先进陶瓷工业化应用及国际市场发展近况一览

 

1 先进陶瓷定义及分类

先进陶瓷又称高性能陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷等，是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料，具有优异的力学、声、光、热、电、生物等特性的陶瓷。先进陶瓷在原料、工艺方面有别于传统陶瓷，特定的精细结构使其具有高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘、超导、生物相容等一系列优点，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等领域，是近年来我国重点支持发展的产业之一。

 

1.1 结构陶瓷

结构陶瓷主要有：切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器和装甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化钛(TiB2)、氧化铝(A12O3)和赛隆(Sialon)等。

 

（1）Si3N4基陶瓷材料

C纤维增强Si3N4基陶瓷材料，用ZrO2的变相效应防止由于纤维与基体的热膨胀系数上的不匹配而产生的裂纹，所获得的复合材料的断裂韧性提高5倍。氮化硅陶瓷以其优异的综合性能和丰富的资源成为高性能陶瓷中最有应用潜力的一种切削工具，每年约有140吨氮化硅粉末用于刀具制造，价值约3亿美元。

图片

 

（2）碳化硅基陶瓷

 

用热压工艺制得的碳化硅陶瓷，其密度可以接近理论密度，弯曲强度即使在1400℃左右的高温仍可达到500——600MPa。用CVI法制得的C纤维补强的碳化硅复合材料，强度为520MPa，而断裂韧性达到16.5MPa·m。加入25vol％TiB的碳化硅复相陶瓷，如果严格控制起始的颗粒尺寸，可使强度达到888MPa，断裂强度达到8.8MPa·m。可以说碳化硅是高温空气中强度最高的材料，其热导率仅次于氧化铍陶瓷材料。中国有很多企业生产碳化硅粉 ，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砖用的碳化硅粉。东欧有15万吨／年的生产能力，北美的生产量为10万吨／年。高纯、高活性的碳化硅微细粉价格很高，为14-40美元／公斤，年需求额约1500万美元，这种粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。

图片

 

（3）氧化锆增韧陶瓷

 

氧化锆增韧陶瓷在结构陶瓷研究中取得了重大的进展，经过增韧的陶瓷品种也很多，目前已经知道的可使氧化锆稳定的添加物有：氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化钇、氧化铈等单一的氧化物或它们的复合氧化物。被增韧的材料，除了稳定的氧化锆以外，还有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。在氧化铝中添加16vol％的氧化锆增韧处理，得到材料的强度为1200MPa，断裂韧性为15.0MPa.m。氧化锆增韧陶瓷材料在室温下具有最高的强度和断裂韧性，今后将着重提高其高温的性能。

 

1.2 功能陶瓷

 

功能陶瓷是知识和技术密集型产品。人们先后发现了氧化物导体，固体电解质，压电、非线性光学材料，铁氧体、记忆材料，太阳能电池，高温氧化物超导体等。随着电子产品向轻薄短小、多功能、高可靠性和高密度表面、高集成化的发展，功能材料也有着不断的发展。

 

功能陶瓷的品种繁多，这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性 能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能，应用十分广泛。

 

（1）电子绝缘材料

 

目前国内外常用的电子绝缘材料是Al2O3。近年来出现的新型电子绝缘材料，如AlN陶瓷，具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热导率等优良的性能，且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配，主要应用是作为大规模集成电路和电力模块电路的散热基板。

 

（2）电介质材料

 

用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容器介质材料多数为BaTiO3基材料，此外还有高介的复合钙钛矿材料，以研制出频率为105Hz时，介电常数高达105的高介材料目前晶界层电容器的出现，使常规瓷介电容器的介电常数提高数倍甚至数十倍。

 

（3）压电陶瓷材料

 

常用的压电元件：传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常的压电材料是PZT，新型的压电陶瓷材料主要有：高灵敏、高稳定压电陶瓷材料、电致伸缩陶瓷材料，热释电陶瓷材料等。

 

（4）磁性陶瓷材料

 

磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两类，前者不易磁化，也不易失去磁性。代表性硬磁材料为铁氧体磁铁和稀土磁体，主要用于磁铁和磁存储元件。软磁性材料易磁化及去磁，磁场方向可以改变，主要用于交变磁场响应的电子部件。

 

（5）超导陶瓷材料

 

从二十世纪80年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来，对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。近十几年以来，我国在这方面的研究一直处于世界先进水平。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。

 

（6）抗杀菌陶瓷材料

 

抗杀菌陶瓷材料是随着科学的发展及社会的文明而产生的新一代功能材料。无机抗杀菌剂按作用于微生物的机理可分为三类：一类是主要通过物理吸附或离子交换将银、铜、锌等具有抗杀菌作用的金属或其离子固定在沸石、磷灰石、硅胶、玻璃等无机材料载体上而制成；第二类是二氧化钛粒子光催化抗杀菌剂，二氧化钛在光照下能使氧分子变成活性氧，使水产生活性氧自由基而发挥抗菌杀菌的作用；第三类是具有远红外辐射功能的抗杀菌材料，远红外线的抗杀菌功能效果有限，因此这种材料必须与前两种材料配合使用，才能有更好的应用价值。

 

 

2 市场需求增长稳定

 

按其特性和用途，先进陶瓷可分为2大类：结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷，它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、抗热震等特性；功能陶瓷是指具有电子、超导、磁性、光学、储能、生物等特性的一类陶瓷。功能陶瓷在先进陶瓷中约占70%的市场份额，其余为结构陶瓷。

 

据市场研究机构测算，2015年全球先进陶瓷市场规模约为567亿美元，随着先进陶瓷各种功能的不断发掘，其在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益显著，市场容量也将进一步提升。预计到2024年，全球先进陶瓷市场规模将达1346亿美元，2015—2024年复合增速约为10%。

 

电子工业是先进陶瓷产业最大的终端应用市场，这一趋势仍将延续数年。从地域划分来看，亚太地区2014年电子陶瓷市场份额超过40%，是全球电子陶瓷市场规模最大的地区，而中国又是亚太地区电子陶瓷需求量最大的国家，其他依次为日本、韩国、印度。近年受益于通信、计算机、电子仪表、家用电器和数字电路技术的普及发展，电子陶瓷元器件的市场需求日益增长。在下游行业的拉动下，全球电子陶瓷行业保持稳定增长，2010年全球电子陶瓷市场规模为181.3亿美元，2014年增长至205.9亿美元。

 

3 竞争：各国先进陶瓷霸权

 

在先进陶瓷的技术研发与市场占有率方面，中国与国外先进国家还存在较大差距。目前在先进陶瓷发展中处于领先地位的国家和地区主要有美国、日本、欧盟等。其中，美国先进陶瓷在航空航天、核能等领域的应用处于领先地位；日本在先进陶瓷材料的产业化、民用领域方面占据领先地位，并占有约一半的市场份额；欧盟在先进陶瓷细分应用领域和机械装备领域处于领先地位；俄罗斯、乌克兰在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面实力雄厚。

 

其中，日本在先进陶瓷领域的领先地位目前还难以撼动。近年来，日本将先进陶瓷作为战略性产业，不断加大投资力度，在电子陶瓷、光导纤维、高韧性陶瓷等先进陶瓷材料方面，日本均处于领先地位。日本生产的先进陶瓷敏感元件已占据国际市场主要份额，包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等在内的各种先进陶瓷产品垄断着大部分市场；在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑胶复合陶瓷以及各种先进陶瓷材料与陶瓷部件研发，高性能陶瓷电池、陶瓷发动机等研发开发方面，日本均处于领先地位。

 

进入21世纪，我国的先进陶瓷产业也进入了快速发展期。精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧结技术、低成本规模化制备技术，陶瓷加工系统等领域不断打破国外垄断和技术封锁。许多先进陶瓷产品在我国已能大批量生产，产品质量较稳定，并能占领一定的国际市场。

 

目前我国从事先进陶瓷开发研制的高校、科研院所和生产企业已超过300家，其中研发生产功能陶瓷的单位占63.6%，研发生产结构陶瓷的单位占36.4%。中国科学院、上海硅酸盐研究所、清华大学等对我国特种材料研究起到了重要的推动作用。国内先进陶瓷产业主要集中在山东、江西、广东、江苏、浙江、河北、福建等几个省份，2015年这些省份产值比例约占全国产值的70%。其中，华东地区较大的先进陶瓷产业基地在山东淄博、江苏宜兴，华中地区较大的先进陶瓷产业基地在江西萍乡，华南地区较大的先进陶瓷产业基地在广东佛山。

图片

 

虽然我国在先进陶瓷材料开发上取得了长足的进步，与领先国家的差距进一步缩小，但仍缺乏制备优质先进陶瓷材料的技术、装备和管理水平。在全球数百亿美元的先进陶瓷年销售额中，中国销售额仅占1%——2%。特别是高端装备中大量的陶瓷元件仍需进口，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器，风力发电机陶瓷绝缘轴承和高端超细纳米粉体等。

 

主要大国发展情况：

 

（1）德国

 

1905年，德国人率先开始了氧化铝刀具的研究，1912年，首款氧化铝陶瓷刀具率先由英国人发明，20世纪20年代后期，先进陶瓷材料逐步走进研究人员的研究视线。从最初的主要用于军事领域的结构陶瓷发展到军事、民用结构陶瓷、功能陶瓷的研究；从最初偏重与陶瓷材料的制备发展到对陶瓷粉体、显微结构的系统分析，先进陶瓷材料的种类和应用在各领域取得了重大突破。20世纪60年代美国材料顾问委员会对材料制备领域进行了调研得出的重要结论是：“为了实现材料均匀的、可重复的无缺陷显微结构，提高材料性能的可靠性，陶瓷制备科学研究十分必要”。20世纪70年代以陶瓷发动机为背景，各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投入，对先进陶瓷材料的研究取得了长足的进步。从技术上讲，陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下（包括陶瓷发动机部件在内）使用的要求， 陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性一体化、低成本制备工艺等方面，各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。进入21世纪以来，各国竞相开发不同陶瓷材料在不同领域的应用，随着装备水平的提高，通过不断地实验、研究和质量控制等成功实现了陶瓷材料产品的批量化稳定生产与制备。

 

从材料产业上讲，先进陶瓷已形成一个巨大的高技术产业，目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总额超过500亿美元，年增长率达8%。美国、法国、德国与日本在该领域整体上处于领先地位，而欧洲其它各国、韩国、中国大陆与台湾地区正从不同的研究领域展现出各自的优势。

 

 

（2）美国

 

近50年来，美国在先进陶瓷领域的研究工作取得了一系列突破，推动了陶瓷技术的快速发展，对经济和社会发展也产生了深远的影响。1994年克林顿政府在先进陶瓷研究方面增加了15%的科研预算，旨在强化国际竞争能力、保护环境、开发新型输送机构。1998年美国先进陶瓷市场总份额接近75亿美元。从20世纪90年代后期一直到2000年，美国先进陶瓷市场销售额稳步发展，年平均增长率达到8%。进入2001年，随着美国经济进入衰退，先进陶瓷的市场需求大大缩水。2003-2007年，随着美国经济的复苏，先进陶瓷材料产业的市场需求出现反弹，年增长率达到7%，先进陶瓷市场销售额超过110亿美元。2012年，先进陶瓷产业的市场销售额突破126亿美元。

 

美国先进陶瓷发展的重点为高温结构陶瓷，结构陶瓷产量的增速最快，每年增加13.5%。目前在航天技术、汽车、航空器、核工程、医疗设备及机械动力等方面进入大范围使用阶段。以氮化硅，碳化硅，氧化锆陶瓷为主的精密材料陶瓷制品产量占世界总量的60%以上。美国生产的陶瓷轴承工作温度高达1 300℃，其工作强度为普通金属轴承的5倍以上。美国研制的生物陶瓷产品也已大量用于骨骼修复，瓷牙修补的临床应用。目前美国先进陶瓷工业界还加紧军用先进陶瓷的研制开发，逐步加强在军事领域的应用。

 

 

（3）日本

 

自20世纪80年代以后，日本在材料科学领域一直走在世界的前沿，特别是在先进陶瓷材料方面占有领先、突出的地位。尽管日本和欧美乃至中国在传统陶瓷材料研究方面水平相差并不大，但在新型陶瓷材料的产业方面日本在世界上占有绝对领先的优势。

 

日本是世界上先进陶瓷最大的生产者，到2000年，陶瓷产量增长42%，而到2005年增加74%。2000年日本陶瓷产业的产值占据了整个日本传统产业的50%，先进陶瓷市场而成为这一领域的领头羊。对比与美国，日本先进陶瓷在功能陶瓷领域研究首屈一指，在结构陶瓷及陶瓷粉体的研究与应用在具有较强的竞争优势。

日本近年来一直将先进陶瓷看作是决定未来竞争力前途的高科技产业，不余遗力地不断加大投资力度。其生产的先进陶瓷敏感元件已占据国际市场主要份额。包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等在内的各种先进陶瓷产品垄断着一大部分市场。日本正在试验高性能陶瓷电池，它是采用固态陶瓷材料代替酸性电解液，重量较传统电池减轻2/3，且污染小，尤适宜用于汽车及航空航天工业需要。

 

 

（4）难题：国产化瓶颈扼喉

 

中国先进陶瓷的发展瓶颈究竟在哪？对此，华南理工大学材料学院饶平根教授深有感触。

“我给你看样东西，你就知道我们和国外的技术水平相差有多少。”饶平根拿出一块氧化铝小圆板向记者介绍，“不要小看这块氧化铝，这是1998年日本一家公司生产的，其纯度可高达99.99%，但烧结温度只需1300℃。当时我感到十分惊讶。随后几天就用该氧化铝粉压制和烧结了几个小圆板，烧结性能果然如此。一般来说，氧化铝纯度越高，烧结温度就越高，而我国生产的氧化铝纯度仅为99.5%，烧结温度则需要1600℃—1700℃。与此同时，该产品的抗弯强度、断裂韧性、维氏硬度、冲蚀磨损率均比国产氧化铝的要好得多。目前世界上能生产出这样的氧化铝粉的企业，就只有日本的这一家公司。”

饶平根介绍，先进陶瓷的国产化难题有几方面，一是原料，目前各种高端原料都在日本，先进陶瓷的原料不像建筑陶瓷那样，在周边地区就可以采集，先进陶瓷对于原料的纯度和烧结活性要求高，因为这会影响特陶质量的稳定性。我国对陶瓷粉体的制备尚未引起足够的重视，多种陶瓷粉体尚无专业化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。例如：高纯氮化硅粉仍受到日本UBE和德国H.C.Stark的限制，国内企业在粉体质量上仍存在较大的波动。

二是技术，国内先进陶瓷领域的企业数量虽多，但规模普遍较小，行业内中小微企业约占70%左右，多数中小微企业的核心技术基本依靠引进，其产品单一，制备成本较高，缺乏企业自主创新能力和市场竞争力。而在科研院所方面，虽然研发了很多技术成果，但绝大多数处于实验室研究阶段，成果距离产业化的目标还有较大距离。

三是设备问题，氧化物陶瓷对烧结设备的要求不是很高，但非氧化物如碳化物、硼化物、硅化物等材料对烧结设备要求很高，使用的设备大都依靠国外进口，而且烧结设备非常昂贵。而国产设备因加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。

最后，我国的先进陶瓷产业整体缺乏统筹规划和顶层设计，重复性的研究工作较多，使得有限的人、财、物等资源过于分散，盲目和粗放的发展方式同时导致了产品产能的过剩。例如近些年来陶瓷刀具、泡沫陶瓷均出现“供大于求”的现象，部分中小企业经营困难，甚至倒闭。

每当谈到我国特种陶瓷与国外水平上的差距，饶平根总有一股紧迫感，他认为，特种陶瓷目前还存在成本高以及产品力学性能、可靠性和稳定性还需要进一步改善等问题，这也是制约特种陶瓷大规模产业化的重要瓶颈，高性能、低成本、高可靠性陶瓷材料的设计和制备方法的研究显得尤为重要，任重道远。

对于先进陶瓷产业的发展，我国一直持扶持鼓励态度。2013年出台的《新材料产业标准化工作三年行动计划》，明确要重点研制电光陶瓷、压电陶瓷、碳化硅陶瓷等先进陶瓷。2016年发布的《新材料产业发展指南》也强调了先进陶瓷的地位。

由于国家陆续出台促进产业转型升级的政策，一些财力雄厚的建陶企业也产生向先进陶瓷这类新材料转型的想法，饶平根表示：“这些企业并不缺钱，但如果要将先进陶瓷产业化，我们的技术力量还是比较薄弱，先进陶瓷不像建筑陶瓷，买了设备也就有了技术，先进陶瓷对技术的要求比较高。”业内人士表示，先进陶瓷与建筑陶瓷、日用陶瓷不同的是，其进入门槛高，体现在技术要求高、资金需求多，与此同时，它的附加值也会比较高。

 

 

 

 

文章来源：中国工陶、特种陶瓷联盟等。