先進(jìn)陶瓷作為一種新興材料，有著獨(dú)特的魅力。它以高純度、超細(xì)人工合成或精選的無(wú)機(jī)化合物為原料，化學(xué)組成精確，搭配精密制造加工技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造就了優(yōu)異特性。按種類劃分，先進(jìn)陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷。

1、結(jié)構(gòu)陶瓷

結(jié)構(gòu)陶瓷具備高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特性，應(yīng)用廣泛，涵蓋切削工具、模具、耐磨零件、泵和閥部件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、熱交換器及裝甲等領(lǐng)域。其主要材料包括氮化硅 (Si₃N₄)、碳化硅 (SiC)、二氧化鋯 (ZrO₂)、碳化硼 (B₄C)、二硼化鈦 (TiB₂)、氧化鋁 (A1₂O₃) 和賽隆 (Sialon) 等。

（1）Si₃N₄基陶瓷材料

C 纖維增強(qiáng) Si₃N₄基陶瓷材料，巧用 ZrO₂的變相效應(yīng)，有效防止纖維與基體熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)的裂紋，使復(fù)合材料斷裂韌性提升 5 倍。氮化硅陶瓷憑借優(yōu)異綜合性能與豐富資源，成為高性能陶瓷里極具應(yīng)用潛力的切削工具，每年約 140 噸氮化硅粉末用于刀具制造，價(jià)值約 3 億美元。

（2）碳化硅基陶瓷

熱壓工藝制備的碳化硅陶瓷，密度接近理論密度，即便在 1400℃高溫，彎曲強(qiáng)度仍可達(dá) 500 - 600MPa。CVI 法制得的 C 纖維補(bǔ)強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料，強(qiáng)度 520MPa，斷裂韌性達(dá) 16.5MPa・m。含 25vol％TiB 的碳化硅復(fù)相陶瓷，精準(zhǔn)控制起始顆粒尺寸，強(qiáng)度可達(dá) 888MPa，斷裂強(qiáng)度 8.8MPa・m。碳化硅堪稱高溫空氣中強(qiáng)度最高的材料，熱導(dǎo)率僅次于氧化鈹陶瓷材料。

（3）氧化鋯增韌陶瓷

氧化鋯增韌陶瓷在結(jié)構(gòu)陶瓷研究成果斐然，已知多種使氧化鋯穩(wěn)定的添加物，如氧化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氧化釔、氧化鈰等單一或復(fù)合氧化物，被增韌材料涵蓋氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來(lái)石等氧化物陶瓷。在氧化鋁中添加 16vol％氧化鋯增韌處理后，材料強(qiáng)度達(dá) 1200MPa，斷裂韌性 15.0MPa・m。氧化鋯增韌陶瓷室溫強(qiáng)度與斷裂韌性出眾，后續(xù)將聚焦提升高溫性能。 

2、功能陶瓷

功能陶瓷是知識(shí)與技術(shù)密集型產(chǎn)品，伴隨電子產(chǎn)品輕薄短小、多功能、高可靠性、高密度表面、高集成化發(fā)展，功能材料持續(xù)演進(jìn)。這類陶瓷品種繁多，具備微波介電性能、氣敏性能、超導(dǎo)性能、電阻梯度性能、鐵電性能及其相變行為、多層驅(qū)動(dòng)性、弛豫性能等優(yōu)良功能，應(yīng)用廣泛。

（1）電子絕緣材料

當(dāng)下國(guó)內(nèi)外常用電子絕緣材料是 Al₂O₃，新興的 AlN 陶瓷脫穎而出，具高強(qiáng)度、高絕緣性、低介電常數(shù)、高的熱導(dǎo)率，且熱膨脹系數(shù)與單晶硅匹配，主要用于大規(guī)模集成電路和電力模塊電路散熱基板。

（2）電介質(zhì)材料

用于調(diào)諧電路、保護(hù)邏輯及記憶單元的陶瓷電容器介質(zhì)材料多為 BaTiO₃基材料，還有高介的復(fù)合鈣鈦礦材料，晶界層電容器使常規(guī)瓷介電容器介電常數(shù)躍升數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

（3）壓電陶瓷材料

常用壓電元件用于傳感器、氣體點(diǎn)火器、報(bào)警器、音響設(shè)備、醫(yī)療診斷設(shè)備及通訊等，傳統(tǒng)壓電材料是 PZT，新型壓電陶瓷材料有高靈敏、高穩(wěn)定壓電陶瓷材料、電致伸縮陶瓷材料、熱釋電陶瓷材料等。

（4）磁性陶瓷材料

磁性陶瓷材料分硬磁性和軟磁性兩類。硬磁材料如鐵氧體磁鐵和稀土磁體，用于磁鐵和磁存儲(chǔ)元件；軟磁性材料易磁化、去磁，用于交變磁場(chǎng)響應(yīng)的電子部件。

（5）超導(dǎo)陶瓷材料

自 20 世紀(jì) 80 年代超導(dǎo)陶瓷研究重大突破后，高溫超導(dǎo)陶瓷材料備受矚目，我國(guó)研究處于世界先進(jìn)水平，當(dāng)前應(yīng)用朝大電流、電子學(xué)、抗磁性等方向發(fā)展。

（6）抗殺菌陶瓷材料

伴隨科學(xué)發(fā)展與社會(huì)文明誕生，無(wú)機(jī)抗殺菌劑分三類：一是將銀、銅、鋅等金屬或離子固定在無(wú)機(jī)材料載體上；二是二氧化鈦粒子光催化抗殺菌劑；三是遠(yuǎn)紅外輻射功能抗殺菌材料，常需與前兩類配合使用。 

3  先進(jìn)陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用

在汽車行業(yè)，使用特殊材料司空見(jiàn)慣，碳纖維、鋁鎂等早有應(yīng)用，然而陶瓷常被誤解僅用于精細(xì)瓷器與衛(wèi)浴產(chǎn)品，實(shí)際上先進(jìn)陶瓷在汽車領(lǐng)域也有諸多潛在應(yīng)用等待挖掘。

 

先進(jìn)陶瓷在汽車上的獨(dú)特呈現(xiàn)

一輛由法國(guó)超級(jí)跑車制造商布加迪與柏林皇家瓷器建造廠聯(lián)合推出的陶瓷版布加迪威龍白金跑車令人矚目。其整車采用陶瓷材質(zhì)打造，油箱蓋、車標(biāo)和輪蓋部位更是運(yùn)用特殊材料精心制作。該車搭載 8 升 W16 引擎，動(dòng)力強(qiáng)勁，可達(dá) 1000 馬力，從靜止加速到 62 英里（約 100 公里）僅需 2.5 秒，最大時(shí)速約 253 英里（407 公里），出廠售價(jià) 160 萬(wàn)英鎊。如此獨(dú)特的設(shè)計(jì)，既彰顯了陶瓷材料在汽車外觀裝飾上的美學(xué)價(jià)值，又展現(xiàn)出其在承載高強(qiáng)度動(dòng)力輸出方面的潛力。

先進(jìn)陶瓷在汽車關(guān)鍵部件的深度應(yīng)用

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)

新型陶瓷多由碳化硅和氮化硅等無(wú)機(jī)非金屬燒結(jié)而成，強(qiáng)度超氧化鋁陶瓷三倍，耐高溫超 1000℃。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，其應(yīng)用意義重大。當(dāng)下汽油機(jī)熱能損失高達(dá) 78%，柴油機(jī)熱效率雖為 33% 但仍有 60% 以上熱能量損耗。若用隔熱性能卓越的陶瓷材料環(huán)繞燃燒室隔熱，并結(jié)合廢氣渦輪增壓器與動(dòng)力渦輪回收排氣能量，試驗(yàn)表明熱效率可提升至 48%，且能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)瞬間快速起動(dòng)。此外，新型陶瓷渦輪增壓器耐熱性遠(yuǎn)超超耐熱合金，比重僅為金屬渦輪的約三分之一，有效彌補(bǔ)金屬渦輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)低的短板。

（2）傳感器

汽車運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)傳感器要求嚴(yán)苛，需長(zhǎng)久適應(yīng)高溫、低溫、振動(dòng)、加速、潮濕、噪聲、廢氣等條件，且具備小型輕量、重復(fù)使用性好、輸出范圍廣等特性。特種敏感陶瓷憑借耐熱、耐蝕、耐磨及優(yōu)良電磁、光學(xué)機(jī)能，制成的傳感器能完美契合上述需求，為汽車精準(zhǔn)運(yùn)行提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

（3）制動(dòng)器

陶瓷制動(dòng)器脫胎于碳纖維制動(dòng)器，經(jīng)多道復(fù)雜工序制成，其碳硅化合物表面硬度近乎鉆石，內(nèi)部碳纖維結(jié)構(gòu)確保堅(jiān)固耐沖擊、耐腐蝕，耐磨性極強(qiáng)。當(dāng)前，該技術(shù)不僅應(yīng)用于 F1 賽車，在超級(jí)民用跑車領(lǐng)域也嶄露頭角，為車輛制動(dòng)提供強(qiáng)大且穩(wěn)定的保障。

（4）減振器

高級(jí)轎車的智能減振器巧妙綜合利用敏感陶瓷的正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)研制而成。憑借高靈敏度陶瓷元件，減振器具備路面識(shí)別與自我調(diào)節(jié)功能，能最大程度降低轎車因粗糙路面引發(fā)的振動(dòng)，提升駕乘舒適性。

（5）噴涂技術(shù)

源于航天技術(shù)的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)已在汽車領(lǐng)域落地生根。該技術(shù)隔熱效果出眾，能耐受高溫高壓，工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件，如活塞頂噴涂氧化鋯、缸套噴涂氧化鋯，可降低散熱損失、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、縮減尺寸并減少燃油消耗，全方位優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

先進(jìn)陶瓷在汽車應(yīng)用的現(xiàn)存挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

盡管特種陶瓷在汽車各部件展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用尚不廣泛。這主要?dú)w因于其制造工藝復(fù)雜、要求極高，原材料選取嚴(yán)格，工藝難以精準(zhǔn)掌控，致使制品性能均勻性差，再加上成本高昂、可加工性欠佳、脆性大、使用可靠性受限等問(wèn)題。

不過(guò)，隨著科技迅猛發(fā)展，未來(lái)汽車制造業(yè)有望迎來(lái)更多特種、智能陶瓷制品。一方面，材料研發(fā)將聚焦攻克現(xiàn)有難題，提升陶瓷材料性能穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與功能性一體化設(shè)計(jì)，探索低成本制備工藝；另一方面，隨著技術(shù)成熟與成本降低，先進(jìn)陶瓷將從高端跑車、賽車等小眾領(lǐng)域逐步拓展至普通民用汽車，深度嵌入汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)，助力汽車向更高效、更智能、更舒適方向邁進(jìn)。

國(guó)內(nèi)外先進(jìn)陶瓷材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)

（1）全球產(chǎn)業(yè)格局

先進(jìn)陶瓷已構(gòu)筑起龐大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，全球年銷售額超 500 億美元，年增長(zhǎng)率 8%。美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)與日本處于領(lǐng)先地位，歐洲其他各國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)大陸與臺(tái)灣地區(qū)也各展所長(zhǎng)。

（2）美國(guó)

近 50 年成果斐然，1994 年克林頓政府增加科研預(yù)算推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，1998 年市場(chǎng)份額近 75 億美元，后續(xù)雖有起伏，但總體穩(wěn)步增長(zhǎng)，2012 年突破 126 億美元。美國(guó)側(cè)重高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，在航天、汽車等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其精密材料陶瓷制品產(chǎn)量占世界總量 60% 以上，生物陶瓷也大量用于臨床，且加緊軍用陶瓷研制。

（3）日本

自 20 世紀(jì) 80 年代后在先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，既是最大生產(chǎn)者，又在功能陶瓷研究稱霸，諸多敏感元件壟斷國(guó)際市場(chǎng)。積極研發(fā)高性能陶瓷電池，力求在汽車、航空航天等領(lǐng)域開(kāi)辟新天地。

（3）國(guó)內(nèi)

我國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年代以氧化鋁陶瓷刀具為起點(diǎn)，逐步拓展研究領(lǐng)域，取得系列成果，部分普通電子陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷能批量生產(chǎn)、出口，但高端產(chǎn)品仍依賴進(jìn)口，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面存在差距，亟待提升先進(jìn)技術(shù)、裝備和管理水平，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

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