陶瓷加工技术的创新突破与发展趋势

在现代制造业的广阔版图中，陶瓷材料凭借其卓越的物理与化学性能，如高强度、高硬度、耐高温、抗热震、耐腐蚀及良好的电绝缘性等，占据了举足轻重的地位。从日常生活中的锅碗瓢盆，到国防高技术、航空航天、电子信息、能源化工等高端领域，陶瓷材料的身影无处不在。然而，陶瓷材料固有的硬度高、脆性大等特性，给其加工制造带来了诸多挑战，成为限制其在更多复杂、高端场景中广泛应用的瓶颈。近年来，随着材料科学与制造技术的不断进步，一系列创新的陶瓷加工技术应运而生，为突破这些瓶颈带来了曙光，也为陶瓷材料在各领域的深度应用开辟了新的路径。

复杂结构陶瓷制造难题与解决方案

传统陶瓷材料在制造复杂形状，尤其是具有复杂几何形状和内嵌结构的部件时，面临着严峻的挑战。常规的模压、注浆成型和挤压等加工方法，需经过高温烧结才能赋予材料最终的机械性能，但这一过程往往伴随着材料的收缩和变形，使得精确制造复杂结构变得极为困难。以航空发动机热端部件中的陶瓷基复合材料构件为例，其内嵌的气膜孔等精细结构，对加工精度和质量要求极高。传统加工方式难以在保证孔壁质量的同时，实现高精度的孔径和位置控制，这不仅影响了部件的服役性能，还限制了陶瓷基复合材料在航空发动机领域的广泛应用。

为解决这一难题，增材制造技术，即 3D 打印技术，在陶瓷加工领域崭露头角。通过层层堆积材料的方式，3D 打印能够直接将设计模型转化为实体部件，无需复杂的模具，极大地提高了复杂结构制造的灵活性。在碳化硅陶瓷的加工中，3D 打印技术可有效解决传统加工技术难以制造复杂几何形状构件的问题。法国的 3DCeram 公司推出的多材料增减材技术一体设备 M.A.T，不仅能够进行陶瓷 3D 打印，还能实现金属材料及复合材料的 3D 打印，并配备一体式的 CNC 加工系统，为工件带来更好的精度及表面质量。其独特的模块化打印头设计，可根据工艺需求快速更换打印模块，使打印过程更加方便和高效，为复杂结构陶瓷的制造提供了有力的技术支持。

然而，3D 打印 SiC 陶瓷目前也面临一些问题。多数 3D 打印的反应烧结 SiC 陶瓷密度低于 2.95g・cm - 3，硅含量通常大于 30vol% 甚至高达 50vol%，由于硅熔点低于 1410℃，导致其使用温度受限，在半导体等对材料性能要求极高的领域应用受到一定制约。此外，等效碳密度的增加致使渗硅难度呈指数级提升，直接液相渗硅易阻塞通道致使渗硅失效，且增材制造陶瓷产品中难以避免存在较多缺陷，如何提高增材制造 SiC 陶瓷材料的致密性与强韧性，精准控制内部制造缺陷，成为该技术进一步发展的关键问题。

高精度陶瓷部件加工的尺寸控制与缺陷消除

在制造高精度陶瓷部件，特别是微小尺寸部件时，传统加工方法面临着尺寸控制困难的问题。由于陶瓷材料在烧结过程中的收缩以及烧结过程本身的不可控因素，要实现高精度制造可谓难上加难。而且，烧结后的二次加工，如研磨和抛光，不仅增加了生产成本，还使加工过程变得更为复杂。更为棘手的是，传统制备过程中，陶瓷材料极易产生裂纹、气孔等缺陷，这些缺陷在高精度、高强度的应用场景下，会严重降低材料的机械性能和可靠性，是绝对不可接受的。

为实现高精度陶瓷部件的加工，先进的加工工艺与设备不断涌现。在陶瓷基复合材料构件内嵌孔加工中，超声振动辅助加工技术（UVAM）展现出独特优势。该技术通过在刀具或工件上施加可控的高频振动，改变刀具与工件之间的接触和作用状态，使刀具与工件发生周期性的接触和分离。在加工中心机床进行气膜孔加工时，多采用旋转式超声波辅助加工设备，由外置的超声波发生器和固定于机床主轴上的机械振动器组成。研究表明，与传统加工工艺相比，旋转超声槽加工（RUSM）显著降低了加工切削力和刀具磨损，将 Fy 和 Fz 方向的加工力分别降低了 20% 和 9%，刀具磨损的影响降低了 36%。这种技术有效改善了刀具的加工应力，促进了接触点材质的松化，对减轻孔口破裂、延长刀具使用寿命均有积极作用，从而提高了孔加工的精度和质量。

此外，在加工过程中引入实时监测与反馈控制系统，能够对加工参数进行动态调整，确保加工过程的稳定性和尺寸精度。通过激光测量、电子显微镜等先进检测手段，实时获取加工部件的尺寸和表面质量信息，一旦发现偏差，系统立即自动调整加工参数，如刀具路径、切削速度、进给量等，从而实现对高精度陶瓷部件加工尺寸的精确控制，有效减少因加工误差导致的废品率。

新型陶瓷材料研发与加工技术协同发展

随着各行业对陶瓷材料性能要求的不断提高，新型陶瓷材料的研发成为推动陶瓷加工技术发展的重要驱动力。高性能特种陶瓷材料，如多元复相陶瓷、透明陶瓷、高频高速陶瓷复合介质材料、大功率低损耗压电陶瓷及其复合材料、超高温陶瓷及其复合材料以及半导体用先进陶瓷材料等，在现代工业和国家重大重点装备中展现出巨大的应用潜力。然而，这些新型陶瓷材料往往具有更为复杂的成分和微观结构，对加工技术提出了更高的要求。

湖北隆中实验室在高性能特种陶瓷材料制备与工程化关键技术方面取得了重要突破。该实验室发展了大尺寸、大厚度陶瓷均温场快速制备技术，以及高精度、大尺寸、复杂形状特种陶瓷高效加工技术，并自主研发成套制备工艺技术及装备，实现了系列特种陶瓷的批量化制备。通过优化多元复相陶瓷的组成设计，结合先进的加工技术，成功制备出满足不同领域需求的高性能陶瓷材料，在轻工、电子、机械、化工、冶金和军工等领域实现了批量应用。

在生物医学领域，对生物陶瓷材料的加工精度和表面质量要求极高，以确保其与人体组织的良好相容性。生物医学和先进陶瓷制造商 SINTX Technologies 与法国 3D 打印原始设备制造商和服务商 3DCeram 合作，共同开发新型树脂和陶瓷产品的增材制造工艺，旨在利用 3D 打印技术的优势，生产出具有高精度复杂结构的生物陶瓷组件，满足生物医学领域对个性化植入物等产品的需求。这种新型陶瓷材料与加工技术的协同创新，将为生物医学领域带来更多先进的治疗手段和产品。

陶瓷加工技术的绿色可持续发展趋势

在全球倡导绿色可持续发展的大背景下，陶瓷加工技术也朝着环保、节能的方向不断演进。传统陶瓷窑炉以天然气或者水煤气为燃料，在生产过程中会产生大量的碳排放和氮氧化物等污染物。随着 “双碳” 目标的提出，陶瓷行业面临着技术升级和转型的压力。仙湖科技氢氨新能源事业部致力于研发以氨气为燃料的新型燃烧器，以实现陶瓷窑炉的 “零碳燃烧”。虽然这一技术面临诸多挑战，如可控的纯氨点火、稳定的高温燃烧火焰以及降低氮氧化物和残余氨排放等，但一旦成功应用，将为陶瓷行业的绿色发展带来革命性的变化。

在陶瓷生产的其他环节，也在不断探索绿色可持续的技术路径。陶瓷膜过滤技术在食盐生产等领域的应用，不仅提高了生产效率和产品质量，还减少了传统过滤工艺对环境的污染。陶瓷膜由氧化铝、氧化锆和氧化钛等粉体原料经特殊工艺制备而成，其管壁密布微孔，能够在高温高压环境下正常工作，化学稳定性好、耐腐蚀性强。在卤水过滤过程中，陶瓷膜能够有效截留大分子物质和固体颗粒，实现原料不同成分的分离、浓缩和纯化，且在整个过程中无需使用大量化学药剂，减少了对环境的潜在危害。

陶瓷加工技术正处于快速发展与变革的时期。通过不断创新工艺、升级设备、研发新型材料以及践行绿色可持续发展理念，陶瓷加工技术在解决现有难题的同时，也为陶瓷材料在更多领域的创新应用奠定了坚实基础。未来，随着科技的持续进步，陶瓷加工技术有望实现更多突破，推动陶瓷材料在各行业发挥更大的价值，为人类社会的发展做出更为卓越的贡献。