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 ■编者按

  在人们的印象中,陶瓷是一种坚硬但易碎的物体,缺乏韧性,缺乏塑性。当我们的记者走进新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,却发现了陶瓷的“另一面”。

  新型陶瓷改陶瓷易碎的旧形象,既坚且韧,有些新型陶瓷则有着很好的弹性,可以制作成陶瓷弹簧。近年来还发现一些陶瓷具有超塑性,断裂前的应变可达到300%左右,这更是传统陶瓷所难以想象的。实验室主任告诉我们:“新型陶瓷的应用则更是丰富多彩。目前新型陶瓷已经成为材料科学与工程方面,非常活跃、极富挑战的前沿研究领域。”

新型陶瓷:不再是易碎品

记者:唐婷 陈瑜
主任:潘伟
时间:2007年11月9日
地点:清华大学逸夫楼

  冬日暖暖的午后,记者二人走进了清华校园,道路两旁的银杏叶子在阳光的照耀下显得分外的透明、澄黄。在迷宫似的逸夫楼里,记者几经周折才找到了新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室主任潘伟的办公室。

  潘伟办公室里最引人注目的是挂在柜子上的一串五颜六色的千纸鹤。难道潘伟爱做手工?走近一瞧,才看到最大的一只纸鹤上面写着对潘伟老师的新年祝福,落款是全体学生,下面坠着的每只小纸鹤上都写着一个名字。看来,潘伟的学生缘还真不错。

  记者:潘老师您好,陶瓷在日常生活里随处可见,那实验室研究的新型陶瓷和日常生活里的陶瓷有什么区别呢?

  潘老师:是的,日常生活里用到陶瓷的地方很多,比如我们喝水的陶瓷杯子,地上铺的瓷砖等等都是用陶瓷做的,做这些用途的陶瓷就叫传统陶瓷,传统陶瓷主要是采用天然的岩石、矿物、黏土等材料做原料制成的。

  而新型陶瓷则采用人工合成的高纯度无机化合物为原料,在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有一定结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物等性能,其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的,这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。

  在许多人的印象中,陶瓷是一种坚硬但易碎的物体,缺乏韧性,缺乏塑性。而许多新型陶瓷则是既坚且韧,一改陶瓷易碎的旧形象。例如,相变增韧氧化锆陶瓷就非常坚韧,可以制备陶瓷机械零部件和日用的水果刀等。

  日本的企业家和陶瓷科学家为了改变人们对陶瓷的传统印象,特别把这种高技术陶瓷改制成剪刀和水果刀作为礼品,赠送给公司、企业的客人,称之为永不卷刃、永不生锈、永不磨损的刀具。

  有些新型陶瓷则有着很好的弹性,可以制作成陶瓷弹簧。近年来还发现一些陶瓷具有超塑性,断裂前的应变可达到300%左右,这更是传统陶瓷所难以想象的。新型陶瓷的应用则更是丰富多彩。目前新型陶瓷已经成为材料科学与工程方面,非常活跃、极富挑战的前沿研究领域。

  记者:哦,原来新型陶瓷有着这些奇妙的功能,那新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室主要研究些什么呢?

  潘伟:我们实验室主要集中在五个方面开展研究工作,一是信息功能陶瓷材料研究,即现代信息通信技术用微型(片式)电子元器件材料与技术研究;二是高性能结构陶瓷研究,即苛刻环境及精密机械部件用陶瓷材料及加工制造技术;三是陶瓷材料设计与微加工研究,即陶瓷新材料、新结构的设计和陶瓷元器件的微加工技术研究;四是功能复合陶瓷材料研究,即新型陶瓷基复合材料及设计理论;五是能源与环境材料研究,即新型能源与环境友好材料及工艺。

  在信息功能陶瓷材料及器件的研究上,我们围绕高性能信息功能陶瓷致密化新技术与控制原理,低温烧结和集成技术,高性能铁性陶瓷及薄膜的组成—结构—功能关联、设计理论和调控,新型信息功能陶瓷材料体系进行了探索研究,对相关元器件进行了技术开发。

  在高性能结构陶瓷及其复合材料的研究上,我们主要围绕高性能陶瓷的结构与组分设计理论、陶瓷工艺与材料性能的可靠性研究,脆性材料的断裂与破坏机理的研究,极端环境下的陶瓷新材料探索、陶瓷材料的低成本高性能制备技术,无污染、近净尺寸陶瓷成型技术,新型耐高温、高强度、高韧性,耐腐蚀、耐磨损陶瓷材料及其部件的成型与烧结制备技术,耐高温低导热陶瓷材料及其热障涂层,透明陶瓷材料及其制备技术等方面开展研究工作。

  记者:围绕上述研究领域,实验室取得了哪些研究成果呢?

  潘伟:我们实验室的研究人员的“陶瓷胶态成型新工艺”课题获得863计划和国家自然科学基金的资助。通过对该课题的研究,发明了陶瓷水基胶态注射成型新工艺,提出压力诱导陶瓷浓悬浮体固化机制,创造性的实现了陶瓷非塑性浆料的注射成型,克服了由温度梯度导致的坯体固化不均匀现象。该工艺自动化程度高,成型的陶瓷产品有机物含量低、坯体均匀性好、烧结体性能优异、制造成本低。

  在该项目研究过程中,研制成功了国际上第一台胶态注射成型机,并已成功用于多种高技术陶瓷产品的开发和生产。该项目的研究成果中已经获授权的中国发明专利有14项、获授权的实用新型专利有2项。该项目的研究获得了2005年国家技术发明二等奖。

  面向电感类元件片式化和集成化工艺的核心技术问题,在国家863计划的支持下我们对低温烧结铁氧体材料进行了系统的研究,提出并发展了新颖的软磁铁氧体陶瓷低温烧结技术路线,这项研究的成果获得了2005年度国家技术发明二等奖。

  该成果的基本特点是不仅仅采用通常的低烧添加剂来降低烧成温度的办法,而是通过高烧结活性的纳米陶瓷前驱体、配合复合烧助剂协同作用,将低温烧结—控制显微结构—材料改性相结合,设计独特的材料配方和烧结工艺,达到了低温烧结与性能改善的双重目的,解决了铁氧体材料低温烧结与高性能难以兼顾的技术难题,发展出了三大类新型高性能低温烧结铁氧体材料系统,拓展了片式电感类元件的感量、频率和用途空间。

  近几年来,通过发展格林函数理论及微扰方法(多重散射理论),本实验室研究人员较系统地对陶瓷基复合材料的显微结构与性能(包括线性、非线性、耦合及非线性耦合性能)之间关系进行了系列理论模拟,形成了描述及预测材料显微结构─性能定量关系的基本理论框架:颗粒多重散射理论。特别是在这个框架中,建立了信息功能陶瓷材料的多场耦合效应新理论。该项目主要成果获得了2005年度国家自然科学奖二等奖。

  记者:据我们所知,实验室在注重基础研究的同时,也非常注重科技成果转化及产业化工作,而且在这方面也取得了可观的社会效益和经济效益。

  潘伟:是这样的。

  我们利用陶瓷胶态成型新工艺成果建立了陶瓷胶态(注射)成型中试基地,研制成功具有自主知识产权的工艺装备,开发了造纸机全陶瓷脱水元件、高功率金红石陶瓷电容器、超大功率新型复合陶瓷臭氧发生器薄壁管、高性能陶瓷系列微珠等产品。

  我们在河北邯郸高新技术产业开发区建立陶瓷胶态注射成型成果转化和规模化生产基地,占地166亩,现已建成近万平方米的生产车间和年产5000吨陶瓷微珠生产线,预计实现年产值2亿元,利税5000—6000万元。还以该技术为核心成立了邯郸市先进陶瓷工程技术研究院,整体提升和改造邯郸市的传统产业结构。

  近年来,根据常压烧结技术及缺陷化学原理,我们研制出细晶、高介、抗还原BaTiO3基陶瓷,为新一代高性能贱金属内电极多层陶瓷电容器薄层化、微型化提供了关键材料技术,在新型贱金属内电极片式多层陶瓷电容器领域拥有了多项发明专利成果。高性能低烧多层陶瓷压电变压器及背光电源已在西安康鸿公司实现产业化,这一具有自主知识产权的创新性成果在国家有关部委及国家863计划的支持下,在西安建立了片式压电变压器生产基地。目前该基地年产值过亿元,对支援西部经济建设发挥了重要作用。

  我们还在磁性陶瓷材料的低温烧结方面开展了一系列开拓性研究,解决了一系列工艺技术和应用的实际问题,发展出了若干种拥有自主知识产权(拥有多项发明专利成果)新型片式电感器材料和技术。其成果在山东同方鲁颖电子企业实现了转化,在清华同方公司建立了年产10亿只片式电感器的生产基地,推动了国内片式元件产业的发展。

  来源:《科技日报》2007-11-14

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2007-11-14]
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