——访清华大学新型陶瓷与精细工艺

国家重点实验室主任 李建保

文：郭晓熹

 

先进陶瓷作为一种工程材料，以其独特的优异性能，已成为航天、航空、建筑、冶金、机械、化工、电子、生物等工程技术中的基础材料和关键材料，且应用领域仍处于不断扩展中。

你对于陶瓷的理解还仅仅停留在漂亮的茶壶和精美的地砖上吗？如果是的话，那就太落后了。随着科技的发展，陶瓷的定义早已冲破了卫生洁具、建筑陶瓷以及餐具容器等传统陶瓷的范围，更令人瞩目的则是其用于神州飞船外层的耐高温隔热瓦片、原子能发电站内部核心核能料的储存和反应载体材料以及具有生物五官感知功能的传感和感敏元器件材料等。而这类广泛应用于高科技行业的陶瓷材料，我们称之为先进陶瓷。

为了更近距离地接触先进陶瓷，记者采访了清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的负责人李建保教授，并对先进陶瓷的发展情况进行了探讨。

冷静看待陶瓷殊荣

《中国科技财富》：2004年度国家技术发明奖一等奖在连续空缺6年后，被“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”和“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”双双摘取。两个一等奖都同时出现在材料领域，又同时属于陶瓷基复合材料专业，而且还基本应用于与宇航军工相关的国防技术领域，这有些让人觉得不可思议。您怎么看？

李建保：我首先为黄伯云院士和张立同院士获得如此殊荣感到由衷的高兴和祝贺。两位院士能以陶瓷复合材料成果获得科技界的高度认同，不是偶然的。这其中不仅包括了陶瓷研究人员锲而不舍的攻关精神和良好的科研人文环境氛围，还包括了国内外科技界大环境的推动，也是5-10年前国际上先进陶瓷研究热潮在国内的延长线。两个久违的国家一等奖落入陶瓷复合材料领域，是对我国新型陶瓷材料科技工作的肯定，也将大大鼓励和促进我国在先进陶瓷及其复合材料方面的研究工作，并进一步引起我国社会各界对于陶瓷材料和无机非金属材料的重视。

但是，事物总是有两个方面。在一阵褒扬过后，需要从两个方面冷静地思考这一现象。在国家一等奖空缺这么多年后，两个一等奖都同时出现在材料领域的一个小的方向类别。行外人会问：是这个领域的中国科研工作处于国际领导地位，而这几个科研组代表着中国同行吗？是这个领域中国的工作大大推动了经济社会发展或者工业技术进步吗？中国的国家最高科技奖的国内、国际影响肯定是人们期待的内容。中国国家级科技大奖的内容，与快速发展的中国经济社会的相关性不足的事实，反映了我国科技界的价值观与经济社会的价值观的不吻合性，也反映了我国的科技管理部门对于科技界价值取向的引导性的缺乏或者某种程度的无为。2004年度科技奖所反映出的宏观与微观的脱节，偶然与必然的矛盾，是值得深思的问题。如何引导日益壮大的我国科技队伍和科技力量更好地为主流社会服务，为增强我国在世界上的综合竞争力服务，仍然是一个没有解决好的问题。

实验室里的硕果累累

《中国科技财富》：伴随着国内外陶瓷研究的热潮，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的科研人员在2004-2005年间也取得了许多新的研究进展，其间获得一项国家科技进步二等奖，一项科技发明二等奖，一项自然科学二等奖，可谓硕果累累。请您具体介绍一下这些科学成果。

李建保：陶瓷材料具有耐热性和高硬度，但是，用于高温条件或者耐磨部件的陶瓷材料，很难于在制造后期再进行切割抛磨等后续加工，所以，高性能陶瓷部件的一次性成型制造技术，就成为高性能陶瓷的关键技术之一。清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的黄勇-杨金龙教授的课题组，将国际上新兴的凝胶浇铸成型和高压注射成型技术相结合，发展了陶瓷胶态注射成型新技术。并在注射压力、水系胶态介质和浇注模具、操作工艺条件以及操作过程自动化上进行了显著的改进，使大尺寸的陶瓷部件能够实现快速的机械化成型。制造的陶瓷部件质量高，性能好，并且该技术的形状及尺寸的适应性好，为我国的大批量制造高质量的陶瓷部件打下了基础。该技术被授权的中国发明专利就有16项；并获得过教育部技术发明一等奖和德国纽伦堡发明与新产品国际博览会金奖；2004年度获国家技术发明二等奖。

另外，周济教授课题组研究的高频电感元件用铁氧体陶瓷磁粉，可以将原有的1200℃以上的烧结温度，降低到900℃，以实现与低熔点的金属内电极Ag的低温共烧，促进了电感类元件的片式化和集成化工艺的实现。其所取得的成果不仅优于国际上同类材料，而且还填补了甚高频段（200～1000MHz）片感用介质材料的空白。这些已成为我国在低温烧结铁氧体材料和片式电感类元件方面的具有知识产权的核心技术，为国内片式电感类元件和无源集成技术产业的发展创造了条件，在2005年度获得国家技术发明奖二等奖。

实验室南策文教授的课题组所研究的非均质材料的显微结构与性能科学定量关联理论，在2005年度获得国家自然科学奖二等奖。该成果构建了非均质材料显微结构与性能关联的理论模型，利用该模型，能定量预示非均质材料中的界面效应和颗粒尺寸效应，并创建了非均质铁性材料中的物理－力学多场耦合效应的严格理论方法，通过理论设计和实验，发现了三种新型功能材料。

此外，实验室里许多新的进展，也很值得人们关注。

行业整体性能好规模小

《中国科技财富》：随着陶瓷材料的高性能化和多样化的发展，其成长不仅仅局限于实验室里，也正在形成为一个新兴的行业。那么，先进陶瓷行业有什么特点？

李建保：先进陶瓷行业的发展，简单地可以用“功能特殊且材料性能好，市场广阔而单品产量小”来形容。

先进陶瓷与传统陶瓷的区别在于：先进陶瓷是以高纯、超细的人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的先进工艺烧结而成的、比传统陶瓷结构更加精细、性能更加优异的新一代陶瓷。

先进陶瓷作为一种工程材料，以其独特的优异性能，已成为航天、航空、建筑、冶金、机械、化工、电子、生物等工程技术中的基础材料和关键材料，且应用领域仍处于不断扩展中。以煤炭能源利用中的煤变油-煤变汽关键技术为例，现有的过滤技术由于过滤元件不能耐高温和高温下的化学腐蚀，往往需要将煤灰与可燃气体的混合气体冷却到室温后再过滤，燃烧使用时再升温。这样一降一升，会损失很多热卡能量。而陶瓷过滤元件，可以耐1200多度的高温，可以使催化后需要纯净化的混合气体在高温状态下进行过滤处理，是一种节省能源的环保技术的核心元件。用我们所研制的这种多孔碳化硅陶瓷高温过滤元件改造原有工艺技术，就可以大大节省能源并降低煤渣以及二氧化碳等有害废弃物的排放污染。

但是与其他行业发展状况相比，先进陶瓷的产业化生产总体规模还比较小。原因在于，一种产品“大量生产”的时代，正在被小规模多品种趋势所代替。一种新材料，能够大大提升原有产品的性能，但是往往只是在核心问题上有改进，新材料在新技术上发挥关键作用，但是其新材料的部件的体积不一定大，数量也不一定多，需求量也就不会很大。在新产品中起着核心作用的新材料产品，使用量少，产业规模相对比较小。另外，新材料往往与新的加工技术相结合，直接将新材料加工成所需要的形态，所以新材料越来越倾向于称作"新材料技术"，将新材料的配方与新材料的制备加工技术联系在一起的技术。纳米材料技术，就是如此，你很难将纳米材料单独建立一套附加的加工技术，材料制备与材料加工变成一体了。所以，新材料的产业总体上很大，但单个产业和工厂都难于做大，而先进陶瓷行业的发展也正是如此。

投资者的目光

《中国科技财富》：先进陶瓷应该是一个很有发展潜力的新材料行业，现在投资者们是否已经开始关注了呢？

李建保：清华大学新型陶瓷国家重点实验室在研发的过程始终与企业保持着密切的联系，积极吸引社会力量参与，以缩短研发周期，促使研究的目标更贴近企业和社会需求。目前，已有多个研究成果在全国各地转化为基地生产，如邯郸、珠海、深圳、山东半岛、西安以及西部的青海。有的是与企业联合，有的是与当地政府或者开发区联合。

其中，李龙土院士课题组研究的陶瓷电容材料和陶瓷电感材料，已经在风华高科和西安等电子元器件厂家得到推广使用，经济效益达到数亿元。