高性能结构陶瓷的新进展评价及战略思考宋家树()本所客座研究员一、科技新进展,高性能陶瓷是当代新材料的重要成员持作用,对各工业发达国家的军事技术与经济都有重要支,因此发展迅速。它已经形成了有几百亿美元的世界市场,并以较高的速度增长。。但其产品的主体是功能陶瓷占有80%以上的销售额,、、,其年增长率为1%。相比之下,结构陶、瓷的应用范围及所占市场都较小高性能陶瓷以其强度高提高热机性能的新型材料本点、。。但它有重要的应用前景,耐高温耐磨损耐腐蚀而被认为是二种能大大提高热机效率“从07年代后期开始出现了全球性的、陶瓷发动机,。”热。美国、日西德等都集中了大量人力资金,制订了相当规模的开发计划如相变增韧的二氧化错。、来攻克这一技术难这一“热潮”对于推动新型陶瓷材料的发展起了重要的历史作用,到80年代初已经开发以碳化硅和氮化硅为西德以及英国等国的出一批性能优异的完全新型的结构陶瓷材料:代表的非氧化物陶瓷材料究已经有了重要结果度高达1350大于15兆帕’以及其他更加复杂的体系(包括燃气轮机随后,美、日),、科学家都相继宣布制成全陶瓷发动机,、各种内燃机。这标志着结构陶瓷的研(进气温,材料性能已经可以达到较高的水平“如日本对小型燃气轮机。C)用的陶瓷部件要求其在1500,C时的破裂强度大于400兆帖,室温断裂韧性了米威布尔分布函数大于20,,。这代表了结构陶瓷的先进水平到80年代中期以后问题未获根本解决瓷热瓷、由于陶瓷材料的低温脆性,产品重复性以及加工困难,。、成本过高等“陶瓷发动机商品化的进程远不如原来所设想的那样乐观并不断取得新的成果、、因此全球陶”有所降温。。但料材研究工作仍未中断纤维增强复合陶瓷,近期出现的非晶态陶、高韧性陶瓷、纳米级复合陶瓷以及精细复合陶瓷等新材料及新方向都引人注目在制备与加工工艺上出现了超细粉体提供了更多的可能性,。、注射成型,高压反应烧结。精细复合工,艺以及激光加工工艺等利用陶瓷颗粒19年报导其中值得特别提出的是陶瓷基复合材料例如美国Lan它o晶须及连续纤维增强0兆帕、并使材料具有足够的韧丝断裂韧性为30兆帕。xied。C制出抗弯强度10训米的陶瓷基复合材料,美国能源部最近制订了一个以连续纤维增强的陶瓷基复合材料制造热交换器的研究计划希望这种先进热交换器能使美国未来能耗有显著降低美国国会科技评价局(0TA)在一份关于新材一;3一料的评价报告中也认为陶瓷基复合材料与陶瓷薄涂层是两个重要发展方向陶瓷涂层可以大大提高绝热性能二、、。在金属部件上做抗腐及抗蚀性能而又不会出现脆性问题、。产品与市场切削刀具与模具、目前高性能结构陶瓷的产品主要是抗磨部件,即主要利用材料的高强(如热交换器与,度与高耐磨性各种热机2。而利用其高强度特性,,特别是具有高温高强度特性的产品)应该是其主要发展方向。但在这方面还需解决不少技术和经济问题。因此还是一个远期目标亿)当前结构陶瓷的产品产值及市场均较小(全球市场不过几亿美元“,美国占、1~总的说来还正处在进入、”市场阶段1987年美国的结构陶瓷市场为17亿美元,主要产品为抗磨部件口等,。、切削刀具。轴承以及涂层元明。。军用产品有装甲部件整流罩以及红外窗到200。年时市场预测将在10~50亿美最近的分析表,、过去估计汽车发动机用的陶瓷产品达50亿美元到2000年美国陶瓷发动机市场要低于10亿美元,。现在看来是过分乐观了那时抗磨部件。,。轴承电化学设备及滤材希望结仍将占相当大份额术、整个结构陶瓷市场约为20亿美元5年的发展来看因此从10~1,构陶瓷有很大市场是不现实的大的产业风险。。虽然可以做到技术上过关,但是如不能解决大批量生产技,解决价格过高以及设计者愿意使用的问题因此,工业界是不愿大量投资的,从而也不能形成美国这一方面的研究主要是靠投资来推动,工业界不大愿意承担这种。日本企业界态度则更为积极他们对这方面研究工作愿大量投资1例如对先进陶瓷材料1研究年投资额无论日本或美国都在但日本工业界投资则是钩、亿美元左右,而美国工业界投资也是。亿多美元,4亿美元。日本在开展研究的同时就推出了许多民用商品如陶瓷鱼日本公司不仅在电子陶瓷领域:。钳子、剪刀以及圆珠笔尖等使得这一行业有很高的利润,占领了世界市场的消费量是三、而且在结构陶瓷方面也领先于美国,以1985年结构陶瓷生产额为例。日本36亿美元而美国的只12亿美元1。最近这种差距有扩大的趋势发展评价。高性能结构陶瓷发展前景如何?它在众多的新材料开发中应占有什么地位?我们应采取什么样的?这些都是十分重要的问题国家支持一种新材料的研究是期望通过研究、开发能形成产品与产业:,从而创造经济效益,,满足社会需要。因此对一种新材料发展的评价就。不能仅限于技术成果与进展上而必须考虑其应用与市场的前景对于高性能结构陶瓷材料,我们看到(1)虽然通过长期的研究已经达到能够制成小功率陶瓷发动机的水平,但是要达到大、批量生产和形成产业还有较长的路要走材料及设计工程方面的研究(2)。0~15年的努力估计需要经过1。要在汽车工业飞、机工业以及机械制造业中广泛使用高性能结构陶瓷则需要持续的大量投资来进行生产工业:,当前和中期市场的预测表明,,。0一15年内不会形成很大的市场结构陶瓷在1;对于需求量大的民用产品重要,材料和加工价格太高是一个因素没有多大效益,对于军事应用,价格因素较不但是用量太小(3)为了推进结构陶瓷的发展,除了对已经成熟材料加强工艺及使用性能研究外还要进行研究,对新出现的材料大规模卷入一34一(如陶瓷基复合材料)这方面投资大,风险高,一般企业不愿意日本企业大力开因此主要依靠投资或者倾斜来维持其发展势头。发中间产品的做法值得重视四、。发展战略思考,我国高性能陶瓷研究起步不迟器及核工业所急需的新材料与部件从50年代末期开始结合需要曾研制出了航天、电子,、兵,。0年代末由于受国外7、“陶瓷发动机热”,”的影响国内一此后些院校及研究单位相继开始对氮化硅碳化硅“、氧化错材料及热机零部件进行探索、。陶瓷无冷机及涡轮发动机的技术研究列入了位及技术力量进行攻关机的试验,。七五国家科技攻关计划组织了相当数量的单、迄今已进行了主要部件的考核性试验。涡轮转子台架试验以及无冷,取得一定进展、与此同时、,已开发出一批结构陶瓷产品。如高性能陶瓷刀具模具步伍、密封元件过滤器、燃烧喷咀热交换器等在工艺技术上及生产装备上也取得不少进开发了高纯、,如引进了注射成型及各种先进烧结技术装备。,超细粉备技术以及建立,了先进的加工技术装备。。更为重要的是通过攻关建立了一支有一定水平和相当数量的科研队,这些都说明我们已具备了相当好的荃础例如:。但在攻关过程中也暴露出一些问题形成一些,、不同的看法从实践中感觉到全陶瓷热机的实用化是一个相当困难的科技间题而它的商品化则更是一个长期的目标这一认识与美国能源部1986年所进行的调查结论是一致的。(他们认为高性能陶瓷发动机的商业化将在下世纪初以后才会实现)此外,在一般应用方面,如刀具需求。、模具等形成商品的速度也很缓慢,,,有的是由于品种少不能形成系列。难于满足用户。有的是由于生产规模小商品质量不稳定而难于推广面对这种情况下3在规划这一领域下一步发展时自然会涉及它的发展战略问题带动其他应用的发展,。可能有以,种选择:,(1)坚持以开发陶瓷发动机为主攻方向首先攻克材料难关使陶瓷发动机达到实用化指标材料的新天地,,然后进行商品化,开拓市场。由于这一新技术有极大的优越性而发动机拥有巨大市场。,因此一旦成功将开辟一个新。。具有重大社会与经济的效益当前日本的战略是基于这一设想的,实现这一战略的必要条件是要求大量投资会最近的评价调查认为,而且必须长期坚持下去,美国与日本在近10。0亿美元左右用于陶瓷发动机的开发而且仍然认为经费不足年来都已投资11年的时间陶瓷小型发动机应用于汽车尚需0。日本产业振兴协而在国民经济中占相。当比重则要在2000年以后力问题。在这相当长的周期中现在已能看到仍将存在不小的风险(包括热效率的提高、首先是技术上能否做到预期的性能考虑到我国当前的工艺际上是有困难(2),、寿命的提高等等),其次是经济上的竞争能。特别是近来陶瓷基复合材料与金属基复合材料的进展将使竞争更加激烈技术水平以及在新材料领域的投资强度。,,采用这一发展战略实。特别是很难长期坚持下去,以市场需求为导向从整个高性能陶瓷领域着眼来确定主攻方向,当前我国电子。陶瓷很多还依赖进口具、下一步电子工业的发展势必要求更多品种的功能陶瓷产品陶瓷刀模具以及其他非隔热应用的产品也有不小的市场。发动机的某些零部件也可以采用高性能陶瓷因此当前可以有较大需求的功能陶瓷以及技术比较成熟的非隔热用途的结构陶瓷作,为重点发展对象生经济效益,争取有较快发展,形成较大规模的生产能力,。一方面可使投资能较快地产,另一方面也使高性能陶瓷进入生产领域。不致长期停留在实验室研究阶段,为,以后结构陶瓷的发展打好基础这一战略要求国家集中投资较少风险也较小;但在初期一35一由子产品成本会较高,各种配套工业不健全,也会遇到一定困难,需要国家从投资上与_L予以支持。再者就是转的弯子较大,可能会产生不少矛盾。(3)字昆合型的战略,即一方面仍保留规模较小的精干队伍,继续研究陶瓷发动机以及开发可能先期应用的发动机零部件以跟踪世界发达国家的发展,另一方面要注意发挥国家、企业与院校的作用大力开发市场需要的高性能陶瓷产品,尽快使研究开发成果商品化。从我国实际情况看这种方针比较容易被接受,如果运用得当,使这两个方面互接促进、互相补充,也可以得到很好的结果。无论采取何种战略有一个问题必须注意解决:这就是要加强研究、设计与生产三者的联系。高性能陶瓷材料与传统的金属材料不同,它的高性能及经济效益只有在全新的设计方式与生产方法中才能发挥出来。新材料与最终产品有很密切的关系,往往是通过一体化的设计与生产过程而生产出最终产品。高性能陶瓷材料的价格可能将来会比金属的高,只有从整个生产过程计算才会发现是有效益的。因此为了推广新材料的应用,必须同时注意发展新的设计技术与新的生产技术。在当前运用陶瓷材料的设计技术还是一个不太引人注意的新课题。在规划这一领域的研究工作时,这一点应该受到特别的重视。主要参考文献〔1〕美国技术评价局(OTA)报告,“新材朴进展的评价”,1988。〔2〕钱钧,“高性能陶觉材料的发展趋势”,19。〔3〕“高性能陶党研究现状及应用前景”座谈会记要,4,1990。〔4〕黄泽铣,“世界精细陶瓷材料市场状况”,材抖导报,21,1988。一3写一