科学研究助力陶瓷业 特种陶瓷崭露头角

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摘要：陶瓷具有其他材料所没有的一些性能，如耐磨、耐高温、耐腐蚀，同时还有优异的电、磁、声、光等物理特点。因此它在能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为工业技术特别是尖     陶瓷具有其他材料所没有的一些性能，如耐磨、耐高温、耐腐蚀，同时还有优异的电、磁、声、光等物理特点。因此它在能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料。然而，陶瓷材料容易断裂，裂纹容易扩散，这个致命的弱点严重制约了陶瓷材料的加工、发展和应用。

    在国家自然科学基金的支持下，浙江工业大学教授袁巨龙团队在陶瓷精密加工新的基础理论和实践中取得重要突破，成功研制了基于全包络研磨成球方式的新型精密球体研磨机，实现了陶瓷球的批量高效加工。其主持的“先进陶瓷精密高效加工技术基础研究”项目，被验收专家组综合评价为优秀。

    特种陶瓷崭露头角

    2010年11月，第八届中国国际航空航天博览会在珠海举行，作为中国最大规模的航空航天展会，受到全世界的巨大关注。展会上，歼十、轰六H、C919等一大批代表我国在这一领域水平的新产品得到了展示。鲜为人知的是，陶瓷行业也与此密切相关，其中特种陶瓷更是广泛地应用于这些航空航天器材中。在本次航展上，特种陶瓷应用分别涉及到直升机用防弹装甲陶瓷、飞机刹车盘材料、卫星电池用陶瓷隔膜材料、红外隐身/伪装、陶瓷轴承、导弹用陶瓷天线罩材料等，特种陶瓷凭借其独特的优势在这一领域得到广泛应用。

    陶瓷是一类原料来源丰富，传统技艺悠久，具有坚硬、耐用等一系列优良性质的材料，人类使用陶瓷的历史已有数千年。今天，陶瓷产品已遍及人们生产生活的各个方面，陶瓷工业也成为现代化建设中不可忽视的一个产业。

    陶瓷制品可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷即为我们传统概念中所理解的陶瓷，这一类陶瓷制品是人们生活和生产中最常见和使用的。特种陶瓷用于各种现代工业和尖端科学技术所需的陶瓷制品，其所用的原料和所需的生产工艺技术已与普通陶瓷有较大的不同。特种陶瓷又可根据其性能及用途的不同细分为结构材料用陶瓷和功能陶瓷。结构材料用陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等。功能陶瓷中包括电磁功能、光学功能和生物一化学功能等陶瓷制品和材料，此外还有核能陶瓷和其他功能材料等。

    特种陶瓷采用优化配方和精细生产工艺制造，其具有的优良机械、物理性能，是金属材料无法比拟的。上世纪七八十年代，特种陶瓷已在电子和光学高科技器件中应用出现。随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的要求更高更严，作为具有优良性能的特种陶瓷更是在许多现代国防工业和尖端科学技术领域崭露头角。如航空、航天、半导体、高频技术、高温材料和各种特种用途的新材料、新元件无不需要特种陶瓷材料。

    加工技术的瓶颈

    陶瓷材料性脆，容易断裂，而且裂纹容易扩散，这个致命的弱点严重制约了陶瓷材料的加工、发展和应用。随着特种陶瓷材料的开发和应用，陶瓷材料加工的要求越来越高，加工技术也受到人们的普遍关注。

“在陶瓷材料加工中，研磨是一种重要的精密加工方法。它可分为去除加工、结合加工和变形加工三类。”袁巨龙说，“在精密或超精密加工过程中，比如去除加工时，要去除材料表面的一层原子，就是将材料表面原子与内部原子切开，机械加工必然残留有加工变质层，加工中还伴随着化学反应等复杂现象，处理不好就会影响材料的性能。”

    据介绍，陶瓷材料的超精密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。近年来，我国虽然在超精密加工方面做了大量工作，但是与国外发达国家还有距离。目前，我国大直径、高质量的球类还是依靠进口，然而国外又不愿意出售给我们，致使我国大型风机等应用受到一定制约。

    “影响精密加工和超精密加工的因素主要有加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境、工艺过程设计、夹具设计、人的技艺等。超精密加工手段主要有超精密切削、超精密磨削和超精密研磨抛光以及特种加工等。这其中有很多基础科学问题有待解决。我们目前主要围绕基础几何形状表面（平面、球面、圆柱面）的超精密高效磨削、研磨抛光加工技术与装备，开展一系列原创性的加工方法、关键技术、加工与检测设备研究，形成加工技术及理论体系，并应用于工程实际。”袁巨龙说。

    助力陶瓷精密加工

    在国家自然科学基金的支持下，袁巨龙团队提出了半固着磨粒加工新方法及低结合强度、弱塑性变形的半固着磨具设计技术，揭示了先进陶瓷材料分别在脆性域、塑性域和弹性域均匀去除的加工规律；开发了具有低结合强度、弱塑性变形特性的半固着磨具，建立了其性能检测和评价体系。他们提出了偏心研磨和双自转研磨两种球面全包络研磨成球原理，为解决成球精度低、成球效率低的技术难题提供了理论依据；建立了球面研磨均匀性的定量分析方法，为球体加工工艺过程的优化提供了有效的预测手段。该团队研发了陶瓷球球体加工工艺专家数据库以及球体固着磨料研磨技术、化学机械抛光技术、研磨盘在位修整等陶瓷球精密高效加工关键技术，形成了陶瓷球体精密高效批量加工工艺新方法，并研制了基于全包络研磨成球方式的新型精密球体研磨机，实现了陶瓷球的批量高效加工。

    在项目执行期间，该研究小组发表学术论文58篇，其中被SCI、EI收录80余篇次;在国际会议上作特邀报告4次;获国家科技进步奖二等奖1项，省部级一等奖1项，二等奖1项，三等奖1项;申请发明专利14件，已获得发明专利5件，软件著作权5件；同时还开展了广泛的国际学术交流，培养了一批博士生与硕士生。

    在该项目结题评审时，以中国科学院院士任露泉为组长、中国工程院院士谭建荣为副组长的7人专家组对该项目给予了高度评价，综合评价为优秀。