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目前有哪些新材料或前沿材料?
文章来源:产品展示    时间:2023-10-02 14:34:40

  陶瓷材料算是目前比较前沿的应用吧,我就从传统陶瓷应用和现代陶瓷应用来说吧。

  传统陶瓷主要用到粘土、氧化铝、高岭土等材料,我国陶瓷主要产区分布在景德镇、萍乡、佛山等地。粘土的特性是常温遇水可塑,微干可雕,全干可磨。高温将其烧制到700度,陶器初步形成,此时的陶器可以装水。烧制1100度则瓷化,可完全不吸水,且耐高温耐腐蚀。

  新型陶瓷的原料是人工合成的高纯度无机化合物,经过一系列严格程序制成的具有微细结晶组织的无机材料。新型陶瓷具有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗、绝缘性、压电性、半导体性、磁性、催化、耐腐蚀、吸附等等性能。

  所以新型陶瓷已经不是我们传统认知中的陶瓷了,它的应用场景范围更广泛。例如高技术多功能陶瓷,如耐热陶瓷、抗菌陶瓷、环保陶瓷、航空航天陶瓷等。

  以前我们的祖国的陶瓷技术与欧洲一些国家相比确实没有太大的优势,但是就近几年的发展的新趋势来看,我国陶瓷行业前景还是很不错的,全国陶瓷行业规模以上企业主要经营业务收入年复合增长率稳定在16%左右。尽管近几年国际贸易形式比较严峻,但我国陶瓷的出口依然保持着稳定增长。这还是因为国内陶瓷企业走在陶瓷发展前端,不仅积极调整产品结构,提升产品质量和档次,而且陶瓷一直增长的需求量也提供了发展契机。

  传统意义上的陶瓷是指以粘土及其天然矿物为原料,经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品,通常会被称为称为普通陶瓷或传统陶瓷,例如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷

  先进陶瓷则是采用高度精选或合成的原料,具有精确控制的化学组成,按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计,并且有优异特性的陶瓷。

  陶瓷材料通常由三种不同的相组成,分别是晶相、玻璃相和气相(气孔)。晶相是陶瓷材料中最主要的组成相,它决定了陶瓷材料的物理化学性质;玻璃相的作用是填充晶粒简析、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和控制晶粒生长;气相是在工艺过程中形成并保留下来的,先进陶瓷材料中的残留气孔往往难以避免。

  传统陶瓷以天然矿物,如粘土、石英和长石等不加任何处理直接用,而现代陶瓷则使用人工合成的高品质粉体为原料

  原料不同导致传统材料中化学和相组成的复杂多样,杂质成分和杂质相众多而不易控制,显微结构粗劣而不够均匀,气孔多。先进陶瓷则采用人工精选材料及配方,通常具有显微结构均匀而细密的特点。

  传统陶瓷的矿物经混合可直接用于湿法成型,如泥料的塑性成型和浆料的注浆成型,材料的烧结温度一般900℃到1400℃,烧成后一般不需要后加工;先进陶瓷材料采取使用高纯粉体,一般需添加有机添加剂后采用干法或湿法成型,材料烧结温度一般在1200℃到2200℃之间,烧完后尚需加工。

  由于如上各点不同,导致传统陶瓷和先进陶瓷性能上有着极大的差异,先进陶瓷丰富了陶瓷材料的应用范畴。打破传统陶瓷一般仅限于日用陶瓷及建筑卫生陶瓷的圈子,基于优秀的力学性能特别是高温力学性能和各种光、电、声、磁的功能,可以在工业所有的领域得以应用:石油、化工、钢铁、电子、纺织和汽车等行业中应用,同时在许多尖端技术领域如航天、核工业和军事事业中存在广泛的应用价值和潜力。

  目前国外先进陶瓷发展处于领头羊的主要,有美国、日本、欧盟、俄罗斯等。其中,美国对先进陶瓷在航空航天、核能等领域的应用处于领头羊,日本在先进陶瓷材料的产业化、民用领域方面占据领头羊,并占有世界先进陶瓷约一半的市场占有率;欧盟在先进陶瓷部分细分应用领域和机械装备领域处于领头羊;俄罗斯、乌克兰在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面实力雄厚。

  美国先进陶瓷发展重点为高温结构陶瓷,目前在航天技术、航空器、核工程、汽车、医疗设施及机械动力等领域处于大范围使用阶段。从2000年开始,美国先进陶瓷协会和美国国家能源部联合资助并实施了为期20年的美国先进陶瓷发展计划,预期目标是∶到2020年,先进陶瓷以其优越的高温性能、可靠性以及其他独特性能,成为一种经济适用的首选材料,并大范围的应用于节能环保、新一代信息技术、生物医药、高端装备制造、新能源和新能源汽车等战略性新兴起的产业中,需求者根据应用要求可以再一次进行选择使用具有优越性价比的先进陶瓷产品。

  自20世纪80年代以来,日本在先进陶瓷材料科研、制备方面占有领先、突出的地位。近年来,日本将先进陶瓷作为战略性产业,将先进陶瓷看作是决定未来国际竞争力的高科技产业,不断加大投资力度。在电子陶瓷、光导纤维、高韧性陶瓷等先进陶瓷材料方面,日本均处于领头羊。日本生产的先进陶瓷敏感元件已占据国际市场主要份额,包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等在内的各种先进陶瓷产品垄断着大部分市场;在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑胶复合陶瓷以及各种先进陶瓷材料与陶瓷部件研发,高性能陶瓷电池、陶瓷发动机等研发开发方面,均处于领先地位。

  欧盟各国以功能陶瓷和高温结构陶瓷为主要研究对象,目前研究的重点为发电设备中应用的新型材料技术,如陶瓷活塞盖、排气管里衬、涡轮增压转子及燃气轮转子等。此外,欧盟部分国家在先进陶瓷机械、装备方面优势明显。

  俄罗斯、乌克兰两国在先进陶瓷的研究开发和生产方面,基础扎实,设施齐全。在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面,不论是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复相陶瓷或者是陶瓷基复合材料,如氧化铝、莫来石、氮化硅、氮化铝、氮化硼以及石英-石英复合材料、碳-碳复合材料、各类晶须、纤维补强增韧的陶瓷基复合材料,不但在实验室研制成功,而且已开发成有明确应用目的的制品,相当一部分已投人商业生产。

  目前国内先进陶瓷产业大多分布在在山东、江西、广东、江苏、浙江、河北、福建等几个省份,2015年这些省份产值比例约占全国产值的70%。其中,华东地区较大的先进陶瓷产业基地有山东淄博、江苏宜兴,华中地区较大的先进陶瓷产业基地有江西萍乡,华南地区较大的先进陶瓷产业基地有广东佛山。国内很多先进陶瓷产品在全球范围内已性格比高广受称赞,但还是很大一部分产品与国际巨头门存在比较大差距,中低端基本能自给自足或出口海外,但众多高端领域还需加油努力屡起袖子干。

  先进陶瓷包含的材料范畴及应用领域极为广阔,下文将以浅显易懂的先进陶瓷的应用特性为线索,将先进陶瓷分为:电子陶瓷、结构材料、涂层/薄膜、复合材料四大类,进行综述。

  电子陶瓷是先进陶瓷中最成熟的,占先进陶瓷市场占有率一般以上,电子陶瓷主要用作芯片、电容、集成电路的封装,传感器,绝缘体,铁磁体,压电陶瓷,半导体,超导体等。

  常见的材料有钛酸钡,氧化锌,钛锆酸铅、铌酸锂、氮化铝、氧化锆和氧化铝等。主要考虑的性能有:相对介电常数及磁导率、电导率和热导率;用于与金属封装的链接性能(热匹配性)也很重要。

  结构陶瓷主要有切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器、生物部件和装甲等。主要的材料有:氮化硅、碳化硅、氧化锆和碳化硼、二硼化钛、氧化铝和塞隆等,其典型的特性有:高强度、低密度、耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好。

  这其中氮化硅已优异的综合性能非常关注,目前商用的氮化硅陶瓷大多数都用在切削工具,用于大功率风力发电轴承材料也是氮化硅很值得期待的领域,除此之外,氮化硅基板也是一个非常关注的应用应用方向。

  对于结构陶瓷而言,一直面临高成本、低可靠性和低重现性等问题,高成本和制造工艺和废品率高有关,可靠性与重现性低于韧性有关,陶瓷作为典型的脆性材料,在低温是不能通过形变来吸收能量,一旦裂纹尺寸达到临界数值,破坏就会发生,因此结构陶瓷的增韧手段一直以来都非常关注,目前增韧的方法有:颗粒增韧、晶须和纤维增韧及由应力诱导相变增韧等。

  涂层可充分的利用不同材料的性能并显著降低成本,例如导电芯片上的绝缘涂层膜对集成电路是比不可少的,在发动机部件表面涂一层耐磨材料则可大幅度提升其使用寿命。

  涂层中最大的问题是涂层与计提的结合不牢,这是由于涂层与集体材料性能不饿匹配造成的(例如金属基体的热膨胀系数高、陶瓷涂层的热膨胀系数低),涂层和基体间增加一梯度材料使其热胀系数平缓过度可缓解这一矛盾,但更好的解决之道有待于对基体/涂层界面的化学结构与机械结构结合有更深入的理解。

  复合材料是先进陶瓷中重要的组成,也是目前研究比较活跃的领域。纤维或晶须增强的结构陶瓷复合材料到的问题在过去数十年建发展迅速,出现了金属基复台材料(MMCs)和陶瓷基复台材科(CMCs)等。

  陶瓷基复合材料包括氧化物基、玻璃基、碳化物基和氮化物基陶瓷等,例如氧化铝填充由于抗热震性不好使其应用受到限制,加入了碳化硅晶须和碳化硅颗粒增强后,则有许多新用途,例如应用于刀具材料。加入30%体积增强的SiC/Al2O3复合材料,断裂韧性>20MPa·m1/2,强度可达14GPa。

  金属基复合材料包括Al2O3、C、B、SiC纤维增强的轻金属如Al、Mg、Li等,增强剂也可是Al2O3、SiC、B4C、TiC颗粒。与传统合金相比,金属基复合材料的密度更小,强度更高,抗蠕变和耐磨性更好,在汽车、电子、航空等行业有广泛的应用。

  悦刻、柚子、冰壳用的都是FEELM的雾化技术。FEELM黑陶覆膜雾化芯绝对是电子雾化行业里的前沿材料的存在。

  电子雾化能够产生烟雾粒子离不开雾化芯的作用,雾化芯通过导入烟油接着进行加热雾化。电子雾化刚上市的时候,绝大多数牌子的电子雾化的雾化芯都是采用的棉纤导油,来承载烟油,堵住进油孔。棉纤导油的好处是吸附能力较强,可以烟油从烟弹中导出。但是缺点大于优点,虽然棉纤体积不大不存在饱和度低的问题,但是吸附性强的特点也会导致吸油过多,如果长时间得不到加热,你再次吸的时候就会被一股很闷的烟油味呛到,那个感觉是很差的。除此之外第一口的雾化效果也很差,还会出现漏油状况。其次,如果油烟没剩多少,棉纤在加热过程中容易发干,出现焦味以及其他分散物质,不仅口感不好而且影响身体健康。

  除此之外,用棉花做辅助有着极强的不稳定性,放置时间稍长,烟油就会吸得过于饱满,在加热时甚至产生炸油、漏油的现象。

  但是FEELM用的是陶瓷雾化芯,FEELM陶瓷芯由陶瓷和发热膜两部分构成。它没有采用传统棉纤导油,而是选择了多孔陶瓷的蜂窝结构可以进行导油,这样一来雾化效果和加热效果都有所改善。多孔陶瓷就是陶瓷材料的一个现时代应用,我们以往对陶瓷的认识就是瓷器,殊不知在加快速度进行发展的现代社会,陶瓷的应用更加广泛超乎我们的想象。FEELM黑陶覆膜雾化芯采用纯天然的硅藻类烧制这种多孔陶瓷。多孔陶瓷的孔隙非常密集,口径小,只有2微米。这样有助于导油和锁油,让烟油均匀地渗入到雾化芯中,并吸附在雾化芯表面。烟油储存在经高温烧结形成的碗状多孔陶瓷中,工作时,附着在陶瓷表面的S形发热膜通过均匀加热,将附着在雾化芯表面的烟油加热形成雾气,达到模拟烟草烟雾的效果。

  烟油就可以被充分加热,产生的烟雾粒子效果更绵密细腻,颗粒也更小。加热充分后就不会出现局部干烧现象,自然不会产生焦味。

  FEELM雾化芯的底部又一个“S”型的金属加热膜,和多孔陶瓷的关系就像烹饪时的灶和锅,加热温度的范围控制得十分精准,这就保证在加热过程中多孔陶瓷的受热是均匀可控的。

  陶瓷雾化芯技术在国内目前很成熟的品牌有麦克韦尔旗下的FEELM品牌,该品牌的陶瓷雾化技术在全球也是顶尖的。而且目前FEELM的黑陶覆膜雾化芯的反馈效果也是最好的。