結構陶瓷材料在石油工業的應用

      在新材料世界裡，陶瓷材料與金屬材料、有機高分子材料形成三足鼎立之勢，同時它們又互相複合，取長補短，成為新科技革命的支柱。

      陶瓷主要由一些非金屬礦物質和氮化矽、氧化矽等組成，它比起鋼有更高的抗熱和抗化學反應能力，十分適宜於取代各種合金來製造內燃機等耐高溫機械設備。 ２０世紀９０年代以來，熱熔技術和噴霧乾燥技術的進一步提高，更有助於人們掌握陶瓷的實際成分。將陶瓷作基體材料，以連續纖維、晶須、顆粒等增強劑複合，所製得的陶瓷複合材料，可用於製造航空、精密儀器、機械工具、電子和人體等諸多方面的複合陶瓷裝置。

      普通陶瓷經過高技術複合後，其抗疲勞強度和抗腐蝕性能甚至高於鋼或高溫合金材料，用它製造發動機、宇航器材或潛水設備尤為理想。由於微波乾燥技術日臻完善，使得複合陶瓷的性能不斷提升。德國工具製造商利用複合陶瓷的堅硬特性，生產鑽頭、剪金屬板的刀具等切削工具。英國公司生產減速裝置、滾珠軸等產品時，也增加了複合陶瓷的應用。美國醫療保健部門以複合陶瓷取代某些金屬支撐件進入人體的目標，也成了現實。到２０００年底，高技術複合陶瓷在國際市場的銷售達１９００億美元，其中西歐市場為５５０億美元，日本市場為３００億美元。進入２１世紀，美國、歐共體和日本以及部分發展中國家對高技術複合陶瓷開發投資的成長率將超過２０％。僅美國軍方對複合陶瓷的研發投資即達２億美元。先進結構陶瓷已廣泛應用於汽車、飛機、能源交通、動力設備與機械工業領域，並且逐步推廣使用在化學、核子工程、醫療設備與食品機械等行業。其主要用途包括各種高溫結構件（噴嘴、熱交換器、承燒板、高溫過濾器、高溫球閥、加熱元件等）、耐磨零件（軸承、球磨介質、脫水板等）、耐腐蝕零件（如管路、球閥、幫浦材等）、密封件、抗衝擊結構件（陶瓷裝甲）、引擎用陶瓷零件等。

      ２０世紀８０年代在國際石油危機後的大背景下，各國競相投巨資進行陶瓷發動機的研製，帶動了一大批先進陶瓷特別是結構陶瓷產品與製備技術的發展。目前，採用高技術陶瓷研製的車用陶瓷引擎零件，以及採用陶瓷粉末進行表面改質的汽車零件已大批走入市場，大大提高了汽車的工作性能。

       陶瓷材料在軍事上的用途一直是美國先進材料計畫的主要部分。從玻璃陶瓷裝甲駕駛艙，到愛國者飛彈和阿帕奇直升機，陶瓷在軍事設備中廣泛使用。輕質陶瓷也被廣泛地應用於現代戰鬥機。在機艙座位、側面和底板上常裝有陶瓷裝甲、保護機內人員免受地面攻擊。陶瓷也應用於許多軍事雷達通訊系統。愛國者飛彈系統中的雷達是由陶瓷元件構成的。在結構陶瓷方面，切削工具壽命是一般金屬刀具的數十倍。例如，碳氮化鈦基硬質合金和單晶鑽石是有色金屬、陶瓷、玻璃、石墨等材料精密加工的最佳刀具。

      隨著能源交通、汽車、航太、電子、軍工等部門對這些材料需求的增加，高性能陶瓷刀具的應用也將更加廣泛。

      先進結構陶瓷更具高強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、比重小、化學穩定性佳等許多優良性能。與金屬及高分子材料比較，其關鍵不足是脆性大，不耐衝擊。因此，先進結構陶瓷材料應用的範圍與速度，主要取決兩方面的工作，一是解決陶瓷的脆性問題，二是生產製程的經濟性。尤其是陶瓷的性能對於原料的粒度、純度、燒成後的微結構以及製程條件都十分敏感，因而決定了新型陶瓷材料的研究開發與生產過程的改進必須同步進行，兩者密不可分。

      在石油業，油田的一有些鑽井設備零件、提升設備零件、幫浦、球閥、管接頭、各種管道等等許多需要耐腐蝕、耐磨零件可考慮用陶瓷替代金屬，延長使用壽命，提高採收率。除此之外，泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑膠複合陶瓷、陶瓷粉末潤滑劑及各種精細陶瓷材料與元件等在石油工業也有廣泛的用途。

      輕質發泡陶瓷具有獨立氣泡結構、比重小、加工性能佳、良好的隔熱性及耐高溫性。這種輕質發泡陶瓷是將陶瓷粉末和發泡劑混合原料加熱、發泡印製成的無機輕質發泡體。透過控制燒結製程條件及原料的調配，製作成像聚氨酯泡沫塑膠一樣均勻的獨立氣泡（直徑為０.１ｍｍ～３ｍｍ）的結構。其隔熱性比混凝土高８～２０倍，最高耐熱溫度可達800℃。

      除發展高溫結構陶瓷材料外，表面薄膜陶瓷材料的應用範圍不斷擴大，發展前景十分樂觀。具有小型化、多層化、薄膜化、多功能化傾向。除應用於機械、化學領域外，也成功生產出覆蓋陶瓷薄膜的金屬工藝品。如一種能隨意拉伸折疊的彈性陶瓷材料最近在日本面世，其拉伸後的長度可比原來增加１０倍以上。以此方法製得的燒結氮化矽陶瓷，可高效、經濟地製造各種複雜形狀的產品，如切削刀具、密封環、軸承、噴嘴及各種耐高溫、耐磨損、耐腐蝕製品等。功能陶瓷目前也得到了日益廣泛的應用。例如，超導陶瓷能夠使電流無阻抗，無熱耗的流動，使磁浮列車將能以時速２００～300公里的速度行駛，從而擁有廣闊的前景。超級電腦中書桌大小的運算器將以比目前的電腦快數千倍的速度運作。功能陶瓷的其它應用還包括：各種感測器、驅動器、光電材料、半導體和多層電容器等。陶瓷塗層也常被用來保護或潤滑許多材料，如金屬等。

      這些陶瓷塗層能夠行之有效地防止電腦及其它電子裝置斷電，零件工作失靈以及過度磨損等。  在高性能陶瓷材料加工過程中，雷射加工技術近年來開始流行。以雷射加工陶瓷材料的技術，可將加工成本降低５０％。該技手術尤其適用於考慮到模具製作成本因素而不採用模具來生產的小批量、小規格的某些陶瓷部件。首先用雷射將陶瓷材料加熱至1000℃使其軟化。雷射的強度及加熱部位均需精確控制，加熱的部位僅限於材料上很小的一部分。然後再將熾熱的陶瓷材料移到超硬硼化材料製成的車床上進行加工。雷射加工的一大優點是只要一次切割便能使零件達到規定的複雜幾何尺寸，而常規方法需要經過幾台車床加工才能使材料成型。