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導(dǎo)語：在粉末冶金新技術(shù)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：粉末冶金；發(fā)展；探究
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.011
1 粉末冶金的起源c概述
1.1 粉末冶金的起源
在1930年代，螺旋磨削后還原鐵粉，因此鐵粉和碳粉制成的鐵基粉末冶金方法的機(jī)械零件獲得快速發(fā)展。 第二次世界大戰(zhàn)后，粉末冶金技術(shù)就得到了快速發(fā)展，新的生產(chǎn)技術(shù)和技術(shù)設(shè)備，許多新材料和產(chǎn)品可以衍生出一些特殊材料的制造領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分。
1.2 粉末冶金的概述
粉末冶金是一項(xiàng)能將金屬粉末或金屬粉末（或金屬粉末和非金屬粉末的混合物）作為原料燒結(jié)，制造出金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型的產(chǎn)品技術(shù)。粉末冶金方法和生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，都是粉末燒結(jié)技術(shù)的一部分，因此，一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它已成為解決問題的關(guān)鍵性新材料，在整個(gè)工程系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。但是從定義上說粉末冶金產(chǎn)品往往是遠(yuǎn)超出了材料和冶金的范圍，通?？缭蕉鄠€(gè)學(xué)科（材料、冶金、機(jī)械、力學(xué)等）的技術(shù)。特別是現(xiàn)代金屬粉末3 d打印技術(shù)，集機(jī)械工程、AUTOCAD、逆向工程技術(shù)，分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)共同與粉末冶金產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)入一個(gè)更全面的現(xiàn)代技術(shù)的學(xué)科。
2 我國(guó)粉末冶金面臨的技術(shù)難題
我國(guó)冶金技術(shù)目前的困難，是如何積極培育自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力的團(tuán)隊(duì)已成為國(guó)家和企業(yè)急需的解決問題。我們都知道汽車零部件核心技術(shù)的價(jià)值所在，高價(jià)值主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣閥，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，傳動(dòng)齒輪同步器錐環(huán)和泵在主從動(dòng)齒輪等等。在這些零部件中，主流技術(shù)，粉末冶金技術(shù)。如：連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，許多進(jìn)口車型的繪圖規(guī)則都有連桿疲勞試驗(yàn)載荷，而且載荷下的載荷疲勞循環(huán)次數(shù)每年超過500多萬次。而國(guó)產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿鍛造鋼連桿和連桿疲勞鑄造用途大多數(shù)次大于500000周以上是比較困難的，因?yàn)槠囦摬考倪B桿沒有切割，微小缺陷對(duì)連桿的疲勞壽命影響較大。國(guó)外主流主要采用粉末鍛造，如：別克汽車，德國(guó)的寶馬，GNK公司制造的連桿甚至達(dá)到了1041MPa的抗拉強(qiáng)度。因此，要培養(yǎng)自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，首先必須加強(qiáng)對(duì)粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)零部件的競(jìng)爭(zhēng)力，從技術(shù)薄弱為突破點(diǎn)。
3 粉末冶金在我國(guó)工業(yè)家族中的布局與現(xiàn)狀
3.1 布局
根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，34家企業(yè)有國(guó)內(nèi)大中型粉末冶金生產(chǎn)（占全國(guó)64%），53家企業(yè)數(shù)量累計(jì)產(chǎn)量長(zhǎng)期53家企業(yè)生產(chǎn)比重高達(dá)85% ，大多數(shù)都是粉末冶金部件制造商有34家公司專注于進(jìn)行改革發(fā)展。 在過去十年中，我國(guó)受益于汽車生產(chǎn)的增長(zhǎng)，汽車用粉末冶金零件的需求也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的局面。 未來，除了汽車工業(yè)本身的成長(zhǎng)，粉末冶金部件的需求也將從雙重替代進(jìn)口替代和加工零件更換中受益，粉末冶金用量將得到明顯改善，保護(hù)傳統(tǒng)粉末冶金汽車備件的需求將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。自2008年以來，從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，由于價(jià)格優(yōu)勢(shì)，世界粉末冶金生產(chǎn)焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向中國(guó)，日本的生產(chǎn)，有明顯的下降。根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)在34家粉末冶金企業(yè)生產(chǎn)基地，2009/2010/2011粉末冶金自行車用量分別為3.1 / 3.6 / 3.76 kg / m，消費(fèi)增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，2011年略有下降，2012年并恢復(fù)到3.71 kg / m的水平。行業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為，考慮到車輛節(jié)能，產(chǎn)品輕便和精確的吸引力，隨著中國(guó)粉末冶金生產(chǎn)企業(yè)的未來規(guī)模大，技術(shù)加強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)仍強(qiáng)，進(jìn)口替代粉末冶金零件在需求增長(zhǎng)的趨勢(shì)下將繼續(xù)發(fā)生。
3.2 現(xiàn)狀
根據(jù)中國(guó)研究結(jié)果，2017年我國(guó)粉末冶金產(chǎn)品的平均自行車用量至少為8公斤，這個(gè)差異不從國(guó)外計(jì)算粉末冶金用量（進(jìn)口或部分裝配件）的發(fā)動(dòng)機(jī)，這部分進(jìn)口替代需求構(gòu)成了粉末冶金部件未來需求增長(zhǎng)的一部分。我們保守估計(jì)，未來車輛本地化的粉末冶金的更換率約為自行車用量的7% - 9%。研究及相關(guān)原材料，輔助材料，各種粉末制備，燒結(jié)設(shè)備制造設(shè)備的生產(chǎn)。 產(chǎn)品包括軸承，齒輪，硬質(zhì)合金刀具，模具，摩擦產(chǎn)品等。 軍事企業(yè)，采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)鎧裝穿刺魚雷，制動(dòng)副坦克等飛機(jī)的重型武器裝備。 粉末冶金汽車零部件近年來已成為粉末冶金工業(yè)在中國(guó)最大的市場(chǎng)，約60%的汽車零件用于粉末冶金零件。
4 粉末冶金在我國(guó)的發(fā)展前景
4.1 發(fā)展
粉末冶金工業(yè)在中國(guó)已經(jīng)有近十幾年的快速發(fā)展，但與國(guó)外工業(yè)仍存在差距如：企業(yè)規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)，與國(guó)外企業(yè)長(zhǎng)距離。 各種產(chǎn)品交叉，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。況且大多數(shù)企業(yè)缺乏技術(shù)支持，研發(fā)能力，產(chǎn)品規(guī)模低，難以與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)。加工設(shè)備及配套設(shè)施落后。產(chǎn)品的出口貿(mào)易渠道常被限制。
4.2 前景
隨著中國(guó)加入了世界貿(mào)易組織，上述問題已顯著經(jīng)改善，因?yàn)榧尤胧澜缳Q(mào)易組織后，國(guó)際市場(chǎng)將逐漸使粉末冶金市場(chǎng)將進(jìn)一步得到擴(kuò)大的機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，越來越多的企業(yè)在引入粉末冶金和相關(guān)技術(shù)水平的外國(guó)資本和技術(shù)，我國(guó)冶金項(xiàng)目有就是這樣得到改善和發(fā)展的。依據(jù)目前的數(shù)據(jù)，我國(guó)的粉末冶金零件與各項(xiàng)產(chǎn)值超過55.1億人民幣，占全球市場(chǎng)份額非常的小，根據(jù)我國(guó)國(guó)粉末冶金制造業(yè)在2014年和2018年生產(chǎn)報(bào)告和銷售記錄預(yù)測(cè)出轉(zhuǎn)型的升級(jí)空間等。中國(guó)粉末冶金行業(yè)中的54家企業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)粉末冶金零部件的生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)了主營(yíng)業(yè)務(wù)收入484.11億元，增長(zhǎng)40左右同比增長(zhǎng)了2個(gè)百分點(diǎn)，利潤(rùn)為7.6億元人民幣，是去年同期的兩倍左右。在生產(chǎn)粉末冶金零部件行業(yè)里頭實(shí)現(xiàn)了工業(yè)產(chǎn)值突破了57億多元人民幣，其中新產(chǎn)品的產(chǎn)值達(dá)到了7.3億RMB，新產(chǎn)品（新產(chǎn)品輸出/工業(yè)產(chǎn)值）所占比例為14.4%。且行業(yè)銷售產(chǎn)值達(dá)到57.73億元RMB，其中出口價(jià)值8.28億元RMB，出付價(jià)值/工業(yè)銷售價(jià)值的21.62%。從生產(chǎn)規(guī)模和銷售規(guī)模分析，根據(jù)中國(guó)粉末冶金協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國(guó)粉末冶金零部件的行業(yè)產(chǎn)量2.61142億噸，增長(zhǎng)49.31%；銷售了182萬噸左右，增長(zhǎng)63.75%。先后通過引進(jìn)了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和自主發(fā)展創(chuàng)新，在我國(guó)粉末冶金工業(yè)的新技術(shù)的表現(xiàn)和快速發(fā)展的趨勢(shì)下，在各種我國(guó)的機(jī)械通用零部件行業(yè)里，粉末冶金行業(yè)是這一年增長(zhǎng)和發(fā)展得最快的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，我國(guó)家的GDP增長(zhǎng)率是36.12%。當(dāng)下全球制造業(yè)迅速轉(zhuǎn)移到中國(guó)的步伐正在加速，各種汽車工業(yè)和高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展都離不開粉末冶金的各項(xiàng)技術(shù)，因此。粉末冶金行業(yè)的發(fā)展給各種行業(yè)的發(fā)展帶來了一個(gè)個(gè)有利的機(jī)會(huì)和良好的市場(chǎng)空間。所以，我國(guó)將粉末冶金產(chǎn)業(yè)列為了我國(guó)優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)，并鼓勵(lì)外企和投資公司對(duì)其進(jìn)行大力發(fā)展。
5 結(jié)束語
粉末冶金工業(yè)是機(jī)械工業(yè)在重要零部件制造中的基礎(chǔ)。 近年來，中國(guó)自行發(fā)展通過不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新，粉末冶金工業(yè)和技術(shù)在中國(guó)的組合顯示出了快速發(fā)展的趨勢(shì)，是中國(guó)機(jī)械通用部件行業(yè)增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。 在中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中，特別是在中國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的推動(dòng)下，中國(guó)粉末冶金行業(yè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁。 粉末冶金汽車配件占45%以上，粉末冶金汽車配件成為中國(guó)粉末冶金行業(yè)最大的市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)：
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新材料是指新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的、具有傳統(tǒng)材料所不具有的優(yōu)異性能的材料。與傳統(tǒng)材料相比，新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)高度密集、更新?lián)Q代快、研究與開發(fā)投入高、保密性強(qiáng)、產(chǎn)品的附加值高、生產(chǎn)與市場(chǎng)具有強(qiáng)烈的國(guó)際性、產(chǎn)品的質(zhì)量與特定性能在市場(chǎng)中具有決定作用。
綜觀全世界，新材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，支撐著一大批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作用，成為各個(gè)國(guó)家搶占未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展制高點(diǎn)的重要領(lǐng)域，其研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。
現(xiàn)今世界上各種新材料市場(chǎng)規(guī)模每年已超過4000多億元，由新材料研究產(chǎn)生的新技術(shù)和由新技術(shù)制成的新產(chǎn)品則有著更大的市場(chǎng)。
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，特別是城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，新材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓寬，產(chǎn)業(yè)波及效應(yīng)逐步提高，新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊。國(guó)家為促進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后出臺(tái)了多種優(yōu)惠政策，并給予了大力支持。
長(zhǎng)治市具有先天的資源優(yōu)勢(shì)。白云巖、鎂、鋁、鐵等礦產(chǎn)儲(chǔ)量非常豐富，僅黎城縣已探明的鐵礦儲(chǔ)量就有7000萬噸，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量在1億噸以上，全鐵品位達(dá)30.6％，磁性鐵平均品位22.79％，礦石主要成分國(guó)內(nèi)稀有，被專家稱為“黑色金子”，經(jīng)北京科技大學(xué)和長(zhǎng)沙礦冶研究院檢測(cè)表明，各種元素含量均符合生產(chǎn)超純精礦粉要求，是目前國(guó)內(nèi)最好的粉末冶金原料。
經(jīng)過多年的發(fā)展，長(zhǎng)治的新材料產(chǎn)業(yè)已有建設(shè)的基礎(chǔ)。其中鎂及鎂合金材料、納米材料、新型紡織材料、釹鐵硼永磁材料、鑄造用環(huán)保材料已順利啟動(dòng)，粉末冶金材料、精密工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料已具有相當(dāng)規(guī)模。
著眼新材料發(fā)展要求，圍繞新材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，長(zhǎng)治重點(diǎn)建設(shè)“以長(zhǎng)治鋼鐵集團(tuán)H型建筑鋼、常平集團(tuán)高速線材為龍頭的鐵礦－煉鐵－鋼材－高爐煤氣余熱發(fā)電和冶金礦渣綜合利用－材鏈”、“以黎城粉末冶金、亞瑞粉末冶金、華特公司釹鐵硼永磁材料為龍頭的鐵礦石－精礦粉－粉末冶金－壓鑄件和磁性材料鏈”、“以武鄉(xiāng)同翔鎂業(yè)、晉王鎂業(yè)、潞城大祥金屬鎂為龍頭的白云石－鎂－鎂合金鏈”、“以霍家工業(yè)公司等為龍頭的石灰石－電石乙炔－PVC鏈”、“以開發(fā)硅礦－工業(yè)硅－多晶硅一單晶硅鏈”五大循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，并逐漸成為長(zhǎng)治新的重要經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
鐵－鋼－材－特種鋼材產(chǎn)業(yè)鏈。重點(diǎn)推動(dòng)以長(zhǎng)鋼為龍頭的6+1方案的鋼鐵企業(yè)聯(lián)合重組，聯(lián)合建設(shè)1080高爐，加快長(zhǎng)鋼中型H型鋼、長(zhǎng)信150萬噸新線、常平100萬噸高線、興寶線材等優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品的建設(shè)和生產(chǎn)。并支持高爐煤氣、余熱、余壓發(fā)電、污水回收利用和冶金渣綜合利用項(xiàng)目配套建設(shè)，推廣煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼煤氣作燃料和噴吹煤技術(shù)，形成冶金循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。
礦石－精礦粉－粉末冶金－壓鑄件產(chǎn)業(yè)鏈。重點(diǎn)圍繞黎城古寺頭40萬鐵礦、黎城粉末冶金10萬噸還原鐵粉、沁縣亞華20萬噸還原鐵、開發(fā)區(qū)福萬達(dá)1萬噸粉末冶金零部件和平順億通10萬噸鑄件項(xiàng)目建設(shè)。
硅礦－化學(xué)級(jí)工業(yè)硅－多晶硅－單晶硅－太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈。依托平順、黎城豐富優(yōu)質(zhì)的硅礦資源，以潞安集團(tuán)、天順達(dá)公司為實(shí)施主體，建設(shè)山西潞安多晶硅項(xiàng)目，依托天脊集團(tuán)建設(shè)5萬噸級(jí)甲基氯硅烷等有機(jī)硅單體項(xiàng)目，抓好高新區(qū)高純硅工業(yè)研發(fā)中心建設(shè)，形成以平順、黎城硅礦資源地的工業(yè)硅園、潞安集團(tuán)東古電化工的多晶硅園、高新區(qū)集研發(fā)、生產(chǎn)太陽能電池件系列的光伏工程園以及潞城店上有機(jī)硅材料園等四個(gè)工業(yè)園區(qū)。
白云石－鎂－鎂合金－制品鏈。重點(diǎn)支持郊區(qū)潤(rùn)德鎂制造有限公司鎂鋁合金型材、武鄉(xiāng)鎂業(yè)有限公司2萬噸擴(kuò)能改造、山西華寶集團(tuán)利用焦?fàn)t煤氣建設(shè)1.2萬噸鎂及鎂合金等項(xiàng)目建設(shè)。
石灰石－水泥熟料粉煤灰(礦渣)水泥－水泥制品鏈。加快推廣新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)，扶持日產(chǎn)4500噸以上的新型干法水泥生產(chǎn)線和60萬噸以上的水泥粉磨站項(xiàng)目。重點(diǎn)扶持華泰水泥熟料有限公司100萬噸水泥粉磨站、75萬噸水泥熟料生產(chǎn)線二期、黎城上海國(guó)大集團(tuán)兩條日產(chǎn)4500噸水泥生產(chǎn)線、沁源康廈公司60萬噸粉煤灰水泥等項(xiàng)目。
鋼鐵龍頭企業(yè)長(zhǎng)鋼的固體廢棄物主要有尾礦、高爐渣、鋼渣、粉煤灰、含鐵塵泥(灰)等，過去廢棄堆積，成了名副其實(shí)的垃圾和污染源。近年來，通過發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，這些昔日的“垃圾”已成為當(dāng)前寶貴生產(chǎn)資源。對(duì)高爐渣，采用INBA水渣處水處理系統(tǒng)處理，通過建設(shè)120萬t／a礦渣水泥生產(chǎn)線，每年利用水渣44萬噸、煤矸石8－5萬噸。對(duì)煉鋼尾渣，則通過鋼渣加工業(yè)三種方式再利用：建設(shè)制磚生產(chǎn)線；冶金渣微粉項(xiàng)目基地：用鋼渣做路基回填料。
襄煤集團(tuán)不僅是長(zhǎng)治煤電循環(huán)鏈的龍頭企業(yè)，更是新材料產(chǎn)業(yè)循環(huán)鏈的示范性企業(yè)。在該集團(tuán)總投資24－8億元人民幣，年產(chǎn)能60萬噸聚氯乙烯樹脂項(xiàng)目的建設(shè)工地，記者看到一派熱火朝天的繁忙景象，成套的設(shè)備已經(jīng)整齊的排列在廣場(chǎng)，工人們正在緊張地搬運(yùn)機(jī)械、安裝設(shè)備，整個(gè)工程已進(jìn)入最后的沖刺階段。
集團(tuán)安礦長(zhǎng)介紹說，該項(xiàng)目由天津渤海集團(tuán)化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，工程采用先進(jìn)的離子膜電解工藝、塔式氣提脫析氯乙烯技術(shù)、70立方米聚合釜等溫密閉進(jìn)料技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，項(xiàng)目不僅符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，而且生產(chǎn)工藝全國(guó)領(lǐng)先。
當(dāng)前一期投資9－98億元，建設(shè)年產(chǎn)聚氯乙烯20萬噸、年產(chǎn)離子膜燒堿20萬噸，再過些天，這里就可以投入試車生產(chǎn)，屆時(shí)煤炭生產(chǎn)的下游產(chǎn)品和一些廢料就可轉(zhuǎn)化為潔白如玉的聚氯乙烯。項(xiàng)目完成后，年可實(shí)現(xiàn)銷售收入16億元，利稅3－5億元，并使企業(yè)形成以“原煤－精煤－發(fā)電－冶煉－化工－建材”為主的新型產(chǎn)業(yè)鏈條。
由于襄煤集團(tuán)已在煤炭下游建成了電石、發(fā)電企業(yè)，而且生產(chǎn)聚氯乙烯的蒸汽也可由企業(yè)自給，該項(xiàng)目具有明顯的成本比較優(yōu)勢(shì)，也成為襄煤集團(tuán)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重點(diǎn)項(xiàng)目，并被列為山西省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)工程項(xiàng)目。通過建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，園區(qū)形成大循環(huán)，公司形成小循環(huán)，建設(shè)成一個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園區(qū)，襄垣煤礦集團(tuán)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。
我國(guó)發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)的資源條件優(yōu)越、需求旺盛，長(zhǎng)治堅(jiān)持體制創(chuàng)新與科技創(chuàng)新的方針，在繼續(xù)加大政府支持力度的基礎(chǔ)上，建立以企業(yè)為主體的研發(fā)與生產(chǎn)模式，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，重視人才培養(yǎng)，建立健全有效的激勵(lì)約束機(jī)制，積極推進(jìn)新材料領(lǐng)域科技成果產(chǎn)業(yè)化，長(zhǎng)治未來新材料產(chǎn)業(yè)必將得到快速發(fā)展。
長(zhǎng)治新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃
加強(qiáng)五大循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，擴(kuò)大粉末冶金生產(chǎn)規(guī)模，引導(dǎo)企業(yè)向附加值高的下游產(chǎn)品粉末冶金零部件行業(yè)發(fā)展，建設(shè)全國(guó)重要的粉末冶金零部件生產(chǎn)基地。
【關(guān)鍵詞】激光焊接焊接特性 應(yīng)用
中圖分類號(hào)：E933.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
激光焊接技術(shù)是集激光技術(shù)、焊接技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)為一體的綜合技術(shù)。激光焊以其高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中充分發(fā)揮了其先進(jìn)、快速、靈活的加工特點(diǎn)，不僅在生產(chǎn)率方面高于傳統(tǒng)焊接方法，而且焊接質(zhì)量也得到了顯著的提高。激光焊接技術(shù)發(fā)展到今天，其逐步取代電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接方法的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。在21世紀(jì)中，激光焊接技術(shù)在材料連接領(lǐng)域必將起到至關(guān)重要的作用。
一、激光焊接的基本特征
1、激光焊接屬非接觸加工，與接觸焊工藝相比，無電極、工具等的磨損消耗，不需對(duì)工件加壓和進(jìn)行表面處理，無加工噪聲，對(duì)環(huán)境無污染。
2、焊點(diǎn)小、能量密度高、適合于高速焊接加工，在高功率器件焊接時(shí)，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。
3、焊接時(shí)間短，既對(duì)外界無熱影響，又對(duì)材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合焊接高熔點(diǎn)、高硬度的特種材料。
4、焊接時(shí)無需屏蔽或真空環(huán)境，能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。
5、激光焊縫力學(xué)性能好，力學(xué)性強(qiáng)于母材。焊縫強(qiáng)度高、焊接速度快、焊縫窄且表面狀態(tài)好，免去焊后清理等工作。
6、極適合于精密件、箱體件和有密封要求焊接件的加工。
7、對(duì)帶絕緣層的導(dǎo)體可直接進(jìn)行焊接，對(duì)性能相差較大的異種金屬也可焊接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？珊附与y熔材料如鈦、石英等，效果良好。
8、通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、可焊接難以接近的部位，實(shí)施非接觸遠(yuǎn)距離焊接；光束易于控制、焊接定位精確，很容易搭載到自動(dòng)機(jī)、機(jī)器人裝置上。
二、常見金屬材料的激光焊接特性
激光焊接適用于多種材料的焊接，激光的高功率密度及高焊接速度，使得激光焊縫、熱影響區(qū)都很小。掌握好一些變化規(guī)律，就可以根據(jù)對(duì)焊縫組織的不同要求來調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，通過控制焊接條件來獲得最佳的焊縫性能。
1、碳鋼
低碳鋼和低合金鋼都具有教好的焊接性，但是采用激光焊接時(shí)，材料的含碳量（碳當(dāng)量）不應(yīng)高于0.25%。對(duì)于碳當(dāng)量超過0.3%的材料，焊接冷裂紋傾向會(huì)加大，設(shè)計(jì)中考慮到焊縫的一定收縮量，有利于降低焊縫和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力和裂紋傾向。
碳當(dāng)量大于0.3%的材料和碳當(dāng)量小雨0.3%的材料在一起焊接時(shí)，采用偏置焊縫形式有利于限制馬氏體的轉(zhuǎn)變，減少裂紋的產(chǎn)生。材料碳當(dāng)量超過0.3%時(shí)，減小淬火速度也可以減小裂紋傾向。
表面經(jīng)過滲碳處理的鋼由于其表面的含碳量較高，極易在滲碳層產(chǎn)生凝固裂紋，通常不適用激光焊接。
2、不銹鋼
奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有碳鋼的1/3，吸收率比碳鋼高。因此，奧氏體不銹鋼可獲得比普通碳鋼深一點(diǎn)的焊接熔深。激光焊接熱輸入量小，焊接速度高，非常適合于Ni-Cr系列不銹鋼的焊接。
馬氏體不銹鋼的焊接性差，焊接接頭通常硬而脆，并由冷裂紋傾向。在焊接含碳量大于0.1%的不銹鋼時(shí)，預(yù)熱和回火可以降低冷裂紋和脆裂傾向。
鐵素體不銹鋼，激光焊接通常比其他焊接方法容易焊接。
3、銅、鋁及其合金
紫銅對(duì)CO2激光的反射率很高，但對(duì)YAG激的反射率很低，所以用激光焊接紫銅還是有可能的。另外，可以通過表面處理來提高材料對(duì)激光的吸收。
黃銅的不可焊性是因?yàn)槠滗\的含量超出了激光焊接允許的范圍，鋅有相對(duì)較低的熔點(diǎn)，容易汽化，會(huì)導(dǎo)致大量的焊接缺陷如氣孔產(chǎn)生。
由于鋁合金的發(fā)射較高和導(dǎo)熱系數(shù)很高，鋁合金的激光焊接需要相對(duì)較高的能量密度。但是，許多鋁合金中有易揮發(fā)的元素，如硅、鎂等，焊縫中都有很多氣孔。而激光焊接純鋁時(shí)不存在以上問題。
三、激光技術(shù)在焊接中的具體應(yīng)用
目前激光焊應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，主要應(yīng)用于: 制造業(yè)應(yīng)用、粉末冶金領(lǐng)域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天工業(yè)、造船工業(yè)。
1、制造業(yè)應(yīng)用
激光拼焊(Tailored Bland Laser Welding)技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條,年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高的速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。
2、粉末冶金領(lǐng)域
由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其他零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。在20 世紀(jì)80年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，采用激光焊接可以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能。
3、汽車工業(yè)
德國(guó)奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80 年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金焊接，20世紀(jì)90年代美國(guó)通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。
激光焊接還廣泛應(yīng)用到變速箱齒輪、半軸、傳動(dòng)軸、散熱器、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造，成為汽車零部件制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。我國(guó)一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國(guó)一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了具有特色的成果。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展, 激光焊接技術(shù)一定會(huì)在汽車制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。
4、電子工業(yè)
激光焊接在電子工業(yè)中,特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1 mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多，而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。
5、生物醫(yī)學(xué)
生物組織的激光焊接始于20世紀(jì)70年代，Klink等用激光焊接輸卵管和血管的成功焊接及顯示出來的優(yōu)越性，使更多研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其他組織的焊接。激光焊接作為一種焊接牙科合金的新技術(shù)，經(jīng)過十余年的設(shè)備改進(jìn)、技術(shù)更新，在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟。
6、航空航天工業(yè)
美國(guó)在20世紀(jì)70年代初的航空、航天工業(yè)中即已利用15kW的CO2激光器針對(duì)飛機(jī)制造業(yè)中的各種材料、零部件，進(jìn)行焊接試驗(yàn)及評(píng)估工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。近年來，新的應(yīng)用成果是鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造，用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘, 從而減輕飛機(jī)機(jī)身的重量近20%，提高強(qiáng)度近20%。
7、造船工業(yè)
造船業(yè)是激光焊接應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。造船的主要工藝是焊接。采用激光焊接的優(yōu)點(diǎn)在于可得到高強(qiáng)度的焊件，從而在設(shè)計(jì)上可減小所用材料的厚度，達(dá)到輕重量、高強(qiáng)度的目標(biāo)。
在其他行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加，如含有線路板的塑料制品、醫(yī)療設(shè)備等均可采用激光焊接。
四、結(jié)束語
激光加工是21世紀(jì)一門發(fā)展極快的新制造技術(shù)，必將對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造、新興工業(yè)領(lǐng)域以及制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進(jìn)的技術(shù)裝備，在現(xiàn)有的激光焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上還應(yīng)該繼續(xù)對(duì)傳統(tǒng)的焊接工藝進(jìn)行技術(shù)改造，使激光焊接可以發(fā)揮出更好的優(yōu)勢(shì)，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
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關(guān)鍵詞：微波燒結(jié) 原理 進(jìn)展
中圖分類號(hào)：TK11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）14-0053-03
The Principle and Development of Microwave Sintering Technology
Fang Ke；Fang Li
（School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China）
Abstract: Microwave sintering is a new type of technology，it has great development prospect in the fields of ceramic materials and powder metallurgy etc., and it is greatly possibile to become the main method of material preparation in the new century. The technology of microwave sintering has many great advantages such as much higher speed, lower energy consuming, more safety, no pollution, and so on, so it has significant effect on the development economic and societyin our country. The origin and evolvement, the principle，unique character，equipment, research advance of the technology are reviewed in this paper.
Key words: microwave sintering；principle；development
0引言
微波燒結(jié)是指采用微波輻射來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外加熱源，材料通過自身對(duì)電磁場(chǎng)能量的吸收（介質(zhì)損耗）達(dá)到燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的過程。二十世紀(jì)50年代美國(guó)的VonHippel在材料介質(zhì)特性方面的開創(chuàng)性研究為將微波加熱應(yīng)用于材料燒結(jié)奠定了基礎(chǔ)[1]；從60年代至90年代，各國(guó)研究人員對(duì)微波燒結(jié)原理、特點(diǎn)和應(yīng)用等各方面開展了廣泛、深入和系統(tǒng)的研究，積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，逐漸認(rèn)識(shí)和掌握了這項(xiàng)新型技術(shù)，其環(huán)保、節(jié)能、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)激起眾多材料研究人員的興趣和研究熱情，得到各國(guó)政府高度重視；90年代后期，微波燒結(jié)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，美國(guó)、加拿大、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品[2-4]。
1微波燒結(jié)原理
微波燒結(jié)技術(shù)是基于物質(zhì)與電磁場(chǎng)相互作用中產(chǎn)生熱效應(yīng)的原理。當(dāng)材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)與特定頻率的電磁場(chǎng)耦合時(shí)，內(nèi)部微觀粒子響應(yīng)電磁振蕩，熱運(yùn)動(dòng)加劇，材料發(fā)生介質(zhì)損耗，吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能。將微波加熱原理應(yīng)用于傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，就是微波燒結(jié)。在微波燒結(jié)中，因存在電磁場(chǎng)作用，材料介電性能、磁性能以及導(dǎo)電性能等特性對(duì)燒結(jié)效果具有重要影響[5，6]。
1.1 介質(zhì)材料在外加電磁場(chǎng)作用下，介質(zhì)材料中的極性分子會(huì)受到電場(chǎng)力作用，從原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐勒针妶?chǎng)方向取向排列。高頻電磁場(chǎng)每秒交替變換幾億次，分子排列取向周期往復(fù)改變，發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，電磁能不斷被損耗，轉(zhuǎn)化為粒子劇烈運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，材料溫度升高。介質(zhì)材料在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電子極化、原子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化等介質(zhì)極化，各類極化建立和消除的時(shí)間周期存在差異。由于電磁振蕩頻率很高，材料內(nèi)部介質(zhì)極化過程無法跟隨外電場(chǎng)變化，極化強(qiáng)度矢量相對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度矢量滯后一個(gè)角度，導(dǎo)致有電流產(chǎn)生，構(gòu)成介質(zhì)材料的耗散。在微波波段，主要是偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化產(chǎn)生的吸收電流構(gòu)成材料的功率耗散 [4]。
1.2 金屬材料金屬導(dǎo)體在微波電磁場(chǎng)中，其內(nèi)部自由電荷在電磁場(chǎng)作用下，會(huì)迅速向?qū)w表面聚集。馳豫時(shí)間用來表征自由電荷響應(yīng)電磁場(chǎng)變化的快慢。由于馳豫時(shí)間遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)振動(dòng)周期，故在每周期剛開始，自由電荷就已聚集于導(dǎo)體表面，內(nèi)部自由電荷密度為零。塊體金屬內(nèi)部不存在自由電荷，缺少與電磁場(chǎng)相互作用、吸收和轉(zhuǎn)化的媒介，因而無法被有效加熱 [7]。但金屬導(dǎo)體置于電磁場(chǎng)中，導(dǎo)體表面會(huì)有電流產(chǎn)生，存在歐姆損耗。故只要減小金屬導(dǎo)體的宏觀尺寸，使之能與微波電磁場(chǎng)完全耦合，就能有效實(shí)現(xiàn)加熱和燒結(jié) [8]。
在微波燒結(jié)中，除明顯的微波熱效應(yīng)外，還存在一定的微波非熱效應(yīng)，包括活化過程速率增強(qiáng)、化學(xué)反應(yīng)途徑改變以及燒結(jié)體性能改變等。微波非熱效應(yīng)是微波燒結(jié)中的重要因素，使各種微粒的遷移變得更容易發(fā)生，且遷移速率提高很多，對(duì)材料致密化過程起到明顯的促進(jìn)作用[6,9]，具體表現(xiàn)就是燒結(jié)溫度更低、升溫速度更快、燒結(jié)時(shí)間大幅縮短。
2微波燒結(jié)特點(diǎn)
在傳統(tǒng)燒結(jié)過程中，材料表面、內(nèi)部和中心區(qū)域溫度存在較大梯度，容易導(dǎo)致晶粒不均勻，內(nèi)部存在較多缺陷。微波燒結(jié)依靠微波電磁場(chǎng)輻射透入材料內(nèi)部，材料整體發(fā)生介質(zhì)損耗而升溫，各部分溫差小，易得到均勻細(xì)晶結(jié)構(gòu)，材料性能得到顯著改善。與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)主要有整體加熱、低溫快燒、無加熱慣性、選擇性加熱等顯著特點(diǎn)[4]。
微波燒結(jié)能耗低，效率高，比傳統(tǒng)燒結(jié)節(jié)能80%左右，而且清潔、安全、無污染。微波燒結(jié)能得到均勻細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)，孔隙少且規(guī)則，材料具有更好的延展性和韌性，宏觀性能優(yōu)異[3，10]。微波燒結(jié)具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)預(yù)示其在現(xiàn)代材料制備行業(yè)中擁有廣闊的發(fā)展空間，被廣泛譽(yù)為“燒結(jié)技術(shù)的一場(chǎng)革命” [6]。
3微波燒結(jié)裝置
3.1 燒結(jié)裝置微波燒結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置由微波發(fā)生器（磁控管和調(diào)速管）、波導(dǎo)管、加熱腔和微波電源組成，加熱腔有諧振式和非諧振式兩種，諧振式加熱腔又有多模場(chǎng)型和單模場(chǎng)型兩種 [3]。單模場(chǎng)型可形成穩(wěn)定的電磁波，能量集中，適合燒結(jié)低損耗材料，但均勻場(chǎng)區(qū)小，無法燒結(jié)大尺寸工件；多模場(chǎng)型諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易得到較大區(qū)域的均勻場(chǎng)強(qiáng)，可用于燒結(jié)大尺寸、介質(zhì)損耗高的材料[11、12]。為得到穩(wěn)定和均勻的電磁場(chǎng)分布，必須對(duì)加熱腔進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
3.2 燒結(jié)工藝微波燒結(jié)的工藝參數(shù)主要有微波源功率、微波頻率、燒結(jié)時(shí)間和升溫速度等[1]。研究表明，在同等燒結(jié)條件下（燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間），微波燒結(jié)晶粒要明顯大于常規(guī)燒結(jié)，說明微波作用下晶粒生長(zhǎng)更快、致密化過程更加迅速；溫度過低會(huì)導(dǎo)致“欠燒”，過高或保溫時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)引起晶粒異常長(zhǎng)大；升溫速度也是重要因素，如升溫速度較，加熱時(shí)間就得適當(dāng)延長(zhǎng)，因而使材料在高溫區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng) [13]。
不同類型的材料介質(zhì)損耗能力不同。一些材料在低溫下介質(zhì)損耗小，幾乎不吸收微波能，無法有效加熱。對(duì)此，可加入介質(zhì)損耗高的材料，以起到輔助加熱的作用，主體材料達(dá)到一定溫度后，損耗因子迅速增加，可直接吸收微波能 [14]；或者采用外加熱源――比如電阻加熱，在材料臨界溫度以下起輔助加熱作用 [15]。在微波燒結(jié)中，在樣品周圍放置介質(zhì)損耗高的輔助材料有利于提高升溫速度和保溫，形成穩(wěn)定均勻的溫度場(chǎng) [12]。
研究表明，不同類型的材料在分別放置于電場(chǎng)或磁場(chǎng)區(qū)域中時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出極為不同的加熱行為。導(dǎo)體材料，如金屬或合金粉末壓坯，在磁場(chǎng)中的加熱效果比在電場(chǎng)區(qū)要好；相反，氧化鋁、氧化鋅等陶瓷材料在純電場(chǎng)中的升溫速率更高。另一方面，在材料與電磁場(chǎng)相互作用過程中，材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)起著關(guān)鍵作用，如銅粉末壓坯在電磁場(chǎng)中能有效吸收微波能，而塊體銅就不能 [16]。
4研究進(jìn)展
迄今，研究人員已對(duì)幾乎所有的氧化物陶瓷材料開展了微波燒結(jié)研究，較為成功的有Al2O3、ZrO2、ZnO、MgO、SiO2及其復(fù)合材料等， B4C、SiC、Si3N4、TiB2、AlN等是采用微波燒結(jié)成功制取的非氧化物陶瓷材料 [4]。另外，金屬粉體具有較強(qiáng)吸波能力 [7]，將微波燒結(jié)應(yīng)用于粉末冶金，成功制取了環(huán)狀、管狀和齒輪等結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的金屬制品，所制得器件比傳統(tǒng)制品具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，顯微結(jié)構(gòu)的均勻性好，氣孔率很低[17]。
4.1 陶瓷材料微波燒結(jié)能得到均勻細(xì)晶結(jié)構(gòu)，因此微波燒結(jié)比常規(guī)燒結(jié)更容易制備出透明陶瓷 [4]，如微波燒結(jié)可以實(shí)現(xiàn)A1N透明陶瓷的低溫?zé)Y(jié) [18]，而且大幅縮短燒結(jié)時(shí)間 [4]。
微波燒結(jié)可使氧化鋅壓敏陶瓷材料快速成瓷，獲得相同晶粒尺寸微波燒結(jié)溫度更低，燒結(jié)時(shí)間更短。但隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，晶界Bi相揮發(fā)，晶粒迅速長(zhǎng)大，電阻片的電性能變差 [19]。采用微波燒結(jié)法制備氮化硅陶瓷，微波場(chǎng)可以促進(jìn)Si3N4的α相向β相轉(zhuǎn)變的速度，提高材料密度 [20]。
陶瓷材料是脆性體系，如何提高其韌性一直是個(gè)難題。在微波燒結(jié)制備ZnO2（n）增韌Al2O3復(fù)合陶瓷的實(shí)驗(yàn)中，得到相對(duì)體積密度為95.5%、力學(xué)性能較好的15vol% ZrO2/ Al2O3 復(fù)合陶瓷，其硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度分別為13350MPa、6.41MPa?m1/2和502MPa[21]。
在制備納米陶瓷材料方面，微波燒結(jié)可提高Al2O3/SiC納米復(fù)合陶瓷的強(qiáng)度和韌性，改善材料的顯微結(jié)構(gòu)，促進(jìn)致密化和晶粒生長(zhǎng) [22]。微波燒結(jié)制備Si3N4納米陶瓷，在相同密度下，強(qiáng)度比傳統(tǒng)燒結(jié)樣品提高25%~30% [5]；采用微波法制備Al2O3-ZrO2（3Y）納米復(fù)相陶瓷，材料達(dá)到了很高的致密度，并提高了斷裂韌性[23]。微波燒結(jié)Al2O3-TiCN-Mo-Ni納米金屬陶瓷[24]，燒結(jié)前后晶粒尺寸變化很小。
研究的陶瓷材料還有氧化鋅壓敏電阻陶瓷[19,25]、ZrO2/LaNbO4-MoSi2復(fù)合陶瓷[26]、TCP/TTCP復(fù)合生物陶瓷材料[27]、Al2O3/SiC納米復(fù)合陶瓷[22]、納米TiO2材料 [28]、Bi2O3-ZnO-Ta2O5陶瓷 [29]、Al2O3/WC-10Co/ZrO2/Ni金屬陶瓷 [30]等各種現(xiàn)代陶瓷材料。微波燒結(jié)技術(shù)在現(xiàn)代材料制備領(lǐng)域中正得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用。
4.2 粉末冶金鎢、釩、鈮、鉭、鉬等難熔金屬及其合金材料因高熔點(diǎn)和一些特有性能，在國(guó)防軍工、航空航天、電子信息、能源、防化、冶金和核工業(yè)等領(lǐng)域起著不可替代的作用，相關(guān)研究異常活躍。因難熔金屬熔點(diǎn)高、塑性差，主要采用粉末冶金法制備。采用傳統(tǒng)方法，在燒結(jié)過程中晶粒極易迅速長(zhǎng)大，導(dǎo)致制品性能降低 [31]。
微波磁場(chǎng)下燒結(jié)WC-Co硬質(zhì)合金 [32]的升溫速率比在電場(chǎng)下要大，但溫度只能升至1160℃左右；微波電場(chǎng)下燒結(jié)時(shí)，可以得到性能較好的合金。微波燒結(jié)制備WC-12Co硬質(zhì)合金，在1400～1475℃范圍內(nèi)，隨燒結(jié)溫度升高，WC晶粒長(zhǎng)大不明顯，合金密度和硬度增大；在1475℃的燒結(jié)溫度下保溫0min，燒結(jié)樣品顯微組織結(jié)構(gòu)均勻，但保溫時(shí)間超過30min，由于晶粒異常長(zhǎng)大以及鈷相分布不均勻，導(dǎo)致合金的密度和硬度急劇下降[33]。
微波燒結(jié)制備W-Ni-Fe高密度合金 [34，35]，升溫速度快，燒結(jié)周期短，僅為常規(guī)燒結(jié)的1/7；微波燒結(jié)能促進(jìn)合金致密化，如燒結(jié)時(shí)間較短，微波燒結(jié)樣品的晶粒尺寸小于常規(guī)燒結(jié)；但微波燒結(jié)樣品的生長(zhǎng)速率更快，不宜過度延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間。對(duì)微波燒結(jié)93W-Ni-Fe合金微觀組織和力學(xué)性能研究表明，試樣組織均勻、細(xì)小，鎢顆粒明顯小于傳統(tǒng)燒結(jié)水平，徑向性能分布均勻；微波加熱能達(dá)到常規(guī)尺寸鎢合金的透燒深度，但仍存在較多孔洞等缺陷 [35]。
在相同溫度下燒結(jié)Fe-Cu-C合金 [36、37]，微波燒結(jié)比常規(guī)燒結(jié)具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)。而且，金相觀察表明，微波燒結(jié)有一個(gè)致密的核心，邊緣多孔。這表明材料自身發(fā)熱，熱傳遞從內(nèi)而外，內(nèi)部溫度高于表面 [38]。
研究的金屬材料還有銅鐵合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金等。形狀記憶合金是一類新型功能合金材料，在航空航天、機(jī)械電子、生物工程、臨床醫(yī)療、能源和自動(dòng)化等領(lǐng)域用途廣泛，其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)在于存在熱彈性馬氏體。合金的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)形狀記憶效應(yīng)影響很大，微觀組織越均勻越有利于馬氏體的均勻分布 [39]。如采用微波燒結(jié)制備形狀記憶合金，其整體加熱、低溫快燒等特點(diǎn)能大幅優(yōu)化合金顯微結(jié)構(gòu)（細(xì)化晶粒，減少缺陷），從而使形狀記憶效應(yīng)得到顯著增強(qiáng)。
5結(jié)語
工業(yè)上已成功實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料的連續(xù)化和小批量生產(chǎn)。加拿大的MicroWear公司建成了一個(gè)全部采用微波燒結(jié)制造氮化硅陶瓷刀具生產(chǎn)中心，美濃窯業(yè)于2000年開發(fā)出了可實(shí)際應(yīng)用于陶瓷工業(yè)的大型微波高溫?zé)Y(jié)設(shè)備[40]。近年來，中科院沈陽金屬研究所在國(guó)家新技術(shù)“863計(jì)劃”的資助下，已成功研制出多臺(tái)MFM-863系列的微波燒結(jié)設(shè)備。據(jù)報(bào)道，美國(guó)的Spheric科技有限公司已授權(quán)中國(guó)最大的微波爐生產(chǎn)企業(yè)長(zhǎng)沙隆泰微波熱工有限公司生產(chǎn)工業(yè)用高溫微波燒結(jié)系統(tǒng)。
微波燒結(jié)技術(shù)是人類社會(huì)進(jìn)入二十世紀(jì)六十年代后才出現(xiàn)的新型技術(shù)。在文明步入二十一世紀(jì)，微波燒結(jié)技術(shù)因其節(jié)能高效、清潔無污染、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代材料領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展空間，市場(chǎng)潛力巨大；在科學(xué)研究方面具同樣有重大而深遠(yuǎn)的意義，對(duì)技術(shù)進(jìn)步以及社會(huì)發(fā)展將產(chǎn)生革命性影響。自微波燒結(jié)技術(shù)誕生以來，各國(guó)政府都高度重視，不惜投入巨大的人力和物力資源來開發(fā)這一新型技術(shù)[3]。
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TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對(duì)材料,特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力,直接體現(xiàn)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此,新材料的開發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo),是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。
近年來,材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因,一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。
1FGM概念的提出
當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差,傳統(tǒng)的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大,很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應(yīng)力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2,因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;
4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層,既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。
圖2
2.2FGM的分類
根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應(yīng)用
FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。FGM的應(yīng)用[8]見圖3。
圖3FGM的應(yīng)用
功能
應(yīng)用領(lǐng)域材料組合
緩和熱應(yīng)
力功能及
結(jié)合功能
航天飛機(jī)的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機(jī)械部件
耐熱性機(jī)械部件
耐蝕性機(jī)械部件
加工工具
運(yùn)動(dòng)用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構(gòu)造材料
核融合爐內(nèi)壁材料
放射性遮避材料輕元素高強(qiáng)度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫(yī)學(xué)功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關(guān)節(jié)
人工內(nèi)臟器官:人工血管
補(bǔ)助感覺器官
生命科學(xué)磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動(dòng)子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長(zhǎng)壽命加熱器
超導(dǎo)材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導(dǎo)體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導(dǎo)陶瓷
塑料導(dǎo)電性材料
陶瓷陶瓷
光學(xué)功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發(fā)光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導(dǎo)體
稀土類元素玻璃
能源轉(zhuǎn)化功能
MHD發(fā)電
電極;池內(nèi)壁
熱電變換發(fā)電
燃料電池
地?zé)岚l(fā)電
太陽電池陶瓷高熔點(diǎn)金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質(zhì)
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究?jī)?nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。FGM的研究開發(fā)體系如圖4所示[8]。
設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
圖4FGM研究開發(fā)體系
4.1FGM設(shè)計(jì)
FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過程[7]。
首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件,然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu),以及制備和評(píng)價(jià)方法,最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇,根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù),計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù),就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布,此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:
1)確定結(jié)構(gòu)形狀,熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);
2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;
3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法,包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布,采用通用的和自行開發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合,借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過合適的手段,實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布,從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形,然后燒結(jié)。通過控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性,可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡(jiǎn)單的FGM部件,但工藝比較復(fù)雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn),但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡(jiǎn)稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng),此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下,自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去,利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應(yīng)過程示意圖
SHS法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系,金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大,燒結(jié)程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi),并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達(dá)1500K,同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài),所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達(dá)1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng),隨后被霧化成細(xì)小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結(jié),形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速,即可調(diào)整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結(jié),不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會(huì)產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時(shí)注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數(shù)量和厚度,以及熔區(qū)的深度來獲得,熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態(tài),混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場(chǎng)中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場(chǎng)作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能,該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)兩類。
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合,在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度,精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài),并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化,可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外,該法無須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質(zhì),使其蒸發(fā)為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點(diǎn)是沉積溫度低,對(duì)基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應(yīng)變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內(nèi),可以通過施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力)梯度,在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料,這種材料對(duì)于位置測(cè)量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。
4.3FGM的特性評(píng)價(jià)
功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì),為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前已開發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測(cè)定、機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測(cè)定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前,對(duì)熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前,日本、美國(guó)正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。
5FGM的研究發(fā)展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進(jìn)一步的研究和解決,主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；
3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開辟道路；
4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術(shù)總的研究趨勢(shì)[13、15、19-20]
1）開發(fā)的低成本、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的制備技術(shù)；
2）開發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；
3）開發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；
4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]
有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：
1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨時(shí)間變化關(guān)系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環(huán)境變化能力；
5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等
6結(jié)束語
FGM的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代材料的設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了高性能新型材料的開發(fā)階段[8]。FGM的研究和開發(fā)應(yīng)用已成為當(dāng)前材料科學(xué)的前沿課題。目前正在向多學(xué)科交叉,多產(chǎn)業(yè)結(jié)合,國(guó)際化合作的方向發(fā)展。
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一盤散沙
“當(dāng)時(shí)的情況是儀器設(shè)備隸屬于不同的學(xué)院、不同的課題組，冶金的設(shè)備放在冶金學(xué)院，材料的設(shè)備放在材料學(xué)院，條塊分割。如果企業(yè)想做檢測(cè)，首先是不知道找哪個(gè)學(xué)院，特別是企業(yè)拿來的材料或產(chǎn)品往往需要若干項(xiàng)分析檢測(cè)，比如力學(xué)性能、化學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)、物理性能等，這些項(xiàng)目又分在若干個(gè)學(xué)院，每個(gè)學(xué)院又有若干實(shí)驗(yàn)室，對(duì)校園之外的企業(yè)來講，要想迅速找到相關(guān)實(shí)驗(yàn)室并順利完成一系列檢測(cè)服務(wù)，簡(jiǎn)直無法想象！”談起2005年以前北京科技大學(xué)的科研儀器設(shè)備對(duì)外服務(wù)情況，劉亞東記憶猶新。
劉亞東告訴記者，當(dāng)時(shí)北京科技大學(xué)的儀器設(shè)備雖然有對(duì)外服務(wù)，但服務(wù)的量很小，而且往往是其他兄弟院校知道這里有這個(gè)設(shè)備，才過來使用的，根本沒有商業(yè)化的概念。以2005年為例，北京科技大學(xué)已經(jīng)有價(jià)值幾個(gè)億的儀器設(shè)備，一年的對(duì)外測(cè)試收入只有三四十萬元，“一年下來，連這些儀器設(shè)備的維修費(fèi)用都不夠”。
“雖然我們有幾個(gè)億的儀器設(shè)備，但在北京來說，我們只是個(gè)‘小戶’?！眲問|說。據(jù)了解，北京地區(qū)分布著大量科學(xué)儀器裝備和各種實(shí)驗(yàn)室，擁有大量的科技人才，科技資源總價(jià)值占全國(guó)的40%，儀器設(shè)備總量占全國(guó)總量的1/4。北京雖然擁有如此豐富的科技資源，高校院所也比較集中，但長(zhǎng)期以來，這些科技資源存在封閉、分散、閑置甚至使用不合理的現(xiàn)象，缺乏有效整合和利用。
一邊是科技型中小企業(yè)開展科技創(chuàng)新為買不起儀器設(shè)備而苦惱，一邊是科研院所動(dòng)輒價(jià)值成百上千萬的進(jìn)口儀器為“養(yǎng)在深閨人不識(shí)”而惆悵，如何解決這個(gè)迫在眉睫的供需矛盾是增強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵所在。
政府引導(dǎo)
“我們當(dāng)時(shí)成立北京科技大學(xué)分析檢驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)并不是為了完成一個(gè)單純的課題，把它放到學(xué)校某個(gè)處室或課題組來做，我們是真的想探索一條創(chuàng)新機(jī)制體制的管理方式，這就需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)來管理，建設(shè)一套能有效運(yùn)行的機(jī)制?！?006年，劉亞東參加工作時(shí)，北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司剛剛成立。而這家公司是在北京市科委大力推動(dòng)高校、科研院所的科研設(shè)備向社會(huì)開放共享的背景下誕生的。
當(dāng)時(shí)，北京市科委根據(jù)北京地區(qū)材料測(cè)試資源的分布和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，選擇了3個(gè)機(jī)制創(chuàng)新試點(diǎn)單位，其中，北京科技大學(xué)作為首都高校第三方商業(yè)化實(shí)驗(yàn)室機(jī)制創(chuàng)新試點(diǎn)，成立了北京科技大學(xué)分析檢驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)。北京科技大學(xué)意識(shí)到這將是一次重大科技創(chuàng)新，于是大膽地為平臺(tái)確立了“政府引導(dǎo)、依托學(xué)校、市場(chǎng)運(yùn)作、企業(yè)運(yùn)行”的發(fā)展思路。此舉在北京地區(qū)眾多高校中，率先將公司化運(yùn)作機(jī)制引入到實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)業(yè)務(wù)中，依托北京科大科技園，成立北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司，全面托管北京科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)資源，面向社會(huì)全面開放，支撐企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。
艱難撬動(dòng)
北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司成立之初遇到的最大問題是觀念上的不一致。面對(duì)新的管理模式，校方和老師們還存在諸多疑慮：公司化運(yùn)作與教學(xué)科研之間是否存在沖突？國(guó)有資產(chǎn)在經(jīng)營(yíng)中該如何管理？實(shí)驗(yàn)室自身的利益是否會(huì)受到損害……“我們要一遍遍地解釋，我們不僅可以提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平，而且可以幫助實(shí)驗(yàn)室開展更多的對(duì)外服務(wù)，經(jīng)過努力，我們得到了學(xué)校的授權(quán)。當(dāng)時(shí)學(xué)校的層面上支持我們，但是落實(shí)到基層的負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的老師們那里，是很難被認(rèn)可和接受的，學(xué)院和實(shí)驗(yàn)室管理處之外怎么又多出你們這個(gè)“婆婆”，最初和老師們接觸時(shí)，吃閉門羹是常有的事，甚至被誤解是從校園外溜進(jìn)來的騙子。”談到當(dāng)初開展工作時(shí)遇到的各種困難，劉亞東顯得很無奈。這樣的工作一直持續(xù)了兩年多。
北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司在與學(xué)校各方進(jìn)行充分溝通、協(xié)調(diào)后，北京科技大學(xué)先后了《北京科技大學(xué)分析檢驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)管理辦法》和《北京科技大學(xué)分析檢驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)管理細(xì)則》，規(guī)范了公司和實(shí)驗(yàn)室的責(zé)、權(quán)、利，并把實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試服務(wù)工作量作為實(shí)驗(yàn)室業(yè)績(jī)考核的重要內(nèi)容，從考核機(jī)制方面為平臺(tái)建設(shè)提供了有力的制度保障?！霸瓉碜屢恍?shí)驗(yàn)室的老師做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)周期很難保證，即便做了，也是給你個(gè)結(jié)果就行了，而實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)、中間過程并不記錄，檢測(cè)環(huán)節(jié)不規(guī)范的地方多了，有時(shí)遇到企業(yè)催要報(bào)告甚至質(zhì)量投訴，作為中介的我們就要受夾板氣?，F(xiàn)在好了，我們不僅照顧到了各方的利益，更重要的是依據(jù)國(guó)際準(zhǔn)則，建立起了一套完善的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理體系，檢測(cè)流程規(guī)范化了，檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)化了，老師們都能積極配合我們按時(shí)地、高質(zhì)量地完成實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)時(shí)的日期、溫度、原始數(shù)據(jù)等信息都詳細(xì)在冊(cè)，即便出了問題，只要一查檔案，就能非常清楚地知道問題出在了哪個(gè)環(huán)節(jié)?！?/p>
與此同時(shí)，學(xué)校為了促進(jìn)平臺(tái)的發(fā)展，采取了一些針對(duì)性的措施。比如，將原來分散在多處的實(shí)驗(yàn)室集中到主樓和材料測(cè)試樓等幾個(gè)主要樓宇，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)場(chǎng)地的相對(duì)集中管理；將原來分散在教師、課題組手中的通用儀器設(shè)備集中到各學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備管理權(quán)的相對(duì)集中；將原來隸屬于各教師梯隊(duì)的實(shí)驗(yàn)人員劃歸學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心管理，設(shè)立明確的實(shí)驗(yàn)技術(shù)崗位，實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備的專人專管，形成了一支200多人的專業(yè)實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍，有效地提高了工作效率。劉亞東說：“現(xiàn)在企業(yè)來做檢測(cè)，說明產(chǎn)品有什么問題，公司會(huì)告訴企業(yè)需要做哪幾項(xiàng)檢測(cè)，把檢測(cè)的周期、費(fèi)用說清楚，給企業(yè)出一個(gè)檢測(cè)方案，企業(yè)就可以回去等著了?！?/p>
兩個(gè)認(rèn)證
“公司從成立到2007年，一直處于虧損狀態(tài)。這期間一直是市科委在推動(dòng)著我們發(fā)展。2008年，我們?nèi)〉玫膬蓚€(gè)認(rèn)證是公司的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。目前，在國(guó)內(nèi)高校的檢測(cè)機(jī)構(gòu)中，同時(shí)取得這兩個(gè)認(rèn)證的屈指可數(shù)?！眲問|指著墻上的兩份證書文件非常自信地說。說到實(shí)驗(yàn)室的資質(zhì)建設(shè)，公司副總經(jīng)理張波很興奮，他一直負(fù)責(zé)這方面工作。這兩個(gè)認(rèn)證是指通過了中國(guó)認(rèn)證監(jiān)督管理委員會(huì)實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)認(rèn)定（CMA）和中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可（CNAS）。談到這兩個(gè)認(rèn)證的作用時(shí)，張波說：“北京科技大學(xué)在全國(guó)金屬材料檢測(cè)領(lǐng)域是有名的，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，別人認(rèn)可你的學(xué)術(shù)權(quán)威性，但在商品社會(huì)、法制社會(huì)，你的數(shù)據(jù)不具有法律效力。有了這兩個(gè)認(rèn)證資格，我們出具的檢測(cè)報(bào)告就會(huì)在法律仲裁、對(duì)外貿(mào)易、第三方檢測(cè)等方面具有法律效力?！?/p>
北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司在申請(qǐng)CMA認(rèn)證時(shí)，劉亞東講了一個(gè)小插曲。由于公司是在海淀注冊(cè)的北京市級(jí)單位，但公司的上級(jí)單位是北京科技大學(xué)，屬于教育部直管，申報(bào)CMA資質(zhì)認(rèn)定分國(guó)家級(jí)和地方級(jí)?！拔覀儨?zhǔn)備了非常充分的材料到北京市質(zhì)監(jiān)局去辦理手續(xù)，但北京市質(zhì)監(jiān)局不受理，說你們的設(shè)備等資源都是教育部所屬單位的資產(chǎn)，從來沒有聽說過這些資產(chǎn)可以委托一家公司來經(jīng)營(yíng)的；于是又把材料報(bào)到教育部，教育部也說不對(duì)，你一家公司跑到教育部高校評(píng)審組來申請(qǐng)CMA，還是頭一回遇到，一般都是某某大學(xué)測(cè)試中心、實(shí)驗(yàn)室來申請(qǐng)的。最后又費(fèi)了好多周折，才從教育部批下來?！?/p>
這兩個(gè)認(rèn)證的威力很快就顯現(xiàn)出來。當(dāng)時(shí)，英國(guó)Tharsus公司想從素有“中國(guó)絲網(wǎng)之鄉(xiāng)”美譽(yù)的河北安平縣進(jìn)口金屬絲網(wǎng)，但是不能保證進(jìn)口的材料都合格。因此，他們想在中國(guó)境內(nèi)找一家檢測(cè)機(jī)構(gòu)。當(dāng)他們的負(fù)責(zé)人考察了北京科技大學(xué)分析檢驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)后，對(duì)這里的設(shè)備條件、技術(shù)能力、管理水平贊賞不已。隨后即與分析檢驗(yàn)中心簽訂了測(cè)試服務(wù)協(xié)議。分析檢驗(yàn)中心成為該公司在國(guó)內(nèi)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)其從國(guó)內(nèi)采購(gòu)的金屬制品?！澳鞘俏覀兊谝淮螔暧㈡^呀?！睆埐ú粺o風(fēng)趣地說。
經(jīng)過幾年的資質(zhì)建設(shè)，北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司通過了國(guó)家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可和資質(zhì)認(rèn)定二合一監(jiān)督、擴(kuò)項(xiàng)評(píng)審，認(rèn)證認(rèn)可項(xiàng)目由2008年的2個(gè)領(lǐng)域22個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目擴(kuò)展到2012年的15個(gè)領(lǐng)域260個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目。這項(xiàng)工作對(duì)內(nèi)提高了實(shí)驗(yàn)室的管理水平；對(duì)外提高了實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)性、權(quán)威性，得到了各方的廣泛認(rèn)可。
飛速發(fā)展
“剛開始，我們服務(wù)的對(duì)象都是高校院所，企業(yè)的很少。自2009年以來，企業(yè)的客戶快速增長(zhǎng)，估計(jì)2012年企業(yè)所占比例可能要超過50%。年收入在四五百萬元?！闭劦浇?年來的變化，劉亞東興奮地告訴記者，“在這4年，我對(duì)首都科技條件平臺(tái)建設(shè)的最大的感受是，更強(qiáng)調(diào)科技資源的梳理整合和高質(zhì)量的深度研發(fā)服務(wù)，強(qiáng)調(diào)資源與企業(yè)需求的有效對(duì)接，政府在積極引導(dǎo)高校和大院大所科技服務(wù)的市場(chǎng)化，這些對(duì)我們的幫助很大?！?/p>
目前，北汽、航天集團(tuán)、北京英納超導(dǎo)、中國(guó)南車股份、安泰科技和神霧集團(tuán)等企業(yè)都成為了北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司的客戶。
在北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司長(zhǎng)長(zhǎng)的客戶名單中，記者看到一家山東省的公司――萊蕪市新藝粉末冶金制品有限公司。張波介紹，這是一家專門從事粉末冶金研發(fā)、生產(chǎn)與銷售的新材料企業(yè)。這家公司采用粉末冶金技術(shù)研制開發(fā)出一種高性能粉末冶金斜齒輪，為了確定該斜齒輪的性能水平，該公司找到了有著長(zhǎng)期合作關(guān)系的北京科技大學(xué)研發(fā)實(shí)驗(yàn)服務(wù)基地，委托基地幫助其測(cè)定該產(chǎn)品的性能指標(biāo)。分析檢驗(yàn)中心組織力學(xué)、金相、電鏡測(cè)試專家進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)，“通過我們提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該公司分析發(fā)現(xiàn)該款產(chǎn)品各項(xiàng)性能均優(yōu)于目前市場(chǎng)上常用的產(chǎn)品指標(biāo)，為其申報(bào)重點(diǎn)新產(chǎn)品提供了支持和依據(jù)。”
近年來，北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司對(duì)科技型中小企業(yè)的服務(wù)越來越多。北京金峰航科技發(fā)展有限公司就是個(gè)典型代表。該公司是以開發(fā)、生產(chǎn)儲(chǔ)氫電池材料為主的高新技術(shù)企業(yè)，研發(fā)初期，沒有能力投入巨大的資本來建立完善的研發(fā)體系，無力承擔(dān)新產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新所需要大量昂貴的科學(xué)儀器的使用成本。由于缺乏檢測(cè)手段和技術(shù)分析人才，在用于鎳氫電池負(fù)極的AB5型稀土儲(chǔ)氫材料的研發(fā)上曾受到嚴(yán)重困擾，造成企業(yè)無法適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
金峰航公司與北科大分析檢驗(yàn)中心的合作，扭轉(zhuǎn)了這種局面。北科大根據(jù)金峰航的測(cè)試需求，為其制定了包括材料合金的制備工藝、性能指標(biāo)體系的建立、分析檢驗(yàn)儀器的選擇等詳細(xì)方案。在獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)之后，北科大的專家還和金峰航的研發(fā)人員一起對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找問題，成功地解決了上述難題，使得AB5型材料順利投產(chǎn)，金峰航躍居成為我國(guó)儲(chǔ)氫電池材料領(lǐng)域產(chǎn)值超過億元的優(yōu)秀企業(yè)。目前，金峰航的新產(chǎn)品研發(fā)，包括技術(shù)人員的培訓(xùn)在內(nèi)都有相當(dāng)一部分工作是在北科大完成的。他們對(duì)這種校企合作的評(píng)價(jià)是：“我們借助北科大的科技資源，大大降低了企業(yè)進(jìn)行自主創(chuàng)新的成本”。
伴隨著企業(yè)客戶的增加，劉亞東卻感到：“我們現(xiàn)在處在了一個(gè)平臺(tái)期，如果失去政府的資助，平臺(tái)能否活下來，走下去，不斷壯大呢？新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)在哪兒呢？”顯然，北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司已經(jīng)是市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)，并取得成功。劉亞東考慮更多的是未來的發(fā)展。
二次創(chuàng)業(yè)
經(jīng)過前期的積累與探索，公司的年輕團(tuán)隊(duì)看到了北京科技大學(xué)的科研資源是一座遠(yuǎn)沒有開發(fā)的富礦?！拔覀儍?nèi)部叫‘二次創(chuàng)業(yè)’，接下來我們的重點(diǎn)工作是挖掘北京科技大學(xué)的科技專家和科技成果資源?！?/p>
論文摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)高等職業(yè)教育提出了更新更高的要求。如何培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才是高職院校需要解決的首要問題。文章結(jié)合湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院的辦學(xué)實(shí)踐，提出構(gòu)建以就業(yè)為導(dǎo)向的高職人才培養(yǎng)體系。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和企業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，社會(huì)對(duì)高等職業(yè)教育提出了更新更高的要求。高等職業(yè)院校要堅(jiān)持以就業(yè)為導(dǎo)向、以服務(wù)為宗旨，在人才培養(yǎng)理念、人才培養(yǎng)模式、辦學(xué)機(jī)制等方面進(jìn)行創(chuàng)新，出特色、樹品牌。本文結(jié)合我院的辦學(xué)實(shí)踐，探索如何構(gòu)建以就業(yè)為導(dǎo)向的高職人才培養(yǎng)體系。
一、堅(jiān)持科學(xué)的辦學(xué)定位
全面貫徹黨的教育方針和“以就業(yè)為導(dǎo)向、以服務(wù)為宗旨、走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合發(fā)展之路，辦讓人民滿意的高職教育”的思想，堅(jiān)定不移地為區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展服務(wù)，培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。我院是全國(guó)首批改建的職業(yè)技術(shù)學(xué)院，經(jīng)過多年的探索，提出并實(shí)踐了“就業(yè)導(dǎo)向、市場(chǎng)需求、產(chǎn)學(xué)結(jié)合”的高職教育基本辦學(xué)理念，形成了“以人為本、爭(zhēng)創(chuàng)一流，打造品牌、辦出特色，主動(dòng)適應(yīng)、滿足需求，服務(wù)行業(yè)，服務(wù)地方，’的辦學(xué)思路。抓好改革，辦出特色，全力打造高職院校的強(qiáng)勁品牌。
在辦學(xué)定位上，以滿足市場(chǎng)對(duì)應(yīng)用型人才需要為前提，以勝任職業(yè)崗位為目標(biāo)，以提高職業(yè)崗位能力為出發(fā)點(diǎn)，以企業(yè)滿意度為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持面向社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的定位，培養(yǎng)行業(yè)和地方發(fā)展急需的“適銷對(duì)路”的應(yīng)用型專門人才;主動(dòng)適應(yīng)職業(yè)崗位的技術(shù)含量日益提高對(duì)人才需求不斷變化的要求，堅(jiān)持把學(xué)生培養(yǎng)成在技術(shù)應(yīng)用、智能操作崗位上的高級(jí)“藍(lán)領(lǐng)”的人才。WWw.133229.COM實(shí)現(xiàn)學(xué)生就業(yè)崗位的“下移”，滿足人才市場(chǎng)的需要，并為高職學(xué)生職業(yè)生涯的發(fā)展和變換職業(yè)崗位的需要奠定知識(shí)和技能基礎(chǔ)。
二、設(shè)t與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新興產(chǎn)業(yè)群相配套的專業(yè)
堅(jiān)持以就業(yè)為導(dǎo)向，以服務(wù)為宗旨，科學(xué)調(diào)整專業(yè)結(jié)構(gòu)，為新的產(chǎn)業(yè)崗位和社會(huì)職業(yè)流動(dòng)群體提供新的就業(yè)知識(shí)和技術(shù)支撐。學(xué)院根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整狀況和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的趨勢(shì)，以及冶金行業(yè)對(duì)專業(yè)人才需求的變化，將原來傳統(tǒng)的冶金類專業(yè)(粉末冶金、有色冶金、鋼鐵冶金、冶金機(jī)械等)進(jìn)行了改造和調(diào)整，新開發(fā)了金屬材料工程和冶金機(jī)械控制技術(shù)等新專業(yè)。
根據(jù)株洲市硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)集群、機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)集群和長(zhǎng)沙市工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)集群、電子器件產(chǎn)業(yè)集群的興起，調(diào)整和完善了專業(yè)設(shè)置，形成了與產(chǎn)業(yè)集群相配套的粉末冶金、金屬塑性加工、冶金技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與制造、電氣自動(dòng)化技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、電子商務(wù)、工程造價(jià)等20多個(gè)專業(yè)，形成了與區(qū)域產(chǎn)業(yè)集群配套的專業(yè)群。
三、突出學(xué)生職業(yè)能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)
突出學(xué)生職業(yè)能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。一是注重職業(yè)基本技能，強(qiáng)化職業(yè)核心能力，推行“四位一體”教學(xué)模式，著力構(gòu)建學(xué)生和諧發(fā)展的新課程體系;完善包括“加強(qiáng)體育、美育、勞動(dòng)技術(shù)教育和心理健康教育”等在內(nèi)的人才培養(yǎng)工程。二是在構(gòu)建新的人才培養(yǎng)模式中，注意處理好幾個(gè)關(guān)系，注重特色培養(yǎng)。即處理好人文教育與科學(xué)教育的關(guān)系，學(xué)術(shù)性與職業(yè)性的關(guān)系，專業(yè)教育與通才教育的關(guān)系，理論教育與實(shí)踐教育的關(guān)系、共性(統(tǒng)一性)與個(gè)性(靈活性)的關(guān)系。根據(jù)不同的行業(yè)要求和定位，把培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)實(shí)踐能力作為課堂教學(xué)改革的突破口，形成各種特色的人才培養(yǎng)模式，以適應(yīng)社會(huì)的不同需要。三是加強(qiáng)與企業(yè)的合作，特別是加強(qiáng)與中小企業(yè)的合作，通過產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，培養(yǎng)大批適應(yīng)中小企業(yè)發(fā)展的優(yōu)秀人才。近幾年來，學(xué)院與株洲市幾十家中小企業(yè)建立了合作關(guān)系，促進(jìn)了教育教學(xué)質(zhì)量的提高。
學(xué)院實(shí)施畢業(yè)生“零距離”上崗的人才培養(yǎng)方案，一是實(shí)現(xiàn)開放式辦學(xué)，實(shí)施“滾動(dòng)式，，的人才培養(yǎng)計(jì)劃。根據(jù)每屆畢業(yè)生反饋的信息和用人單位提出的人才培養(yǎng)要求，每年修訂教學(xué)計(jì)劃，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，滿足了用人單位的要求，提高學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)性和崗位適應(yīng)性。二是使“教、學(xué)、做”相結(jié)合，形成新的教學(xué)特色。在教學(xué)上實(shí)行“三明治”式的教學(xué)模式，把傳統(tǒng)的文化課堂變成“教、學(xué)、做”相結(jié)合的課堂，使理論教學(xué)與技能訓(xùn)練密切結(jié)合在一起，學(xué)生將所學(xué)的理論和掌握的技能融為一體。三是以試點(diǎn)專業(yè)建設(shè)為基礎(chǔ)，形成專業(yè)品牌。以精品專業(yè)和試點(diǎn)專業(yè)建設(shè)為龍頭，整體帶動(dòng)學(xué)院的專業(yè)教學(xué)改革工作。例如，以金屬材料工程、冶金機(jī)械與控制技術(shù)等國(guó)家級(jí)精品專業(yè)為龍頭，大力開展專業(yè)建設(shè)、專業(yè)開發(fā)和教學(xué)改革試點(diǎn)，形成了一批有特色的品牌專業(yè)。四是以能力培養(yǎng)為核心。強(qiáng)化討學(xué)生的技能訓(xùn)練，并建立與之配套的仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)和實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)境。
四、加強(qiáng)課程開發(fā)和教材建設(shè)，搞好專業(yè)教學(xué)改革
學(xué)院緊緊圍繞以就業(yè)為導(dǎo)向，以提高高職學(xué)生的就業(yè)適應(yīng)性為目標(biāo)，科學(xué)合理地構(gòu)建專業(yè)課程體系，搞好專業(yè)教學(xué)改革。一是重新構(gòu)建科學(xué)的高職教育課程體系，確定適應(yīng)需求的教學(xué)內(nèi)容。對(duì)教學(xué)內(nèi)容按照培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行整合、重組與優(yōu)化，逐步形成集群式、模塊式課程模式，如工科類專業(yè)課程體系由人文社會(huì)科學(xué)模塊、自然科學(xué)模塊、職業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)模塊、職業(yè)技能訓(xùn)練模塊組成。理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)均采用模塊教學(xué)模式，增強(qiáng)高等職業(yè)教育的針對(duì)性，提高高職學(xué)生的職業(yè)技能，取到了較好的效果。二是對(duì)高職專業(yè)課程進(jìn)行整合與開發(fā)。學(xué)院根據(jù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整導(dǎo)致的職業(yè)結(jié)構(gòu)和勞動(dòng)崗位內(nèi)容的變化，將相關(guān)的兩門或兩門以上的課程整合開發(fā)為一門課程，實(shí)現(xiàn)課程綜合化。近幾年來，學(xué)院把140門專業(yè)理論課程中的50多門課程有機(jī)地整合為16門新的課程，并引人新技術(shù)、新工藝、新知識(shí)和新方法，對(duì)課程體系和知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。三是突出了學(xué)生專業(yè)基本技能的培養(yǎng)，為學(xué)生畢業(yè)時(shí)能夠“零距離”上崗作好能力儲(chǔ)備。如學(xué)防織寸電氣自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生“零距離”上崗的基本技能培養(yǎng)是通過加強(qiáng)繼電器一接觸器控制、plc控制、單片機(jī)及微機(jī)控制四項(xiàng)基本實(shí)踐技能的訓(xùn)練來實(shí)現(xiàn)的。四是加強(qiáng)精品課程和教材建設(shè)。幾年來，學(xué)院開展國(guó)家精品課程、省級(jí)精品課程、學(xué)院精品課程建設(shè)，形成“三級(jí)”精品課程建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，大力推動(dòng)教育教學(xué)改革。其中《冶金機(jī)械技術(shù)》、《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》等課程被教育部確定為國(guó)家精品課程。其次，大力開展教材建設(shè)，學(xué)院組織編寫了40多門教育部規(guī)劃教材，50多門高職高專教材，這些教材以就業(yè)為導(dǎo)向，適度增加了各專業(yè)的新知識(shí)、新技術(shù)、新工藝，提高了高職學(xué)生的專業(yè)能力。
五、開展教育教學(xué)科研，提商教師的教學(xué)水平
高職院校要開展教育教學(xué)研究，不斷改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，特別要通過學(xué)術(shù)研究和適用技術(shù)項(xiàng)目的合作研究掌握新技術(shù)、新知識(shí)，不斷地把新知識(shí)充實(shí)到課堂教學(xué)中。近幾年來，學(xué)院承擔(dān)省部級(jí)教研和教改課題18項(xiàng)、高職教育研究課題9項(xiàng)、國(guó)家級(jí)教育規(guī)劃課題3項(xiàng)、省級(jí)規(guī)劃課題35項(xiàng)、市級(jí)規(guī)劃課題10項(xiàng)。學(xué)院還設(shè)立院級(jí)教研教改課題40多項(xiàng)。與湘潭鋼鐵公司、漣源鋼鐵公司等企業(yè)開展《旋轉(zhuǎn)式軋機(jī)清洗設(shè)備的研制》、《原燃料冶金性能測(cè)定及研究》、《精煉渣及連鑄用輔材性能研究》、《混聯(lián)法技術(shù)創(chuàng)新工藝研究一一降低拜耳法溶出液及ak研究》、(無錫曙光ci項(xiàng)目模具研究》等課題研究10多項(xiàng)，進(jìn)行知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，既為企業(yè)解決了生產(chǎn)技術(shù)問題，又把新知識(shí)融人課堂教學(xué)，不斷提高教學(xué)效果。通過開展科研工作，不斷提高教師的教學(xué)水平和科研能力，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高。
六、加強(qiáng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面素質(zhì)教育
為了貫徹落實(shí)教育部《關(guān)于加強(qiáng)大學(xué)生文化素質(zhì)教育的若干意見》的精神，學(xué)院開展了學(xué)生文化素質(zhì)教育的研究與實(shí)踐。從1998年起，學(xué)院經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)6年的探索和實(shí)踐，初步形成了人文素質(zhì)教育工程建設(shè)的實(shí)施體系。一是組建了院級(jí)和系級(jí)藝術(shù)團(tuán)、禮儀隊(duì)、攝影協(xié)會(huì)、讀書俱樂部、青年志愿者協(xié)會(huì)、合唱團(tuán)等學(xué)生社團(tuán)組織，開展文化素質(zhì)教育;二是重視體育文化活動(dòng)，開展文體競(jìng)賽，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。組建了院級(jí)和系級(jí)籃球隊(duì)、足球隊(duì)、健美操隊(duì)、田徑隊(duì)等體育團(tuán)隊(duì)，推動(dòng)校園文化建設(shè);三是重視宿舍文化建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生雷厲風(fēng)行、積極進(jìn)取、整潔衛(wèi)生、樸實(shí)大方、表里如一、吃苦耐勞的好作風(fēng)以及團(tuán)隊(duì)精神和集體主義觀念;四是結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，開展職業(yè)道德教育。把職業(yè)道德教育納人教學(xué)計(jì)劃，開設(shè)了相關(guān)課程，把職業(yè)道德教育與第二課堂活動(dòng)結(jié)合起來，組織開展職業(yè)道德知識(shí)競(jìng)賽活動(dòng)，促進(jìn)了學(xué)生職業(yè)道德水平的培育和提高;五是成立學(xué)生心理教育與咨詢中心，加強(qiáng)學(xué)生心理健康教育，培養(yǎng)學(xué)生健康的人格;六是實(shí)施校園文化與企業(yè)文化的“對(duì)接工程”，通過學(xué)生在接受企業(yè)文化的教育過程中，了解企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，了解企業(yè)的用人標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)精神和敬業(yè)精神。
七、實(shí)行校企合作，走學(xué)校、企業(yè)、杜區(qū)相結(jié)合的人才培養(yǎng)之路
校企合作在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、適應(yīng)能力和創(chuàng)業(yè)能力等方面發(fā)揮著積極的作用。近幾年，學(xué)院先后與湘潭鋼鐵公司、漣源鋼鐵公司、首都鋼鐵公司、江西銅業(yè)公司、武漢鋼鐵公司、廣西蘋果鋁業(yè)公司等企業(yè)開展“訂單培養(yǎng)”，學(xué)院與合作企業(yè)建立董事會(huì)制度，共同研究和協(xié)商合作培養(yǎng)人才，與湖南湘珠化工廠、株洲明日硬質(zhì)合金公司、株洲精工硬質(zhì)合金公司等幾十家中小企業(yè)建立了合作關(guān)系。學(xué)院聘請(qǐng)企業(yè)的技術(shù)專家、生產(chǎn)管理人員、高級(jí)技師與學(xué)院相關(guān)人員組成專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)，共同開發(fā)專業(yè)、確定教學(xué)內(nèi)容。并與合作企業(yè)開展課題研究，進(jìn)行技術(shù)公關(guān)，培養(yǎng)了大批“雙師型”教師，提高了教師的實(shí)際動(dòng)手能力和科研能力。
學(xué)院與所在地的社區(qū)合作，建立與社區(qū)的合作機(jī)制，通過聯(lián)合開展第二課堂活動(dòng)、共建學(xué)生社會(huì)活動(dòng)基地、學(xué)生到社區(qū)掛職鍛煉等形式，開展社區(qū)共建，共同培養(yǎng)人才。
八、注重學(xué)生“執(zhí)業(yè)資格”的培養(yǎng)和培訓(xùn)工作
學(xué)院堅(jiān)持以就業(yè)為導(dǎo)向，圍繞提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，推行學(xué)歷證書、職業(yè)資格證書、英語等級(jí)證書、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等級(jí)證書“四位一體”的學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力建設(shè)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)學(xué)歷證書的教學(xué)內(nèi)容與職業(yè)資格證書的培訓(xùn)內(nèi)容相互融會(huì)貫通。一是在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，突出學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合職業(yè)崗位實(shí)際，按照職業(yè)崗位的要求，把職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)中要求的知識(shí)與技能，融人相關(guān)課程的教學(xué)大綱中;二是將職業(yè)資格證書作為重要的教學(xué)目標(biāo)，并將不同類別、等級(jí)的職業(yè)資格證書的考證納人教學(xué)計(jì)劃。自建院以來，學(xué)院共建立了23個(gè)職業(yè)崗位的中、高級(jí)職業(yè)資格職業(yè)技能鑒定所。近5年來的畢業(yè)生95%以上分別獲得了人事部、勞動(dòng)部、建設(shè)部、等部門頒發(fā)的涉及機(jī)械、電子、電工、計(jì)算機(jī)、財(cái)會(huì)、建筑、電子商務(wù)、市場(chǎng)營(yíng)銷、文秘等方面的職業(yè)技能等級(jí)證書。三是鼓勵(lì)學(xué)生參加國(guó)家注冊(cè)會(huì)計(jì)師、注冊(cè)造價(jià)師、注冊(cè)評(píng)估師、注冊(cè)物業(yè)管理師等資格考試。
關(guān)鍵詞碳化硼粉末，碳化硼陶瓷，制備，進(jìn)展
1引 言
碳化硼的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高溫硬度（＞30GPa）是其它任何材料都無可比擬的，故成為超硬材料家族中的重要成員。碳化硼為菱面體，目前被廣泛接受的碳化硼模型是：B11C組成的二十面體和C-B-C鏈構(gòu)成的菱面體結(jié)構(gòu)[1～2]。正是由于這種特殊的結(jié)合方式，碳化硼具有許多優(yōu)良性能（見表1），被廣泛應(yīng)用于耐火材料、工程陶瓷、核工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域。本文綜述了碳化硼粉末及碳化硼陶瓷的制備技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展情況，并展望了其發(fā)展。
2碳化硼粉末的合成
2.1 碳管爐、電弧爐碳熱還原法
這是合成B4C粉末的最古老的方法，早在化學(xué)計(jì)量的B4C被確定（1934年）后不久，電爐生產(chǎn)工業(yè)用B4C的研究就獲得了成功，B4C作為磨料開始在工業(yè)上得到應(yīng)用。將硼單質(zhì)或含硼的化合物與碳粉或含碳的化合物均勻混合后放在高溫設(shè)備，例如電管爐或電弧爐中，通以保護(hù)氣體Ar或N2氣在一定溫度下合成B4C粉末，其基本的化學(xué)方程式為：
2B2O3（4H3BO3）+7C=B4C+6CO（g）(+3H2O（g）)
由于硼酸和硼酐分別在低溫和高溫下有較大的揮發(fā)性，所以通常加入過量的硼酸和硼酐，才能獲得高純和穩(wěn)定的B4C粉。碳管爐碳熱還原法生產(chǎn)碳化硼粉末的生產(chǎn)工藝流程如圖1[5]所示。
此種方法合成B4C粉末的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、投資小、建成速度快、工藝操作成熟、穩(wěn)定和容易控制；但也有很大的缺陷，包括能耗大、生產(chǎn)能力較低、高溫下對(duì)爐體的損壞嚴(yán)重，尤其是合成的粉末平均粒徑大（20～40μm）[6]，可以直接用于磨料，而作為燒結(jié)B4C的原料還需要大量的破碎處理工序，大大增加了生產(chǎn)成本。
2.2 自蔓延高溫合成法（SHS）
SHS法是利用化合物合成時(shí)的反應(yīng)熱，使反應(yīng)進(jìn)行下去的一種合成方法（其反應(yīng)過程示意圖如圖2所示[9]），目前已成功制備了多種高純度的陶瓷粉末，例如B4C、BN等[7]。由于此法制備B4C時(shí)多以Mg作為助熔劑，故又稱鎂熱法。與其它傳統(tǒng)方法相比，具有反應(yīng)溫度較低（1273～1473K）、節(jié)約能源（利用外部能源點(diǎn)火后，僅靠反應(yīng)放出的熱量即可使燃燒波進(jìn)行下去）、反應(yīng)迅速（其燃燒波劃算速度可達(dá)到15cm/s）及容易控制等優(yōu)點(diǎn)，所以合成出的B4C粉純度較高而且原始粉末粒度較細(xì)（0.1～4μm[8]），一般不需要再破碎處理，是目前合成B4C粉的較佳方法；缺點(diǎn)是反應(yīng)物中殘留的MgO必須用附加工藝洗去，且極難徹底去除。
張化宇等[8,10]通過B2O3-Mg-C體系的自蔓延高溫還原反應(yīng)制備出了原始粒徑為0.4μm的B4C粉末，并分析了反應(yīng)機(jī)理，研究認(rèn)為溫度低于650℃時(shí)鎂與硼酐發(fā)生放熱反應(yīng)，釋放出單質(zhì)硼，然后中間態(tài)硼與碳通過固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)生成B4C。
2.3 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法（LICVD）
LICVD法是利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收而產(chǎn)生熱分解或化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)成核生長(zhǎng)形成超細(xì)粉末，圖3是LICVD法制備B4C粉的裝置示意圖[11]。LICVD法通常采用高能CO2激光器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于反應(yīng)器壁是冷的，因此無潛在的污染；原料氣體分子直接或間接吸收激光光子能量后迅速進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)具有選擇性；反應(yīng)區(qū)條件可以被精確控制；激光能量高度集中，反應(yīng)與周圍環(huán)境之間的溫度梯度大，有利于生成核粒子快速凝結(jié)；反應(yīng)中心區(qū)域與反應(yīng)器之間被原料氣體隔離，污染小，可制得純度高的納米粉末。
此法是以含有碳源及硼源的氣體（BCl3、B2H6、CHCl3、CH4等）為原料，在激光的強(qiáng)烈輻射下，混合氣體迅速升溫并發(fā)生反應(yīng)生成B4C納米顆粒，與石墨、氯仿等揮發(fā)物以煙灰形態(tài)沉積在有微孔的微柵上，再經(jīng)過一定的處理得到具有一定純度的納米B4C粉，為制備納米B4C粉提供了新的研究方法。Oyama等[11]以釹釔鋁石榴石激光作為激光源，C6H6與BCl3為反應(yīng)氣體，制備出了石墨包覆B4C的納米粉末，B4C粒度可達(dá)14～33nm。
2.4 溶膠-凝膠（Sol-gel）碳熱還原法
Sol-gel法是指無機(jī)物或金屬醇鹽經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理成為化合物固體的方法。由于合成B4C時(shí)提供硼源的硼化物很難與其它無機(jī)物或有機(jī)物形成凝膠，故用此法合成B4C粉的報(bào)道較少。但是如能找到合適的硼源、碳源而形成凝膠，利用此法中原料的分子級(jí)混合更加均勻、反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物膨松等特點(diǎn)，對(duì)制備超細(xì)B4C粉必然大有益處。Sinha[12]等通過研究不同碳源，包括淀粉、蔗糖、葡萄糖、甘油、酒精及檸檬酸等，發(fā)現(xiàn)硼酸與檸檬酸的混合溶液在pH=2～3、溫度為84～122℃的情況下，硼酸與檸檬酸可以形成穩(wěn)定透明的金黃色凝膠體，于真空爐中加熱至700℃可得到多孔松軟的塊狀硼酸/檸檬酸凝膠前驅(qū)體，將制備好的凝膠前驅(qū)體放于石墨模具內(nèi)，在真空狀態(tài)下于1000～1450℃保溫2h，就可得到原始粉末粒徑分布范圍窄、平均粒徑為2.25μm的B4C微粉。
3碳化硼陶瓷的制備
碳化硼陶瓷的制備主要采用熱壓燒結(jié)，也可以用熱等靜壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等方法。
3.1 熱壓、熱等靜壓（HIP）燒結(jié)[13～14]
為了獲得高致密度，在適當(dāng)溫度下用熱壓處理，熱壓造成顆粒重排和塑性流動(dòng)、晶界滑移、應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶、蠕變以及后階段體積擴(kuò)散與重結(jié)晶相結(jié)合等物質(zhì)遷移機(jī)理。熱壓燒結(jié)在惰性氣氛或真空中進(jìn)行，一般熱壓溫度2200～ 2300℃，壓力20～40MPa，保溫時(shí)間0.5～2h，但碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，無添加劑的燒結(jié)很難得到高致密度、高性能的產(chǎn)品，為了降低碳化硼的燒結(jié)溫度及改善碳化硼的性能，必須加入燒結(jié)助劑來促進(jìn)燒結(jié)。由于碳化硼抗熱震性能較差，因此要緩慢降溫，熱壓燒結(jié)只能制備形狀較簡(jiǎn)單的制品。
熱等靜壓是將惰性氣體如N2、Ar等作為傳遞壓力的介質(zhì)，將碳化硼粉末壓坯或裝入包套的粉料放入高壓容器中，使粉料經(jīng)受高溫和均衡壓力，降低燒結(jié)溫度，避免晶粒長(zhǎng)大，可獲得高致密度的碳化硼陶瓷材料。與一般熱壓法相比，它可以使物料受到各向同性的壓力，因而陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)均勻，缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)用較高和待加工工件尺寸受到限制。
圖4為熱壓燒結(jié)、無壓燒結(jié)碳化硼的SEM圖像[13]，從圖可以看出，2100℃、25MPa熱壓燒結(jié)的碳化硼密度高，氣孔小而少，且分布在晶界上，晶粒尺寸3～5μm；而2200℃無壓燒結(jié)40min的碳化硼密度較低，氣孔較多，且分布在晶內(nèi)、晶界上，有些連通成氣孔，晶粒尺寸粗大，約50μm，晶界內(nèi)部有較多孿晶。
3.2 無壓燒結(jié)
由于熱壓、熱等靜壓工藝較復(fù)雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)，目前也有人嘗試無壓燒結(jié)碳化硼制品。碳化硼是共價(jià)鍵很強(qiáng)的陶瓷材料，其燒結(jié)性能極差，在常壓下于2300℃燒結(jié)，其制品的相對(duì)密度一般低于80%，且容易出現(xiàn)異常晶粒長(zhǎng)大和表面熔化現(xiàn)象[15]。增大碳化硼粉末的比表面積并減小其平均粒度，可在一定程度上提高燒結(jié)密度。研究表明，要獲得較高的燒結(jié)密度，碳化硼粉末的比表面積不能低于5.2m2/g，或粉末的平均粒度不能大于3μm[15]。若要進(jìn)一步提高燒結(jié)密度，碳化硼粉末的平均粒度不能大于1μm[16]。因此，為了降低燒結(jié)溫度、提高碳化硼制品的綜合性能，一般需加入燒結(jié)助劑，如單質(zhì)硼、碳、鋁等來促進(jìn)碳化硼的燒結(jié)。Bougoin等[17]采用有機(jī)物聚碳酸酯硅烷（5%～10%）作為燒結(jié)助劑，在2175℃無壓燒結(jié)15min，得到了相對(duì)密度大于92%、幾乎不含游離C的碳化硼陶瓷，X射線研究表明，制品中有少量的SiC相存在。李文輝等[18]以Al、Si作為燒結(jié)助劑，于2050℃、常壓燒結(jié)180min得到了相對(duì)密度大于93%、抗彎強(qiáng)度分別為298MPa和344MPa的復(fù)相陶瓷。
3.3 放電等離子燒結(jié)法（SPS）19～21
SPS法是一種快速燒結(jié)新工藝，將瞬間、斷續(xù)、高能脈沖電流通入裝有粉末的模具上，在粉末顆粒間即可產(chǎn)生等離子放電，導(dǎo)致粉末的凈化、活化、均化等效應(yīng)。傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)主要是由通電產(chǎn)生的焦耳熱和加壓造成的塑性變形這兩個(gè)因素來促使燒結(jié)的進(jìn)行，而放電等離子的燒結(jié)過程，除了上述作用外，在壓實(shí)顆粒樣品上施加了由特殊電源產(chǎn)生的直流脈沖電壓，并有效利用了瞬時(shí)產(chǎn)生的放電等離子使被燒結(jié)體內(nèi)部每個(gè)顆粒均勻地自發(fā)熱和使顆粒表面活化，因而具有非常高的熱效率，可在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)使燒結(jié)體達(dá)到致密。
SPS狀態(tài)有一個(gè)非常重要的作用，是在粉體顆粒間高速升溫后，晶粒間結(jié)合處可通過熱擴(kuò)散迅速冷卻，施加脈沖電壓使所加的能量能在觀察燒結(jié)過程的同時(shí)，高精度地加以控制，電場(chǎng)的作用也因離子高速遷移而造成高速擴(kuò)散，通過重復(fù)施加電壓，放電點(diǎn)（局部高溫源）在壓實(shí)顆粒間移動(dòng)而布滿整個(gè)樣品，這就使樣品均勻地發(fā)熱和節(jié)約能源。能使高能脈沖集中在晶粒結(jié)合處是SPS過程不同于其它燒結(jié)過程的一個(gè)主要特點(diǎn)。SPS技術(shù)具有如下特點(diǎn)： (1)燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短，可獲得細(xì)小、均勻的組織，并能保持原始材料的自然狀態(tài)；(2)燒結(jié)體致密度高；(3)通過控制燒結(jié)組分與工藝，能燒結(jié)梯度材料及大型工件等復(fù)雜材料。
SPS系統(tǒng)可用于短時(shí)間、低溫、高壓（500～1000MPa）燒結(jié)，也可用于低壓（20～30MPa）、高溫（1000～2000℃）燒結(jié)，因此可廣泛地用于金屬、陶瓷和各種復(fù)合材料的燒結(jié)，包括一些用通常方法難以燒結(jié)的材料。
3.4 反應(yīng)燒結(jié)
反應(yīng)燒結(jié)是指混合均勻的粉體在燒結(jié)過程中，組分之間或組分與燒結(jié)氣氛之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，獲得預(yù)期設(shè)計(jì)組成的、相均勻分布的復(fù)相瓷體，而新相往往于原位生成22。采用可以與碳化硼反應(yīng)生成新晶相的添加劑，包括燒結(jié)助劑或第二相進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，利用反應(yīng)過程的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力及新晶相顆粒強(qiáng)化、微裂紋增韌等作用來降低碳化硼的燒結(jié)溫度，提高制品的綜合性能。
目前加入的添加劑主要包括金屬單質(zhì)（Fe、Ti、Al、Cr、Ni、Cu等）、金屬氧化物（TiO2、Al2O3等）、過渡金屬碳化物（TiC、WC、VC、CrC等）及其它添加劑（AlF3、Be2C、MgF2、Si等）[23～24]。金屬單質(zhì)主要通過兩個(gè)途徑來強(qiáng)化碳化硼的燒結(jié)過程：一是在燒結(jié)過程中引入液相，通過液相燒結(jié)致密化機(jī)制，如毛細(xì)流動(dòng)來促進(jìn)致密化；二是與碳化硼發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的金屬硼化物作為增強(qiáng)相起到彌散強(qiáng)化作用。Levin[25]研究了TiO2對(duì)碳化硼燒結(jié)過程的影響，在TiO2添加量為40wt%時(shí)，于2190℃無壓燒結(jié)1h，得到了晶粒細(xì)小、相對(duì)密度達(dá)到95%，由B4C1-x和TiB2組成的復(fù)相陶瓷。Sigl[26]研究了TiC活化燒結(jié)碳化硼的過程，發(fā)現(xiàn)TiC與B4C的反應(yīng)產(chǎn)物C和TiB2能促進(jìn)B4C的燒結(jié)致密化，2150℃常壓燒結(jié)B4C制品相對(duì)密度達(dá)到93%，隨著TiC含量的增加，制品晶粒減小。唐軍等[27]在B4C中添加TiC，于2050℃、30MPa的壓強(qiáng)下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，在碳化硼基體內(nèi)原位反應(yīng)生成了TiB2顆粒，獲得的TiB2顆粒粒徑一般在3μm以下。其中加入20vol%TiC的復(fù)相陶瓷的斷裂韌性KIC達(dá)6.3MPa?m1/2，比B4C基體提高了75%；加入10vol%TiC的復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值620MPa，比B4C基體提高了40%。
4結(jié) 束 語
碳管爐、電弧爐碳熱還原法是目前工業(yè)制備碳化硼粉末的主要方法，但由于粉末粒度較大，除直接用于磨料，如果作為燒結(jié)碳化硼的原料還需大量的破碎處理工序，大大增加了生產(chǎn)成本。自蔓延高溫合成法、化學(xué)氣相沉積法及溶膠-凝膠碳熱還原法由于制備的粉末粒度小，是實(shí)現(xiàn)碳化硼超細(xì)粉末工業(yè)化生產(chǎn)的潛在重要方法。添加燒結(jié)助劑、利用反應(yīng)燒結(jié)法能有效地強(qiáng)化碳化硼的燒結(jié)過程。添加適宜燒結(jié)助劑的熱壓及無壓反應(yīng)燒結(jié)工藝既能提高制品的性能，又能降低燒結(jié)溫度、減少能量消耗，是目前大規(guī)模生產(chǎn)高性能碳化硼制品的較佳工藝。另外，直接制備碳化硼的復(fù)合粉末，可以有效降低碳化硼粉末的合成溫度及原始粒度，有望提高碳化硼制備的綜合性能，這不失為改善碳化硼燒結(jié)的有益嘗試28。
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