■編者按
在人們的印象中，陶瓷是一種堅硬但易碎的物體，缺乏韌性，缺乏塑性。當(dāng)我們的記者走進(jìn)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室，卻發(fā)現(xiàn)了陶瓷的“另一面”。
新型陶瓷改陶瓷易碎的舊形象，既堅且韌，有些新型陶瓷則有著很好的彈性，可以制作成陶瓷彈簧。近年來還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷具有超塑性，斷裂前的應(yīng)變可達(dá)到300％左右，這更是傳統(tǒng)陶瓷所難以想象的。實驗室主任告訴我們：“新型陶瓷的應(yīng)用則更是豐富多彩。目前新型陶瓷已經(jīng)成為材料科學(xué)與工程方面，非�；钴S、極富挑戰(zhàn)的前沿研究領(lǐng)域。”
新型陶瓷：不再是易碎品
記者：唐婷 陳瑜
主任：潘偉
時間：2007年11月9日
地點：清華大學(xué)逸夫樓
冬日暖暖的午后，記者二人走進(jìn)了清華校園，道路兩旁的銀杏葉子在陽光的照耀下顯得分外的透明、澄黃。在迷宮似的逸夫樓里，記者幾經(jīng)周折才找到了新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室主任潘偉的辦公室。
潘偉辦公室里最引人注目的是掛在柜子上的一串五顏六色的千紙鶴。難道潘偉愛做手工？走近一瞧，才看到最大的一只紙鶴上面寫著對潘偉老師的新年祝福，落款是全體學(xué)生，下面墜著的每只小紙鶴上都寫著一個名字。看來，潘偉的學(xué)生緣還真不錯。
記者：潘老師您好，陶瓷在日常生活里隨處可見，那實驗室研究的新型陶瓷和日常生活里的陶瓷有什么區(qū)別呢？
潘老師：是的，日常生活里用到陶瓷的地方很多，比如我們喝水的陶瓷杯子，地上鋪的瓷磚等等都是用陶瓷做的，做這些用途的陶瓷就叫傳統(tǒng)陶瓷，傳統(tǒng)陶瓷主要是采用天然的巖石、礦物、黏土等材料做原料制成的。
而新型陶瓷則采用人工合成的高純度無機化合物為原料，在嚴(yán)格控制的條件下經(jīng)成型、燒結(jié)和其他處理而制成具有一定結(jié)晶組織的無機材料。它具有一系列優(yōu)越的物理、化學(xué)和生物等性能，其應(yīng)用范圍是傳統(tǒng)陶瓷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的，這類陶瓷又稱為特種陶瓷或精細(xì)陶瓷。
在許多人的印象中，陶瓷是一種堅硬但易碎的物體，缺乏韌性，缺乏塑性。而許多新型陶瓷則是既堅且韌，一改陶瓷易碎的舊形象。例如，相變增韌氧化鋯陶瓷就非常堅韌，可以制備陶瓷機械零部件和日用的水果刀等。
日本的企業(yè)家和陶瓷科學(xué)家為了改變?nèi)藗儗μ沾傻膫鹘y(tǒng)印象，特別把這種高技術(shù)陶瓷改制成剪刀和水果刀作為禮品，贈送給公司、企業(yè)的客人，稱之為永不卷刃、永不生銹、永不磨損的刀具。
有些新型陶瓷則有著很好的彈性，可以制作成陶瓷彈簧。近年來還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷具有超塑性，斷裂前的應(yīng)變可達(dá)到300％左右，這更是傳統(tǒng)陶瓷所難以想象的。新型陶瓷的應(yīng)用則更是豐富多彩。目前新型陶瓷已經(jīng)成為材料科學(xué)與工程方面，非常活躍、極富挑戰(zhàn)的前沿研究領(lǐng)域。
記者：哦，原來新型陶瓷有著這些奇妙的功能，那新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室主要研究些什么呢？
潘偉：我們實驗室主要集中在五個方面開展研究工作，一是信息功能陶瓷材料研究，即現(xiàn)代信息通信技術(shù)用微型（片式）電子元器件材料與技術(shù)研究；二是高性能結(jié)構(gòu)陶瓷研究，即苛刻環(huán)境及精密機械部件用陶瓷材料及加工制造技術(shù)；三是陶瓷材料設(shè)計與微加工研究，即陶瓷新材料、新結(jié)構(gòu)的設(shè)計和陶瓷元器件的微加工技術(shù)研究；四是功能復(fù)合陶瓷材料研究，即新型陶瓷基復(fù)合材料及設(shè)計理論；五是能源與環(huán)境材料研究，即新型能源與環(huán)境友好材料及工藝。
在信息功能陶瓷材料及器件的研究上，我們圍繞高性能信息功能陶瓷致密化新技術(shù)與控制原理，低溫?zé)Y(jié)和集成技術(shù)，高性能鐵性陶瓷及薄膜的組成—結(jié)構(gòu)—功能關(guān)聯(lián)、設(shè)計理論和調(diào)控，新型信息功能陶瓷材料體系進(jìn)行了探索研究，對相關(guān)元器件進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)。
在高性能結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的研究上，我們主要圍繞高性能陶瓷的結(jié)構(gòu)與組分設(shè)計理論、陶瓷工藝與材料性能的可*性研究,脆性材料的斷裂與破壞機理的研究，極端環(huán)境下的陶瓷新材料探索、陶瓷材料的低成本高性能制備技術(shù)，無污染、近凈尺寸陶瓷成型技術(shù)，新型耐高溫、高強度、高韌性，耐腐蝕、耐磨損陶瓷材料及其部件的成型與燒結(jié)制備技術(shù)，耐高溫低導(dǎo)熱陶瓷材料及其熱障涂層，透明陶瓷材料及其制備技術(shù)等方面開展研究工作。
記者：圍繞上述研究領(lǐng)域，實驗室取得了哪些研究成果呢？
潘偉：我們實驗室的研究人員的“陶瓷膠態(tài)成型新工藝”課題獲得863計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。通過對該課題的研究，發(fā)明了陶瓷水基膠態(tài)注射成型新工藝，提出壓力誘導(dǎo)陶瓷濃懸浮體固化機制，創(chuàng)造性的實現(xiàn)了陶瓷非塑性漿料的注射成型，克服了由溫度梯度導(dǎo)致的坯體固化不均勻現(xiàn)象。該工藝自動化程度高，成型的陶瓷產(chǎn)品有機物含量低、坯體均勻性好、燒結(jié)體性能優(yōu)異、制造成本低。
在該項目研究過程中，研制成功了國際上第一臺膠態(tài)注射成型機，并已成功用于多種高技術(shù)陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。該項目的研究成果中已經(jīng)獲授權(quán)的中國發(fā)明專利有14項、獲授權(quán)的實用新型專利有2項。該項目的研究獲得了2005年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
面向電感類元件片式化和集成化工藝的核心技術(shù)問題，在國家863計劃的支持下我們對低溫?zé)Y(jié)鐵氧體材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出并發(fā)展了新穎的軟磁鐵氧體陶瓷低溫?zé)Y(jié)技術(shù)路線，這項研究的成果獲得了2005年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
該成果的基本特點是不僅僅采用通常的低燒添加劑來降低燒成溫度的辦法，而是通過高燒結(jié)活性的納米陶瓷前驅(qū)體、配合復(fù)合燒助劑協(xié)同作用，將低溫?zé)Y(jié)—控制顯微結(jié)構(gòu)—材料改性相結(jié)合，設(shè)計獨特的材料配方和燒結(jié)工藝，達(dá)到了低溫?zé)Y(jié)與性能改善的雙重目的，解決了鐵氧體材料低溫?zé)Y(jié)與高性能難以兼顧的技術(shù)難題，發(fā)展出了三大類新型高性能低溫?zé)Y(jié)鐵氧體材料系統(tǒng)，拓展了片式電感類元件的感量、頻率和用途空間。
近幾年來，通過發(fā)展格林函數(shù)理論及微擾方法（多重散射理論），本實驗室研究人員較系統(tǒng)地對陶瓷基復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)與性能（包括線性、非線性、耦合及非線性耦合性能）之間關(guān)系進(jìn)行了系列理論模擬，形成了描述及預(yù)測材料顯微結(jié)構(gòu)─性能定量關(guān)系的基本理論框架：顆粒多重散射理論。特別是在這個框架中，建立了信息功能陶瓷材料的多場耦合效應(yīng)新理論。該項目主要成果獲得了2005年度國家自然科學(xué)獎二等獎。
記者：據(jù)我們所知，實驗室在注重基礎(chǔ)研究的同時，也非常注重科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化工作，而且在這方面也取得了可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。
潘偉：是這樣的。
我們利用陶瓷膠態(tài)成型新工藝成果建立了陶瓷膠態(tài)（注射）成型中試基地，研制成功具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝裝備，開發(fā)了造紙機全陶瓷脫水元件、高功率金紅石陶瓷電容器、超大功率新型復(fù)合陶瓷臭氧發(fā)生器薄壁管、高性能陶瓷系列微珠等產(chǎn)品。
我們在河北邯鄲高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)建立陶瓷膠態(tài)注射成型成果轉(zhuǎn)化和規(guī)�；a(chǎn)基地，占地166畝，現(xiàn)已建成近萬平方米的生產(chǎn)車間和年產(chǎn)5000噸陶瓷微珠生產(chǎn)線，預(yù)計實現(xiàn)年產(chǎn)值2億元，利稅5000—6000萬元。還以該技術(shù)為核心成立了邯鄲市先進(jìn)陶瓷工程技術(shù)研究院，整體提升和改造邯鄲市的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
近年來，根據(jù)常壓燒結(jié)技術(shù)及缺陷化學(xué)原理，我們研制出細(xì)晶、高介、抗還原BaTiO3基陶瓷，為新一代高性能*金屬內(nèi)電極多層陶瓷電容器薄層化、微型化提供了關(guān)鍵材料技術(shù)，在新型*金屬內(nèi)電極片式多層陶瓷電容器領(lǐng)域擁有了多項發(fā)明專利成果。高性能低燒多層陶瓷壓電變壓器及背光電源已在西安康鴻公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，這一具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性成果在國家有關(guān)部委及國家863計劃的支持下，在西安建立了片式壓電變壓器生產(chǎn)基地。目前該基地年產(chǎn)值過億元，對支援西部經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了重要作用。
我們還在磁性陶瓷材料的低溫?zé)Y(jié)方面開展了一系列開拓性研究，解決了一系列工藝技術(shù)和應(yīng)用的實際問題，發(fā)展出了若干種擁有自主知識產(chǎn)權(quán)(擁有多項發(fā)明專利成果)新型片式電感器材料和技術(shù)。其成果在山東同方魯穎電子企業(yè)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化，在清華同方公司建立了年產(chǎn)10億只片式電感器的生產(chǎn)基地，推動了國內(nèi)片式元件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
