新陶瓷
陶瓷,是非金属或无机质的粉体,在成形之后,再经高温烧结而成的材料的总称。从陶瓷器到水泥、玻璃、各种各样的窑业制品都已进入了我们的日常生活,但这些制品是所谓旧陶瓷。现在,已经用人工合成的无机化合物作原料,经过精密烧结而制成的新陶瓷了。作为新陶瓷,首先行将应用的是电气陶瓷,其典型例子是集成电路的组合件,最近,又涌现出用于汽车发动机等机械部件或结构的工程陶瓷了。
电气陶瓷主要是以氧化铝为代表的氧化物系陶瓷,而工程陶瓷主要是用氮化硅、碳化硅等非氧化物系制成的陶瓷。这种工程陶瓷的特点是: 即使在1000℃以上的高温条件下也很难软化,而且对温度急剧升降等热冲击的抵抗能力也很强。最近,氧化锆也受到了研究者们的重视,因为陶瓷一般是脆性的,它却具有难能可贵的韧性。这说明从材料角度看,发展陶瓷,还有很大的潜力可挖。
这些陶瓷的主要成分是硅、碳、氮、铝等元素。它们在地球表层的储量丰富,到处都有。因此,它与用镍和钴做成的耐热合金之类不同,不用稀有金属,资源问题较少。而且,由于它的耐热性良好,更是发动机节能的一张王牌。因此,以美国为首,德国、日本等先进工业国对它的研究颇为盛行。当前开发研究的重点是汽车发动机。日本以氮化硅陶瓷为主,制成的内燃机载重汽车,已经试车。美国也报道说,用氮化硅陶瓷制成的燃气涡轮车,已顺利地通过了试车试验。
这么说来,发动机部件使用陶瓷,已处于实用化的前夜了。但还存在许多问题,例如,因强度不稳定而缺乏可靠性、成本高等。对通常的金属材料来说,其强度与试验强度基本一致,但陶瓷却不然,情况严重者,二者的强度竟相差50%之多。
危害陶瓷强度的,是直径10微米以下的小空洞,因此,要提高陶瓷部件的可靠性,最关键的是要在烧结时,不让这些空洞残存于陶瓷组织之中。为了去除空洞,采取边加工边烧结这种作法,又不适合于批量生产。于是,人们正在研究,在用常压烧结法生产的过程中,如何及时发现空洞,尽量杜绝不良产品。然而,就现有水平而言,要发现10微米以下的缺陷还相当困难,加上在陶瓷加工中,还没有找到有效的焊接方法。试车用的发动机虽然比较容易地生产出来了,但批量生产似乎还相当遥远。
不过,利用陶瓷的热性能、机械性能、化学性能,制作连铸设备的浇注口,机械装置的密封件,轴承等少量的零部件这一趋势,却在稳步扩大。就应用领域而言,今日从宇航工业、原子能工业直到海洋工业,陶瓷已日益成为不可缺少的重要材料。
今后,在各个领域,将会掀起一个用陶瓷取代金属材料和塑料的热潮。用陶瓷加工成形状复杂的燃气轮机叶片,就是一个好开端。