三万年的陶瓷复兴

尽管金属在机械中无处不在，但陶瓷工具和系统在最极端的条件下可以表现得更好。米²实验室是中国天津大学一组对陶瓷材料感兴趣的科学家。其中有林斌，教授，博士生导师，高级陶瓷与加工技术重点实验室副主任。陶瓷是一个宽泛的类别²实验室的研究几乎检查了这些多面材料的每个方面，导致了新型陶瓷的发现，在陶瓷制造中发现了新的方法，并开发了评估和质量控制陶瓷产品的方法。

人类制造的最古老的陶瓷可能有三万多年的历史了。这是一尊来自捷克共和国史前定居点的女性小雕像。两万年后，粘土制成的陶器形成了一些最重要的工具——盛水和食物的容器、艺术品、瓦片和砖块，所有这些都是在地下挖的窑洞中低温烧制而成的。

几千年过去了，金属变得越来越普遍，陶瓷开始退场。即使在今天，金属的强度和延展性对开发许多种工具都很有价值;但随着这些工具在不断严酷的环境中面临越来越大的挑战，人们越来越清楚地认识到，金属无法达到某些最苛刻的科学应用。

在高温或低温、强加速、氧化、腐蚀、高压和带电的环境中，金属不得不放弃其作为首选材料的地位——而陶瓷正在卷土重来。

陶瓷
陶瓷是一种很广泛的材料。它们总是固体，但可以形成任何形状，并可以有广泛的组成。陶器、玻璃、瓷器和砖是常见的例子。一般来说，陶瓷是硬的，熔点高，电导率和导热率低，并且是非弹性的。然而，陶瓷的性能可以变化，这些规则有许多例外。

对陶瓷的新研究已经使其应用于航空航天、军事甚至家庭用品。例如，陶瓷球轴承的使用寿命是钢铁轴承的三倍。

M²该实验室得名于陶瓷工程中两个最重要的M:材料和制造。

M²实验室
M²来自中国天津大学的实验室是一个对陶瓷非常感兴趣的实验室，与这些材料的广泛应用相匹配。该实验室的重点是陶瓷和陶瓷材料复合材料(cmc)，这是一种将陶瓷纤维嵌入到陶瓷基体中的材料——想象一下玻璃纤维，其中玻璃和树脂都是陶瓷。

M²实验室得名于陶瓷工程中两个最重要的M:材料和制造。该团队特别感兴趣的是研究新的材料和发现先进的制造方法，以创造陶瓷产品。M²实验室团队对这一领域进行了多年的研究，并在顶级期刊上发表了一系列论文。

摩擦学的材料系统
摩擦学——一个令人兴奋的名字，研究摩擦表面——是陶瓷真正有机会发光的领域。摩擦学家是多学科的科学家，他们花大量时间研究摩擦、润滑和磨损。传统上，金属被用于摩擦学应用，但需要润滑油。这些油基润滑剂不仅难以处理，而且还消耗大量不可再生资源。使这些问题更加复杂的是，油基润滑剂与高温上升有关，这可能导致金属膨胀和失效，特别是高速机械。

M²该实验室是用陶瓷代替金属在许多应用领域的研究运动的一部分。陶瓷比金属更有优势，因为它们在热下的膨胀率低，摩擦小，耐磨性高。陶瓷比金属最显著的优点可能是它们在化学上基本上是惰性的。因此，润滑油可以被一种更环保、低粘度、无污染的替代品取代:水。

许多研究人员进行了大量的实验来寻找陶瓷材料的理想组合，确定了Si_3.N₄和碳化硅是很有前途的候选者。尽管在摩擦学系统中使用陶瓷和水有许多优点，但减少摩擦是首要任务。

米²实验室测试了一种含有几种添加剂的水基润滑剂，在一个与硅配对的系统中_3.N₄表面为SiC表面。所有测试的添加剂都是环保的，以确保作为润滑剂的水比油的优势得到保留。与最常用的ISO VG 2润滑油相比，水基润滑油减少摩擦的能力几乎相同，同时减少40%的热量产生。

基于这些材料体系，M²研究小组最近发明了一种只用海水润滑的系统，设计用于船的螺旋桨。

Lubricant-free陶瓷系统
比水基润滑剂更好的是根本没有润滑剂。这在金属摩擦学系统中是不可能实现的，但陶瓷是不同的。陶瓷可以承受更高的温度，有些甚至可以自润滑。两种自润滑陶瓷对M²是ZrO₂C_f碳化硅，由碳纤维增强碳化硅基体。

人们曾经认为光滑的表面总能减少摩擦和磨损，但最近的分析表明，特定微观结构的重要性，可以进一步减少摩擦和磨损。然而，这些研究大多是关于润滑材料的。M的团队²对发现ZrO₂和C_f当碳化硅在非润滑摩擦系统中配对时。米²发现当一种材料中的纤维与另一种材料中的纤维垂直时，具有最佳的摩擦学性能。这些材料在高温下性能特别好，因此最终可能在航空或核工业中得到应用。

将陶瓷研磨成形
与金属相比，陶瓷技术的一个欠发达的方面是利用表面研磨和抛光等技术将其塑造成所需产品的能力。由于陶瓷的脆性、硬度和分子的不对称性，这些过程比金属复杂。M²实验室开拓新的理论和实验工作，使加工方法更加可靠和高效。该实验室还开发了数学工具，使陶瓷专家能够准确估计在陶瓷加工技术(如金刚石划痕、平面磨削和杯轮磨削)中会发生的热量和磨削力。

该团队还开发了一种方法来监测磨削过程对材料造成的损害，使用一种“监听”磨削过程的工具。陶瓷复合材料在研磨时，纤维和基体会发生多种类型的损伤。通过匹配材料被磨碎后发出的频率，M²建立了一个工具，可以识别损坏发生。陶瓷生产厂家使用这种工具将会对产品质量有更好的保证。

抛光技术
抛光是用来光滑陶瓷材料的表面，但与研磨一样，陶瓷由于其硬度而难以抛光。为了解决这个问题，M²实验室提出了流体动力固定磨料磨削(FHFAG)技术。

M²实验室对陶瓷材料有广泛的兴趣，特别是在高速、高摩擦和高温系统。

常用的光学抛光方法是用研磨垫直接压在材料上。M²在垫和表面之间引入研磨液膜。这允许快速去除材料，同时有几个优点:最重要的是，通过改变液层的厚度，粗磨和细磨可以使用同一个研磨垫，减少了更换研磨垫的需要。

M²实验室还对超声波辅助研磨技术进行了改进。通过将超声波应用于磨削工具，M²团队能够降低磨削力，从而降低温度，同时也提高了陶瓷表面的质量。该团队将研磨头改装到非接触式能量传递头上，创造出了一种工具，它能够在密度极高的陶瓷(如氮化硅)上钻出细长的孔，并能够产生深空腔来制造陶瓷燃烧器。

有了对磨削和抛光工艺的全面了解，M²实验室现在有一种技术来完成陶瓷制造过程的每一步。

表面改性与评价
M的最后一个研究领域²实验室是表面工程，这是一个包含多种技术的领域，可以改变陶瓷的性质和性能。米²对陶瓷的表面改性和评价进行了研究。

M²实验室目前最感兴趣的是各种方法用于修改陶瓷表面，以改变和优化其摩擦学性能。该团队研究的方法包括在陶瓷表面添加功能化纳米颗粒，即使在极端条件下也能产生非常高的润滑;用激光在表面上创造图案以减少摩擦;改变陶瓷表面残余应力，以优化其摩擦和磨损;提出了一种新的陶瓷基复合材料表面分级评价体系。

未来是陶瓷的
M的团队²实验室对陶瓷有着广泛的兴趣，特别是在高速、高摩擦和高温体系中的性能。这类研究对于寻找加工它们的新材料和方法，创造能够承受我们扔给它们的任何东西的工具来说是无价的。