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先進陶瓷——工業化應用及國際市場發展近況一覽

發布時間:2021-09-21 17:20:42

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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先進陶瓷又稱高性能陶瓷、精細陶瓷、高技術陶瓷等,是指采用高純度、超細人工合成或精選的無機化合物為原料,具有優異的力學、聲、光、熱、電、生物等特性的陶瓷。先進陶瓷在原料、工藝方面有別于傳統陶瓷,特定的精細結構使其具有高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、絕緣、超導、生物相容等一系列優點,被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫學等領域,是近年來我國重點支持發展的產業之一。


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市場需求增長穩定


按其特性和用途,先進陶瓷可分為2大類:結構陶瓷和功能陶瓷。結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性;功能陶瓷是指具有電子、超導、磁性、光學、儲能、生物等特性的一類陶瓷。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。

據市場研究機構測算,2015年全球先進陶瓷市場規模約為567億美元,隨著先進陶瓷各種功能的不斷發掘,其在微電子工業、通訊產業、自動化控制和未來智能化技術等方面作為支撐材料的地位將日益顯著,市場容量也將進一步提升。預計到2024年,全球先進陶瓷市場規模將達1346億美元,2015—2024年復合增速約為10%。


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電子工業是先進陶瓷產業最大的終端應用市場,這一趨勢仍將延續數年。從地域劃分來看,亞太地區2014年電子陶瓷市場份額超過40%,是全球電子陶瓷市場規模最大的地區,而中國又是亞太地區電子陶瓷需求量最大的國家,其他依次為日本、韓國、印度。近年受益于通信、計算機、電子儀表、家用電器和數字電路技術的普及發展,電子陶瓷元器件的市場需求日益增長。在下游行業的拉動下,全球電子陶瓷行業保持穩定增長,2010年全球電子陶瓷市場規模為181.3億美元,2014年增長至205.9億美元。


競爭:各國先進陶瓷霸權


在先進陶瓷的技術研發與市場占有率方面,中國與國外先進國家還存在較大差距。目前在先進陶瓷發展中處于領先地位的國家和地區主要有美國、日本、歐盟等。其中,美國先進陶瓷在航空航天、核能等領域的應用處于領先地位;日本在先進陶瓷材料的產業化、民用領域方面占據領先地位,并占有約一半的市場份額;歐盟在先進陶瓷細分應用領域和機械裝備領域處于領先地位;俄羅斯、烏克蘭在結構陶瓷和陶瓷基復合材料方面實力雄厚。

其中,日本在先進陶瓷領域的領先地位目前還難以撼動。近年來,日本將先進陶瓷作為戰略性產業,不斷加大投資力度,在電子陶瓷、光導纖維、高韌性陶瓷等先進陶瓷材料方面,日本均處于領先地位。日本生產的先進陶瓷敏感元件已占據國際市場主要份額,包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等在內的各種先進陶瓷產品壟斷著大部分市場;在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑膠復合陶瓷以及各種先進陶瓷材料與陶瓷部件研發,高性能陶瓷電池、陶瓷發動機等研發開發方面,日本均處于領先地位。


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進入21世紀,我國的先進陶瓷產業也進入了快速發展期。精密小尺寸產品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結技術、低成本規?;苽浼夹g,陶瓷加工系統等領域不斷打破國外壟斷和技術封鎖。許多先進陶瓷產品在我國已能大批量生產,產品質量較穩定,并能占領一定的國際市場。


目前我國從事先進陶瓷開發研制的高校、科研院所和生產企業已超過300家,其中研發生產功能陶瓷的單位占63.6%,研發生產結構陶瓷的單位占36.4%。中國科學院、上海硅酸鹽研究所、清華大學等對我國特種材料研究起到了重要的推動作用。國內先進陶瓷產業主要集中在山東、江西、廣東、江蘇、浙江、河北、福建等幾個省份,2015年這些省份產值比例約占全國產值的70%。其中,華東地區較大的先進陶瓷產業基地在山東淄博、江蘇宜興,華中地區較大的先進陶瓷產業基地在江西萍鄉,華南地區較大的先進陶瓷產業基地在廣東佛山。

雖然我國在先進陶瓷材料開發上取得了長足的進步,與領先國家的差距進一步縮小,但仍缺乏制備優質先進陶瓷材料的技術、裝備和管理水平。在全球數百億美元的先進陶瓷年銷售額中,中國銷售額僅占1%——2%。特別是高端裝備中大量的陶瓷元件仍需進口,如手機中使用的片式壓電陶瓷濾波器,風力發電機陶瓷絕緣軸承和高端超細納米粉體等。



難題:國產化瓶頸扼喉


中國先進陶瓷的發展瓶頸究竟在哪?對此,華南理工大學材料學院饒平根教授深有感觸。

“我給你看樣東西,你就知道我們和國外的技術水平相差有多少?!别埰礁贸鲆粔K氧化鋁小圓板向記者介紹,“不要小看這塊氧化鋁,這是1998年日本一家公司生產的,其純度可高達99.99%,但燒結溫度只需1300℃。當時我感到十分驚訝。隨后幾天就用該氧化鋁粉壓制和燒結了幾個小圓板,燒結性能果然如此。一般來說,氧化鋁純度越高,燒結溫度就越高,而我國生產的氧化鋁純度僅為99.5%,燒結溫度則需要1600℃—1700℃。與此同時,該產品的抗彎強度、斷裂韌性、維氏硬度、沖蝕磨損率均比國產氧化鋁的要好得多。目前世界上能生產出這樣的氧化鋁粉的企業,就只有日本的這一家公司?!?/span>


饒平根介紹,先進陶瓷的國產化難題有幾方面,一是原料,目前各種高端原料都在日本,先進陶瓷的原料不像建筑陶瓷那樣,在周邊地區就可以采集,先進陶瓷對于原料的純度和燒結活性要求高,因為這會影響特陶質量的穩定性。我國對陶瓷粉體的制備尚未引起足夠的重視,多種陶瓷粉體尚無專業化生產企業,許多企業不得不“自產自銷”。例如:高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國H.C.Stark的限制,國內企業在粉體質量上仍存在較大的波動。

二是技術,國內先進陶瓷領域的企業數量雖多,但規模普遍較小,行業內中小微企業約占70%左右,多數中小微企業的核心技術基本依靠引進,其產品單一,制備成本較高,缺乏企業自主創新能力和市場競爭力。而在科研院所方面,雖然研發了很多技術成果,但絕大多數處于實驗室研究階段,成果距離產業化的目標還有較大距離。

三是設備問題,氧化物陶瓷對燒結設備的要求不是很高,但非氧化物如碳化物、硼化物、硅化物等材料對燒結設備要求很高,使用的設備大都依靠國外進口,而且燒結設備非常昂貴。而國產設備因加工水平差距,可靠性和穩定性暫時無法與國外產品相比。


最后,我國的先進陶瓷產業整體缺乏統籌規劃和頂層設計,重復性的研究工作較多,使得有限的人、財、物等資源過于分散,盲目和粗放的發展方式同時導致了產品產能的過剩。例如近些年來陶瓷刀具、泡沫陶瓷均出現“供大于求”的現象,部分中小企業經營困難,甚至倒閉。

每當談到我國特種陶瓷與國外水平上的差距,饒平根總有一股緊迫感,他認為,特種陶瓷目前還存在成本高以及產品力學性能、可靠性和穩定性還需要進一步改善等問題,這也是制約特種陶瓷大規模產業化的重要瓶頸,高性能、低成本、高可靠性陶瓷材料的設計和制備方法的研究顯得尤為重要,任重道遠。

對于先進陶瓷產業的發展,我國一直持扶持鼓勵態度。2013年出臺的《新材料產業標準化工作三年行動計劃》,明確要重點研制電光陶瓷、壓電陶瓷、碳化硅陶瓷等先進陶瓷。2016年發布的《新材料產業發展指南》也強調了先進陶瓷的地位。

由于國家陸續出臺促進產業轉型升級的政策,一些財力雄厚的建陶企業也產生向先進陶瓷這類新材料轉型的想法,饒平根表示:這些企業并不缺錢,但如果要將先進陶瓷產業化,我們的技術力量還是比較薄弱,先進陶瓷不像建筑陶瓷,買了設備也就有了技術,先進陶瓷對技術的要求比較高。”業內人士表示,先進陶瓷與建筑陶瓷、日用陶瓷不同的是,其進入門檻高,體現在技術要求高、資金需求多,與此同時,它的附加值也會比較高。


1、結構陶瓷

結構陶瓷主要有:切削工具、模具、耐磨零件、泵和閥部件、發動機部件、熱交換器和裝甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化鋯(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化鈦(TiB2)、氧化鋁(A12O3)和賽隆(Sialon)等。


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(1)Si3N4基陶瓷材料


C纖維增強Si3N4基陶瓷材料,用ZrO2的變相效應防止由于纖維與基體的熱膨脹系數上的不匹配而產生的裂紋,所獲得的復合材料的斷裂韌性提高5倍。氮化硅陶瓷以其優異的綜合性能和豐富的資源成為高性能陶瓷中最有應用潛力的一種切削工具,每年約有140噸氮化硅粉末用于刀具制造,價值約3億美元。


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(2)碳化硅基陶瓷


用熱壓工藝制得的碳化硅陶瓷,其密度可以接近理論密度,彎曲強度即使在1400℃左右的高溫仍可達到500——600MPa。用CVI法制得的C纖維補強的碳化硅復合材料,強度為520MPa,而斷裂韌性達到16.5MPa·m。加入25vol%TiB的碳化硅復相陶瓷,如果嚴格控制起始的顆粒尺寸,可使強度達到888MPa,斷裂強度達到8.8MPa·m??梢哉f碳化硅是高溫空氣中強度最高的材料,其熱導率僅次于氧化鈹陶瓷材料。中國有很多企業生產碳化硅粉 ,其中很大一部分出口,但是主要都是低品味的用于制造耐火磚用的碳化硅粉。東歐有15萬噸/年的生產能力,北美的生產量為10萬噸/年。高純、高活性的碳化硅微細粉價格很高,為14-40美元/公斤,年需求額約1500萬美元,這種粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。


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(3)氧化鋯增韌陶瓷


氧化鋯增韌陶瓷在結構陶瓷研究中取得了重大的進展,經過增韌的陶瓷品種也很多,目前已經知道的可使氧化鋯穩定的添加物有:氧化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氧化釔、氧化鈰等單一的氧化物或它們的復合氧化物。被增韌的材料,除了穩定的氧化鋯以外,還有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷。在氧化鋁中添加16vol%的氧化鋯增韌處理,得到材料的強度為1200MPa,斷裂韌性為15.0MPa.m。氧化鋯增韌陶瓷材料在室溫下具有最高的強度和斷裂韌性,今后將著重提高其高溫的性能。


2、功能陶瓷


功能陶瓷是知識和技術密集型產品。人們先后發現了氧化物導體,固體電解質,壓電、非線性光學材料,鐵氧體、記憶材料,太陽能電池,高溫氧化物超導體等。隨著電子產品向輕薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的發展,功能材料也有著不斷的發展。


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功能陶瓷的品種繁多,這類材料具有微波介電性能、氣敏性能、超導性 能、電阻梯度性能、鐵電性能及其相變行為、多層驅動性、弛豫性能等多種優良的功能,應用十分廣泛。

(1)電子絕緣材料

目前國內外常用的電子絕緣材料是Al2O3。近年來出現的新型電子絕緣材料,如AlN陶瓷,具有高強度、高絕緣性、低介電常數、高的熱導率等優良的性能,且其熱膨脹系數能夠與單晶硅相匹配,主要應用是作為大規模集成電路和電力模塊電路的散熱基板。


(2)電介質材料

用于調諧電路、保護邏輯及記憶單元的陶瓷電容器介質材料多數為BaTiO3基材料,此外還有高介的復合鈣鈦礦材料,以研制出頻率為105Hz時,介電常數高達105的高介材料目前晶界層電容器的出現,使常規瓷介電容器的介電常數提高數倍甚至數十倍。


(3)壓電陶瓷材料

常用的壓電元件:傳感器、氣體點火器、報警器、音響設備、醫療診斷設備及通訊等。通常的壓電材料是PZT,新型的壓電陶瓷材料主要有:高靈敏、高穩定壓電陶瓷材料、電致伸縮陶瓷材料,熱釋電陶瓷材料等。


(4)磁性陶瓷材料

磁性陶瓷材料可分為硬磁性和軟磁性材料兩類,前者不易磁化,也不易失去磁性。代表性硬磁材料為鐵氧體磁鐵和稀土磁體,主要用于磁鐵和磁存儲元件。軟磁性材料易磁化及去磁,磁場方向可以改變,主要用于交變磁場響應的電子部件。


(5)超導陶瓷材料

從二十世紀80年代對超導陶瓷的研究有重大突破以來,對高溫超導陶瓷材料的研究及應用就倍受關注。近十幾年以來,我國在這方面的研究一直處于世界先進水平。目前高溫超導材料的應用正朝著大電流應用、電子學應用、抗磁性等方面發展。


(6)抗殺菌陶瓷材料

抗殺菌陶瓷材料是隨著科學的發展及社會的文明而產生的新一代功能材料。無機抗殺菌劑按作用于微生物的機理可分為三類:一類是主要通過物理吸附或離子交換將銀、銅、鋅等具有抗殺菌作用的金屬或其離子固定在沸石、磷灰石、硅膠、玻璃等無機材料載體上而制成;第二類是二氧化鈦粒子光催化抗殺菌劑,二氧化鈦在光照下能使氧分子變成活性氧,使水產生活性氧自由基而發揮抗菌殺菌的作用;第三類是具有遠紅外輻射功能的抗殺菌材料,遠紅外線的抗殺菌功能效果有限,因此這種材料必須與前兩種材料配合使用,才能有更好的應用價值。


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德 國

1905年,德國人率先開始了氧化鋁刀具的研究,1912年,首款氧化鋁陶瓷刀具率先由英國人發明,20世紀20年代后期,先進陶瓷材料逐步走進研究人員的研究視線。從最初的主要用于軍事領域的結構陶瓷發展到軍事、民用結構陶瓷、功能陶瓷的研究;從最初偏重與陶瓷材料的制備發展到對陶瓷粉體、顯微結構的系統分析,先進陶瓷材料的種類和應用在各領域取得了重大突破。20世紀60年代美國材料顧問委員會對材料制備領域進行了調研得出的重要結論是:“為了實現材料均勻的、可重復的無缺陷顯微結構,提高材料性能的可靠性,陶瓷制備科學研究十分必要”。20世紀70年代以陶瓷發動機為背景,各國競相加大了對陶瓷材料研究與開發的投入,對先進陶瓷材料的研究取得了長足的進步。從技術上講,陶瓷材料已經能夠基本滿足各種苛刻條件下(包括陶瓷發動機部件在內)使用的要求, 陶瓷材料的研究轉向材料性能穩定性、結構與功能性一體化、低成本制備工藝等方面,各國仍在繼續增加對陶瓷材料的研究與投入。進入21世紀以來,各國競相開發不同陶瓷材料在不同領域的應用,隨著裝備水平的提高,通過不斷地實驗、研究和質量控制等成功實現了陶瓷材料產品的批量化穩定生產與制備。

從材料產業上講,先進陶瓷已形成一個巨大的高技術產業,目前全球各類先進陶瓷材料及其產品的市場銷售總額超過500億美元,年增長率達8%。美國、法國、德國與日本在該領域整體上處于領先地位,而歐洲其它各國、韓國、中國大陸與臺灣地區正從不同的研究領域展現出各自的優勢。


美 國

近50年來,美國在先進陶瓷領域的研究工作取得了一系列突破,推動了陶瓷技術的快速發展,對經濟和社會發展也產生了深遠的影響。1994年克林頓政府在先進陶瓷研究方面增加了15%的科研預算,旨在強化國際競爭能力、保護環境、開發新型輸送機構。1998年美國先進陶瓷市場總份額接近75億美元。從20世紀90年代后期一直到2000年,美國先進陶瓷市場銷售額穩步發展,年平均增長率達到8%。進入2001年,隨著美國經濟進入衰退,先進陶瓷的市場需求大大縮水。2003-2007年,隨著美國經濟的復蘇,先進陶瓷材料產業的市場需求出現反彈,年增長率達到7%,先進陶瓷市場銷售額超過110億美元。2012年,先進陶瓷產業的市場銷售額突破126億美元。

美國先進陶瓷發展的重點為高溫結構陶瓷,結構陶瓷產量的增速最快,每年增加13.5%。目前在航天技術、汽車、航空器、核工程、醫療設備及機械動力等方面進入大范圍使用階段。以氮化硅,碳化硅,氧化鋯陶瓷為主的精密材料陶瓷制品產量占世界總量的60%以上。美國生產的陶瓷軸承工作溫度高達1 300℃,其工作強度為普通金屬軸承的5倍以上。美國研制的生物陶瓷產品也已大量用于骨骼修復,瓷牙修補的臨床應用。目前美國先進陶瓷工業界還加緊軍用先進陶瓷的研制開發,逐步加強在軍事領域的應用。

 

日 本

自20世紀80年代以后,日本在材料科學領域一直走在世界的前沿,特別是在先進陶瓷材料方面占有領先、突出的地位。盡管日本和歐美乃至中國在傳統陶瓷材料研究方面水平相差并不大,但在新型陶瓷材料的產業方面日本在世界上占有絕對領先的優勢。

日本是世界上先進陶瓷最大的生產者,到2000年,陶瓷產量增長42%,而到2005年增加74%。2000年日本陶瓷產業的產值占據了整個日本傳統產業的50%,先進陶瓷市場而成為這一領域的領頭羊。對比與美國,日本先進陶瓷在功能陶瓷領域研究首屈一指,在結構陶瓷及陶瓷粉體的研究與應用在具有較強的競爭優勢。日本近年來一直將先進陶瓷看作是決定未來競爭力前途的高科技產業,不余遺力地不斷加大投資力度。其生產的先進陶瓷敏感元件已占據國際市場主要份額。包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等在內的各種先進陶瓷產品壟斷著一大部分市場。日本正在試驗高性能陶瓷電池,它是采用固態陶瓷材料代替酸性電解液,重量較傳統電池減輕2/3,且污染小,尤適宜用于汽車及航空航天工業需要。




(文章來源:中國工陶、特種陶瓷聯盟等。)
















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