陶瓷刀的故事

其实这个话题涉及到的专业知识很多,除了陶瓷制备工艺,陶瓷材料物理性能,还包括脆性材料的断裂力学,我并不是都很了解,班门弄斧主要有两个原因:第一,知乎上貌似有不少关于陶瓷刀的问题,至少我就被邀请过好多次;第二,这个话题确实是和我所在的实验室有很深的渊源,这一点后面我会慢慢讲。

提到陶瓷刀,可能大多数普通人所能想到的,就是下面这些。

没错,现如今陶瓷刀已经走进了千家万户的厨房,我现在就用着这样一把光洁,精致并且锋利的陶瓷刀。切水果,切洋葱,切肉片,除了不能剁排骨,可以说陶瓷刀基本上满足了家庭生活中对刀具一切需求。耐磨损,耐老化,抗细菌,除了怕磕怕摔,可以说陶瓷刀基本上超越了传统钢刀的一切特性。

陶瓷刀的制备工艺,适用范围,注意事项,百度百科上写的很清楚,我这里并不想多说。事实上,或洁白,或乌黑,家用陶瓷刀的主要成分都是氧化钇部分稳定氧化锆(Partial stabilized zirconia,PSZ),所不同的只是黑色陶瓷刀中加入了碳或钴黑等着色剂(关于这一点我还是有一定的疑问)。氧化锆陶瓷本身就具有较高的硬度和强度,而从四方相到单斜相的马氏体相变又赋予了 PSZ 材料极佳的断裂韧性,它也因此在结构陶瓷世界中打下了自己的一片江山,而陶瓷刀正是它诸多应用中的代表作。

然而我今天想说的重点,并不是这些砍瓜切菜的玩具。真正的陶瓷刀,是烈火的铸就,更是钢铁的淬炼。数百米每分的速度,如土豆去皮一样轻易的切削金属,上千度的高温,如萝卜雕花一样精密的加工零件,此时此刻,先进的陶瓷刀具正在车间、厂房完成着真正属于它的使命。

早在二十世纪初,德国人就开始使用氧化铝(Al2O3)为工业切削刀具,然而较高的脆性严重的限制了陶瓷刀具的使用。直到 70 年代,Al2O3 + TiC 复合陶瓷刀具的问世才真正打开了陶瓷刀具应用的大门。二十世纪 80 年代,氧化铝基陶瓷刀具在美国、德国、瑞典等国家的发展如火如荼,氧化锆增强氧化铝(ZTA),SiC 晶须增韧氧化铝,Al2O3+TiB2 等一系列氧化铝基陶瓷刀具材料先后问世,极大的拓宽了陶瓷刀具的市场。而在东方,氮化硅(Si3N4)陶瓷刀具在中国悄然亮相,并很快实现了对包括冷硬铸铁、淬硬钢在内的多种难加工材料的车铣加工。在此基础上,陆续发展出的 Si3N4 +Ti (CN),Sialon (Si3N4 + Al2O3) 等复合陶瓷刀具,进一步扩展了陶瓷刀具的应用范围。目前,金属陶瓷(Cermet = Ceramic+Metal),这类有着近百年历史的刀具材料再次成为研究的热点。

陶瓷刀具的应用,除了使我们摆脱了传统硬质合金刀具对某些战略性贵金属的依赖之外,刀具的耐用性提高了数十倍,同时解决了硬质合金刀具无法加工超硬材料的问题,实现了以车代磨,以铣代磨的新工艺,切削速度提高了数倍到数十倍。

陶瓷刀具的发展,凝结了无数材料科学工作者艰辛的努力,这里不得不提到我身边的一位老前辈,苗赫濯老师。苗老师自 1958 年参加工作,长期从事高性能结构陶瓷的研究工作,是氮化硅陶瓷刀具研究和应用领域的先驱者,《科学》杂志和世界陶瓷大会上的报道是对他工作的肯定,日内瓦国际发明展览会镀金奖和世界陶瓷科学院院士称号更是对他成就的褒扬。从六年前进入我现在所在的课题组开始,苗老师在艰难环境下坚持晚上搞研究的经历成了我们的笑谈,而满头银发仍然在实验室忙碌的身影更是我们学习的楷模。中国的材料研究,或许可以少几篇 Nature 和 Science,但少不了这些真正的产品!明年,苗老师将迎来自己的八十岁生日,我在这里祝福我所敬佩的老先生,身体健康,青春常在!

BY 赵萌萌

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