二十一世纪新型建材展望

^结构陶瓷材料。在三大材料即金属材料、有机高分子材料和无机材料中，无机材料无疑占据了相当重要的地位，而且可以相信，未来无机材料因其特殊的性能和多学科交叉的推动，以及材料、器件、系统一体化的发展趋势，而会占有更加优势的地位。从这种意义上说，实际上陶瓷已经成了无机非金属材料的总称。精细陶瓷（也称新型陶瓷、先进陶瓷等）市场非常广阔，从1985～2000年，全世界先进陶瓷销售额约每5年翻一番。 ^^^^陶瓷特别是结构陶瓷材料实用化的主要障碍，是陶瓷的脆性。纤维（晶须）增韧是解决陶瓷脆性的主要办法之一，因此陶瓷基复合材料越来越受到人们的重视。专家们预测在高温至2200℃条件下使用的材料，惟有陶瓷基复合材料是最有希望的。材料工作者们向陶瓷基内添加各种陶瓷颗粒、纤维和晶须，可制备出各种陶瓷基复合材料。目前一般认为，增韧的方法大致有3种，即（1）弥散韧化；（2）相变韧化；（3）^纤维（晶须）^韧化。自80年代中期，人们就已开始SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究，但在长期使用和研究中发现，S^iC晶须存在高温氧化问题。另外，由S^iC晶须陶瓷材料制造的切削工具在加工钢件时，容易被工件材料溶化以及被N^i、^Fe和C^r置换，^为此人们尝试用T^iN、^T^iC、Al203等晶须增韧陶瓷基复合材料，但由于上述晶须制备工艺因素等方面的限制，此项工作尚处于试验探索中。增韧技术从单一的晶须增韧又发展到多重增韧，如S^iC晶须和Z^rO^2增韧，因为S^iC晶须和Z^rO^2的晶粒细化和韧化具有可加性，能够产生多重韧化效果，进一步提高了陶瓷材料和断裂韧性比S^i^3^N^^4和莫来石陶瓷材料的断裂韧性分别提高了4．7和7．0倍。还有一种用巴基管（一种碳纤维）来增韧、补强纳米S^iC陶瓷材料。结果表明，添加了巴基管后，纳米S^iC的抗弯强度（室温）和断裂韧性均有所提高。对于陶瓷材料的强化，除了传统的纤维强化、晶须强化和纳米复合强化外，现在以固溶为基础的材料制备和材料改性技术也有了发展。所谓固溶复合技术，是指在不改变陶瓷晶粒的原有晶体结构前提下，通过置换某些组分元素，而使陶瓷材料的性能得到较大改变的方法。继纳米复合后，原子和分子尺度的复合将受到关注。另一种功能梯度陶瓷，是对陶瓷的表面进行改性，形成材料的表面压应力，同时可以愈合材料表面的缺陷，从而改进材料的整体性能。通过热等静压氮化后处理工艺，可以在碳化物基体中生长出柱状和针状β－S^i^3^N^^4晶体，这样在S^iC陶瓷材料的表面形成S^i^3^N^4层，^而与体材料的内部在组成上构成梯度的变化，^成为一种梯度结构的S^i3^N^4－S^iC复相陶瓷，^具有高强度（900M^p^a）和高断裂韧性（800M^p^am1／2）。 ^^^^高温陶瓷材料。燃气轮机是喷气式飞机、轮船、发动机组等的动力来源，在热机的高温部件如叶片、转子、导叶、燃烧筒、套管等应用高温陶瓷，对提高热机的热效率具有决定性的作用。要想提高热效率就得提高高温热源的温度。一个发动机组，如果涡轮进口温度从1000℃提高到1200℃，每发一千瓦时的电就可节油0．05公斤，^相当于原来所需燃烧的60％。但以前的金属叶片材料不耐高温，进口温度只能在550℃左右，^这几乎是高温合金的使用温度极限。随着陶瓷材料的发展，特别是陶瓷材料断裂韧性和抗热震性的提高，使各涡轮进口温度可提高到1400℃左右，^S^iC纤维／S^i^3N^4陶瓷制造的涡轮叶片使用温度甚至可高于1500℃。^用高温陶瓷制作切削刀刃，可使刀具在1200℃～1300℃的高温下工作。^而在以前，碳素工具钢刀具的最高使用温度为200℃～250℃，^高速钢的为500℃～600℃，碳化钨钴类硬质合金的为800℃～1000℃，^改进后也只能提高到1100℃。可见耐高温的陶瓷材料是有着广泛的应用前景的。^在美国，^早在1990年陶瓷刀具的年销售额就达到了3500万美元，预计2000年可达1．6亿美元。 ^^^^生物陶瓷必须具备生物相容性、力学相容性、与生物组织有优异的亲和性、抗血栓、灭菌性和很好的物理、化学稳定性。目前，生物医学陶瓷一般分为惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷和吸收性生物陶瓷、^生物更合材料等4大类。如表面活性生物陶瓷中的烃基磷灰石陶瓷（H^A）^的抗压强度可达462～509M^p^a，^比致密骨的89～164M^^p^^a和牙齿的295M^p^a都要高得多。因此H^A大量用作人工骨、人工牙齿。人们对卫生管理的重视，导致了各种抗菌剂制品的产生。一般抗菌制品是在基材中添加抗菌剂制成的，目前使用的抗菌剂以无机抗菌剂即陶瓷剂为主，主要是指以沸石、磷酸钙、硅藻土等陶瓷材料为基体，被覆银、铜、锌等金属离子而制成的抗菌剂以及T^iO^2等光催化抗菌剂。生物磁性材料在医学中的应用是相当广泛的，它可用作造影剂、赤踪剂、靶向饰药系统的载体、人工发热体、骨缺损修复材料及盖髓剂等。 ^^^^金属材料。金属材料由于历史长久，生产已具有相当规模，生产、设计和使用均有成熟的技术和经验。性能价格比和可靠性都较高。因此，现阶段对金属材料的研究一般集中在对现有的基础进行改进和创新。如在铝合金中加入2％～3％的锂，可使比重减小10％，刚度提高10％。前面所提的高温热机，进口温度已接近合金的极限温度，但如果采用金属间化合物，将可能取得突破，现在有一个很具吸引力的钛铝系合金，通过中间化合物的研究，钛合金的使用温度将可能从600℃提高到800℃～900℃。 ^^^^高分子材料虽然发展历史不长，但已取得长足的进步。各种聚合物材料及聚合物基复合材料不断涌现，它们具有许多有效的功能。^如工程塑料具有高强度（500M^Pa）、高模量、^高使用温度（＞150℃）的性能。有些有机高分子材料还具有导电、吸波、发光、磁性等性能。现在高分子共聚物的分子成链，也可通过共混得到不同性能的材料。目前，高分子材料已进入按需设计的阶段，即所谓“分子复合”。^ ^