技术陶瓷在节能环保领域中的应用

苗赫濯教授简介

    清华大学教授，博士生导师，国际陶瓷科学院院士
    中国机械工程学会材料分会名誉理事，工程陶瓷专业委员会名誉主任委员
  北京市人民政府专业顾问

主要成果：
    透明A1203陶瓷及高压钠灯，荣获全国科学大会奖，国家教委科技进步二等奖
    氮化硅陶瓷刀具及复合氮化硅刀具，荣获国家发明二等奖，日内瓦国际发明展览会镀金牌奖
    高耐磨性复合金属陶瓷刀具材料，通过国家鉴定，属国际首创
    钢水连续测温用BN基复合陶瓷热电偶保护管，通过国家鉴定，属国际首创陶瓷刀具热等静压烧结技术，通过国家鉴定，填补国内空白
    陶瓷刀具中试生产技术及装备研究，国家“八五”科技攻关重大成果奖

    了了亭 景德镇陶瓷艺术馆 资讯 本文刊发于《博览陶瓷》开拓节能环保新技术能源与环境是关系我国经济能否持续发展，甚至是影响千秋万代的头等大事。近年来陶瓷研究工作者利用结构陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、高热导及其它光电特性，在能源回收、隔热、照明、冶炼、金属工艺等过程中实现节能降耗、减少污染、环境保护方面，做出许多卓有成效的工作。能耗很高。2001年开始采用蜂窝陶瓷蓄热燃烧技术回收冶金、建材窑炉排出的高温烟气的余热，达到节约燃料20%—40%的效益。近年来上硅所开展了采用高导热SiC陶瓷管式热交换器来回收中低温的余热的研究工作，取得初步成效，被列入国家“十一五”及”863”计划。

一、陶瓷热交换器

二、透明陶瓷金属卤化物灯

    冶金、机械、电力、石化、建材、水泥、玻璃等工业部门是国家的耗能大户。这些工业部门所采用的高温燃烧设备中，排烟（气）温度很高，往往超过1000℃，而且有严重的化学腐蚀性。烟气带走的热能约占总燃料能量的30%—70%。此外在其它众多的工业部门和日照明用电量在终端用电中仅次于电机，居第二位。中国照明耗电大体占全国总发电量的10%-14%，耗电达三峡水利发电工程全年发电能力(8.4x1010 kW．h)的2倍左右。金属卤化物灯过去用石英玻璃作灯管，工作温度只有800C，因而光效只有60-701 M/ W。近年来欧洲、日本采用透明陶瓷作灯管，工作温度可提高到1200—1300℃，光效可达90-951m/W以上。由于陶瓷金属卤素灯不仅光效高，寿命长，而且显色性好，接近日光，所以既可用于室外大面积照明，也可用于要求显色性好的室内大面积照明，应用范围十分宽广。有资料表明，欧洲若采用透明陶瓷取代石英玻璃制作金属卤化物灯，一年可节约7.Ox109kW.h照明用电，相当于一个规模较大的发电站的发电量。目前美国CE公司、荷兰Philips公司、日本NGK公司和德国的Osram公司已有透明陶瓷金属卤化物灯投放市场。国内清华大学和上硅所已经开展了这方面的研究工作，并列入“十一五”及”863”计划。

三、陶瓷切削刀具

常生活中，中、低温废气废液的排放也带走相当多的热量，而且更容易被忽视。
  相对于金属热交换器（不锈钢、铜、钛、钽）来说，陶瓷热交换器工作温度高，耐腐蚀，寿命长，节能率高。例如在炼钢炉中安装SiC陶瓷热交换器后，从烟气中回收的热量可达烟气总热量的49.5%，从而节约天然气消耗27%0特别是有的陶瓷材料热导率也很高。如碳化硅陶瓷的热导率，为金属中热导率最高的钽的2 倍多，为不锈钢的5倍，玻璃的l5倍。因此过去认为温度低、温差小、难以回收的废气废液的余热，SiC的高导热也能取得显著的节能效果。
    在中国，相当多的余热被白白放走了，导致产值2002年以后中国已超过德国和美国成为世界上最大的机床消费国。机械加工过程的消耗包括：(1)能源——机床开动的电力，加工过程中的热处理（如退火、淬火等），加工中消耗的能源在中国总的能源消耗中占很大的比重；(2)贵重金属资源(W，Co，Mo等)；(3) 冷却液——占加工成本的1 50/0—20%，而且带来环境污染。
    多年来，不少单位都开展了新型陶瓷7）具的研究，取得显著的效果。如清华大学在以往成功采用复合氮化硅陶瓷刀具加工各类铸铁件，大幅度节约加工用电和退火用电的基础上，近年来他们又研制成功了复合TiCN金属陶瓷刀具，实现了对淬硬钢“以车铣代磨干切削”的加工技术革新，在）台金轧辊、轴承、滚珠丝杠、齿轮、气门、模具、矿山机械、军工等十几个行

业数百家企业推广应用，不仅提高加工效率2-7倍，节约加工用电50%-70%，还因耐用度高而大幅度节省贵重金属资源。如加工某军工零件，用l kg复合TiCN金属陶瓷刀具，可节省30-50 kg由战略性贵
重金属制成的硬质合金。此外，还减少甚至取消冷却液的使用，减少环境污染，实现绿色加工。

四、紧紧跟踪国际科技前沿，对新设想新技术进行广泛探索，在学习中进行创新

I一）凝胶注模成型技术
    20世纪80年代末美国橡树岭国家实验室的M．A.Jennv和O．o．Omatete教授发明了一种胶态成型新工艺，是把陶瓷粉末分散于含有有机单体（如丙烯酰胺）和交联剂（如N，N’一亚甲基双丙烯酰胺）的水溶液或非水溶液中，制备出流动性良好且固相体积分数高(>50vol%) 的浆料。然后加入引发剂（如过硫酸铵）和催化剂，将浆料注入模具中，在一定的温度条件下，引发有机单体聚合交联形成三维网络结构的高聚物，从而使液态浆料转变成固态坯体。
    此后国内许多单位对凝胶注模成型都进行了深入的研究。例如山东工陶院采用凝胶注模成型方法，解决了浮法生产玻璃窑用的大尺寸复杂形状熔融石英陶瓷闸板砖、锡槽砖和盖板砖／长1.5—3 m，宽o．5—1.5 m，重100—600 kg)的成型问题。其料浆的固相体积含量可达到80%，已在大生产中投入使用。
    以往用流延成型法生产A1203陶瓷基片，虽然自动化程度高，但设备昂贵，耗能高，有机物排除污染严重。北京航空材料研究院研制成功了A1203陶瓷基片水基料浆凝胶注模成型技术。其特点是将经过真空排除气泡的凝胶料浆，浇注入叠层玻璃模具的间隙之中，然后原位凝固而形成一片片很薄的基片坯体。由于采用叠层玻璃模具取代了昂贵的流延机，所以总的设备投资仅为流延法生产线的1/10，而且操作简单，成本低，由于有机物少，污染减轻；坯体的密度和烧成后基片的密度均高于流延法相应的密度，其性能指标达到或超过日本京瓷流延法生产的产品标准。
    为了提高凝胶注模成型工艺的自动化程度，清华大学将凝胶注模工艺与注射成型工艺结合起来，研制成功了胶态注射成型新工艺。以往凝胶注模成型一般是用手工或简单机具浇注入模，而此方法则是用专用的注射机，利用料浆原有的流动性，通过压力将其注射入模，然后在模具中原位固化，从而提高了凝胶注模成型的生产效率和自动化程度。另外由于比传统的热塑性注射料的有机物含量少，所以排胶比较容易。他们的研究还表明，除了温度以外，压力也能缩短凝胶引发期的．时间。他们介绍用这种胶态注射成型工艺，成型高功率金红石陶瓷电容器、造纸机全陶瓷脱水元件和臭氧发生器用薄壁陶瓷管等。

  （二）放电等离子烧结技术
    放电等离子烧结技术源于20世纪30年代美国科学家提出的脉冲电流烧结原理。但直到1988年，日本井上研究所研制出第一台SPS装置，才在新材料研究领域内推广应用。 为了开展SPS的研究工作，中国武汉理工大学、中科院上硅所、清华大学、北京工业大学和武汉大学等都相继从日本引进了SPS设备。北京钢铁研究总院和华南理工大学则先后自行研制了SPS设备。  TiB2由于其强的共价键结合，烧结十分困难，利用传统的烧结方法很难将其烧结致密。采用热压烧结工艺在1800℃条件下保温2h，相对密度也只能达到97%以上。武汉理工大学利用放电等离子烧结技术制备纯TiB2陶瓷，烧结温度16000C：，压力30MPa，保温1—3 min，即可获得相对密度达99%以上的致密烧结体。
    高濂等用SPS技术，在短的时间里（几分钟到十几分钟）实现陶瓷的致密化，有效抑制烧结过程中的晶粒长大，使复粕陶瓷中的一相或多相晶粒尺寸控制在纳米量级。如所制备的SiC- A1203纳米复相陶瓷，其抗弯强度由基体材料的350 MPa提高到980 MPa。 陈国清等对用醇，水溶液加热法制备的分散良好的A1203cLr02纳米复合粉体，采用SPS超快速烧结技术，制备出抗弯强度高达1070MPa，断裂韧性为10.42 MPa.MI/2的20 mOl%2r02(3Y)- A1203纳米复相陶瓷。

（三）微观结构设计
    长期以来，为了获得优良的力学性能，人们往往追求”细、密、匀、纯”的显微结构。而今，这4个字已不足以概括研究者的努力方向，至少还要加上“长”、”层”、“孔”几个字。“长”是指追求晶粒的长柱状（或称棒状），以提高陶瓷的韧性和强度；“层”是指层状材料，例如在层间形成弱界面引导裂纹的转向，来提高陶瓷的断裂韧性；“孔”是指在材料中造孔，近年来把结构陶瓷应用于过滤材料，取得良好的效果。如出现所谓多孔陶瓷、微孔陶瓷、介孔陶瓷等。