在高压或高温下浸渍金属,不仅使孔隙中充满韧性金属,而且一些易导致脆性断裂的烧结缺陷(如微裂纹等)也会因韧性金属的浸渍而愈合,从而提高材料的力学性能。H.Prielipp[27]认为,影响网状结构复合材料力学性能的因素主要包括韧性相的体积分数和韧性相有效直径,当金属含量大于20%时,复合材料以穿晶断裂方式断裂,当金属含量小于10%时,复合材料以混合方式断裂。M.Knechtel[28]认为,在强界面结合时,复合材料组成相之间的相互作用力更大,不易发生界面脱粘,增加了单向屈服强度和金属韧性相对陶瓷相的闭合力。M.Chadwick[29]发现,复合材料的网络互穿结构在高温时能形成互锁态,有助于增强材料的高温蠕变抗力。

2.2 热学性能

由于木陶瓷/金属复合材料是在高温下制备,因此研究材料的热学性能尤为重要。Y.L.Shen[30]的研究表明,三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料的热膨胀系数介于金属基和陶瓷基复合材料之间,接近于热膨胀系数较低的陶瓷基复合材料。

王天驰[31]对铝/生态陶瓷复合材料热膨胀性能和导热性的研究表明,热膨胀性能和导热性能随木材模板结构的不同而变化,其中木材模扳的孔隙率、管道的弯曲程度对复合材料导热系数有较大影响。Al/C复合材料的导热系数高于碳生态陶瓷,最高导热系数是碳生态陶瓷的49倍,为(17.8～21.5)×10-6 /K。SiC相的加入使Al/(SiC+C)复合材料热稳定性较Al/C复合材料有所提高,但导热系数略低于Al/C复合材料。

谢贤清[32]研究木质陶瓷/金属网络互穿结构复合材料的热膨胀系数时发现,生态陶瓷/金属复合材料的热膨胀系数随测试温度的升高而增加,且大于混合法则的理论计算值。这类复合材料的热循环曲线的升温段位于降温段的下部,并且在加热段的曲线上出现拐点。随着循环次数的增加,试样伸长量减小,封闭性提高,拐点消失。界面闭孔有助于降低热膨胀系数和热膨胀率。生态陶瓷/金属三维网络互穿结构复合材料热膨胀的实质是试样表层金属挤入挤出机理,因此可以通过有目的性地控制渗入金属的量来设计其热膨胀系数。

2.3 阻尼性能

现代高科技的发展要求材料具有良好的阻尼减振降噪能力。文献[21]指出火箭和卫星近2/3的事故是由振动和噪声引起的,高阻尼材料能够减少或降低不必要的机械振动和噪音。文献[21,22]利用木质陶瓷中碳化纤维素形成的三维互通孔隙,向其中浸渍低密、高塑性、高阻尼的镁合金制备的WCMs/ZK60A和WCMs/MB 15复合材料具有优异的阻尼性能,尤其是高温阻尼,阻尼值随温度的升高而增加,随频率的增加而降低。温度较低时WCMs/镁合金复合材料的阻尼来源于组成相阻尼和位错阻尼,而其高温阻尼机制为界面阻尼。WCMs/镁合金复合材料可作为航空航天结构材料、汽车构件抗弹防护材料等。

2.4 摩擦学性能

木陶瓷/金属复合材料继承了木陶瓷独特的摩擦学特性,其摩擦系数几乎不受对磨材料种类、粗糙度、润滑剂和滑动速度的影响。由于不断脱落碳层的自润滑作用及金属合金的导热作用,其摩擦系数和磨损率比合金材料的低且稳定,介于木陶瓷与金属之间。谢贤清等[33]研究了木陶瓷/Al-Si复合材料的干摩擦及磨损性能,发现木陶瓷/Al-Si复合材料的摩擦系数和磨损率都比金属合金的低,而且随着载荷及滑动速度的增加而增加,但摩擦系数较稳定,约为0.3,磨损率受载荷及滑动速度的影响较大。木陶瓷/金属复合材料的摩擦学性能使其在摩擦领域的应用具有可行性,可作为汽车离合器中的摩擦轴承、刹车盘和刹车片材料、浸油摩擦材料和轮胎防滑钉等。

此外,木陶瓷/金属复合材料还具有独特的电磁屏蔽性和导电性等,可用作抗静电、导电材料。但是,对于木陶瓷/金属复合材料的性能和应用研究还处于探索阶段,并且集中在性能的评价上,因此,今后还需要对其性能和应用开展大量深入的研究工作。

3 展望

由于木陶瓷骨架的刚性承载作用及金属相的增韧、导热和导电作用,木陶瓷/金属复合材料与木陶瓷相比,具有更为独特的力学、抗摩擦磨损、减震和热电学性能,可用作抗摩擦磨损材料、高阻尼减震材料、耐高温结构材料、电子封装材料等。进一步的开发和应用将带来巨大的经济和社会效益[4]。

目前,国内外对木陶瓷/金属复合材料的研究还不是很深入,存在一些亟待解决的问题。例如,研究者虽然广泛选取了各种木质材料作为制备遗态材料的生物模板,但并没有从人为改善生物模板的组织结构出发来改善遗态材料的组织结构和性能。作为多年生的苎麻纤维在我国资源丰富,其纤维织物具有较好的力学性能、吸湿透气性及可设计的三维网格结构,因此,从人为变更或优化生物模板的组织结构来提高材料的性能和可再生资源利用的角度出发,以麻纤维织物为模板材料制备纤维织物遗态陶瓷/金属复合材料是一种新的制备思路。另外,木陶瓷/金属复合材料的木陶瓷模板及金属相的选取及金属相对模板材料的界面润湿性对最终成品的性能有着极大影响,因此,为制备出实用化、结构功能一体化的先进木陶瓷/金属复合材料提供可靠的理论依据和有效的制备方法,研究木陶瓷与金属复合的制备工艺及其对复合材料结构和功能的影响显得尤为重要。

陶瓷复合材料 篇2

超高温导热陶瓷复合材料主要包括一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮化物，它们的熔点均在3000℃以上。在这些超高温导热陶瓷中，ZrB2和HfB2基超高温导热陶瓷复合材料具有较高的热导率、适中的热膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀性能，可以在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀，是一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。

★超高温导热陶瓷复合材料的制备

超高温导热陶瓷复合材料的致密化主要有热压烧结（HP）、放电等离子烧结（SPS）、反应热压烧结((RHP)和无压烧结（PS)。在这些制备方法中，热压烧结是目前超高温导热陶瓷复合材料最主要的烧结方法。

热压烧结

ZrB2和HfB2都是ALB2型的六方晶系结构，其强共价键、低晶界及体扩散速率的特征，导致该类材料需要在非常高的温度下才能致密化，一般需要2100℃或更高的温度和适中的压力(20-30 MPa)或较低温度（~1800℃)及极高压力(> 800 MPa)。ZrB2和HfB2结构和性能相近，后者的熔点比前者高，需要更高的致密化温度，同时具有更优异的高温性能，而前者的密度和成本都比后者低，也是业内关注最多的。

放电等离子烧结

放电等离子烧结是在粉末颗粒间直接通人脉冲电流进行加热烧结，具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控等优点，该方法近年来用于超高温导热陶瓷复合材料的制备。产生的脉冲电流在粉体颗粒之间会发生放电，使其颗粒接触部位温度非常高，在烧结初期可以净化颗粒的表面，同时产生各种颗粒表面缺陷，改善晶界的扩散和材料的传质，从而促进致密化，相对于热压烧结超高温导热陶瓷复合材料而言，放电等离子烧结的温度更低、获得的晶粒尺寸更细小。

反应热压烧结

超高温导热陶瓷复合材料的合成及致密化可以通过原位反应在施加压力或无压的情况下一步合成，目前通常采用Zr, B4C和Si原位反应制备超高温导热陶瓷复合材料，通过原始材料比例的设计可以实现对合成材料组分及含量的调控。此外，Zr可以由ZrH2或ZrO2等代替，B4C可以由B/B2O3, C等代替，S1可由SiC代替，用于合成ZrB2基超高温导热陶瓷复合材料，HfB2基超高温导热陶瓷复合材料可以用同样的方法制备。

无压烧结

与热压烧结方法相比，无压烧结可以实现复杂结构的近净成型，从而可以降低材料/结构的制备成本。超高温导热陶瓷复合材料的无压烧结目前主要有十粉冷等静压处理后烧结、注浆成型烧结和注凝成型烧结，由于在烧结过程中不施加压力，超高温导热陶瓷复合材料很难致密，因此需要采用较高的烧结温度或添加烧结助剂。

★超高温导热陶瓷复合材料力学性能

超高温导热陶瓷复合材料的室温与高温力学性能是该材料使用的关键指标。ZrB2和HfB2基超高温导热陶瓷复合材料弹性量和硬度与致密度密切相关，致密的超高温导热陶瓷复合材料弹性模量在500 GPa左右，硬度在20 GPa左右。超高温导热陶瓷复合材料的室温弯曲强度与烧结后的材料晶粒尺寸密切相关，而晶粒尺寸又取决于初始粉体颗粒粒径(包括基体和增强相)、增强相含量和烧结工艺参数。

★超高温导热陶瓷复合材料抗热冲击性能

超高温导热陶瓷复合材料是一种典型的脆性材料，在极端加热环境下很容易发生热冲击失效，导致灾难性破坏，因此改善其抗热冲击性尤为重要。★超高温陶瓷复合材料抗氧化/烧蚀性能和热响应

温度是影响超高温导热陶瓷材料抗氧化烧蚀性能的最主要影响因素，ZrB2在700℃开始发生明显的氧化，1100℃以下生成的氧化层具有良好的抗氧化性能，但温度高于1200℃氧化生成B}03会因高蒸气压而大量挥发从而渐失抗氧化保护能力，而ZrO2挥发蒸气压非常低，在高温下很稳定。★挑战与展望

超高温导热陶瓷复合材料具有优异的高温综合性能，然而其较低的损伤容限和抗热冲击性能限制了该材料的工程应用，未来将通过微结构的设计和控制实现超高温导热陶瓷复合材料损伤容限和可靠性的大幅度提高，为超高温导热陶瓷材料的应用奠定基础。

陶瓷复合材料 篇3

关键词：石英陶瓷；延迟断裂；保载；裂纹扩展

1 前言

石英陶瓷是一种以石英玻璃碎料为原料，采用陶瓷材料制备工艺生产的一种非晶态材料。其制品广泛应用于玻璃、冶金和航空航天等领域。石英陶瓷在航天领域最多的应用是制作导弹天线罩，其主要优点包括：良好的抗热冲击性能、低而稳定的介电常数和损耗角正切、在高温下很好的强度稳定性、制造工艺简单、成本低廉等。

根据陶瓷材料的微裂纹理论，陶瓷材料的延迟破坏是由于材料中的裂纹在外加载荷和周围环境的共同作用下，以亚临界值扩展到临界值而引起的。延迟破坏时间就是裂纹扩展所需的时间。石英陶瓷导弹天线罩产品在验收过程中必须经历冲压筛选试验，在天线罩内部充入一定气压并保持一定时间后泄压，以筛选出不合格产品。但是，该充压压力对天线罩罩体强度的影响尚未见文献报道。导弹天线罩在导弹飞行过程中一直承受各种应力，因此，对石英陶瓷天线罩材料的延迟破坏特性进行研究是非常必要的。

2 实验条件

将石英陶瓷块体材料切割、打磨成尺寸5×5×50mm 的条状试样，然后对试样的受拉面进行抛光，将受拉面的 2 条棱边倒角 45°。在室温条件下，在材料力学试验机（Instron 5566 万能试验机）上进行保载试验和三点弯曲试验，跨距 40 mm，加载速度 0.5 mm/min。保载试验方法指给试样加载一定载荷并保持该载荷一定时间后泄压。

3 实验过程、结果与讨论

3.1保载试验

本试验中，通过对石英陶瓷材料施加一定载荷，并保持该载荷一定时间后，测试材料的裂纹扩展时间。由于导弹的飞行时间一般比较短，我们选择的最长保载时间设定为300s。根据以往的实验记录，弯曲强度测试时，石英陶瓷天线罩材料正常的断裂载荷大部分在100～110N（对应的强度为50MPa以上）。本试验选择在低于100N的多个不同载荷下进行保载实验。

试验方案：随机抽取30件石英陶瓷天线罩罩体，在每个罩体的大口端取样本数48根，试样尺寸为5550mm，作为一组，共30组。保载载荷分别定为90N、80N、70N、60N和50N，最长保载时间为300s。

表1是30组样品在保载试验中有样品在保载过程中出现试样断裂的情况，其余样品在保载试验过程中没有发生断裂。从表中数据可以看出，在90N、80N和70N的载荷下进行保载的试样，断裂的试样较多。随着保载压力降低，发生断裂的样品数量明显减少。60N和50N的载荷，分别进行了11组试样的保载试验，每个载荷下分别只有两组试样有断裂，断裂的试样根数也很少，断裂试样情况见表1。

陶瓷材料作为一种脆性材料，它的断裂破坏主要是一种强度控制的现象。当材料受载后，随着受载时间的延长，激活了材料中已存在的微裂纹，导致裂纹慢速扩展，从而引起材料破坏。因此，裂纹慢扩展对材料的强度及寿命有着重要的影响。

根据原子间结合力推导出的材料理论强度：?滓th=■,式中：E为弹性模量，a为平衡时的原子间距，?酌s为表面能。表面能可近似地表示为：?酌s=Ea/20，那么：?滓th≈E/5~E/10。但实际材料的强度只有理论强度的1/10~1/100。为此，1920年格里菲斯提出了脆性断裂理论，该理论认为，材料内部存在原始裂纹，当材料受力时，在裂纹的尖角处产生应力集中，如果尖角处的应力超过材料的理论强度时，裂纹就迅速扩展，最后导致材料断裂。

石英陶瓷材料试样在受载过程中，随着受载时间的延长，对于在试样中已存在的微裂纹，载荷会导致裂纹慢速扩展，当裂纹尖端处的应力超过材料的理论强度，那么裂纹会迅速扩展，最终试样断裂。在裂纹受力慢速扩展的过程中，由于试样强度的差异，断裂时间是有延迟的，所以会有不同的断裂时间。也就是说，在保载过程中，裂纹尖角处所受的应力只要没有达到试样的理论强度，那么试样不会出现断裂。

3.2保载试验对石英陶瓷强度的影响

为了研究石英陶瓷天线罩材料在承受某一低于其断裂强度的恒定应力作用后材料强度的变化，我们通过三点弯曲试验测试了22组经50N、60N保载后未断裂试样的强度，在22组试样对应的天线罩罩体大口端按照3.1的相同取样方法取样，每组同样取48根，进行三点弯曲试验，测得的强度平均值作为保载前强度值。

表2为22组试样经50N、60N保载前和保载后测试的强度变化（图1是强度变化的分布图）。从表2和图1可以看出：经50N、60N保载后，石英陶瓷材料强度值没有发生下降趋势，也就是说，在低于材料断裂强度50%左右的载荷下进行保载试验，在300s的保载时间内，石英陶瓷材料试样内部裂纹没有产生明显的裂纹扩展现象，所以，我们认为50N～60N对于石英陶瓷天线罩材料是相对安全的保载载荷（对应抗弯强度测试断裂载荷的45～50%）。该试验结果为石英陶瓷导弹天线罩的压力筛选试验提供了实验基础。

4结论

（1） 石英陶瓷材料试样在低于其断裂强度的恒定载荷作用下，随着受载时间的延长，对于在试样中已存在的微裂纹，载荷会导致裂纹慢速扩展，裂纹扩展速度与载荷大小密切相关，载荷越大，裂纹扩展速度越快；

（2） 在低于材料断裂强度约50%左右的载荷下进行保载试验，在300s的保载时间内，石英陶瓷材料试样内部裂纹没有产生明显的裂纹扩展现象。

（3） 用石英陶瓷材料制作的天线罩，外力低于60N时对于石英陶瓷天线罩材料是相对安全的保载载荷。

参考文献

[1] 孟兆强,郭中一.石英陶瓷弯曲强度的Weibull统计分析[J].稀有

金属材料与工程,2009(38):1178-1180.

[2] 施平,贾艳敏.工程陶瓷零件的可靠性分析[J].试验技术与试验

机,2003（43）:25-27.

[3] 施平,杜善义.工程陶瓷材料的可靠性及其在宇航中的应用[J].

宇航材料工艺，1989（3）:8-11.

[4] 龚江宏.陶瓷材料断裂力学[M].清华大学出版社.

[5] 周俊奇,张敏刚等.玻璃陶瓷在不同介质中的静疲劳特性[J].太

原重型机械学院学报,1997（3）:54-59.

陶瓷复合材料 篇4

资料与方法

2011年11月-2013年11月收治磨牙缺失患者50例 (100颗牙) , 所有牙列缺损患者均为第一磨牙缺失者, 且缺失时间>6个月, 牙周组织正常, 可植入种植体。随机将其分为对照组与观察组两组, 对照组20例 (40颗牙) , 观察组30例 (60颗牙) 。对照组男14例, 女6例;年龄31~73岁, 平均 (53.22±9.61) 岁;共计植入义齿种植体40枚, 其中上颌18枚, 下颌22枚。观察组男21例, 女9例;年龄33~75岁, 平均 (52.19±8.76) 岁;共计植入义齿种植体60枚, 其中上颌28枚, 下颌32枚。入选本次研究的两组患者在性别、年龄等基础资料的对比方面差异无统计学意义, P>0.05, 具有较强的可比性。

一般方法:对照组采用传统陶瓷作为牙冠修复材料, 观察组则采用纳米复合陶瓷作为牙冠修复材料。在实施修复前, 首先对患者的口腔内部牙周实施基础治疗, 保持口腔组织的正常。牙体种植前, 行常规局部消毒与麻醉处理, 从患者牙槽嵴顶部分作水平切口, 并于相邻牙龈沟内作切口, 分离牙龈组织, 并将其剥离, 避免出现牙龈粘连现象, 将翻瓣充分暴露于牙槽骨面, 同时进行定位处理, 确定钻入深度与直径, 采用攻丝钻, 将牙体缓慢放置于种植体中, 并在拧紧及基台愈合后, 依次缝合患者的软组织。并于3个月后, 实施口腔上部结构修复处理。选择相应的实心基台与种植体进行连接处理, 保障固定效果。采用基台转移印模, 并制作义齿, 行牙冠试戴后, 进行调节与磨合处理。采用树脂水门汀进行黏接固定处理。

评价指标:在完成义齿修复即刻对患者口腔实施常规检查, 记录种植体牙冠的密合度, 记录菌斑指数与牙龈指数。同时对患者实施为期6个月的随访调查, 评估种植体的稳定情况, 记录有无松动现象, 评价其舒适程度、固位稳定及咀嚼能力。

统计学方法:选用统计学软件SPSS19.0对上述汇总数据进行分析和处理, 计量资料选用 (±s) 表示, 组间对比进行t检验, 以P<0.05时为差异有统计学意义。

结果

两组患者义齿佩戴一般情况对比:佩戴1个月后, 观察组义齿咀嚼能力、固位稳定及舒适程度评分均稍高于对照组, 且佩戴3个月、6个月后, 观察组评分提升幅度更为明显, 与对照组相比差异有统计学意义 (P<0.05) , 见表1。

两组患者义齿种植修复情况对比:观察组佩戴义齿边缘着色、龈缘密合度、修复涂颜色等评分均明显高于对照组, 组间对比差异有统计学意义 (P<0.05) , 见表2。

讨论

陶瓷属于临床上常用的修复牙体缺损的材料之一, 有其稳定性强、色泽优美及强度高等优势[2]。但同时有研究显示, 传统牙科陶瓷修复材料同时也存在诸如脆性大、硬度大、加工困难及易破碎等缺陷[3]。纳米复合陶瓷则为较为先进的牙科修复材料, 其纳米微粒有其小尺寸的优势, 有其高强度、可塑性强、韧性高等特点, 目前已在牙科修复及义齿制备中有其广泛的应用, 成为了牙科陶瓷材料发展的主要方向[4]。

人体口腔内部环境相对来说比较复杂, 唾液及食物均可能对牙冠的性能产生不同程度的影响, 且人体口腔内部的微生物同样可能对牙冠产生腐蚀影响。而纳米陶瓷则可避免传统陶瓷的脆性缺陷, 提高其柔韧性与可加工性[5,6]。一副合格的全口义齿最关键的步骤是制取准确的功能性印模。要取得一个标准的模型, 最好采用二次印模法, 就是取得的模型一定要准确。灌出来的工作模型要求黏模转折线清晰, 各个系带明显。

在本组研究中, 采用纳米复合陶瓷作为牙冠修复材料的观察组义齿的稳定性、舒适度评分均明显高于采用传统全陶瓷作为材料的对照组, 同时也进一步证实, 在牙科修复中, 采用纳米复合陶瓷作为新型的牙冠修复材料有其强度高、可塑性强、韧性优等特点, 相较传统陶瓷而言优势显著, 值得推广。

摘要：目的:分析陶瓷及纳米复合陶瓷材料对义齿稳定性的影响, 评估其理化性能, 判断其修复效果。方法:2011年11月-2013年11月收治磨牙缺失患者50例 (100颗牙) , 随机分为对照组与观察组两组, 对照组20例 (40颗牙) , 观察组30例 (60颗牙) 。对照组采用传统陶瓷作为牙冠修复材料, 观察组则采用纳米复合陶瓷作为牙冠修复材料, 对比两组患者的修复效果及义齿的稳定性。结果:义齿佩戴1个月后, 观察组患者咀嚼能力、固位稳定及舒适程度评分均稍高于对照组, 且佩戴3个月、6个月后, 观察组评分提升幅度更为明显, 与对照组相比差异有统计学意义 (P<0.05) 。结论:在牙科修复中, 采用纳米复合陶瓷作为新型的牙冠修复材料有其强度高、可塑性强、韧性好等优势, 值得推广。

关键词：牙齿缺损,陶瓷,纳米,稳定性,修复

参考文献

[1]刘莉, 关昌俊, 尹昭媛, 等.套筒冠附着体义齿修复多数牙缺失的临床效果评价[J].广东牙病防治, 2010, 18 (2) :98-101.

[2]邱晓霞, 秦红霞, 张秋霞, 等.太极扣附着体覆盖全口义齿修复后的组织相容性评价[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009, 13 (29) :5665-5668.

[3]刘丽军, 孙白羽.磁性附着体固位全口义齿、球帽附着体固位全口义齿修复下颌牙列缺失对比观察[J].山东医药, 2014, 22 (27) :59-60.

[4]吴东, 肖妍君, 李桐军, 等.Locator附着体种植覆盖义齿在肿瘤切除术后牙列缺失修复中的应用[J].口腔颌面外科杂志, 2014, 3 (2) :127-132.

[5]许哲武, 蒋洁, 张弦弦, 等.不同清洁剂对赝复体硅橡胶色稳定性的影响[J].中华口腔医学杂志, 2011, 46 (5) :300-303.

蜂窝陶瓷及其相关材料技术 篇5

蜂窝陶瓷是近三十年来开发的一种结构似蜂窝形状的新型陶瓷产品。由最早使用在小型汽车尾气净化到今天广泛应用在化工、电力、冶金、石油、电子电器、机械等工业中，而且越来越广泛，发展前景相当可观。

蜂窝陶瓷无数相等的孔组成的各种形状，目前最大的孔数已达到了每平方厘米20～40，密度每立方厘米4～6克，吸水率最高达20%以上。由于多孔薄壁的特点，大大增加了载体的几何表面积和改善了抗热冲击性能，目前生产的产品，其网状孔以三角和四方为主，三角比四方承受力好得多，孔数也多些，这一点作为催化载体尤其重要。随着单位面积孔数的提高和载体孔壁厚度的减少，陶瓷载体的抗热冲击趋势是提高的，热冲击破坏的温度也是提高的。因此蜂窝陶瓷必须要降低膨胀系数和提高单位面积的孔数。热膨胀系数是主要性能指标，当前国外水平是α25－1000℃≤1.0×10－6℃－1，与国内对比有一定差距，不过这差距越来越小。最早生产蜂窝陶瓷的原料主要是高岭土、滑石、铝粉、粘土等，而今天已突破了，尤其是硅藻土、沸石、膨胀土以及耐火材料的应用，蜂窝陶瓷应用日益广泛，性能越来越好。

除了用于烧结成型的蜂窝陶瓷外，还出现了不烧结的蜂窝陶瓷，这大大提高了催化性能的活性。不仅外观尺寸由最小的球环形状发展到大尺寸的立柱和方形和圆形。根据模具设计的不同；可以制作成不同尺寸不同形状不同结构的蜂窝陶瓷。如用在石化行业炼油空气吸附干燥的分子筛催化剂，尺寸高达0.8m，宽0.25m的正方形，孔数每平方厘米达到25，从原料、工艺以及机械制造方面都有了很大的变化。尤其是生产工艺有了很大提高。作为催化剂的蜂窝陶瓷要求在制造成型时不开裂，有机成分必须释放干净，除了耐磨性能外还要求有一定的机械强度，再生回用多次。

蜂窝陶瓷主要产品有蓄热填料、活性炭、活性氧化铝、分子筛、瓷料球、塔填料和催化剂等数十种产品，蓄热填料的蜂窝陶瓷热容量J/kgk1000以上，使用温度≥1700℃，在加热炉、烘烤器、均热炉、裂解炉等窑炉中可节省燃料达40%以上，产量提高15%以上，排放烟气温度低于150℃。

活性炭粉末或颗粒制成蜂窝陶瓷形状后，大大提高了水处理的净化和废水处理能力，尤其在医药工业中抗菌素、激素、维生素、核酸针剂及各种针剂，药物等的脱水脱色去杂质等。

蜂窝陶瓷填料比其它形状填料的比表面积更大，强度更好等优点，可使汽液分布更均匀，床层阻力降低，效果更好，且可延长使用寿命，在石化、制药和精细化工行业中作填料效果相当好。

蜂窝陶瓷用在催化剂方面更具优势。以蜂窝状陶瓷材料为载体，采用独特的涂层材料，以贵金属，稀土金属及过渡金属制备，因而具有高的催化活性，良好的热稳定性，长的使用寿命，高强度等优点。

用于催化裂化的蜂窝陶瓷正在取代现有的产品。催化裂化用200～500℃之间的重馏分油为原料（包括减压馏分，直馏轻柴油、焦化蜡油等），以硅铝酸盐为催化剂，反应温度在450～550℃之间（随反应器类型而异）。它产量大（每个大型催化裂化装置，每年裂化油品百万吨以上），技术条件要求高（例如，催化剂每接触油几分钟甚至几秒钟就要再生，每分钟流过流化床催化剂达10t或更多）随着催化活性的提高，为了加快再生速度，要求更加苛刻的再生条件。例如600～650℃，甚至700℃，催化剂消耗量大，每吨进料油消耗0.3～0.6kg催化剂，催化剂力学强度差的，消耗的还要大得多。这要求着催化剂活性、选择性、稳定性的稍微提高，对生产实际将具有重大意义。正因为如此，蜂窝陶瓷催化剂也在不断推陈出新，市场需求也越来越大，这些催化裂化用的催化剂被蜂窝陶瓷催化剂所代替，大尺寸多孔数的蜂窝陶瓷催化剂已崭露头角，有着强劲的发展势头。

汽车催化剂

汽车催化剂是稀土应用市场一个较新的产品，有氧化型催化剂和三元催化剂之分。氧化型不能解决NOx排放问题已经过时。三元催化剂在备有一个传感器的闭路系统内工作，它在将CO和HC氧化为CO2和水、NOx同步还原为氮的同时，还能控制内燃机内的空（气）／燃（油）比。

汽车的排放系统内安装一个不锈钢盒，盒内放置的是催化净化转化器，转化器内的汽车催化剂以做成蜂窝状的陶瓷或金属为基体，蜂窝体内表面涂以由Al2O3、稀土基材料（CeO2和其它金属氧化物的混合氧化物）和少量贵金属（铂、钯或铑）三个组元构成的活性涂层。催化主要由铂等贵金属完成。

稀土中的CeO2具有极好的储氧能力，空／燃比发生变化时能起极好的动态调节作用，即在燃料多时供氧，氧化CO和HC，燃料少时以Ce2O3的形式起还原作用，将NOx从排放气体中除去。稀土以助催化剂的形式，通过铈的高效氧化还原偶合作用和高的离子迁移性，提高三元催化剂的催化活性，节约贵金属，并提高Al2O3载体的耐热性能。其中尤以CeO2中加入氧化锆ZrO2形成的固溶体能显著提高CeO2的热稳定性和活性，提高尾气净化器在汽车发动机温度（达570℃）下的耐热性能。近年来，欧、美、日已利用了这项成果。

我国需深入研究催化基础理论

自美国于上世纪70年代中期推行汽车催化剂的应用以来，目前已有40余个国家实施了排放控制法。2000年欧洲制定的欧Ⅱ标准，要求颗粒排放物的允许数值是：CO2.3g／km、HC0.20g／km、NOx0.15g／km，到2005年实施欧Ⅳ标准时，颗粒排放物的允许数量将再下调40％~50％。显然是环保法规推动了对颗粒排放物的日益严格的控制，而这也催生了新的稀土催化材料及形成日趋强大的市场。

美国的汽车保有量在1.8亿辆以上，到1996年用于汽车催化剂的稀土氧化物用量已突破1.3万吨，占其国内稀土总消费量的46％，1999年更上升到占其总消费量的60％，年产汽车催化剂近5000万套，而其石油裂化催化剂中稀土的用量也在逐步恢复，1996年已上升到7300t，占稀土总消费量的25％，而我国稀土催化应用，显然没有达到美国的高度，石油催化裂化占国内稀土消费总量的18％，而代表高新技术产业的汽车催化剂仅占总消费量的不足2％，可见我国稀土消费结构在向高性能、高技术、高附加值产品转型方面仍然任重而道远，仍然安于现状的传统观念制约。

与我国相比，欧洲汽车催化剂的应用前景却令人鼓舞，全球最大的稀土分离提纯厂家罗纳·普朗克公司更名为罗地亚电子与催化剂材料公司，标志已把分离提纯的下游产品催化剂材料作为产业结构调整的主要支柱。这些公司普遍要求我国供应的稀土要保证质量的一致性，进而保证其最终产品在5~7年内保持高性能。

罗地亚公司还研制成新一代用于柴油机汽车的催化剂Eolys。这是一种以燃油为载体含CeO2的催化剂，用于柴油机颗粒过滤系统。过滤系统是一种陶瓷壁流体过滤器（或过滤阱），它利用稀土可除去柴油机90％以上甚致99％的颗粒排放物。过滤器在其本身完全被所收集的颗料堵塞之前通过Eolys能将过滤器再生，也就是将颗粒物构成的烟炱烧掉。由于Eolys中CeO2的作用是降低烟炱的点火温度，减慢燃烧引起的温升，因此整个再生过程较为温和且易于控制，可避免形成负压、使柴油车工作性能下降，由于是商业机密，仅了解到，Eolys与柴油和柴油添加剂能够配伍（相容），可与柴油完全混溶，并形成高度稳定的混合液，可装在瓶子内像润滑油一样供柴油机使用，使用颇为方便。

柴油机汽车较汽油机汽车，除油价低外，还明显节省燃油，在欧洲柴油机汽车正在大行其道，极力推广。我国油品的结构，柴油为汽油的1.3倍，柴油占整个油品产量的27.2％，柴油已广泛用于大型运载车辆、舰船、拖拉机、铁路机车和摩托车上，解决其排放的黑烟始终是亟待解决的重大环保问题，而借鉴罗地亚公司的技术采用二氧化铈（CeO2）作催化剂既解决了轻稀土的出路问题，又有利于交通运输业的环保，可谓一箭双雕，而制约稀土催化材料大展鸿图的原因之一，是对CeO

2催化剂缺乏必要的基础理论研究，而深入研究CeO2与ZrO2等组分金属氧化物之间的相互作用如何影响催化行为将直接关联一大批从挥发性有机物焚烧到废水处理等涉及环境的应用市场的开拓。一般的车尾安装催化剂分两种，一种是出租车，建议您如果是出租车司机的话，尾部的催化剂是一年换一次，二，私家车，如果您是私家车司机，您如果不超过8万公里的话，您可以五年更换一次。

惰性氧化铝瓷球

惰性氧化铝瓷球是广泛用于石油、化工、化肥、天然气及环保等行业，作为反应器内催化剂的覆盖支撑材料和塔填料。它具有耐高温高压，吸水率低，化学性能稳定的特点。能经受酸、碱及其它有机溶剂的腐蚀，并能经受生产过程中出现的温度变化。其主要作用是增加气体或液体分布点，支撑和保护强度不高的活性催化剂。产品投放市场以来，各界用户均反映其性能效果可与进口产品相媲美,部分技术指标甚至高于国外同类产品。

泡沫陶瓷

概述

泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代,是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%～95%之间,使用温度为常温～1600℃。

泡沫陶瓷一般可以分为两类,即开孔(网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料,这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则泡沫体称为闭孔陶瓷材料,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料;孔隙在2～50nm之间的为介孔材料;孔隙在50nm以上的为宏孔材料。

自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷,用于铝合金铸造过滤之后,英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究,生产工艺日益先进,技术装备越来越向机械化、自动化发展,已研制出多种材质,适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器,如A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷,有的还加入了一定的矿物,如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等,产品已系列化、标准化,形成了一个新兴产业, 其分类如表所示。我国在20世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作。

近20年来,先后有十几家科研机构和厂家报道了泡沫陶瓷制品的研究。但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比还有一定的差距。泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体,其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海泡沫陶瓷的分类材料类型 骨料 耐蚀性 温度(℃)高硅质硅酸盐材料 瓷渣 耐水性,耐酸性 700 铝硅酸盐材料 粘土熟料 耐弱碱,耐酸性 1 000 刚玉金刚砂材料 电熔刚玉 耐水性,耐酸性 1 600 硅藻土质 粘土 耐水性,耐酸性 低温 绵体。由于它具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能,可广泛应用于热交换材料,布气材料,汽车尾气装置,净化冶金工业过滤熔融态金属,热能回收,轻工喷涂行业,工业污水处理,隔热隔音材料,用作化学催化剂载体,电解隔膜及分离分散元件等。

近年来,多孔陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等。多孔陶瓷的广泛应用已引起了全球材料界的高度重视,因此,制备高强度、孔径均匀、性能稳定、高度有序的泡沫陶瓷体,拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用,无疑是十分必要的。

１ 传统制备方法

1.1 发泡法采用发泡反应的方法,可以制备形状复杂的泡沫陶瓷制品,以满足一些特殊场合的应用;在陶瓷粉料中加入适当的陶瓷纤维,可改善这一工艺,有效增加坯体在烧结过程中的强度,避免粉化和塌陷。

1.2 溶胶凝胶法溶胶凝胶法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料,本方法经改进后也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。运用溶胶凝胶技术制备泡沫材料,在溶胶向凝胶的转化过程中,体系的粘度迅速增加,从而稳定了前期产生的气泡,有利于发泡。

1.3 添加造孔剂法通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。其成型方法主要有模压、挤压、等静压、轧制、注射和粉浆浇注等。利用这种方法可以制得形状复杂、气孔结构各异的材料,但气孔分布的均匀性较差。

1.4 有机前驱体浸渍法目前泡沫陶瓷最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法,其工艺流程如图所示。用此种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域广泛应用,取得了较为明显的效果。进一步控制浆料性能,适当优化无机粘结剂体系,并严格控制浆料浸渍等工艺过程,可以提高泡沫陶瓷制品的性能。陶瓷粉料溶剂、添加剂－>浆料制备有机泡沫体选择―>预处理 ==>浸渍处理－>除去多余浆料－>干燥－>排除有机泡沫－>烧成但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷,即制品的孔隙结构,尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。而目前所选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的,制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构。朱新文等采用三维网状有机泡沫为载体,先用浸渍工艺制备出高孔隙率且几乎没有堵孔的网眼坯子,经排塑、预烧处理获得具有一定强度的预制体。预制体的孔棱呈疏松多孔结构,很好地解决了这个问题。新兴工艺

2.1 凝胶注模工艺美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺(Gel-casting),它是一种被广泛应用的新型成型方法。这种新的成型技术采用非孔模具,利用料浆内部或少量添加剂的化学反应使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯,从而显著提高材料的可*性。Gel-casting工艺可以使悬浮体泡沫化,而且能使液体泡沫原位聚合固化。作为制备多孔陶瓷的一种新型方法,悬浮体泡沫化是最经济的,原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构,强度较高。

2.2 自蔓延高温合成工艺自蔓延高温合成(Self-propagatingHigh-tempera-tureSynthesis,SHS)方法的概念是由前苏联科学家A.G.Mazhanov在1967年首先提出来的。SHS的本质是一种高放热无机化学反应,其基本反应过程是:向体系提供必要能量(点火),诱发体系局部产生化学反应,此后,这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行,最后将燃烧(反应)波蔓延到整个体系,从而制备出所需的陶瓷材料。材料的SHS技术以其高效、节能、经济和所得材料的良好性能特点而倍受重视。另外,SHS反应产物通常具有很高的孔隙率,用这一特点可用来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料,通过添加造孔剂可进一步提高产物的连通开放孔隙率。此外,还有诸如泡沫前体反应法、有机泡沫堆积法、颗粒堆积工艺、水热-热静压工艺、微波加热工艺、分相滤出法、固-气共晶法、木材热解构架法等泡沫陶瓷制备方法。泡沫陶瓷的应用

泡沫陶瓷的应用开始于19世纪70年代,当时仅被用作铀提纯材料和细菌过滤材料。随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大,其应用领域也逐渐扩大,由过滤、热工等领域逐渐扩展到隔热、吸音、电子、光电、传感、环境生物及化学领域。

3.1 微孔膜陶瓷分离膜所具有的耐酸碱、耐侵蚀、耐高温、抗老化、使用寿命长等优点已被人们所认识,并被开发应用于食品工业、生物化工、能源工程、环境工程、电子技术等许多领域。随着材料科学的发展,纳米级多孔无机膜的制备和应用成为人们目前研究的热点。

3.2 生物材料目前很多科研单位都在致力于多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究。用添加造孔剂和制作泡沫陶瓷的方法制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷,其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环,促进细胞的渗入和生长。目前,研制出的泡沫陶瓷羟基磷灰石人工骨和义眼已经用于临床实验,引起了医学界和材料学界的关注。

3.3 食品、卫生行业用泡沫陶瓷材料泡沫陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的生物、化学特性,因而可用于医药工业中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白质等生理活性物质的浓缩、分离、精制等。在食品、饮料工业中,特别适用于对色、香、味要求高的饮料及低度酒类的过滤,并可望在啤酒的生产中发挥巨大的作用。

3.4 环境材料随着现代工业的发展,各行各业在生产中排放的有害气体和废水也越来越多,如果处理不当,就会严重影响人类的生存环境,所以环境保护成为时代的主题。泡沫陶瓷在汽车催化转化器的应用已经有很长时间。除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧,达到除臭净化的目的。采用耐高温且有足够强度的抗热震性能的高渗透性泡沫陶瓷可有效除去高温含尘气体。城市污水处理过程中,泡沫陶瓷材料也成为曝气处理所用材料。

3.5 隔热材料泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性,是一种理想的耐热材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖,其材质有Zr02、SiC、镁盐及钙盐等,使用温度高达1600℃,是目前世界上最好的隔热材料,称之为“超级绝热材料”,被应用于航天飞机外壳的隔热及导弹头的强迫发汗等。

多孔陶瓷

porous ceramics；honeycomb ceramics

一种含大量气孔的陶瓷。流体通过时可起到净化、过滤的效果。在原料中加入木屑、稻壳、炭料、煤粉、塑料粉等，在高温下分解产生气体，形成多孔。具有耐高温、耐化学侵蚀、强度高等特性。用作液体、气体的过滤介质和催化剂载体等。

汽车尾气净化器

汽车尾气净化器，尤其是一种带净化蜂窝陶瓷芯的汽车尾气净化器，包括汽车尾气净化管和净化蜂窝陶瓷芯，净化蜂窝陶瓷芯位于汽车尾气器管内，其中：净化蜂窝陶瓷芯由若干同心的圆筒组成，各圆筒之间有间隙，各圆筒之间通过连接件连为一体，各圆筒的筒壁上贯通设置多个小孔。本实用新型的优点在于：间隙的空隙大于现有的汽车尾气器的蜂窝陶瓷芯结构的蜂窝状孔道，汽车尾气排放通畅，不影响汽车发动机的正常工作。因小孔设置在各圆筒的侧面的筒壁上，不容易被燃油不完全燃烧产生的颗粒以及空气中的污染物堵塞。该汽车尾气净化器使用寿命长。

催化剂载体

催化剂载体

catalyst carrier

又称担体（support）,是负载型催化剂的组成之一。催化活性组分担载在载体表面上，载体主要用于支持活性组分，使催化剂具有特定的物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。多数载体是催化剂工业中的产品，常用的有氧化铝载体、硅胶载体、活性炭载体及某些天然产物如浮石、硅藻土等。常用“活性组分名称-载体名称”来表明负载型催化剂的组成,如加氢用的镍-氧化铝催化剂、氧化用的氧化钒-硅藻土催化剂。

载体能使制成的催化剂具有合适的形状、尺寸和机械强度，以符合工业反应器的操作要求；载体可使活性组分分散在载体表面上,获得较高的比表面积,提高单位质量活性组分的催化效率。如将铂负载于活性炭上。若用分子筛为载体，铂可达到接近于原子级的分散度。载体还可阻止活性组分在使用过程中烧结，提高催化剂的耐热性。对于某些强放热反应，载体使催化剂中的活性组分稀释，以满足热平衡要求;良好热导率的载体，如金属、碳化硅等,有助于移去反应热，避免催化剂表面局部过热。载体又可将某些原来用于均相反应中的催化剂负载于固体载体上制成固体催化剂，如磷酸吸附在硅藻土中制成的[固体酸催化剂]，酶负载在载体上制成的固定化酶。

TiO2光催化剂载体的作用主要体现在：

（1）固定TiO2、防止流失、易于回收和提高TiO2的利用率；

（2）增加TiO2光催化剂整体的比表面积；

（3）提高光催化活性。因为某些载体可与TiO2发生相互作用，有利于E－H＋的分离并增加对反应物的吸附，同时实现载体的再生；

（4）提高光源利用率。如将TiO2制成薄膜后，化剂表面受到光照射的催化剂粒子数目增加；

（5）将催化剂用载体固定，便于制成各种形状的光催化反应器。

光催化剂载体首先要求能改善所担载的物质的组织结构（如增加孔隙、表面积等），同时由于光催化剂是靠光和催化剂的结合来发挥催化作用的，只有被光激活的催化剂才具有光催化效果。因此，良好的光催化剂载体应具有以下特点：具有良好的透光性；在不影响TiO2催化活性的前提下，与TiO2颗粒间具有较强的结合力；比表面积大；对被降解的污染物有较强吸附性；易于固液分离；有利于固－液传质；化学惰性等。

目前，国内外研究较多的催化剂载体有：SiO2，Al2O3、玻璃纤维网（布）、空心陶瓷球、海砂、层状石墨、空心玻璃珠、石英玻璃管（片）、普通（导电）玻璃片、有机玻璃、光导纤维、天然粘土、泡沫塑料、树脂、木屑、膨胀珍珠岩、活性炭等。

（1）天然矿物类：天然矿物类物质本身具有一定的吸附性和催化活性，且耐高温，耐酸碱，常被用作催化剂的载体。目前已被用作TiO2载体的有硅藻土、高岭土、天然浮石和膨胀珍珠岩等。刘勋等研究了几种不同天然矿物（硅藻土、蛭石、高岭土、膨润土、硅灰石和海泡石）与纳米TiO2的复合。结果表明，在6种天然矿物所制得的复合材料中，以海泡石光催化降解效率最高，作用6h后，对甲基橙光降解率达到98%。其次是硅藻土和硅灰石，分别达到87%和85%。且光催化降解效率与天然矿物吸附能力呈一一对应关系。陈爱平等以轻质绝热保温建筑材料膨胀珍珠岩作载体，制得了能长时间漂浮于水面的纳米TiO2负载型光催化剂，用于水面浮油的太阳光光催化降解。周波等采用天然浮石为载体负载TiO2作光催化剂，利用高压汞灯为光源对有机磷农药的光催化降解进行了研究。结果表明，浓度为1.2×10－4 mol·L－1的农药光照2h左右可完全被光催化氧化为PO4。

（2）吸附剂类：这类载体为多孔性物质，比表面积较大，是使用最为广泛的一类载体。用作负载TiO2的吸附剂类载体主要有活性炭、硅胶、多孔分子筛等。吸附剂类载体可以获得较大的负载量，可以将有机物吸附到TiO2粒子周围，增加界面浓度，从而加快反应速度。崔鹏等将活性炭负载到TiO2膜作为光催化剂对甲基橙水溶液进行了光催化降解试验。结果表明，与商品化的TiO2微粉光催化剂的降解性能相比，其降解速率较高，由于TiO2/C光催化剂中活性炭良好的吸附性能，使得光催化反应体系内产生了吸附－反应－分离的一体化行为，提高了光催化速率。国外的V.M.GuNk等研究表明，在不同负载量下，TiO2在硅胶表面均没有形成连续涂层；TiO2和SiO2之间的作用力包括氢键、静电力和少量的Si－O－Ti键，SiO2抑制了TiO2从锐钛型向金红石型的相变。国内的郑光涛等采用溶胶－凝胶法将改性后的高效TiO2光催化剂负载于球形硅胶上，得到了具有混晶结构、大比表面积、高活性的纳米TiO2光催化剂。负载后的催化剂在紫外区具有强的吸收，比表面积达到379.8m·g－1。郑珊等合成了TiO2呈单层分散或双层分散状2态的多孔分子筛MCM－41。结果表明，负载后，MCM－41孔道表面的SiO2以化学键相连生成Si－O－Ti键。

（3）玻璃类：玻璃价廉易得，具有良好的透光性，便于设计成各种形状，引起了研究者的重视。用于TiO2光催化剂的载体有玻璃片、玻璃纤维网（布）、空 心玻璃珠、玻璃螺旋管、玻璃筒、石英玻璃管（片）、普通（导电）玻璃片、有机玻璃等。张新英等以空心玻璃微球为载体，用溶胶－凝胶法制备负载型复合光催化剂，所得催化剂可以漂浮在水面上，便于回收和重新利用。

（4）陶瓷类：陶瓷也是一种多孔性物质，对TiO2颗粒具有良好的附着性，耐酸碱性和耐高温性较好，也可用作催化剂载体。若在日常使用的陶瓷上负载TiO2，可以制成具有良好自洁功能的陶瓷，起到净化环境的作用。贺飞等采用溶胶－凝胶法，在自制的陶瓷釉体表面制得粒径大小为40～100nm的TiO2晶粒。它紧密结合，形成透明均一无“彩虹效应”的TiO2光催化薄膜型自洁功能陶瓷，具有超级亲水性和去污功能。

（5）有机类：由于TiO2在阳光下能光催化氧化降解有机物，所以一般不用有机材料做载体。而某些高分子聚合物，如饱和的碳链聚合物或氟聚合物，有较强的抗氧化能力，所以也可以用于负载型TiO2的研究。但由于·OH-，·O2-的强氧化性，这些高分子聚合物载体只能在短期内使用。目前，用于负载TiO2的高分子聚合物载体有：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯、聚丙烯、ABS，NAfiON薄膜等。刘平等研究认为，TiO2粒子的形成与长大均限制在NAfiON的微小孔笼中，粒子形成过程所需的物质传递也仅能通过小通道进行；在该实验的合成条件下，TiO2晶体大小仅取决于NAfiON孔笼直径。

陶瓷复合材料 篇6

关键词：陶瓷材料 公共设施设计 文化 情感

一、陶瓷材料特性

自人类开创文明时代之后，陶瓷材料便追随着人类的生存需求，在泥与火的碰撞下诞生。陶瓷作为人类利用化学变化最早使用的材料，从新石器时代仰韶文化发明充满智慧的小口尖底瓶、唐代东西方文化融合下产生异域风情的三彩、理学思想主导下宋代出现优美典雅五大名窑、疆幅辽阔的元代时期而成熟的精丽华贵青花、直至清代登峰造极技巧堆砌出的瓷器，在历史的长河之中，它从未因时间推移和时空的转换离开过人们的生活。

1.陶瓷材料的文化性

中国作为陶瓷的故乡有着说不完的荣耀历史，但在现代陶瓷发展短暂的几十年至今看来，却并未能借着先人的荣光，踏着祖辈的卓越成果下乘风破浪傲立于世界。相反，中国现代陶瓷特别是日用陶瓷发展缓慢，究其原因与传统思想禁锢，现在工业起步晚以及高速发展下方向的迷失脱不开干系。然而，中华儿女对于陶瓷材料的感情是千百年来不曾改变，它顺应自然而內发的材质情感，丰富多变的表达方式，绚丽或素朴的色彩，以及坚实稳固的物理特性，无一不映衬着我们的民族特性。

2.陶瓷材料的物理化学特性

陶瓷是陶器、瓷器和炻器的总称，三者之间性质有所区别，但总的来说陶瓷具有高熔点，强度较高，高硬度等特点，其稳定的化学性质更是陶瓷材料在公共设施设计中应用的优势。但同时陶瓷材料也具有韧性差，制作过程中会有收缩的特点，如若在公共设施中应用，需要在各个环节加以控制。

二、公共设施中的材料使用

马克思在27岁时就提出了对人的定义：人是社会关系的总和，最重要的性质即是社会性。人与人之间需要交流、需要沟通，公共空间在此基础上产生。在城市现代化急速发展的今天，公共空间被人们更多渴求，而提供人与人交流便利的公共设施也如同水与食物一样成为了人们日常生活的必需品。公共设施被形象的称为城市家具，作为城市的名片，人们对其要求随着时代的发展变得更加多元化。

以往设计都是根据产品所需的力学或结构工程直接选择不同的材料，但随着现代科学技术的发展与生活水平的提高，材料不再只是满足力学结构的提供者，可以提供更多的角色功能。公共设施大多处于开敞的公共空间之中，长期暴露在室外，对材料的性能有一定要求。早期多使用木材和石材，木材作为人类使用最早的材料，广泛存在于自然之中，使用也十分普遍，但作为公共设施常年的日晒雨淋直接导致材料扭曲、开裂、变形甚至是毁损。人造石材因其制造便捷，低廉的成本，安全可塑的优势在公共设施中被广泛使用。但石材也有其局限性，由于其天然形成的特性和以多种化合物形态伴生，加之使用环境如酸雨、污染、潮湿等侵蚀，导致石材出现磨损，光泽度也越来越低的问题。此外，在一定程度上审美和人性化趋势引领设计的今天，石材在材质情感上与人有一定的距离，也导致了石材的使用范围越来越有限。

近几十年来随着现代工业的发展，金属逐渐成为公共设施设计中使用的主要材料，尤其是铁和不锈钢，铁在经过上漆、电镀等处理后，在自行车存放处、阻车柱、邮筒、照明设施、导示系统等设施的设计中大量使用。不锈钢相较于铁有不锈的优点，被应用于如坐椅、导示牌、果皮箱等设施中。现今放眼望去公共空间中，人们似乎木然于这高反光相互折射的银色之间，金属也俨然成了公共设施的代名词。（如图）然而，设计并不能沉湎于过去，其职责是发觉和满足使用者对公共设施设计文化性、人性化以及审美多元化的诉求，促使着公共设施设计不断向前，不断发掘更多更适合用户的设施，找寻人——设施——城市环境之间平衡相处的节点。

三、陶瓷材料在公共设施设计中应用

公共设施设计需考虑到人的行为心理诉求、与环境配合保护需要以及产品本身功能性等一系列的因素，在系统化的设计中协调好各方要求，最终才能成为优良设计。关于如何利用陶瓷材料优势，在公共设施设计中扩展使用范围，可以从以下几个方面考虑。

1.区域文化性

公共设施作为市民户外活动的载体，时刻代表着城市形象和传播着城市的文化。公共设施与人的生活息息相关，其设计不只是需要满足功能使用的要求，更是要与当地的地域风情、民俗习惯、气候特征相融合，带给人身心愉悦。

在公共设施地域文化性如何体现方面，各地都在积极探索。景德镇作为千年瓷都，对于陶瓷材料在公共设施运用（如图），颠覆了人们以往经验上对于陶瓷材料使用的认识。

对于建镇一千多年，素有“瓷都”之称的景德镇来说，陶瓷是其命脉，纵向来说贯穿了城市发展的历史，横向来看融入了瓷都人民的生命。景德镇是国家生态园林城市、国家历史文化名城和优秀旅游城市，每年来景旅游参观的人民络绎不绝。陶瓷材料被广泛使用在路灯、垃圾箱、红路灯、景观柱甚至是指示牌上。千百年来陶瓷见证了景德镇历史的兴衰荣辱，而今提供着人们生活的便利，同时也承载着世界人民文化交流的使命。

如需要选择某一种材料来代表中国民族，我想非陶瓷莫属，它温润如玉的质感，雅俗共赏的特质，含蓄内敛的风格，都与民族文化不谋而合。从公共设施区域性来说，陶瓷是景德镇、宜兴、醴陵、潮州的特色，能为更广泛的区域所使用，是中华民族文化的印记。

2.艺术性

最常见的公共设施设计材料莫非金属，不可否认的是金属本身拥有较好的工艺性能，能实现其他材料不能实现的造型要求。但自然界中的金属大多以化合态存在，加之现代社会使用的金属均是提炼之后经过抛光，喷漆喷塑、电镀等形式的处理，在材质表达的情感上富有浓厚的工业化风格，科技感，无形中带给人坚硬、冷漠的心理感受。作为公共空间供人使用交流的公共设施，拒人于千里之外的材质语义显然并不是设计师心中最完美的选择，加之现代人多元化的审美特性，对于产品是否具有艺术美感有其个性的解释，所以在公共设施材料的选择不能继续保持金属一枝独秀的局面，需要更多样的选择满足时代要求。

陶瓷原料来源于自然，经过窑火这道简单却使其能变化万千的工序过程后发生质改变，最终无论在城市或自然中都不显突兀，与周围环境能协调。而且陶瓷以其悠久的人文和艺术内涵，在人们心中有广泛的社会价值。陶瓷材料如玉般柔和温润，但不如玉般稀有难得，它雅俗共赏特质给人高贵、雅致、亲近的情感。此外，伴随着现代科技进步，陶瓷釉拥有更丰富的色彩与肌理，能充分满足设计装饰以及人们的情感追求。

3.人性化

在公共设施的人性化方面陶瓷材料也有诸多优势。首先，陶瓷比热容值是公共设施常使用金属两倍左右，所以在室外尤其是温差大的季节，陶瓷材料能保持温度相对稳定，不会造成与人接触产生过凉或过热的使用感受。日前，有报道测试户外各材质公共设施温度，电梯口金属扶手平均温度达到44.9℃，广场木质座椅平均温度达到57.68℃，最高温度达到60℃以上。（如图）上其二，陶瓷由于本身烧制限制，在造型方面多是曲面，并不会产生锋利尖角，在接触使用者时不会有刺伤危险。再次，近些年出现的自洁陶瓷利用纳米材料将陶瓷表面处理成无针孔超平滑表面，不挂污垢，易于清洁打理，既提升了美感，又减少了维护成本。此外，人们对于陶瓷材料制作的公共设施除了新颖奇特，无形中也会想触摸和使用，会有效提高使用率。

四、结语

陶瓷材料的发展 篇7

1 陶瓷材料的分类

陶瓷材料一般可分为传统硅酸盐陶瓷和现代特种陶瓷。

传统碳酸盐陶瓷可分为陶器和瓷器, 其各自的特点分别为: (1) 陶器的结构不致密, 断面粗糙, 敲击声比较浑浊; (2) 瓷器的结构比较致密, 质地细腻, 断面呈石状或贝壳状, 敲击声清脆悦耳。综合上述特点看, 陶与瓷的区别在于胚体的孔隙度, 即吸水率, 而黏土最终会形成陶, 还是形成瓷, 取决于原料的成分和烧结温度。如果原料粗糙、烧结温度低, 则形成陶;反之, 则形成瓷。

现代特种陶瓷可分为功能陶瓷和结构陶瓷, 其各自的特点分别为: (1) 功能陶瓷具有电、磁、声、化学和生物等性能; (2) 结构陶瓷具有耐磨、耐蚀、抗高温、耐热和高强度等力学性能, 是陶瓷在结构领域的广泛应用。例如高熔点氧化物陶瓷 (Al2O3、Zr O2和VO2等) 、碳化物陶瓷 (Si C、WC、Ti C和BC等) 、硼化物陶瓷 (Zr B2) 、氮化物陶瓷 (Si3N4、BN和Zr N等) 和硅化物陶瓷 (Mo Si2、Zr Si) 。

无论是传统硅酸盐陶瓷, 还是现代特种陶瓷, 其力学性能、物理性能和化学性能均相差不多。

2 陶瓷材料的力学性能

陶瓷材料在工程材料中具有最高的弹性模量和硬度。陶瓷在受力后可产生一定的弹性变形, 其弹性模量为1 000~1.0×106 MPa, 硬度大多在1 500 HV以上。Si3N4和BN具有接近金刚石的硬度。陶瓷材料的理论强度很高, 但由于其组织中的晶界和非晶相的影响, 在拉伸状态下很容易扩展形成裂纹, 导致抗拉强度降低。陶瓷在拉伸时几乎没有塑性, 在拉应力的作用下产生一定弹性变形后会直接脆断。

3 陶瓷材料的物理性能

陶瓷材料的物理性能主要有以下3点: (1) 热性能陶瓷材料的热性能包括熔点、热容、导热性、热膨胀和耐热冲击等; (2) 电性能陶瓷材料的导电性变化范围很宽; (3) 光学性能陶瓷具有特殊的光学性能, 可作为激光材料、光导纤维材料、光存储材料或荧光物质等。

4 陶瓷材料的化学性能

陶瓷材料的组织结构非常稳定, 这是因为它不仅键结构力强, 而且在离子晶体中金属原子被包围在非金属原子的间隙中, 形成了稳定的化学结构, 无法再与介质中的氧发生反应, 即使在1 000℃的高温下也不会发生氧化反应。

5 陶瓷材料成型方法

5.1 胶态浇铸成型

胶态浇铸成型是一种将具有流动性的浆料制成可自我支撑性状材料的成型方法。该方法利用了浆料具有的流动性, 将物料干燥并固化后得到一定形状的成型体。具体包括以下4种方法:注浆成型 (Slip Casting) 、流延成型 (Tape Casting) 、轧膜成型和注射成型。除了上述常用的成型方法外, 实际生产中还采用了以下4种成型方法。

5.2 纸带成型

纸带成型与流延成型法类似。该方法是以一卷具有韧性的、低灰分的纸带 (比如电容纸) 作为载体, 使这种纸带以一定的速度通过泥浆槽, 黏附上适当厚度的浆料, 并通过烘干区形成一层薄瓷胚, 卷轴待用。在烧结过程中, 这层低灰分衬纸将被彻底燃尽。比如泥浆中采用热塑性高分子物质作为黏结剂时, 在加热软化的情况下, 可将胚带加压定型。

5.3 滚压成型

滚压成型与轧膜成型相似。该方法是以热塑性有机高分子物质作为黏合载体, 将载体与陶瓷粉料放在一起, 加入封闭式混练器混炼, 炼好后再进入热轧辊箱, 轧制成一定厚度引出后用冷空气冷却, 卷轴待用。如果要想制作其他定型胚带, 则可适时对胚片进行压花。该方法与纸带成型法均可用以制作垂直多孔筒状热交换器, 两者各有优点, 用滚压法所制的胚体孔型较好, 空气易流通, 但制作工艺较难掌握。

5.4 印刷成型

印刷成型是指将超细粉料、黏合剂、润滑剂和溶剂等充分混合, 调制成流动性较好的稀浆料, 并采用丝网漏印法, 即可印出一层极薄的胚料。

5.5 喷涂成型

喷涂成型中所用的浆料与流延法、印刷法相似, 但必须调制得更加细腻, 以便在压缩空气通过喷嘴后形成雾粒。该方法主要用来制造独石电容器。喷涂时, 以事先刻制好的掩膜遮住不需要被喷涂的部分, 喷涂至一定程度时可进行干燥处理, 干燥后再开始第二次、第三次喷涂, 到达预定厚度时更换掩膜, 喷涂所需的其他浆料。按这种反复更换掩膜、交替喷涂金属浆料和陶瓷浆料的方法喷涂, 可形成独石电容器结构。

6 陶瓷的发展前景

信息、能源和新材料被誉为当代科学技术的三大支柱。陶瓷作为一种既传统又具有科技性的材料, 以其优异的性能在材料领域独树一帜, 受到人们的高度重视, 在未来的社会发展中将发挥巨大的作用。

随着科学技术的不断进步, 陶瓷材料在21世纪必将获得惊人的发展。展望未来, 陶瓷材料将在以下3个方面获得重大突破, 进而对现代科技的发展和人类社会的进步作出贡献: (1) 纳米陶瓷。纳米陶瓷是陶瓷材料的一个分支, 指平均晶粒<100 nm的陶瓷材料。 (2) 生物陶瓷。生物陶瓷指直接用于人体或与人体相关的生物、医用和生物化学等领域的陶瓷材料。 (3) 信息陶瓷。信息陶瓷指与信息技术相关的陶瓷材料, 包括绝缘陶瓷、电子陶瓷、敏感陶瓷和磁性陶瓷等。

参考文献

[1]王树海, 李安明, 岳红志.先进陶瓷的现代制备技术[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[2]刘维良, 喻佑华.先进陶瓷工艺学[D].武汉:武汉理工大学, 2004.

复合陶瓷材料在防护领域的应用 篇8

陶瓷行业是一个历史悠久的行业,新中国成立以来,尤其是改革开放以来,取得了长足的发展。陶瓷行业包括选矿、粉体生产、制品生产、陶瓷制品深加工等工业链。复合陶瓷制品生产在其中有至关重要的作用,通过这一过程,大大提高了产品的附加值,由原来的低价出口粉体原料转变为高价出售制品,经济效益大幅度提高,技术含量也大大提升。

2 复合陶瓷产品主要应用领域

复合陶瓷材料的硬度普遍都很高,再加上它具有很好的抗酸碱腐蚀能力和较高的中子吸收能力以及低密度的特点,是防弹材料、摩擦制品、核工业中子防护材料等领域重点开发的内容,在军事、宇航和民用等领域都得到了重要应用。复合陶瓷材料都具有优异的综合性能,是理想的防弹装甲材料。作为防弹用装甲材料,复合陶瓷材料可用于直升机的轻质装甲、防弹背心等。尽管其价格较高,但对于以减轻重量为必要条件的防弹装甲系统,复合陶瓷材料仍是首选材料。

除此之外,复合陶瓷材料的应用主要还有结构材料、电性能、核性能等方面。

3 复合陶瓷产品的现状与发展特点

3.1“拦截者”防弹衣系统

2003年,美国陆军在制造技术计划中确定了陶瓷装甲工艺的研究项目,该项目主要研究如何低成本大量生产“拦截者”防弹衣系统所需的碳化硼(B4C)和渗硅碳化硅(Si/Si C)轻武器防护插板装甲。这个项目的参加单位包括美国海军陆战队、美国陆军士兵与生物化学司令部、专业防务系统公司、Simla公司、Cercom公司(B4C和Si C等先进材料制造公司)以及其他的陶瓷制造公司,例如M立方体技术公司、Ceradyne公司与Coors Tek公司。

通过上述制造技术项目的努力,到2009年,防弹衣碳化硼装甲插板的价格从每块850美元降到525美元,通过改进制造工艺,最终以每块350美元的价格生产出了功能相同的Si/Si C装甲插板。2002年,Si/Si C装甲插板的价格又进一步降低。这些新型陶瓷装甲插板与包含“拦截者”防弹衣装甲在内的软质外穿战术背心相结合,使“拦截者”防弹衣的总价格达到1500~1700美元。虽然这个价格仍然比国防部购买传统氧化铝防弹衣的价格高,但是新型防弹衣装甲插板比传统氧化铝防弹衣装甲插板约减轻35%。

2008年初,美国政府已采购3万余件新型陶瓷装甲板,还签订了13万件陶瓷装甲板的合同。新型陶瓷装甲板经受了战争的考验。例如,美军士兵首次在阿富汗战争中穿戴了“拦截者”防弹衣系统,使他们中的许多人在战斗中得以幸存。

3.2 防弹装甲

防弹装甲的最大发展领域不在防弹衣方面,而是在装甲车辆上。用于装甲的陶瓷材料有硬度高、脆性大等特性,因而陶瓷装甲具有较好的抗弹性能,尤其是对付破甲弹的效果更好。国外主要从事此产品的公司有4个,国内至今尚无专业生产厂。现将国外的情况介绍如下。

3.2.1 Ceradyne公司

在“拦截者”防弹衣系统用的碳化硼和渗硅碳化硅轻武器防护插板研制成功后,2002—2003年,该装甲板的订货猛增。但在减少重量与成本以及提高抗弹性能方面,陶瓷装甲仍需进一步的改进。

Ceradyne公司利用美国陆军提供的小企业创新研究基金,正在研究富硼的碳化硼,使碳化硼中的每个碳原子与更多的硼原子化合。因为在烧结时,硼原子急需与碳原子化合,由于烧结工具中有丰富的碳原子,硼原子在烧结时被耗尽,因此难于获得富硼的碳化硼。然而研究人员发现,如果在烧结过程中获得和保持富硼的碳化硼,将改善其强度和韧性。

Ceradyne公司还在研究强度更高、成本更低的Si C材料。热压渗硅碳化硅的强化工艺将提高工具的寿命,降低能源成本,缩短周期时间,获得更好的装甲设计。该公司还希望能在今后若干年内推广轻型陶瓷头盔。

3.2.2 Cercom公司

Cercom公司把大部分研究陶瓷装甲的精力集中在,通过改进背衬材料和更好地控制陶瓷的尺寸来减轻轻武器防护陶瓷插板的重量,并增加其抗多发弹丸打击的性能。该公司已经研制出了增强的轻武器防护陶瓷插板,特点是大大改进了在较近距离抗多发弹丸打击的能力。但是,用较轻质量的陶瓷装甲对付较大的威胁(例如,狙击手的射弹和穿甲弹等)的研究工作正在进行。

3.2.3 Coors Tek公司

Coors Tek公司发展了轻型防弹衣装甲板,该装甲板优于氧化铝材料,可以满足轻武器防护陶瓷插板严格的尺寸和形状要求。该公司继续在这一领域从事深入的改进研究工作。因为氧化铝的成本较低,所以这些研究工作可能会增加防弹衣所用氧化铝陶瓷的需求。

EET1“奥索里约”坦克是巴西恩格萨公司为满足其陆军需要,并针对出口市场研制的一种重量较轻的坦克。其装甲为双金属板结构,重点部位采用了间隙式装甲,需要时可将陶瓷装甲插在两层装甲板之间。“乔巴姆”装甲由主装甲、陶瓷装甲、内装甲板、薄钢板(或防辐射衬层)组成。“乔巴姆”装甲是用胶将陶瓷片以盖瓦方式粘在铝板上制成的,这说明陶瓷装甲也可以用来制造复合装甲。英国“挑战者”坦克的炮塔和车体正面60°的弧内,以及其侧裙板都采用了“乔巴姆”装甲与常规钢装甲相配合,使“挑战者”坦克具有出色的防护性能。

当前,针对轻型装甲车辆,像美国海军陆战队的先进两栖装甲突击车(AAAV),以及未来战斗系统(FCS)的许多研究工作都集中在陶瓷材料和装甲陶瓷上。Coors Tek公司正在研究军用车辆和飞机用的装甲陶瓷产品,该公司研究轻型装甲车辆项目已有两个年头。

3.2.4 M立方体技术公司

M立方体技术公司最近推出了一种反应化合碳化硼新产品,它具有反应化合碳化硅产品的全部优点。该公司利用反应化合工艺,能制造出市场上典型热压碳化硼不能制造的形状和尺寸,将满足军方的一些特殊需求。例如,在今后两三年中,部队将增加一种复杂结构装甲系统的用量,结构复杂的反应化合Si C和B4C制件可供该装甲系统使用。

采用M立方体技术公司反应化合B4C技术的一件结构直升机座椅,改进了传统座椅的设计。传统座椅的一般制造方法是,首先制造多件陶瓷组件,然后把它们送往军械装配厂进行组装。一件结构设计有助于减轻座椅的重量和减少装配人力及费用。

在B4C大有希望用于车辆之时,研究人员发现了它在高冲击压力作用下出现削弱抗弹性能的非晶化现象。B4C是阻挡低能弹丸,像手枪弹的优良材料,但它在非常高的速度和压力作用下,比如在受较高动能的弹药冲击时,晶体结构相变崩溃,形成易于破碎的玻璃态材料带,即出现削弱抗弹性能的非晶化现象。这种现象是约翰斯·霍普金斯大学和美陆军研究实验室的研究人员最近发现的,他们破解了非常硬和轻的碳化硼陶瓷突然丧失防护能力的真正原因。非晶化现象是阻碍碳化硼用于车辆的主要障碍。研究人员希望通过改变晶体结构、化学成分和添加剂等途径,研究出新的制造方法,避免出现上述现象,使碳化硼能够用于车辆装甲。

4 陶瓷复合产品国内外市场需求

美国、英国、德国、韩国等发达国家已将复合陶瓷材料用于军工、核电等行业上。例如美国著名的武装直升机AH-64A的防弹装甲,就使用了复合陶瓷材料;美国的“拦截者”防弹衣在胸前和后背分别设置了两个装载复合陶瓷材料防弹陶瓷插板的“大口袋”。而国内研制的CEFR堆芯周围有许多屏蔽层组件,由内装吸收体材料为天然硼的碳化硼圆柱体芯块的不锈钢包壳管组成。

国内市场上,主要是复合陶瓷材料的生产与出口,碳化硼陶瓷材料的应用还很少,但由于其优良的性能,市场潜力非常大。根据应用行业及复合陶瓷材料应用领域的不同,可以将整个国内市场分为以下几个分市场,如下表所示。

从上表中可以看出,复合陶瓷材料市场有以下特点:

(1)市场范围广,应用领域多,复合陶瓷材料具有巨大的市场潜力,其应用涉及国防和民用的众多领域。

(2)国内复合陶瓷材料的应用大部分还处于试用阶段,市场未被全面开发,市场潜力较大。

(3)在不同的应用领域,将面临不同的市场情况,包括不同的客户和竞争情况。

仅防弹衣一项,根据美国2010年中国军力报告显示,截止到2013年底,中国军队人数将减少至230万,按每人一件防弹衣,则至少需要230万件。按照每件防弹衣需复合陶瓷材料0.0012立方米计算,则共需复合陶瓷材料2760立方米,即6955吨。而武装直升机防弹装甲和坦克披挂装甲的需求量更大,若以防弹装甲用量的两倍计算此部分需碳化硼陶瓷材料13910吨。碳化硼陶瓷材料总需求量为20865吨。

陶瓷复合材料 篇9

能源紧缺和由于能源消耗带来的环境保护压力是当前的全球化问题, 合理设计和使用绝热性能良好的保温材料是耗能行业一项重要的节能技术[1,2]。我国的能源消耗总量约占世界能源消耗的10%, 因保温不利而产生散热损失造成的能耗达到总热量的10%以上[3]。国家规定管道、设备及其附件外表面温度高于50℃时, 必须进行保温, 在平均温度为25℃时, 保温材料的导热系数应小于0.08W/ (m·K) 。电力作为高耗能行业, 开发研究高性能且经济的新型保温材料非常重要。

电厂热力设备及管道用保温材料多为无机类, 当前国内主要有珍珠岩、微孔硅酸钙、岩棉、矿棉及硅酸铝棉制品, 国外主要采用玻璃纤维、矿棉及硅酸钙制品[4], 均存在通用性及高温稳定性较差, 保温能力不高的问题。随着纳米孔超级绝热材料的发展, 气凝胶隔热材料、纳米粉末基复合隔热材料及纳米保温涂料也得到了少量应用, 但由于价格很高及工程应用数据很少, 推广尚难[5,6]。无机硅酸盐多孔材料是近年的应用热点[7], 其多孔性、低导热性、经济环保性在保温行业具有良好的应用优势[8], 关于其结构、孔性及应用的研究较多, 而基于该材料与纳米材料进行低成本复合的新材料及其电厂应用的研究还未见报道。

1 新型陶瓷复合材料基本性能

新型陶瓷复合材料 (以下简称新材料) 是一类无机硅酸盐多孔材料, 加入纳米颗粒进行改性而成。主料为中空陶瓷颗粒、纳米颗粒及陶瓷纤维, 经静电湿法工艺及干燥压制成型制得, 柔韧性强, 卷曲性能好, 容易施工, 在制备及应用过程中无健康环保问题。其容重低于220 kg/m3, 不燃性为A1级, 已在电厂中取得了一定的工程应用。该材料具有纳微尺寸的多孔结构, 可有效降低热传导、热对流和热辐射。材料导热系数低, 经防护热板法测定, 平均温度70℃时为0.041 W/ (m·K) , 且随温度升高导热系数上升缓慢。本文对其实验室管道测试结果及600MW超临界机组上的实际应用效果进行研究分析, 以获得保温效果及节能效率。

2 试验部分

2.1 实验室管道测试

火力发电厂600 MW、660 MW及1 000 MW的超临界及超超临界机组中, 高温管道介质温度在600℃左右。实验室模拟电厂管道条件设计了高温热力管道装置, 验证新材料的保温效果。装置示意图如图1所示。管道直径为ф219 mm、长度为2 m, 以电能为能源, 空气作为加热介质, 两端用耐火层及保温层绝热。

将新材料制成10~30 mm的厚度, 逐层缠绕在管道上, 最外层用铁丝捆扎。然后通电加热, 到设定温度后通过热电偶控制电路通断, 保证内部温度维持在设定温度及管道各部分温度均匀稳定。控制实验室环境温度为25℃, 测定材料不同使用厚度下的表面温度与耗电量, 每次厚度改变后经3~4 h热平衡再进行测试, 并在相同条件下对硅酸铝棉进行对比测试。

2.2 电厂工程应用实验

为验证新材料在工程中的保温绝热及节能效果, 将其应用于当前电厂主流的600 MW超临界机组中。代表性的选择管径ф558 mm的566℃主蒸汽管道及管径ф508 mm的285℃给水管道各一段、420℃锅炉水冷壁的一部分为试验点, 其他部分仍保持用传统材料 (硅酸铝棉) 。将新材料制成10~30mm的厚度, 在主蒸汽管道和给水管道上逐层缠绕, 外层用铁丝捆扎;在锅炉水冷壁上直接敷设, 再用钩钉钉牢, 施工完毕后待机组稳定运行1个月, 热态平衡稳定后, 测试新材料保温后的表面温度、实际使用厚度及环境温度, 同时对比测试硅酸铝棉的使用厚度。对工程应用效果进行热态考核[9]。

使用厚度采用直尺测量, 表面温度采用以色列Fourier公司的Daq PRO 5300八通道手持式多通道热流计进行测量, 选择的传感器型号为HFS 30和HFS 25010, 其系统分辨率分别为1.2 W/m2和0.43W/m2, 热阻抗均为0.006℃/ (W/m2) 。

3 测试结果及数据分析

3.1 实验室测试

国标规定, 环境温度为25℃时, 热力设备及管道的保温结构外表面温度不应超过50℃, 本实验中将室温控制在25℃, 测试数据可直接与国标对比。将新材料与硅酸铝棉在600℃管道上的测试结果进行对比, 如表1所示。

从表1看出, 新材料使用厚度140 mm时, 表面温度为49.3℃, 已经符合国标要求, 此时的耗电量为2.4 k W·h。随着使用厚度的逐步增加, 其表面温度逐渐降低, 耗电量逐渐减少, 平均每增加10 mm厚度, 表面温度降低0.97℃, 耗电量减少0.075k W·h, 说明可通过增加材料的使用厚度以降低表面温度和减少耗电量。据表还可看出, 表面温度同为47.5℃时, 硅酸铝棉使用厚度为250 mm, 新材料使用厚度为150 mm, 仅为硅酸铝棉的60.0%, 且新材料的耗电量比硅酸铝棉低4.4%, 说明新材料保温性能良好, 具有明显的节能降耗效果, 可将其应用于保温绝热工程中。

3.2 电厂600 MW超临界机组应用

现场的环境温度不固定, 为便于比较, 将现场测试的保温结构外表面温度修正为环境温度为25℃时的数值, 结果如表2所示。从表看出, 在285℃的给水管道、566℃的主蒸汽管道、420℃的锅炉水冷壁上, 新材料保温后, 保温结构表面温度均低于50℃, 符合国标规定, 保温效果良好。

将新材料及硅酸铝棉的使用厚度进行对比, 如表3所示。从表得出, 在285~566℃温度范围内, 新材料的使用厚度均低于硅酸铝棉, 仅为硅酸铝棉的47.0%~62.0%, 与实验室管道测试结果一致。同时看出新材料在水冷壁上的厚度优势更加明显。在管道和平面上, 新材料的保温性能均良好, 可以有效阻止热量传递, 节省材料使用厚度。

根据两种材料的厚度差, 计算出材料散热面积 (即表面积) 与占用空间 (即体积) 差, 求百分比, 结果如表4所示。从表中可以看出, 新材料在单位长度给水管上可节约空间35.7%, 节约散热面积19.8%;在单位长度主蒸汽管上可节约空间45.6%, 节约散热面积26.3%;单位面积水冷壁平面上可节约空间38.0%, 在平面上因使用面积不变, 不节约散热面积。平均结果显示, 使用新材料可节约设备空间39.8%, 管道上节约散热面积23.1%。实验说明, 新材料可有效提高设备的空间利用率, 减少散热面积, 且管道温度越高, 新材料的节约空间和散热面积效果越明显。

3.3 电厂节能效益分析

根据行标DL/T 5072-2007[10]的计算公式和取值规定, 计算保温结构的外表面散热损失。保温结构外表面传热系数按室内管道结构取值。管道单层保温模型的外表面散热损失及线散热损失计算公式为

平面单层保温模型的外表面散热损失公式为

式中q———保温结构外表面散热损失/W·m-2;

ql———保温结构外表面线散热损失/W·m-1;

t———设备和管道外表面温度/℃;

ta———环境温度/℃;

λ———导热系数/W·m-1·℃-1;

D1———保温层外径/mm;

D0———管道外径/mm;

α———保温结构外表面传热系数/W·m-2·℃-1;

δ———保温层厚度/mm。

计算新材料的散热损失, 与国标规定散热损失最大允许值进行对比, 结果如图2所示。从图可知, 随着温度的升高, 散热损失会逐渐增大, 说明尤其高温下需要严格控制散热损失。在566℃的主蒸汽管道上, 新材料保温后的散热损失为173.0 W/m2, 为国标允许最大值284 W/m2的60.9%;在420℃的平面上, 新材料保温后的散热损失为163.9 W/m2, 为国标允许最大值233 W/m2的70.3%;在285℃的主蒸汽管道上, 新材料保温后的散热损失为134.0 W/m2, 为国标允许最大值180 W/m2的74.4%。不同温度下, 新材料保温后散热损失均低于国标规定的最大允许散热损失, 其有效减少了热态运行下的散热量, 降低能量损失。

为分析新材料与硅酸铝棉在节能率上的差异, 计算了管道上的线散热损失, 如图3所示。线散热损失反映单位长度上材料的能量损失大小, 从公式可知其与使用厚度成复杂的反比例函数关系。不同材料因保温性能存在差异, 在同一管道上达到相同表面温度条件下, 使用厚度不同, 则线散热损失不同, 对比线散热损失可直观反应不同材料的节能效果。从图3看出, 新材料的线散热损失均比硅酸铝棉低, 在285℃时可减少6.5%, 566℃时减少8.5%, 平均减少7.5%。说明新材料保温效果好, 在不同的温度段上都可有效的减少热量损失, 适合在各温度段的管道保温使用。

单位长度管道上, 热量损失Q=qlt时间, 标煤的发热量为29 271 k J/kg, 将散热损失换算成热量和标准煤耗, 如表5所示。从表可得, 在285℃管道上每天可减少热量损失1 638.4 k J, 节约标煤0.05 kg;在566℃管道上每天可减少热量损失3 731.8 k J, 节约标煤0.13 kg, 与实验室测试的新材料耗电量低结果相一致。说明新材料可以明显减少热量消耗, 减少煤耗, 节约能源, 从而可提高机组运行效率与能源利用率, 减少排放, 具有明显的经济和社会效益。

6 结语

新型陶瓷复合材料作为一种无机非金属保温材料, 导热系数低, 性能稳定, 施工简便, 不燃安全, 是一类性能优良的保温材料。在实验室600℃管道测试中较传统材料使用厚度明显减少, 耗电量更低, 性能优于传统材料;在电厂600 MW超临界机组管道及水冷壁应用中节能降耗, 散热损失值小, 远低于国家标准规定的最大允许散热损失值, 与传统材料相比厚度及线散热损失均大幅度减小, 可节约能源及煤耗, 具有明显的经济性。电厂测试结果与实验室结果相一致, 说明试验方案设计合理。新材料如在工业管道及设备保温中广泛应用, 可增强保温效果, 大大节约设备空间, 带来有效的节能率及经济性, 提高工业设备的运行效益。

摘要：为研究新型保温材料在电厂的应用效果及节能效率, 采用实验室管道模拟装置测试了材料的保温性能。在600 MW超临界机组的主蒸汽管道、给水管道和锅炉水冷壁上, 对保温结构进行热态考核, 得出散热损失。与硅酸铝棉的对比测试数据显示, 新型保温材料使用厚度低, 保温效果优良, 节约设备空间, 在单位主蒸汽管道上每天减少热量损失3 731.8 k J, 节约标煤0.13 kg。新型保温材料可有效阻挡热量传递, 减小能量损失, 经济性强。

关键词：陶瓷,复合,保温,节能,散热损失

参考文献

[1]陈波, 黄亚继, 张弘, 等.相变蓄热式PV/T集热器的试验研究[J].可再生能源, 2015, 33 (1) :16-20.

[2]Alireza Bahadori, Hari B.Vuthaluru.A simple method for the estimation of thermal insulation thickness[J].Applied Energy, 2010 (87) :613-619.

[3]彭程, 吴会军, 丁云飞.新型建筑保温隔热材料的研究及应用进展[J].中国陶瓷工业, 2013, 20 (5) :25-28.

[4]宋杰光, 刘永华, 陈林燕, 等.国内外绝热保温材料的研究现状分析及发展趋势[J].材料导报, 2010 (5) :378-379.

[5]封金鹏, 冯霞, 黄强.纳米孔超级绝热材料研究现状及进展[J].宇航材料工艺, 2014 (1) :24-28.

[6]史昊杨, 朱群志, 崔云, 等.新型保温涂料在电厂管道的应用[J].节能技术, 2011, 2 (29) :181-184.

[7]M.Scheffler, P.Colombo.Cellular Ceramics:Structure, Manufacturing, Properties and Applications[M].WileyVCH, UK (Chapter 5) , 2005.

[8]Lunlun Gong, Yonghong Wang.Thermal conductivity of highly porous mullite materials[J].Int.J.Heat Mass Transfer.2013 (67) :253-259.

[9]DL/T 934-2005, 火力发电厂保温工程热态考核与评价规程[S].北京:中国电力出版社, 2005.

浅析日用陶瓷材料创新 篇10

关键词：日用陶瓷,设计观念,综合材料

一、日用陶瓷功能和作用

不管是在日常生活之中, 还是在人类文明的悠远历史中, 日用陶瓷都占有其一定的地位。就现代日用陶瓷产品而言, 已经不再局限于食器的单一功能, 它也是一个信息载体并且富有时代特征。日用陶瓷是经人们劳动所创造出的产物, 它首先必须具备实用功能, 满足人们生活中的使用需求。同时, 它还需上升到美化人们生存环境和增加使用情趣, 愉悦人们的心情, 以此满足人们的审美和精神多方面的需求。总而言之, 现代日用陶瓷产品不仅要满足物质生活需求, 还要满足精神生活需求, 它们不仅是生活的基本必需品, 还给人以情感的寄托和心灵上的享受。

日用陶瓷的功能, 一般情况下多看作为使用功能。如果从陶瓷材料特性和文化内涵来研究, 我们可以更加整体、多方位的角度对日用陶瓷的物质功能和文化功能进行探讨和理解。

日用陶瓷的物质功能是由陶瓷自身的材料特性所决定, 它主要是指区别于其他材料制品, 所呈现出优秀的物理和化学特性, 对人们的生活起到便利和改善的作用。

日用陶瓷的物质功能属性及作用:

1. 生物化学功能的耐蚀性——日用陶瓷制品这方面的功能要优于铜、铁、铝和其他金属, 一定程度上能承受酸、碱、盐等的侵蚀, 不会有生锈、变质和老化现象。

2. 耐热、保温隔热功能——日用陶瓷传热较慢, 用来盛放热水和食物, 短时间内外部温度不会特别高而导致烫手。

3. 耐磨性的力学功能——器具与硬物摩擦时, 不易受损。如西餐中, 可以在碟盘上直接使用刀叉切割取用食物。

4. 耐急冷、急热的性能——如在微波炉和冰箱中使用时, 陶瓷器皿具有良好的稳定性。

日用陶瓷的文化功能, 又称文化价值, 它是指日用陶瓷所具有的能够满足一定文化需要的特殊性质。

日用陶瓷的文化功能属性和意义:

1.人文性——世界上几乎所有的文明都经历了早期的陶器时代, 陶器的历史, 就是人类关爱本身、大众及社会的历史。

2.象征性——日用陶瓷制品通过其形态、色彩、装饰和标志等形式反映出象征意义, 在一定程度上体现出社会审美的倾向, 象征或代表某一阶层或个人的价值观、社会地位等。

3.美学性——通过对材料、结构、形态、色泽、肌理和装饰等多方面因素特定的使用, 尽显日用陶瓷传达给人的美感。

通过对日用陶瓷功能的全面了解, 我们可以知道, 正是因为日用陶瓷优越的物质功能和文化功能, 使其成为人们生活中必不可少的生活用品。

二、日用陶瓷设计中材料的演变与发展

纵观人类历史, 器物造型是随着人对物的需求而产生的, 最早的原始陶器设计便是如此。远古时的中华先民, 为了满足简单的生存需要, 根据自己朴素的审美意识制造出实用美观的陶器, 日用陶瓷的雏形便是如此诞生 (图1) 。随着生活方式的演变, 陶器从最初的存贮器皿, 发展到不同样式的餐饮器具、祭祀物品等, 材质也由原始素陶发展为精陶。现在很难去评判陶器最早出现于哪个文明古国, 但是中国最早进入瓷器时代是无可厚非的。距今3000多年的商代便出现了原始青瓷, 到东汉晚期瓷制品趋向成熟, 至宋代, 瓷业更是得到空前发展, 瓷质器皿取代陶器在日常生活中占主要地位 (图2) 。现代社会, 日用陶瓷设计呈现出多样性, 材料的开发与运用方面也受此影响。正如丹麦设计师克林特所说:“运用适当的技艺去处理适当的材料, 才能真正解决人类的需要, 并获得率直和美的效果”。

材料的运用在日用陶瓷设计中, 不管是陶瓷材料自身还是非陶瓷材料的应用都不断的在创新, 从早期传统陶瓷到特殊陶瓷材料的应用。特殊陶瓷材料拥有的物理、化学和生物等方面的材料特性以及其应用范围都远远超越了传统陶瓷。诸如纳米陶瓷、金属陶瓷等新型陶瓷材料的创新增加了陶瓷材料的延展性并极大地提高了日用陶瓷的性能 (图3) 。

在社会的发展进程中, 随着人们生活方式的改变, 单一的材料应用在产品的设计过程中, 已经不能满足产品的多样化设计风格和内容。日用陶瓷设计也不例外, 综合材料的运用带来了更为广阔的日用陶瓷的设计空间, 同时也逐渐成为时代的潮流和趋势。随着人们对日用陶瓷设计中材料运用范围的不断扩大, 非陶瓷材料越来越多地被用在日用陶瓷设计中。金属、竹材、玻璃等非陶瓷材料在日用陶瓷产品中的应用, 完善了日用陶瓷产品中所缺乏的视觉感受, 使其实用功能和审美价值得到优化和提升。Sputnik设计工作室设计的陶瓷器皿 (图4) , 结合了陶瓷与木材两种不同质感的材料, 给日常用品带来了新的视觉感受。

三、日用陶瓷设计观念的演变与发展

一般来说“设计观念即设计观, 是人类进行设计活动的指导思想”。在人类悠久的历史进程中, 日用陶瓷不断发展与创新的设计观念直接反映在我们的生活之中, 在它的引导下, 留下了大量经过历史洗涤散发出璀璨光芒的日用陶瓷作品。陶瓷产品的设计活动可以追溯至原始石器时代, 在水、火、土的交融之中, 它引发人类无穷的想象与灵感。随着时间的淘洗, 日用陶瓷产品呈现出的形式以及文化内涵, 真切地反映出日用陶瓷的文化史也是人类文明的演进史。从人类最原始的设计观念——为了满足汲水、贮物、烹饪和其他不同的生存需要, 设计和制造出具有相应的功能的陶器器皿, 到如今形式和功能多样化的工业制成品, 都是人类设计观念直观的反映。当然, 人类的设计观念是从初级到高级, 单纯到繁复, 不断创造与发展过程的综合。

设计观念的变更与发展对日用陶瓷有着深刻的影响。日用陶瓷产品每一种新形式的出现都是其设计观念改变、发展的呈现。19世纪末期, “工艺美术运动”主张师承自然, 追求自然清新的装饰风格深刻影响着日用陶瓷产品的设计观念, 这一时期的设计重点在于创作出精美、典雅的日用陶瓷。Paul Revere陶瓷花瓶、陶瓷碗 (图5) , 是美国20世纪早期的陶瓷器皿, 具有典型的工艺美术运动特征。

20世纪20年代, 包豪斯学院成立, 它注重产品功能与理性的设计观念对现代设计的发展有着深刻的影响。功能至上的设计观念, 经过大量的实践, 其影响遍及世界各地, 对各类设计及设计理念都有决定性的作用。日用陶瓷的设计观念也深受其影响, 过去日用陶瓷设计所注重的精致装饰的设计观念受到质疑与批判, 设计观念走上了功能大于形式的轨道。Marguerite Friedlaender所设计的茶壶正是这时期日用陶瓷的代表作品之一 (图6) 。

富足的物质生活, 使人们的消费观念也随之变化, 日用陶瓷产品千篇一律简单的几何形态已经难以满足大众日益增长的多样化需求。人们对日用陶瓷的要求不仅是要有良好的使用功能, 而且还具有新颖优雅的外观形式。如此境况下, 衍生出日用陶瓷产品功能与形式并重的设计观念。科拉尼1974年为罗森塔尔公司设计的茶具 (图7) , 突破了先前单一的几何形态, 通过顺畅的流线形态增加产品的趣味性, 而且此套茶具具有明显的空气动力学和仿生学特点。20世纪四五十年代, 第三次科学技术革命兴起, 受此影响, 人们的生活发生翻天覆地的变化, 日用陶瓷产品的设计观念的内涵也越来越丰富, 除了美观实用之外对日用陶瓷产品的诉求还蕴含了多元精神文化因素的人性化需求。因此形成功能与形式人性化的设计观念。特雷西.威尔金森设计的陶瓷花盆 (图8) , 陶瓷与藤的结合, 满足实用与审美的同时, 还散发出淡淡的自然气息, 满足了人们向往自然的情感需求, 增加了产品和人之间的互动。总之, 从满足生存需求的原始陶器到现在赏用结合的人性化日用陶瓷产品可以看出, 日用陶瓷的设计观念经历了由最先的功能到形式再到人的这样一个演变过程。它们之间没有明显的时间或是层次的界限, 是一个逐步发展、逐步递进的过程。

四、新的设计观念对日用陶瓷材料的重新审视

设计观念是人类设计活动的指导思想。随着生活品质的提高, 人们对日用陶瓷产品有了更多的要求, 除实用功能之外还有心理的、精神的需求。日用陶瓷设计观念由实用美观原则演变为人性化设计。日用陶瓷设计观念的发展, 使设计形式趋于多样化, 设计创作中单一材料的运用已经不能满足日趋多样化的现代日用陶瓷产品的表现方式及内容。在日用陶瓷设计中, 设计师应该了解和掌握材料特性, 时刻关注新技术、新材料的发展趋势, 使用适当的技术处理相应的材料, 使材料各自的特性得到最大发挥, 将所应用的材料呈现出最完美的结合, 让人们体会到一种自然、亲切的全新感受。比利时Fou de Feu设计工作室设计的一系列陶瓷器皿 (图9) , 灵感来源于旧式的工业化工厂, 并将陶瓷与枫木两种材料完美结合, 丰富产品表现力的同时, 也使得产品与人更为亲近。

随着时代的进步, 生活品质的提升, 单纯的功能主义或形式主义已经不能满足人们对日用陶瓷产品的需求, 日用陶瓷产品需要达到人性化的功能与艺术化的形式以及高技术与高情感的完美结合。Pia Wustenberg设计的“Stacking Vessel”系列花瓶 (图10) , 木质、玻璃、陶瓷三种不同材料的结合运用, 呈现出有别于以往花瓶的视觉感受, 更是功能与形式、技术与情感完美融合的直观表达。人们需求内涵的不断拓展, 单一的陶瓷材料很难满足日趋复合化的日用陶瓷产品的表现内容, 综合材料的运用已经成为一种突破现有框架的设计方式。日用陶瓷产品中虽然陶瓷材料在占主导地位, 但是仍然有结合其他材料进一步拓展的创作空间, 使得日用陶瓷产品富有时代气息的同时, 更加符合人的精神和物质需求。材料科学的快速发展, 大量新型材料被开发出来, 如有机玻璃、复合金属材料等, 为日用陶瓷设计中材料的使用提供了更多的选择, 通过材料的综合运用, 衬托了陶瓷材料的自然特性, 形成不同的质感, 使日用陶瓷产品打破单一的形式, 带来丰富的视觉和触觉享受。

参考文献

[1]朱铭.设计—科学与艺术的结晶[M].山东美术出版社, 1989.

[2]汤重熹.新设计对传统陶瓷设计观念的冲击[J].中国陶瓷工业, 2002 (2) .

[3]王建梅.日用陶瓷设计中材质的创新运用与感觉特性[J].佛山陶瓷, 2009 (7) .

陶瓷大师和推广陶瓷文化的人 篇11

1979年,李广福开始了他的瓷器生意。因为在他的经营生涯中有几次震惊业内的经历,所以得了个来福的名号。

2006年,做了20多年古瓷器经营的来福,放弃了原来的老营生,开始在友谊商店经营日用瓷器。在他经营的瓷器中,一些仿古瓷器和名人瓷也摆在了显要位置。他说 “要说当代名人瓷,属于真正的名人名作,不要说在北京好卖,就是在当地景德镇,价钱都高得不得了,现在是很吃香的。”卖古瓷器见长的来福,为什么调转船头做起了现代瓷器呢?“现代的瓷器嘛,比老的东西好经营,因为它产地比较多,东西也比较全也比较丰富,你要专门一股脑儿要经营纯粹文物的话,这一方面现在东西越来越少了,有时候根本就买不到。”

来福经营的现代名人瓷,大都来自景德镇。我国陶瓷方面的大师,有三分之二云集在景德镇这个5000多平方公里的地方。这些大师仍站在世界级陶瓷制造金字塔的塔尖。

刘远长,就是这些大师中的一位,他曾经是景德镇十大瓷厂之一的厂长。“我现在做的东西,分三个层次。一种是孤品,就做这么几件,而且是自己亲手做;还有一种是编号、限量的作品。”

年近古稀的刘远长,以做瓷雕塑见长。在上个世纪80年代,他的作品哈哈罗汉就曾在香港、日本、葡萄牙等市场热销。他道出了大师作品价格高的原因。“我真正自己感觉到有点分量的作品,一年做不了几件,只有七八件的样子,并不容易做。有的要几个月才能做成一件。”

除了创作难,大师作品数量有限也造就了今天的高价。“因为一句话‘物以稀为贵’,孤品就是孤品的价格,你做100个的是100个的价格,你做50个的是50个的价格,价格跟数量是成反比。”

另一位国家级工艺美术大师——景德镇市陶瓷研究所所长赖德全则认为,大师级作品得到市场认可,还有一个原因,就是鲜明的个人风格。“我要考虑我的东西要从哪方面去发展,直到形成各种具有个人风格、个性化的艺术陶瓷。”

赖德全是中国工艺美术大师,自幼生长在景德镇的陶瓷世家。他的外祖父是景德镇陶瓷学院第一任教授。赖德全从事陶瓷艺术30多年,其作品多次被送到国外参加个展和联展。他开发的珍珠彩瓷器作品,彰显的个性也得到了广泛的认可。这也给他所在的陶瓷研究所带来了可观的效益。“我到市所的时候,市陶研所是一个没有资产的所,账上都没有钱。这两年交税,税收都达到100多万,4个人达到100多万税收。”

朱乐耕

1997年朱乐耕在北京中国美术馆举办个人陶艺展,韩国亚洲美术馆馆长及麦粒财团负责人洪正吉很偶然地看到了朱乐耕的作品,一下子被那种极具现代感的肌理效果和形式感所震动,展览没结束就提出买断所有展品的意向。但后来突遇亚洲金融风暴,他们一时拿出不出资金,就再三恳求朱乐耕将作品保存好。过了两年财团缓过劲来,马上把朱的作品运到韩国。

2000年,韩国麦粒财团委托朱乐耕为他们的麦粒别馆(音乐厅、美术馆)做陶瓷建筑壁画及墙面装饰,朱乐耕觉得这是一次如何处理建筑与陶艺以及陶艺与音响关系的尝试。而且以高温陶瓷来作为室内装饰,在亚洲还是第一次,而用于音乐厅,则是世界第一。朱乐耕花时整整3年,在景德镇完成了设计、烧制,然后运到韩国安装。他使用的材质准确把握住了火与土的语言,将材料与墙面融于一体,充满生机。而且经过反复测试和世界一流艺术团体的演出,音量能有效反射,达到了高保真的要求。一般较好的音乐厅回音是1.2秒,但麦粒音乐大厅能做到1.7秒。这一测试结果在国际音响界引起了极大反响,并向世界证明了:陶瓷是最好的反射材料。

后来馆方将原先的美国音响板换下来,请朱乐耕完成音乐厅舞台与后墙陶艺板的安装,他按照韩国音响专家的音响理论做成系列的立体构图的陶艺扩散体,设计每块陶瓷板材重量约30公斤,烧制及安装难度极大,但他又成功了。别馆落成典礼那天,韩国还专为他举办了一个个展。

朱乐耕在韩国的作品,其实也是一个跨学科的跨国界学术研究,这是中国陶艺家在国外做的第一个巨型公共艺术群,故而从设计到完成一直为韩国媒体所关注,《朝鲜日报》、《中央日报》、《国民日报》及《人类与建筑》、《陶艺》等专业杂志竞相大幅报道。朱乐耕对记者说:“在未来社会的发展中,跨学科的研究和跨国界的合作将成为趋势,这就需要我们有较多的知识准备和勇于挑战的精神。这也是景德镇陶艺家必备的素质。”

现在,朱乐耕在北京和景德镇两地进行学术活动和创作,他从国外吸收来的最新艺术语汇,不可抵挡地影响了本土陶艺的观念和工艺。

李见深

李见深,另一位走出国门的陶艺家。上世纪90年代移民加拿大,但不久发现靠在景德镇掌握的陶艺技术,在西方的艺术环境中生活非常困难。于是他改变戏路子,给外国人讲授中国文化,把中国的文房用品贩到国外。现在他与景德镇文化局合作,在三宝村搞了一个国际陶艺村,很好地推广了陶瓷文化。

李见深是个聪明人,他以极低的价格买下几幢农舍,保留了原先的木结构的土坯墙,收罗了一些老家具和农具,还有制陶设备,也配了几座窑炉,然后到国外吸引老外到中国旅游。老外来了,几十人一批,不仅可玩一把陶艺,还能通过参观古窑址、博物馆、陶院、私人作坊等真切感受景德镇的陶瓷文化。

他说:“我觉得应当有计划地保留景德镇的完整的文化的体系,和相关的生活的方式、民俗、建筑、风貌,这都是可以为景德镇创造巨大财富的。甚至是一本万利的。所以景德镇必须是惟一的。景德镇的惟一,不是说就是瓷器。瓷器只是一个最终的结果。瓷器和景德镇这个背景的关系,才是别人世界上最关注的。因为我拿到瓷器,我一定要看看这个做瓷器地方是什么样的,这个地方一定要跟我所有知道的东西都不一样的,我觉得景德镇就有价值了。”

没看到李见深的作品前,很容易把他和陶艺旅游联系起来。看到被他自称为新官窑概念的作品时,对他又有了新的认识。“瓷器的这种精美是它的本质。制作瓷器的材料,官窑中的这种精益求精的这种方式,是它的一种千古不化的一种经典。那么我说我想在延续这个经典我做什么,我怎么做?我是在做一个减法。我觉得我们需要更多类似这种创造性的想法。”

陶瓷复合材料 篇12

纳米陶瓷刀具材料以其更好的韧性和耐磨性, 从上世纪开始国内外已陆续开发出几十种。纳米改性之后, 陶瓷材料的强度提高、韧性增加, 纳米陶瓷刀具的切削性能也明显增强。其中的氧化铝基纳米复合陶瓷刀具材料, 因硬度高、耐高温、抗粘结成为应用较广泛、发展潜力最大的一种。本文根据自身研究经验和相关文献的学习, 对氧化铝基纳米复合陶瓷刀具材料的制备基础知识作简单的介绍。

以纳米碳化钛复合微米氧化铝陶瓷材料为例, 制备材料的基本工作内容如下:

1组分的确定及纳米复合粉料的制备

氧化铝基纳米复合陶瓷刀具材料的组分需要遵照相应的设计原则[1]进行选择, 即物理性能须匹配、化学性能须相符、原料粉体须最细、添加相含量须最优、晶粒生长有差异等几大原则。按照以上原则确定了材料体系之后, 就要把各组分进行粉料处理, 将添加相进行均匀地分散, 最终将纳米添加相均匀地分散到氧化铝基体中。

其中的粉末处理工艺的选取是否合理对复合材料性能的影响很大, 在把纳米级的颗粒在微米级的氧化铝基体中分散, 然后烧结后进入基体颗粒内部呈内晶型结构的过程中, 粉末处理工艺的选取合理的标志是应当实现纳米颗粒均匀地单分散在基体中。当前, 纳米复合材料制备方法主要有:机械混合法、原位生成法、液相分散包裹法、复合粉料法等[1]。氧化铝基纳米复合粉料制备的主要步骤如图1所示[2]。

2试样的烧结

烧结过程, 是在特定的条件下使制备的复合粉料受热而发生物理和化学变化, 从而改善复合粉料的微观结构、快速提高其力学性能, 常用的工艺是真空热压烧结工艺。另外, 还有快速无压烧结、微波烧结、等离子活化烧结、振动压制烧结、热等静压烧结等等。在这个阶段须研究影响材料性能的烧结温度、升降温速度、保温时间、压力和烧结气氛等这几大参数的合理配置, 需要通过实验确定。这几大参数都能直接影响到所研制材料的性能, 比如烧结压力影响材料的致密度从而影响材料的力学性能、烧结温度影响晶粒长大、升降温速度影响相变作用等。

3试样制备

烧结工艺之后, 需要制备试样再进行下一步的研究工作。所用的设备通常有全自动内圆切片机、工具磨床、抛光机、超声清洗器和真空干燥箱。制作试样的工作环节见图2。

4性能测试

烧结后的试样, 在正式制作实验用刀具前, 需进行相关的性能测试, 以确保符合设计要求。需要进行的性能测试通常包括抗弯强度 (可采用电子万能材料试验机) 、硬度 (可采用维氏硬度计、光学显微镜) 、断裂韧性 (比如显微压痕法) 等几个方面。

5微观结构分析

内容包括:①把试样表面磨、抛, 并在超声波中清洗, 然后在显微镜下观察表面的显微组织及添加相的大小分布及结构形态, 并研究添加相对材料的显微组织的影响。②清洗、干燥、喷金后在环境扫描电镜下, 扫描试样的化学成分及各自含量, 研究断口形貌, 压痕裂纹的扩展形貌。如图3。

纳米陶瓷刀具性能优异, 规模生产之后会大大推进高速切削的发展。本文就氧化铝基纳米复合陶瓷刀具材料的制备过程抛砖引玉, 与同行共同探讨。

参考文献

[1]袁训亮.Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能[D].山东大学硕士学位论文, 2008.