结构陶瓷材料

    在国家七·五、八·五、九·五攻关、863高技术、国家首批产学研工程计划支持下，作为核心研究方向之一的结构陶瓷在氧化物结构陶瓷材料、加工过程及应用研究方面居国内领先水平，并建成先进结构陶瓷中试研究基地。该研究方向承担并出色完成16项国家重大项目，如七·五、八·五攻关“陶瓷发动机”项目9项，八·五攻关“石油钻井泵陶瓷缸套”，九·五攻关“石油化工用陶瓷缸套、球阀等产品开发”、“轿车发动机陶瓷摇臂量产化关键技术”；七·五、八·五863高技术项目3项；国家产学研计划“增韧氧化锆陶瓷的扩大应用”等。现正承担十·五863项目“稠油蒸汽驱开采大尺寸陶瓷柱塞研究开发”。该方向还承担并完成国家自然科学基金7项、教育部重点基金2项，2项国际合作研究（澳大利亚CSIRO和美国3M公司）。12项科技成果通过教育部鉴定，863项目“耐高温微晶PSZ陶瓷”在科技部验收时，专家综合评价为“A”；获授权发明专利1项，申请的6项发明专利在实审阶段。在高性能低成本氧化物陶瓷材料设计，陶瓷摇臂系列化数字设计技术，大尺寸部件等静压近尺寸成型，低温快速优质烧结工艺，过盈红装工艺，陶瓷镶块—铝合金基体高可靠性联接，低成本、高效率、低粗糙度陶瓷R圆弧面磨削加工方法等均为自主开发的核心技术。

    主要研究内容：

    1. 低成本、高性能的材料设计

    原料昂贵和成品率低（重现性差）是先进结构陶瓷成本居高不下的重要原因。低成本材料设计主要包括低成本原料的充分利用；高性能的保证原理和控制技术的研究；粉料高稳定性的保证措施。

    2. 近（净）尺寸成型工艺与技术

    近（净）尺寸成型，提高成型质量、尽量减少加工余量是降低成本的有效途径。研究等静压近尺寸成型过程设计与控制；研究大异型或复杂形状陶瓷构件组装成型；研究胶态成型新技术；计算机辅助陶瓷无模成型。

    3. 低温快速优质烧结工艺

    计算机辅助研究大尺寸高性能陶瓷部件的烧结过程及缺陷控制；研究低成本连续烧结的可行性，为陶瓷部件高可靠批量制备提供技术支撑。

    4. 结构陶瓷摩擦磨损行为及机制

    结构陶瓷近期最大的应用领域是摩擦学部件，因而陶瓷的耐磨性是决定其寿命的关键，但陶瓷内部因素（材料组成、力性、显微结构）对其耐磨性的影响至今仍认识粗浅，因此需借鉴相关学科的最新成果，系统研究陶瓷内在关键因素的影响，为设计长寿命、高可靠性陶瓷提供指导。

    5. 陶瓷材料的塑性化

    陶瓷的脆硬特性，使其难加工、破坏时灾难性突然脆断，实际应用的制造成本高、安全性差、可靠性低，一直是制约陶瓷材料广泛应用的突出问题。陶瓷微观相界面的适当弱结合设计，不但使陶瓷易于加工，还可使断裂方式在一定程度上变为渐次的而非瞬间断裂。主要研究弱界面设计与塑性化机理；陶瓷材料可靠使用的理论与评价测试体系。

    功能陶瓷材料

    天津大学功能陶瓷研究方向是集学校多个优势学科的交叉与联合，具有学科集成的优势，建有天津市低维功能材料重点实验室和军工陶瓷研究与生产基地。多年来承担国家基金重大项目、国家863、攻关及省部级研究项目三十余项，取得一批国内领先国际有影响的研究成果，主要有：国家自然科学基金重大项目“新型功能陶瓷材料的制备科学及其关键基础性问题--可溶性无机盐溶液凝胶法制备功能陶瓷膜的研究”，创新性地利用可溶性无机盐溶液-凝胶法制备高性能功能陶瓷膜，所研究成果与承担的国家863项目“轿车发动机电控喷射系统用新型传感器的研究”结合，开发出电阻型新型氧传感器。在能源材料研究方向承担863计划和天津市重点基金有关固体氧化物燃料电池项目，开展了阳极支撑电解质薄膜、新型电解质和电极材料、电池结构设计与性能等综合研究工作。NPC太阳电池项目主要是研究有机模板组装法制备大/介孔结构光阳极薄膜，采用无机敏化制备全固态化ETA型太阳能电池。在磁性材料方面主要以自旋电子材料与器件的研究为特色，连续获得4项国家基金资助，部分研究成果在国内处于领先位置，达到国际先进水平。军工陶瓷材料方面是天津大学的传统特色与优势研究方向，“激光陀螺抖动轮用压电陶瓷”、“高温电连接器用注塑复合材料的研制”、“坦克恒温加热系统用PTC材料研制”、“瞄准跟踪系统靶标材料”等都是已经完成或正在进行研究的项目，均按合同要求取得较好研究成果。

    主要研究内容：

    1. 半导体铁电压电微波等信息功能材料的设计与研究

    重点研究新型半导体敏感陶瓷材料特殊功能化设计与加工技术；研究3-30GHz以上微波介质材料与器件的理论与实验技术；高可靠性铁电压电陶瓷环境友好材料的制备与性能研究；多层结构新型陶瓷元器件；开发具有优良介电、铁电、压电、热释电、铁磁以及传感与致动等物理性能的先进功能陶瓷材料和器件。

    2．低维微纳米尺度功能陶瓷薄膜与粉体材料的设计与研究

    以低维材料基础研究与技术创新研究为中心，开展功能低维纳米尺度薄膜与粉体结构与新性能开发方面研究。重点研究：纳米结构光电转换功能陶瓷薄膜的制备与性能；纳米晶气体敏感半导体陶瓷薄膜的制备与性能；新型铁电与介电陶瓷薄膜的制备理论与实验及性能；功能性无机薄膜材料发光二极管有源区材料；光催化纳米功能材料在净化环境中的应用；新型纳米粉体材料及制备手段。

    3．能源与生物功能材料的设计与研究

    在固体氧化物燃料电池方面，针对传统燃料（氢气）和新型碳氢燃料（例如汽油、丙烷等），研究性能更高的新型电极材料设计、制备、性能及应用。在太阳能电池方面，研究与开发出高光电转换效率、低成本、大面积、可商业化的多晶陶瓷薄膜太阳能电池及其组件。在生物材料方面，研究与开发磷酸钙基及类骨骼矿化物生物支架材料，研究羟基磷灰石纳米材料表面改性与药物相容性。

    4．磁性电子材料理论与加工过程研究

    以量子理论为基础，从理论和实验两个方面通过材料设计，在高层次上预示磁性材料的新特性；探求微纳电子学及其相关产品的应用。主要研究：纳米团簇结构的热力学性质及分子动力学理论；纳米、微米尺度功能材料的制备及电子输运特性；超常磁性信息材料的设计与制备等。

    陶瓷材料加工工程

    天津大学是我国最早从事硬脆材料加工技术系统研究的单位之一；长期坚持将科学研究与人才培养密切结合、为全国培养了一批该方向优秀的学术带头人。硬脆材料加工技术一直是本平台的重点研究方向，其综合实力和研究成果为国内公认的最高水平，在国际上也具有较高的知名度，长期承担各类国家重大课题，代表了我国在该领域里的重要研究力量。该方向已形成了从基础理论研究到产品开发研究的完整体系，先后承担国家七·五、八·五、九·五重点攻关课题9项，国家自然科学基金课题6项，军工课题7项，天津市青年基金课题4项，天津市攻关课题1项，横向课题多项。获得国家教委科技进步二等奖1项、三等奖3项，天津市科技进步三等奖1项，1人获得天津市青年科技奖。取得的代表性研究成果：连续承担国家自然科学基金课题“工程陶瓷高效率加工新工艺及加工机理的研究”、“陶瓷及硬脆材料纳米磨削机理及纳米加工技术的研究”、“超精密加工分子动力学微观理论物理建模与仿真”，系统地建立了硬脆材料粗加工、精加工、纳米加工的材料去除机理模型，提出了磨削陶瓷材料从脆性向延性转化的临界条件，提出了纳米磨削机理与基本规律，根据分子动力学原理，建立了硬脆材料纳米量级材料去除过程的数学模型及仿真软件，为探索微观领域超精密加工过程的基本规律和加工机理打下良好的基础；在承担国家攻关课题的过程中，创新性的提出了大切深缓进给切削技术和非稳态磨削技术，实现了陶瓷材料的高效率加工和低成本高精度镜面加工，发展了磨削技术基础理论，应用这些技术出色的完成了陶瓷发动机关键零部件的加工制造任务，获得国家科技部和教育部的认可，也确立了该方向在全国的领先地位；“弧形移动热源温度场理论的建立与杯形砂轮磨削热分析”课题从理论上建立了弧形移动热源模型，解决了大尺寸单晶硅磨削热分布研究的理论难点，是对传统磨削热理论的重要发展；军工预研课题“高速重载大直径耐腐蚀滑动轴承”成功地解决了在海水环境下重型装备的关键技术，在陶瓷零部件设计理论和应用方面有所创新；此外，陶瓷球偏心圆研磨技术、陶瓷组合缸套的复合珩磨技术等也都有重要的创新。

    主要研究内容：

    1．高效率、低成本加工理论与方法。

    陶瓷材料的高效率加工问题依然是技术难点，主要有大型陶瓷构件的高效率加工技术，如大型陶瓷量具、陶瓷机床床身导轨、石油泥浆泵缸套等；大批量生产应用的小型陶瓷件的加工效率问题，如光纤接插件、陶瓷仪表轴承、陶瓷密封件等。主要研究：大切深、缓进给高效磨削机理及实现技术；高速、超高速磨削机理及实现技术；大型陶瓷构件的高效率、低成本加工技术；大批量生产过程中陶瓷工件的高效率、低成本加工技术；高效加工中的磨削振动机理及其抑制技术。

    2．精密、超精密加工理论与方法。

    根据陶瓷材料的不同使用环境，对愈来愈多的陶瓷部件提出了精密、超精密加工要求，主要反映在提高表面质量解决摩擦副匹配问题；精密配合偶件；精密陶瓷量具；光学反射部件等。精密、超精密加工是关系到国家安全和国民经济生产急需解决的关键技术。主要研究：超精密加工分子动力学微观理论物理建模与仿真；脆性材料延性域磨削机理与实现技术；非稳态超精密加工技术机理研究与应用；复杂型面陶瓷工件超精密加工技术；精密和超精密陶瓷加工的波纹度抑制技术；陶瓷加工机床的结构动态设计问题。

    3．硬脆材料特种加工。

    特种加工技术是特殊形状陶瓷零件表面达标的有效方法。主要研究：陶瓷材料超声波加工，超声波复合孔加工机理的研究；陶瓷材料小孔、大孔激光加工机理，加工工艺和主要影响因素及规律的研究；陶瓷材料磨料水射流加工机理、加工工艺和主要影响因素及规律的研究。

    4．硬脆材料加工装备与工具。

    研究与开发具有高刚度、高精度、自动化的硬脆材料加工机床和不同基体与结合剂特性的系列超硬磨料工具，以适应相应的硬脆材料的高效精密加工。主要研究：研制高刚度、高精度、自动化的硬脆材料加工机床；研究不同硬脆材料相应的超硬磨料工具；研究不同硬脆材料去除特性和理论；专用超硬磨料工具的磨料、结合剂的研发、制备与性能研究。

    5．陶瓷材料可加工性表征与评价技术。

    研究陶瓷材料的可加工性评价方法，建立陶瓷材料的可加工性评价体系；研究陶瓷材料加工过程的表面完整性，建立陶瓷材料的加工表面质量表征体系；基于陶瓷材料的可加工性，研究适于陶瓷材料的刀具研发与加工工艺技术。

    6．陶瓷零部件的现代设计/加工集成技术。

    作为耐磨、耐高温和耐腐蚀的陶瓷材料用于工程应用的零部件时，由于其难加工、脆性、难于联结等问题，如何正确进行结构设计、低成本、易加工并采用现代设计/制造集成技术高质量的制造出来是陶瓷材料工程应用和产业化的关键问题。主要研究：陶瓷零部件的创新设计技术；陶瓷零部件基于装配的设计技术（DFA）；陶瓷零件的可靠性设计技术；陶瓷零部件的CAD/CAM集成技术。