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。
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