柔性陶瓷 22期

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高速运转会发热的机器中，柔性陶瓷或许能有一席之地，但是取代传统钢铁依然不现实。

陶瓷也可以变柔软吗？

近日，美国和新加坡科学家们利用纳米化学，联合制造出了一种非常微小的陶瓷，这种被称为柔性陶瓷的新型复合材料不仅弯曲后不会破碎，而且还具有形状记忆，可以被广泛地应用在生物医学和燃料电池等诸多工业领域中。

这种材料的特别之处还在于，在透射式电子显微镜下，它的分子结构是“双层连续立方体结构”，这种结构与100年来的数学假设竟然相吻合，仅凭这一点它就引起了研究人员的特别关注。负责该项研究工作的美国康奈尔大学材料学与工程学副教授乌尔里克·维斯纳说：“我们如今在聚合体研究中发现了数学家很久以前用理论证明存在的结构。”这种特性或许能让其有更多的用武之地。

与增韧异曲同工

拥有形状记忆意味着这种新型陶瓷材料被弯曲、加热时，它们会回复到原来的形状。负责这项新材料研究的麻省理工学院材料科学和工程学教授克里斯托弗·舒说：“人们一直认为金属和某些聚合物才具有这种属性，从来没有想过陶瓷也会有。”

从原理上来讲，陶瓷的分子结构可以使其具有形状记忆，但陶瓷脆弱易碎是个障碍。最新研究表明，让陶瓷能弯曲并拥有形状记忆的关键在于让其变得很小。

研究人员通过两个关键的方式做到了这一点。首先，他们制造出了肉眼看不见的小陶瓷；接着，再使单个晶粒跨越整个结构，并剔除了晶粒的边界，因为碎裂更有可能发生在这些边界上。最终，他们制造出了微小的陶瓷样本，整个样本的7%可以弯曲变形。研究生阿兰·莱说：“包括普通的陶瓷在内的大多数物品只有1%能弯曲，而我们在最新研究中得到的这些直径仅为1微米的长纤维，其7%到8%能被弯曲而不破碎。”

最新材料兼具金属和陶瓷的优点。金属的强度更低，但非常容易变形；而陶瓷的强度更大，但几乎无法弯曲。新研发的陶瓷则兼具“类似于陶瓷的强度以及金属的柔软性”。在克里斯托弗·舒看来，新陶瓷有望用来制造微米和纳米设备；也可以用作生物医学领域广泛使用的微观激励器，触发微小的植入物释放出药物等。

柔性陶瓷材料由氧化锆制成，不过，克里斯托弗·舒认为，同样的技术应该也适用于其他陶瓷材料，氧化锆是“我们研究得最多的陶瓷材料”，广泛应用于工程领域。此外，氧化锆也被用于燃料电池领域，尽管燃料电池并不需要柔韧性，但拥有柔性会大大增强燃料电池抗破坏能力。

北京化工大学材料与工程学院博士生导师刘家祥告诉《中国经济和信息化》记者：“二氧化锆是一种硬度仅次于金刚石的材料。”这次，美国和新加坡的科学家用二氧化锆做材料的陶瓷，其实与国内陶瓷研究领域中一直致力于的陶瓷增韧不谋而合，其目的都是使陶瓷变得更加坚韧。由于陶瓷本身虽材质较硬，但易碎性很强，因此解决陶瓷的易碎性、增加陶瓷韧性成了各国科学家共同研究的方向。

韧性标准待定

中国对于二氧化锆陶瓷的研究起步也不晚，早在上世纪90年代，就已有大量企业和实验室对这类陶瓷进行系统研究试验。美国和新加坡联合研究出的微小陶瓷比头发丝还要细，尽管技术上有所保留，但从本质上讲，与国内的陶瓷增韧技术并无变化。

刘家祥认为，从科学的角度来分析，这种柔性陶瓷材料并非不严密，但是还并不能得出肯定的结论，因为其技术导向尚不明显。虽说可以用在医疗和电池上，但具体应用还需要进一步探讨。

与国外不同的是，国内虽然已在陶瓷增韧上有了不少年头的历史，也做出了陶瓷刀等十分成熟的韧性陶瓷产品，但目前对于柔性却并没有严格的定义。究竟韧性达到了多少才算得上是柔性？并没有一个准确的答案。

“在没有严格标准的今天，我们能做的就是一步步给陶瓷增韧。”刘家祥说。 与传统金属相比，陶瓷既有相对优势也有劣势。其优势除了材质较硬外，陶瓷还能耐高温和抗腐蚀。由于材质较硬，陶瓷可将大多数金属锯断。根据这个特点，陶瓷可以大量运用在机床生产中，代替原本由稀有的金刚石做材料的零部件。这样不仅可以解决金刚石数量少的问题，也可以使陶瓷扩大用途。

不能完全替代钢铁

传统的钢铁材料易腐蚀。在长期风吹日晒下，钢铁若碰到腐蚀性气体就会被快速腐蚀，但是陶瓷不会。比如日常用的茶杯、盘子等，根本不存在腐蚀问题。一般的水果刀削水果久了容易生锈，而这种情况在陶瓷刀上是不会发生的。

此外，陶瓷还具有耐高温的特点。所谓的耐高温指的是1000摄氏度以上的温度，有些更优质的材质甚至可以耐2000摄氏度的高温。而这种特性是钢铁等金属不具备的。如此高温下，钢铁会逐渐变软。

结合陶瓷的这些优势，如果其增韧达到一定的标准，工业生产中那些容易发热的大机器机体外壳，甚至在机器高速运转时容易发热的核心部件都可以采用新型陶瓷材料制造。

河南维纳精细陶瓷有限公司在陶瓷工业上已做了20多年的研究，董事长冯立明对《中国经济和信息化》记者表示，现在他们已经由最初的做陶瓷首饰延伸到了工业仪器相关产品的生产。如今该企业不仅和武汉钢铁厂取得了合作，还做出了发动机零件等产品，并在一些领域实现了陶瓷对传统钢铁的替代。

冯立明介绍：“陶瓷作为工业生产中的新型材料，具有传统材料没有的特性。一旦陶瓷的韧性得到增加，几乎可以替代所有大机器中需要高速运转的部件，成为新一代的优良工业材料。”

此外，除了二氧化锆，国内还会用到三氧化氯作为陶瓷增韧的元素。这两种材料共同的特性是硬度强，但也同时都有易碎的缺点。

工业生产中，陶瓷材料的成本非常昂贵。一吨钢材大致加工成本在3000元左右，加工完造价为6000元。而一吨陶瓷加工后的价钱最低也要20万元，比钢铁足足高了40倍。即使实现了大批量生产，其造价也很难和钢铁相媲美。正因为如此，目前陶瓷在工业领域中的应用面非常窄。目前，陶瓷只能运用在一些工业机械的关键部位，以及包括军工、飞机等一些对于价格因素并不敏感的行业中。

然而，可以肯定的是，陶瓷材料尤其是柔性化的陶瓷材料，其本身具有的优势是其他材料都不具备的，不管是金属材料、高分子塑料橡胶、还是铜、铅、锌、铁，都望尘莫及。值得注意的是，陶瓷材料也分三六九等，有的陶瓷可以耐1000摄氏度高温，有的耐温则可以达到2000摄氏度。针对不同情况选用适当的陶瓷才能恰到好处地发挥陶瓷的作用。

刘家祥对柔性陶瓷的产业前景持非常乐观的态度，在他看来，“实现柔性陶瓷的产业化是必然的趋势，但这种产业化在相当长的时间内所涉及的范围并不会太广。”尤其是在高速运转时会发热的机器中能发挥出不小的作用，但是取代传统钢铁依然是不现实的，还需要大量的技术储备和批量应用。

虽然目前柔性陶瓷的定义还较为模糊，但研发不能停止，也许在不久的将来，在工业生产的车间里，柔性陶瓷的影子会越来越多。