科技助力陶瓷精加工 特種陶瓷嶄露頭角

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摘要：陶瓷具有其他材料所沒(méi)有的一些性能，如耐磨、耐高溫、耐腐蝕，同時(shí)還有優(yōu)異的電、磁、聲、光等物理特點(diǎn)。因此它在能源、電子、航空航天、機(jī)械、汽車(chē)、冶金、和生物等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景，成為工業(yè)技術(shù)特別是尖      陶瓷具有其他材料所沒(méi)有的一些性能，如耐磨、耐高溫、耐腐蝕，同時(shí)還有優(yōu)異的電、磁、聲、光等物理特點(diǎn)。因此它在能源、電子、航空航天、機(jī)械、汽車(chē)、冶金、和生物等各方面都有廣闊的應(yīng)用前景，成為工業(yè)技術(shù)特別是尖端技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料。然而，陶瓷材料容易斷裂，裂紋容易擴(kuò)散，這個(gè)致命的弱點(diǎn)嚴(yán)重制約了陶瓷材料的加工、發(fā)展和應(yīng)用。

     在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，浙江工業(yè)大學(xué)教授袁巨龍團(tuán)隊(duì)在陶瓷精密加工新的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐中取得重要突破，成功研制了基于全包絡(luò)研磨成球方式的新型精密球體研磨機(jī)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷球的批量高效加工。其主持的“先進(jìn)陶瓷精密高效加工技術(shù)基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目，被驗(yàn)收專(zhuān)家組綜合評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。

     特種陶瓷嶄露頭角

     2010年11月，第八屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)在珠海舉行，作為中國(guó)最大規(guī)模的航空航天展會(huì)，受到全世界的巨大關(guān)注。展會(huì)上，殲十、轟六H、C919等一大批代表我國(guó)在這一領(lǐng)域水平的新產(chǎn)品得到了展示。鮮為人知的是，陶瓷行業(yè)也與此密切相關(guān)，其中特種陶瓷更是廣泛地應(yīng)用于這些航空航天器材中。在本次航展上，特種陶瓷應(yīng)用分別涉及到直升機(jī)用防彈裝甲陶瓷、飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)材料、衛(wèi)星電池用陶瓷隔膜材料、紅外隱身/偽裝、陶瓷軸承、導(dǎo)彈用陶瓷天線罩材料等，特種陶瓷憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在這一領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

     陶瓷是一類(lèi)原料來(lái)源豐富，傳統(tǒng)技藝悠久，具有堅(jiān)硬、耐用等一系列優(yōu)良性質(zhì)的材料，人類(lèi)使用陶瓷的歷史已有數(shù)千年。今天，陶瓷產(chǎn)品已遍及人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，陶瓷工業(yè)也成為現(xiàn)代化建設(shè)中不可忽視的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。

     陶瓷制品可分為兩大類(lèi)，即普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷即為我們傳統(tǒng)概念中所理解的陶瓷，這一類(lèi)陶瓷制品是人們生活和生產(chǎn)中最常見(jiàn)和使用的。特種陶瓷用于各種現(xiàn)代工業(yè)和尖端科學(xué)技術(shù)所需的陶瓷制品，其所用的原料和所需的生產(chǎn)工藝技術(shù)已與普通陶瓷有較大的不同。特種陶瓷又可根據(jù)其性能及用途的不同細(xì)分為結(jié)構(gòu)材料用陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)材料用陶瓷主要用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐熱、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低熱膨脹性和隔熱等。功能陶瓷中包括電磁功能、光學(xué)功能和生物一化學(xué)功能等陶瓷制品和材料，此外還有核能陶瓷和其他功能材料等。

     特種陶瓷采用優(yōu)化配方和精細(xì)生產(chǎn)工藝制造，其具有的優(yōu)良機(jī)械、物理性能，是金屬材料無(wú)法比擬的。上世紀(jì)七八十年代，特種陶瓷已在電子和光學(xué)高科技器件中應(yīng)用出現(xiàn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料的要求更高更嚴(yán)，作為具有優(yōu)良性能的特種陶瓷更是在許多現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)和尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域嶄露頭角。如航空、航天、半導(dǎo)體、高頻技術(shù)、高溫材料和各種特種用途的新材料、新元件無(wú)不需要特種陶瓷材料。

     加工技術(shù)的瓶頸

     陶瓷材料性脆，容易斷裂，而且裂紋容易擴(kuò)散，這個(gè)致命的弱點(diǎn)嚴(yán)重制約了陶瓷材料的加工、發(fā)展和應(yīng)用。隨著特種陶瓷材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，陶瓷材料加工的要求越來(lái)越高，加工技術(shù)也受到人們的普遍關(guān)注。

     “在陶瓷材料加工中，研磨是一種重要的精密加工方法。它可分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工三類(lèi)?！痹摭堈f(shuō)，“在精密或超精密加工過(guò)程中，比如去除加工時(shí)，要去除材料表面的一層原子，就是將材料表面原子與內(nèi)部原子切開(kāi)，機(jī)械加工必然殘留有加工變質(zhì)層，加工中還伴隨著化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象，處理不好就會(huì)影響材料的性能?！?br>
     據(jù)介紹，陶瓷材料的超精密加工是獲得高形狀精度、表面精度和表面完整性的必要手段。近年來(lái)，我國(guó)雖然在超精密加工方面做了大量工作，但是與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有距離。目前，我國(guó)大直徑、高質(zhì)量的球類(lèi)還是依靠進(jìn)口，然而國(guó)外又不愿意出售給我們，致使我國(guó)大型風(fēng)機(jī)等應(yīng)用受到一定制約。

    “影響精密加工和超精密加工的因素主要有加工機(jī)理、被加工材料、加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元件、加工工具、檢測(cè)與誤差補(bǔ)償、工作環(huán)境、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、人的技藝等。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拋光以及特種加工等。這其中有很多基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題有待解決。我們目前主要圍繞基礎(chǔ)幾何形狀表面（平面、球面、圓柱面）的超精密高效磨削、研磨拋光加工技術(shù)與裝備，開(kāi)展一系列原創(chuàng)性的加工方法、關(guān)鍵技術(shù)、加工與檢測(cè)設(shè)備研究，形成加工技術(shù)及理論體系，并應(yīng)用于工程實(shí)際。”袁巨龍說(shuō)。

     助力陶瓷精密加工

     在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，袁巨龍團(tuán)隊(duì)提出了半固著磨粒加工新方法及低結(jié)合強(qiáng)度、弱塑性變形的半固著磨具設(shè)計(jì)技術(shù)，揭示了先進(jìn)陶瓷材料分別在脆性域、塑性域和彈性域均勻去除的加工規(guī)律；開(kāi)發(fā)了具有低結(jié)合強(qiáng)度、弱塑性變形特性的半固著磨具，建立了其性能檢測(cè)和評(píng)價(jià)體系。他們提出了偏心研磨和雙自轉(zhuǎn)研磨兩種球面全包絡(luò)研磨成球原理，為解決成球精度低、成球效率低的技術(shù)難題提供了理論依據(jù)；建立了球面研磨均勻性的定量分析方法，為球體加工工藝過(guò)程的優(yōu)化提供了有效的預(yù)測(cè)手段。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了陶瓷球球體加工工藝專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)以及球體固著磨料研磨技術(shù)、化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、研磨盤(pán)在位修整等陶瓷球精密高效加工關(guān)鍵技術(shù)，形成了陶瓷球體精密高效批量加工工藝新方法，并研制了基于全包絡(luò)研磨成球方式的新型精密球體研磨機(jī)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷球的批量高效加工。

     在項(xiàng)目執(zhí)行期間，該研究小組發(fā)表學(xué)術(shù)論文58篇，其中被SCI、EI收錄80余篇次;在國(guó)際會(huì)議上作特邀報(bào)告4次;獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng);申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利14件，已獲得發(fā)明專(zhuān)利5件，軟件著作權(quán)5件；同時(shí)還開(kāi)展了廣泛的國(guó)際學(xué)術(shù)交流，培養(yǎng)了一批博士生與碩士生。

     在該項(xiàng)目結(jié)題評(píng)審時(shí)，以中國(guó)科學(xué)院院士任露泉為組長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士譚建榮為副組長(zhǎng)的7人專(zhuān)家組對(duì)該項(xiàng)目給予了高度評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)為優(yōu)秀。