技术陶瓷因其化学和机械性能，在电子和工程领域受到广泛青睐。与金属相比，它们的抗压强度更高，尤其是在高温下。陶瓷具有良好的热稳定性（即较低的热膨胀系数）以及良好的耐热性和耐电性。它们还具有优异的硬度和尺寸稳定性。

因此，技术陶瓷的应用范围广泛，例如：航空航天发动机叶片、环和阀门组件、工业泵轴承、切削刀具和模具零件、医疗器械，以及在电子工业中作为基板和专用真空组件的广泛用途。

陶瓷-金属键合

在许多应用中，通常需要将陶瓷与金属连接以形成成品部件。

由于两种材料热膨胀系数的固有差异，陶瓷-金属键合是制造商和用户多年来面临的最大挑战之一。钎焊方法多种多样，包括机械紧固件、摩擦焊接和粘合剂粘合，但迄今为止，在陶瓷和金属之间建立密封、牢固连接的最广泛、最有效的方法是钎焊。钎焊首先通过化学键合金属化陶瓷，形成一个可润湿的表面，钎焊过程中钎料合金会在该表面流动。

摩根先进陶瓷公司是一家全球性的金属化陶瓷部件设计和制造商，生产定制部件，应用范围广泛，从特殊项目的小批量高价值部件生产到精密设计的大批量生产。以下是两个示例。

示例 1：独特的工程挑战

ISIS 是一家世界一流的散裂中子源，位于英国牛津郡的 CCLRC 卢瑟福·阿普尔顿实验室。作为其第二靶站 (TS-2) 大型扩建项目的一部分，该公司委托摩根先进陶瓷公司生产一系列高度专业化的金属化陶瓷部件。

这些部件是监测提取质子束 (EPB) 强度的仪器的基本组成部分。第一个靶站使用的陶瓷真空管采用铟丝密封，但经验证明，如果受到干扰，这些管会变得不可靠。金属化陶瓷提供了一种解决方案，可在设计非常严格的公差范围内实现100%可靠的真空密封。

该项目面临两个关键挑战：首先，要设计出一种能够在大型部件（直径200毫米）上实现坚固、高完整性真空密封（泄漏率10-8毫巴·升/秒）的设计和制造工艺；其次，要解决真空管的氧化铝陶瓷与其低碳钢法兰之间的热系数差异问题。由于项目性质，对部件的物理尺寸和清洁度设定了非常严格的规范。

ISIS组件长158毫米，带有两个直径240毫米的镀镍低碳钢法兰，法兰之间通过预制金刚石磨削氧化铝陶瓷绝缘体相互绝缘。为确保组件的气密性，陶瓷在 850°C 的氢氮炉中钎焊到两个镍铁钴钢法兰上。之所以选择镍铁钴钢，是因为它与陶瓷的热膨胀性能最佳匹配。该工艺通过涂覆钼锰涂层（烧结温度为 1,400°C）来实现，然后再电镀一层镍。之后，将陶瓷/金属钎焊组件焊接到带有不锈钢接口的低碳钢法兰上，并加工至最终尺寸。

ISIS 的订单包含 13 个组件，预计于 2006 年底交付。与此类项目通常的情况一样，项目既没有时间也没有预算来制作原型以改进工艺，因此项目依赖于专家团队的经验和专业知识，确保一次性完成。问题一出现就能得到解决，所有组件都已交付。

示例 2：精度与一致性

摩根先进陶瓷公司 (Morgan Advanced Ceramics) 为另一位客户制造金属化陶瓷元件，用于连续波和脉冲雷达系统（例如战斗机雷达系统）中使用的真空电子设备。

该公司面临的挑战是如何突破材料的性能极限，以满足行业对更高频率的需求。这意味着需要更小的元件拥有与更大尺寸元件相同的物理特性，并且需要极高的精度工程和严密的质量控制，以确保整个生产过程中的一致性。

例如，以这种方式制造的最小部件是一个内径仅为 0.2 英寸的圆柱体。内表面金属化厚度公差非常严格，在 0.007 英寸到 0.0012 英寸之间。所采用的金属化工艺基于公司内部开发的钼锰 (MoMn) 耐火油墨系统。由摩根先进陶瓷公司 (Morgan Advanced Ceramics) 制造，与特定的高纯度氧化铝陶瓷体相匹配，以确保始终如一的高强度键合。MoMn 金属化层中的玻璃相与陶瓷中的玻璃相结合形成键合。金属化表面会再镀一层镍，以密封并改善润湿性，以便后续钎焊。

先进陶瓷正在满足各种应用中对更高性能关键部件的需求。通过深入了解陶瓷-金属键合技术（例如金属化工艺），设计师和制造商能够更好地设计这些关键部件。

陶瓷涵盖的材料种类繁多，几乎不可能给出一个简洁的定义。然而，陶瓷的一个可行的定义是：耐火、无机、非金属材料。陶瓷可分为两类：传统陶瓷和先进陶瓷。

传统陶瓷 包括粘土制品、硅酸盐玻璃和水泥。先进陶瓷 包括碳化物（SiC）、纯氧化物（Al2O3）、氮化物（Si3N4）、非硅酸盐玻璃以及许多其他材料。

一般来说，先进陶瓷具有以下固有特性：

• 坚硬（耐磨）
• 抗塑性变形
• 耐高温
• 良好的耐腐蚀性
• 低热导率
• 低电导率

然而，有些陶瓷表现出高热导率和/或高电导率。

这些特性的结合意味着陶瓷可以实现：

• 低密度、高耐磨性
• 腐蚀环境下的耐磨性
• 高温下的耐腐蚀性

与其他材料相比，陶瓷具有许多优势。它们比钢更坚硬、更刚硬；比金属或聚合物更耐热、更耐腐蚀；比大多数金属及其合金密度更低；而且其原材料丰富且价格低廉。陶瓷材料具有多种特性，使其能够应用于许多不同的产品领域。

• 航空航天：航天飞机隔热板、隔热层、高温玻璃窗、燃料电池
• 消费品：玻璃器皿、窗户、陶器、康宁餐具、磁铁、餐具、瓷砖、镜片、家用电子产品、微波传感器
• 汽车：催化转化器、陶瓷过滤器、安全气囊传感器、陶瓷转子、阀门、火花塞、压力传感器、热敏电阻、振动传感器、氧气传感器、安全玻璃挡风玻璃、活塞环
• 医疗（生物陶瓷）：骨科关节置换、假体、牙齿修复、骨植入物
• 军事：地面、空中和海军车辆的结构部件、导弹、传感器
• 计算机：绝缘体、电阻器、超导体、电容器、铁电元件、微电子封装
• 其他行业：砖块、水泥、膜和过滤器、实验室设备
• 通信：光纤/激光通信、电视和无线电组件、麦克风

研究与市场 (Research and Markets) 杂志已将一本名为《陶瓷与复合材料加工方法》的新书纳入其目录。

John Wiley and Sons 出版的这本新书分析了陶瓷及其复合材料的最新制造和加工技术。先进陶瓷材料在航空航天、医疗卫生、通信、环境保护与修复、能源和交通运输等众多领域都具有广阔的应用潜力。

本书详细分析了陶瓷和复合材料的主要加工方法，帮助制造商选择合适的加工技术，生产出满足不同工业应用所需性能的陶瓷产品和部件。

本书由国际知名的陶瓷专家撰写，探讨了传统制造方法以及为满足日益增长的高可靠性陶瓷材料需求而开发的最新和新兴技术。本书将陶瓷和复合材料的加工技术分为致密化、化学方法和物理方法三个部分。

“致密化”部分涵盖了烧结、粘相硅酸盐加工和脉冲电流烧结的基础知识和工艺流程。 “化学方法”部分分析了燃烧合成、反应熔体渗透、化学气相渗透、化学气相沉积、聚合物加工、凝胶浇铸、溶胶-凝胶和胶体技术。“物理方法”部分讨论了等离子喷涂、电泳沉积、微波加工、固体自由成型和定向凝固等技术。

每章都详细分析了一种特定的加工方法。这些章节共同为读者提供了关于用于制造和加工尖端陶瓷和陶瓷复合材料的不同方法、技术和途径的广泛而先进的科学数据。本书对材料科学、陶瓷、纳米技术、生物医学工程和结构材料专业的学生和科学家非常有用。

目前，Innovacera 的氧化铝陶瓷材料包括高纯和普通两种类型。

高纯氧化铝陶瓷系列是指 Al2O3 含量超过 99.9% 的陶瓷材料。由于其烧结温度高达1650-1990℃，透射波长为1~6μm，通常被制成熔融玻璃来替代铂坩埚；由于其良好的透光性和耐碱金属腐蚀性，可用作HID应用的钠管；在电子工业中，可用作集成电路陶瓷基板和高频绝缘材料。

根据Al2O3含量的不同，普通型氧化铝陶瓷系列又分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等。Al2O3含量为80%或75%的陶瓷也归为普通型氧化铝陶瓷系列。Innovacera生产的氧化铝陶瓷均为92%以上的氧化铝陶瓷。

其中，99氧化铝陶瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管以及陶瓷轴承、陶瓷密封件、阀片等特种耐磨材料。

95氧化铝陶瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件。

85陶瓷中常掺入滑石，以提高电气性能和机械强度。

可与钼、铌、钽等金属进行封接，部分用于电真空器件。

点火需要火花，有时这并不容易，任何尝试点燃过绿的圣诞柴的人都可以证明这一点。热核反应也需要点燃，这绝对不容易。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室一直在研究这个问题，并在其基于激光的“快速点火”方法方面取得了重大进展，该方法用于点燃压缩氢同位素燃料芯块中的热核反应。传统方法被称为“中心热点”，需要在内爆过程中同时压缩和点燃球形燃料芯块。相比之下，FI 方法将内爆的压缩和点火阶段分开，这具有诸多优势，例如允许燃料芯块尺寸灵活变化，并且点火所需的质量更小（从而减少能量输入，增加能量增益）。如果 FI 的优势能够实现，那么最终开发惯性聚变能发电厂应该会更加容易。此外，能够在受控环境下研究此类反应的能力，可以消除地下核武器试验的需要，并使科学家能够研究恒星和行星核心特有的物理和化学特性。

FI 本身是一项复杂的技术，它需要同步 192 束激光的输出，从而向燃料芯块输送大量能量。今年 5 月，《自然光子学》杂志报道称，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 于 3 月成功演示了这项技术，同时发射了 192 束激光，并在 230 亿分之一秒内输送了 1.875 兆焦耳的能量。据 optics.org 的一篇报道，LLNL 随后于 7 月成功进行了复射，使基于激光的聚变可能性“完成了 75%”。

然而，也存在一些实际问题。根据 LLNL 网站的信息，192 束激光阵列只能每隔几个小时发射一次；在两次发射之间，数千个光学元件需要时间冷却到足以承受下一轮发射。因此，除了这项技术之外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 正在一个名为“水星”的项目中开发单光束激光系统。水星项目的科学家已经找到了一种冷却光学元件的方法，从而实现激光的频繁发射。水星技术利用来自二极管激光器（类似于商用 CD 读写播放器中使用的激光器）的光线，当光线穿过镱-锶-氟磷灰石 (Yb:S-FAP) 单晶增益介质时，光线会被放大。阿尔弗雷德大学助理教授吴义全 (Yiquan Wu) 表示，虽然 Yb:S-FAP 是高效、高功率激光应用领域最有前景的材料之一，但其难以生长成大型单晶。

吴义全获得了空军科学研究办公室青年研究员奖的资助，正在研究各向异性、多晶、透明的掺镱锶氟磷灰石的合成和特性，这种材料目前也用作单晶。 （水星网站称，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 也在研究透明陶瓷放大器介质，但并未提及其成分。）

吴在一封电子邮件中评论道：“如果能够通过先进的陶瓷工艺成功开发出多晶六方 Yb:S-FAP 透明陶瓷，就有可能制造出具有目前柴氏法工艺无法实现的光学特性的大尺寸激光增益介质。” 用于此类先进激光应用的增益介质横截面积为 10-40 cm²。

吴认为，激光陶瓷之所以具有吸引力，是因为它们比单晶材料更耐用，制造效率更高，也就是说，它们可以更快地成型，产量更高，同时采用经济高效的制造方法。他还指出，陶瓷材料还具有现有激光器无法实现的设计潜力。 “激光陶瓷可以制备高浓度激光活性离子的均质固溶体，以及结构复杂的复合激光介质。开发用于制造任意几何形状和可变掺杂剂的激光陶瓷的加工技术，将能够定制陶瓷激光器的光学和物理特性，从而为设计具有新特性和功能的激光器提供机会。”他报告说。

他的团队正在利用湿化学工艺和先进的陶瓷加工方法来合成透明陶瓷。吴教授表示：“生长合适尺寸的单晶需要数月时间，而制造这些透明陶瓷只需数小时。”

上图展示了该团队在合成透明Yb:S-FAP方面取得的进展。重点是理解控制材料质量的基本机制，这些机制可以应用于更广泛的各向异性透明陶瓷。为此，该团队也在研究其他成分，例如Y3Al5O12、ZnS、Lu2O3、CaF2和Y2O3。

吴将分享更多关于他与 Yb:S-FAP 合作的工作，其他透明激光陶瓷，载于《The Bulletin》2013 年 3 月刊。

氮化硅 (Si3N4) 陶瓷点火器相比陶瓷加热器具有显著优势，主要体现在耐高温、快速升温能力强以及热稳定性方面，使其在众多高温应用场景中广受欢迎。今天，我们将主要介绍氮化硅点火器的特性、常见应用场景、优势及注意事项。

1. 核心特性

1) 耐高温

2) 氮化硅陶瓷点火器可在极短时间内（2-10 秒）升温至 1000-1400°C，并可在 1200-1400°C 的高温环境下长期稳定工作。这一特性使其适用于需要快速启动并维持高温均匀分布的场合，例如工业窑炉、燃烧器、模具加热等。

3) 热表面稳定性

4) 加热元件采用钨丝嵌入或丝网印刷技术封装在致密的氮化硅陶瓷基体中，形成宽阔的导热表面，能够均匀传热。例如，在模具加热或 3D 玻璃成型中，导热表面可实现局部或整体的均匀温度分布。

5) 抗热震性和抗氧化性

6) 氮化硅陶瓷具有优异的热震稳定性，能够承受快速冷热循环。表面形成的氧化保护膜可以防止高温氧化，延长使用寿命。这对于需要频繁启停或温度波动的热分配器至关重要。
性能数据如下：

1. 具体应用场景

1). 工业窑炉和燃烧器

2). 氮化硅点火器广泛应用于燃气炉、窑炉等设备，通过快速点火和稳定的热表面确保燃烧室内温度分布均匀。例如，FKK的产品可直接用于温度范围为1100-1400°C的燃气燃烧器。

3). 模具加热系统

4). 在3D玻璃成型和镜片制造等工艺中，氮化硅点火器通过局部高温加热模具，结合其导热特性，实现精确的温度控制，避免因热量分布不均而导致的变形或缺陷。

5). 燃气设备的热管理

6).如燃气灶、烤箱、热水器等，点火器高温表面直接接触可燃气体，通过热传导实现快速点火。同时，其宽热面设计可优化燃烧效率，减少局部过热或过冷区域。

7).新能源环保设备

8).在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，氮化硅点火器用于预热和启动阶段的温度控制；在生物质锅炉和废气处理系统中，其快速升温能力可提高热量分配效率，减少污染物排放。

3. 技术优势及设计要点

1). 功率和电压灵活性

2). 产品功率范围覆盖10W至1000W，支持4V至240V电压，并可根据散热需求定制加热电路形状和功率密度。例如，INNOVACERA 的 DG 系列（220-230V，400-1000W）适用于大型锅炉的分布式加热。

3).结构优化
封装设计：采用高纯度氧化铝陶瓷基座和金属套管，确保电气绝缘和机械强度。

散热保护：设置温度缓冲器和绝缘封装，防止端子过热（封装末端温度需<400°C）。

4).环境适应性强

5).无电磁干扰、耐油、防潮等特性使其适用于复杂的工业环境，例如石油化工行业的高温、腐蚀性介质加热。

4.使用注意事项

1).安装与气流设计

-燃气流量需根据型号匹配，避免流量过低（表面温度≤1200°C）造成局部过热。

-气流通道应确保与点火器充分接触，并预留散热空间。

2).操作限制

-严禁骤冷骤热或液体溅入，防止陶瓷破裂。

-点火成功后，必须及时关闭电源，避免持续高温损坏元器件。

综上所述，氮化硅陶瓷点火器凭借其耐高温性能、热稳定性和灵活的设计，已成为热分配器应用中的关键部件，尤其是在需要快速响应和均匀加热的工业场景中。未来，随着材料技术的进步（例如氮化硅和二硅化钼复合材料的开发），其应用范围将进一步扩展到更严格的热管理领域。
欲了解更多信息，请联系 sales@innovacera.com

先进的陶瓷复合材料能够承受高超音速喷气发动机和下一代燃气涡轮发动机预期的超高工作温度，但实时分析这些太空时代材料在超高温下的机械性能一直是一项挑战——直到现在。美国能源部 (DOE) 劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员开发了首个能够在超高温下实时控制负载条件下对陶瓷复合材料进行 CT 扫描的测试设备。

科学家们利用伯克利实验室的先进光源 (ALS)（X 射线和紫外光束的主要来源）研制了一套机械测试装置，用于进行 X 射线计算机显微断层扫描，该装置能够揭示在高达 1750 摄氏度的温度下负载下微裂纹损伤的扩展情况。这使工程师能够计算陶瓷复合材料在极端工作条件下发生结构或机械故障的风险，从而提高材料的性能和安全性。

“我们的原位超高温拉伸试验台与ALS 8.3.2光束线的X射线相结合，使我们能够在前所未有的温度下测量先进陶瓷材料的力学性能，”领导这项研究的伯克利实验室材料科学家Robert Ritchie说道。“这些测量结果，加上精美的3D图像和负载下损伤的定量数据，可以提供关键信息，从而准确预测陶瓷复合材料的结构完整性和安全寿命。”

Ritchie同时在伯克利实验室材料科学部和加州大学伯克利分校材料科学与工程系任职，他是这项研究的论文的通讯作者，该论文发表在《自然材料》杂志上。该论文的标题为“1600℃以上负载下材料失效事件的实时定量成像”。该论文的共同作者包括 Hrishikesh Bale、Abdel Haboub、Alastair MacDowell、James Nasiatka、Dilworth Parkinson、Brian Cox 和 David Marshall。

数千年来，粘土制成的陶瓷一直被用作建筑材料，并以其耐水、耐化学品、耐氧化以及最重要的耐热性而闻名。陶瓷可以承受足以熔化大多数金属的温度。然而，传统陶瓷也存在一个严重的缺陷——脆性。如今用于极端结构应用的先进陶瓷强度更高、韧性更强。它们采用陶瓷纤维增强，形成复合材料，其结构可模仿骨骼和贝壳等天然材料。由陶瓷复合材料制成的喷气式或涡轮燃气发动机的重量将远低于当今的发动机，并且可在更高的温度下运行。这意味着更高的燃油效率和更少的污染。

尽管陶瓷复合材料远比其粘土祖先更不易断裂，但其复杂的微观结构中仍可能形成并扩展微小裂纹，从而造成潜在的灾难性问题。

“与骨骼和贝壳一样，陶瓷复合材料通过其复杂性实现了坚固性，其多层次的混合微观结构阻碍了局部损伤的扩展，并防止了脆性材料特有的大型致命裂纹，”Ritchie 说道。“然而，成分的复杂性也带来了安全使用的复杂性。对于超高温应用中的陶瓷复合材料，尤其是在必须将环境中的腐蚀性物质排除在材料之外的情况下，即使是微米级的相对较小的裂纹也是不可接受的。”

伯克利实验室先进光源8.3.2光束线正在使用的同步加速器X射线计算机显微断层扫描原位超高温拉伸试验台示意图。

Ritchie 表示，陶瓷复合材料的定制微观结构究竟如何抑制微裂纹，是寻求最佳成分或结构的材料科学家以及必须预测失效范围的设计工程师所面临的核心问题。回答这个问题的唯一可靠方法是通过在超高温下进行的测量。

ALS Beamline 8.3.2 由 6 特斯拉超导弯曲磁体驱动，专为 X 射线计算机显微断层扫描而设计，该技术能够以约 1 微米的分辨率对固体物体进行无损 3D 成像。借助其独特的拉伸试验台，Ritchie 和他的同事可以在惰性或氧化气氛中维持原位超高温环境，同时获取样品微观结构的实时 3D 图像。在发表于《自然材料》杂志的论文中，Ritchie 和他的合著者描述了如何获取由……制成的陶瓷复合材料样品的微观结构 3D 图像。以足够的分辨率对碳化硅进行扫描，以观察微裂纹的形成和其他形式的内部损伤随载荷的变化。

“我们的测试结果提供了有关陶瓷复合材料潜在失效机制的重要信息，可用于优化其性能，”Ritchie 说道。

“通过直接、实时、非侵入式的实验观察来验证虚拟测试模型的能力，应该能够极大地增进我们的理解，并有助于促进陶瓷复合材料的技术创新。”

美国材料与试验协会 (ASTM) 将陶瓷定义为“一种具有晶体或部分晶体结构，或玻璃质的釉质或无釉质制品，该物质主要由无机非金属物质制成，要么由熔融物冷却凝固而成，要么在加热的同时或之后成型并熟化。”

“陶瓷”一词源于希腊语 κεραμικός (keramikos)，意为由热作用形成的无机非金属材料。直到上世纪中叶，最常见的陶瓷材料是传统的粘土、砖块、瓷砖、水泥和玻璃。许多陶瓷材料坚硬、多孔且易碎。近几十年来，先进陶瓷的研究和开发致力于缓解由这些特性引起的问题。摩根技术陶瓷公司在这一发展过程中发挥了重要作用，如今拥有氧化物、氮化物和碳化物陶瓷产品组合，并通过应用工程提升其关键性能，使这些材料能够广泛应用于：

高温环境
极寒（低温）环境
高腐蚀性环境
高压环境
高真空环境
高频应用
气密密封应用

以下先进陶瓷原材料：

氧化铝 (Al2O3)
氮化铝 (AlN)
硅酸铝
碳化硼 (B4C)
氮化硼 (BN)
化学气相沉积 (CVD) 碳化硅
熔融石英
可加工玻璃陶瓷
氧化镁 (MgO)
热解氮化硼 (PBN)
碳化硅 (SiC)
氮化硅 (Si3N4)
滑石
氧化锆(TZP)
氧化锆增韧氧化铝 (ZTA)

背景

陶瓷和材料领域以及相关材料技术的持续发展正在加速，每一项新技术的进步都为知识库提供了更多数据。随着新材料和新技术的不断涌现，需要设计出新的处理、成型和精加工方法，以跟上这种快速的发展速度。这种快速且加速的技术发展最突出的例子之一是电子行业，更具体地说是简单的晶体管。电子行业以及相关材料和加工技术的发展速度令人惊叹。推动这一发展的动力是微型化，以及在最小的空间内实现最高的性能。最近，一封电子邮件引用了这样的话：“如果汽车行业能够像计算机行业一样发展，那么我们驾驶的汽车每升汽油可以行驶一千公里，售价仅为25美元。” 简单晶体管的概念是20世纪最重要的电子工程成就之一。

二十世纪陶瓷技术的进步

自人类拥有概念思维以来，二十世纪是陶瓷和材料技术取得最大进步的世纪。这一时期，冶金学的广泛发展几乎带来了所有可以想象到的金属合金组合，这些合金的性能也得到了充分的了解和开发。如今，人们仍在不断追求更快、更高效、更低成本的生产技术。随着金属基体系极限的不断突破，为了跟上技术进步的步伐，我们需要能够在更高温度、更高速度下运行、更长寿命和更低维护成本的新材料。金属凭借其独特的性能：延展性好、抗拉强度高、储量丰富、化学性质简单、生产成本相对较低、易于成型和连接等，在材料发展方面占据了先锋地位。相比之下，陶瓷：性质脆，化学性质更复杂，生产需要先进的加工技术和设备，但与其他材料（例如可用作支撑结构的金属和聚合物）结合时，性能最佳。这种结合使得大型形状得以制造；航天飞机是先进材料应用的典型案例，也是先进材料性能的绝佳体现。

陶瓷技术的最新进展

直到最近30年左右，随着人们对陶瓷化学、晶体学以及在先进工程陶瓷生产方面获得更广泛知识的进步，这些材料的潜力才得以实现。本世纪的一项重大进展是Ron Garvie等人在墨尔本CSIRO的工作，他们开发了PSZ（部分稳定氧化锆）陶瓷及其相变增韧技术。这一进展改变了人们对陶瓷体系的看法。以前应用于金属的技术现在被认为适用于陶瓷体系。相变、合金化、淬火和回火技术被应用于一系列陶瓷体系。陶瓷的断裂韧性、延展性和抗冲击性得到了显著改善，陶瓷与金属之间的物理性能差距开始缩小。近年来，非氧化物陶瓷和更坚韧的陶瓷（例如氮化物陶瓷）的发展进一步缩小了这一差距。

陶瓷的特性

当今工程应用中的陶瓷可以被视为非传统的。传统陶瓷是指历史悠久且更为人熟知的类型，例如：瓷器、砖块、陶器等。新兴的陶瓷家族被称为先进陶瓷、新型陶瓷或精细陶瓷，它们采用高度精炼的材料和新的成型技术。这些“新型”或“先进”陶瓷用作工程材料时，具有多种优于金属基体系的性能。这些特性使这类新型陶瓷不仅在性能方面，而且在成本效益方面都极具吸引力。这些特性包括高耐磨性、优异的热强度、化学惰性、高加工速度（用作刀具）和尺寸稳定性。

技术陶瓷的分类

技术陶瓷也可分为三大类：

• 氧化物：氧化铝、氧化锆

• 非氧化物：碳化物、硼化物、氮化物、硅化物

• 复合材料：颗粒增强材料，氧化物和非氧化物的组合。

每一种材料都能发展出独特的性能。

氧化物陶瓷

抗氧化、化学惰性、电绝缘、导热性通常较低，氧化铝的制造工艺略微复杂且成本较低，氧化锆的制造工艺更复杂且成本较高。

非氧化物陶瓷

抗氧化性低、硬度极高、化学惰性、导热性和导电性高、制造工艺依赖能源且成本较高。

陶瓷基复合材料

韧性强、抗氧化性高低（取决于材料类型）、导热性和导电性差异大、制造工艺复杂、成本较高。

生产

与以往的传统陶瓷生产相比，技术陶瓷或工程陶瓷的生产要求更高、更复杂。必须采用高纯度材料和精确的生产方法，以确保这些先进材料在最终产品中达到所需的性能。

氧化物陶瓷

高纯度起始材料（粉末）采用矿物加工技术制备，制成精矿，然后进行进一步加工（通常为湿法化学），去除不需要的杂质并添加其他化合物，以形成所需的起始成分。这是高性能氧化物陶瓷制备过程中最重要的阶段。由于这些通常是高纯度体系，因此微量杂质可能会产生动态影响，例如少量的MgO会对氧化铝的烧结行为产生显著影响。为了形成精确控制的晶体结构，我们会采用各种热处理工艺。这些粉末通常被研磨至极细或“最终”晶体尺寸，以增强陶瓷的反应活性。我们会根据优选的成型方法（压制、挤压、注浆成型等）将增塑剂和粘合剂与这些粉末混合，以生产出“原材料”。高压和低压成型技术均可使用。将原材料成型为所需的“生坯”形状或前驱体（可根据需要进行机械加工或车削成型），然后在空气或弱还原性气氛中高温烧制，以生成致密的产品。

非氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷的生产通常包含三个阶段：首先，制备前驱体或起始粉末；其次，将这些前驱体混合以生成所需的化合物（Ti + 2B、Si + C 等）；第三，成型和烧结最终部件。这类陶瓷的起始材料的形成和烧制需要严格控制熔炉或窑炉的条件，以确保加热过程中无氧，因为这些材料在烧制过程中很容易氧化。这类材料通常需要相当高的温度才能烧结。与氧化物陶瓷类似，需要严格控制纯度和晶体特性才能达到所需的最终陶瓷性能。

陶瓷基复合材料

这类复合材料可由以下材料组合而成：氧化物陶瓷-非氧化物陶瓷（颗粒状、片状、晶须状等）、氧化物-氧化物陶瓷、非氧化物-非氧化物陶瓷、陶瓷-聚合物等。几乎可以有无数种组合。目标是提高材料的韧性或硬度，使其更适合特定应用。这是一个相对较新的发展领域，其成分还可以包括颗粒状或基质状的金属。

烧成

新型工具陶瓷的烧成条件在温度范围和设备上都略有不同。这个主题篇幅过长，无法在此一一介绍。感兴趣的读者可以查阅大量相关文献。然而，为了帮助理解先进陶瓷烧成的基本技术，我们有必要简要介绍一些技术和条件。一般来说，这些材料的烧成温度远高于金属，通常在 1500°C 至 2400°C 甚至更高。这些温度需要非常专业的炉子和炉衬才能达到如此高的温度。有些材料需要特殊的气体环境，例如氮气或受控的炉内条件，例如真空。另一些材料则需要极高的压力才能实现致密化（热等静压）。因此，这些炉子的设计和概念都非常多样化。这些炉子的典型加热方式包括气体加热（气体加氧气、气体加加热空气）、电阻加热（金属、碳和陶瓷加热器）或电感加热（射​​频、微波）。

烧成环境

气体加热通常在常压至低压下进行。电阻加热的压力范围从真空到 200 MPa。电感加热也可以在与电阻加热相同的压力范围内进行。无论是电阻加热还是电感加热，系统都无需处理大量的点火产物。因此可以容纳。上述方法中使用的典型炉型包括箱式炉、隧道式炉、钟式炉、HIP（气体和电阻加热）、密封式（用于碳元素加热的“高压釜”密封型）、特殊密封设计（用于射频加热的水冷型）或开放式微波加热（用于小件物品）。

烧成工艺的重要性

这份简短的清单表明了先进陶瓷烧成技术的多样性。每种陶瓷类型在烧成速率、环境条件和温度方面都有其独特的要求。如果这些条件不满足，最终产品的质量，甚至最终化合物和密度的形成都将无法实现。

精加工

先进材料生产的最后阶段之一是精加工至精确的公差。这些材料可能非常坚硬，硬度接近金刚石，因此精加工可能是一个相当昂贵且缓慢的过程。精加工技术包括：激光、水射流和金刚石切割、金刚石研磨和钻孔。如果陶瓷具有导电性，则可以使用诸如电火花加工 (EDM) 等技术。由于追求硬度是主要研发目标之一，并且随着每种新开发材料的硬度不断提高，精加工相关的问题也会随之增加。数控磨削设备的开发通过最大限度地减少人工成本，降低了最终磨削的成本，然而通常需要大批量生产才能抵消此类设备的安装成本。小批量生产通常在经济上不可行。解决这个问题的一种方法是“净成形”，即以可预测或可接受的公差成形，以最大限度地减少加工。泰勒陶瓷工程公司通过引入一种名为“近净成形”的技术实现了这一目标。这项独特的澳大利亚研发技术可以加工复杂的部件，偏差低至±0.3%，从而显著节省最终加工成本。

在当今的许多应用中，某些材料的有益特性被结合起来，以增强甚至支持其他材料，从而形成混合复合材料。对于混合复合材料，每种新材料的可用性和性能特性决定了其性能。在某些情况下，必须进行现场评估测试，以确定新复合材料在实际投入使用前的长期耐久性。

设计

在设计结构、部件和设备时，需要考虑先进材料的特性。最终的设计和材料选择必须兼具成本效益、性能可靠，并且理想情况下，应该在现有技术的基础上有所改进。先前的性能知识显然是一项宝贵的资源，然而，在许多新的应用中，先前的知识可能难以获得，因此需要仔细观察和记录实验模型或工厂试验的性能特征。在这方面，材料工程师与研究团队密切合作，共同开发新概念。由于我们仍在研究相对脆性的材料，因此必须始终牢记这一点。有限元分析等新技术已被证明在这方面大有裨益。使用计算机建模可以在屏幕上创建结构，而无需昂贵的原型。

下一步如何？

先进陶瓷材料如今已广泛应用于日常应用的诸多领域。性能、使用寿命的提升、运营成本和维护成本的降低，都清晰地证明了先进陶瓷材料的优势。预期寿命已从数月延长至数年，而成本经济性仅为现有组件成本的两倍，这赋予了先进陶瓷材料巨大的优势。这些先进材料的生产过程复杂且要求严格，设备成本高昂，并且需要高度专业化和训练有素的人员。未来的陶瓷材料将充分利用多晶相组合和复合陶瓷结构的特性，即在最终化合物中共沉淀或包含具有有益特性的不同晶体结构。

未来（甚至今天），我们追求的将是将最高的键能填充到最终的陶瓷化合物中，并赋予这些键高延展性或弹性。必须超过这一键能水平才能导致失效或错位。技术和材料的快速发展也意味着，精确设计用于功能的新型化合物将被开发出来。至于这将如何实现，以及这些知识何时公开——谁也说不准！陶瓷，一种古老的材料，仍然在……新材料开发的机会。

这是一个引人入胜的探索，但这种保密性以及“黑色艺术”在许多陶瓷生产行业中的持续存在，使其更加引人入胜。