产业报告结构陶瓷材料2中国新材

（接：产业报告：结构陶瓷材料（1）-《中国新材料产业发展报告》）作者：谢志鹏近几年伴随新能源汽车产业高速发展，在新能源汽车领域中大量应用的陶瓷继电器等陶瓷金属化产品创造了一个新的大市场。湖南娄底市安地亚斯电子陶瓷有限公司和湖南美程陶瓷科技有限公司与比亚迪等新能源汽车合作，在国内率先研发出电动汽车用继电器金属化陶瓷外壳。新能源汽车用继电器金属化陶瓷外壳环保过滤陶瓷：随着我国环境污染面临的压力，用于高温烟气脱硫、气固分离、污水净化的过滤陶瓷或陶瓷过滤膜产品快速发展。国内已有江苏久吾高科、山东工陶院、宜兴化机厂等数十家企业生产各类陶瓷过滤膜管和组件，甚至到污水处理和高温烟气处理的环保工程承包的整体服务。陶瓷过滤膜管和组件陶瓷过滤膜板及显微结构汽车尾气净化三元过滤器所使用的堇青石蜂窝陶瓷载体，过去严重依赖进口，但近几年我国在蜂窝陶瓷载体生产规模和产品质量都有显著提升，以宜兴化工机械有限公司、宜兴王子、江苏高淳为代表的企业，通过与大学研究机构合作和引进先进的工艺装备，已可批量生产应用于汽油车和柴油车的多种规格和型号的蜂窝陶瓷载体。此外，随着我国高端洁净钢和铝合金的发展需要越来越多的用于铸钢、铝合金、高温合金的铸造过程中的泡沫过滤陶瓷，以便排除夹杂物，提高铸件的纯度及其机械性能，降低铸件废品率，是生产优质铸件的关键技术。这类耐热耐金属液体侵蚀的泡沫过滤陶瓷其材质有Al2O3、SiC、ZrO2（PSZ）、堇青石等。国内泡沫过滤陶瓷的研制开发还属起步阶段，主要研制与生产单位有山东圣泉、山东硅苑、北京晶锐、佛山金刚新材料有限公司等，目前年产值累计已达到数亿元。（4）光通讯与智能手机领域光通讯设备中重要的元器件光纤连接器中的插芯和套筒，目前全世界均使用高强度高韧性的纳米氧化锆陶瓷，陶瓷插芯内孔小精度要求高，其外径为2.±0.mm（同心度＜0.mm），内径为0.＋0.mm。该产品采用陶瓷粉末注射成型高温烧结和精密研磨加工而制得，过去主要由日本Adamant和Toto公司生产，但近几年以国内企业为主导，主要有潮州三环、晋城富士康、宁波韵升、深圳威谊等十几家企业，年产量达到几十亿只，占全球产量的80%以上。纳米氧化锆陶瓷插芯及元件伴随我国快速发展的智能手机产业，新一代高性能纳米氧化锆陶瓷已在手机外壳和指纹识别中获得应有，几年前华为公司在全球第一个发布了采用高强度高硬度的黑色纳米氧化锆陶瓷外壳手机P7，近两年小米、OPPO、三星等知名品牌手机的先后采用各种颜色的纳米氧化锆陶瓷背板。最新发展起来的指纹识别智能手机，需采用0.15mm的纳米陶瓷薄片替代传统的玻璃材料，目前国内潮州三环和东莞信柏等公司已形成规模化生产，供应国内外大品牌手机厂商，如苹果，三星，华为。随着5G商用时代到来，纳米氧化锆陶瓷背板成为最佳备选材料，目前中国走在前面，全球90%以上的陶瓷背板由中国制造。智能手机用纳米氧化锆陶瓷背板（5）航天航空领域连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，是先进航空航天器制造能力的战略性新型热结构材料。由于它比铝还轻、比钢还强、比碳化硅陶瓷更耐高温、抗氧化烧蚀，而且克服了陶瓷的脆性，不会发生突发灾难性破坏，替代金属材料可解决目前航空航天器燃料20%至30%浪费的问题，以满足其向高速度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。目前近二十种这类材料的构件应用于航空发动机、液体火箭发动机、固体火箭发动机和飞行器防热结构上。国内西北工业大学、国防科技大学、中科院上海硅酸盐研究所是最早研发成功的，材料性能和制备技术已达到国际先进水平。另外一类重要的航空材料是碳纤维/碳复合材料，这种碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体，然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉积/渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而获得的，采用碳/碳复合材料制备的飞机刹车盘，目前中南大学及博云公司已形成了规模生产的能力。上述两类尖端航天航空材料我国虽然起步晚，但目前已达到国际先进水平，有力支撑了我国航天工业的发展。（左）Cf/SiC喷管及喷管扩张段（右）飞机刹车盘（6）国防军工领域新一代结构陶瓷在国防军工领域的应用近十年来在我国发展迅速，主要包括透波导弹天线罩，透波陶瓷，激光陶瓷，陶瓷防弹装甲等。导弹天线罩材料有石英陶瓷，氮化硅陶瓷等。其中石英陶瓷天线罩已批量生产。透波透明陶瓷主要包括氧化钇(Y2O3)、氧化镁（MgO）、镁铝尖晶石（MgAl2O4）、钇铝石榴石（YAG）、阿隆（AlON）等。目前国内中材高新和上海硅酸盐研究所等单位在石英陶瓷天线罩和透明透波陶瓷研发和制备技术上都具有一定优势。由于反恐等需求，防弹陶瓷近几年国内产量和品种上都有大幅提升，主要是常压烧结碳化硅，热压烧结碳化硼及氧化铝陶瓷，有近二十家企业具备这些防弹陶瓷的生产能力，如大连金玛硼业、宁夏机械研究所、济源兄弟公司等。（左）石英陶瓷天线罩（右）镁铝尖晶石透明陶瓷3、国外结构陶瓷产业发展状况3.1国际上发达国家的研发重点及趋势国际上发达国家高度重视新一代结构陶瓷材料研发和产业化，例如从年开始，美国国家能源部与美国陶瓷协会联合资助并实施了为期20年的美国先进陶瓷发展计划，这个计划将基础研究、技术开发和产品应用几个环节有机地结合起来，共同推进先进陶瓷材料的制备技术发展；其中包括用于国防方面的激光透明陶瓷材料和导弹引导用透波陶瓷材料的制备技术。此外，由于宇航技术发展的需要，美国国家航空和宇航局（NASA）在高温结构陶瓷的开发和制备技术方面正在实施大规模的研究与发展计划，将高温陶瓷基复合材料制备技术作为研究重点，其目标是将发动机热端部件的使用温度提高到℃或者更高。欧盟第六次框架计划支持广泛的多领域课题研究，其中一些专门针对高性能陶瓷及其复合材料的先进制备技术，特别是法国、英国、德国以航空航天应用背景加强陶瓷基复合材料和超高温陶瓷材料的制备技术研究，例如德国已开发出可以连续烧结大型致密高温陶瓷部件的脉冲电流烧结装备。在先进陶瓷制备技术具有优势的日本更是加大力度发展新技术新工艺，包括国立研究机构、大学及一些世界强企业（如日本京瓷公司）；研究内容之一是下一代耐热结构陶瓷材料制备技术，要求在1℃高温下也能承受MPa压力的特点，应用于飞机和汽车耐热部件。美国已将新型陶瓷材料如纳米陶瓷技术、陶瓷装甲、环保陶瓷、核电用陶瓷、透光透波陶瓷等制备技术作为优先发展方向，且已取得重大进展。欧洲从事陶瓷材料研究和开发的主要国家（如德国、法国、英国、意大利）在航天航空所需的耐高温抗烧蚀陶瓷基复合材料（如Cf/SiC，SiCf/SiC），超高温陶瓷（ZrB2-SiC，HfB2-SiC）占有优势。日本在陶瓷粉末（如ZrO2，Si3N4，AlN，Nd-YAG、BaTiO3）合成、半导体芯片封装陶瓷基板、电子陶瓷、纳米/微米复合陶瓷材料技术方面继续发挥引领作用；同时在积极开发高强度和高韧性的陶瓷及其复合材料，例如在1℃抗弯强度达MPa的氮化硅陶瓷。此外随着高技术陶瓷在各种尖端技术和重大工程中应用的渗入，极端环境下（超高温，超低温，超高腐蚀，超高辐射，超强磁场）使用的陶瓷材料及服役行为也得到重要发展。3.2国外结构陶瓷的应用与产业发展在欧美市场，有超过家的结构陶瓷制造商和几十家相关的原料供应商，但超过65％的结构陶瓷是由七个跨国公司生产的。以近几年的数据来看，德国仍生产和消费了欧洲结构陶瓷市场的37%。法国和英国的市场合起来则占27％。欧洲的主要结构陶瓷生产国包括德国，法国，英国、瑞典和意大利。欧洲比较大的生产先进结构陶瓷的公司有法国圣戈班(Saint-Gobain)公司、德国赛琅泰克公司(CeramTec)、英国摩根公司（Morgan），此外德国还有一批专业的中小型陶瓷原料公司如Starck公司、烧结设备公司如FCT公司。Saint-Gobain公司是世界百强企业之一，是世界工业工程材料的先驱者，名列财富强企业第位。年销售收入达到多亿美元，其中高性能陶瓷材料占15%。不久前圣戈班收购了美国著名的Carborundum和Norton陶瓷公司。赛琅泰克公司（CaramTec）是德国最大的技术陶瓷公司，它生产各类先进陶瓷材料，应用于现代工业和生物医疗各个领域。英国Morgan公司是英国一家中型企业，以碳材料和结构陶瓷为主要产品，在60多个国家设立了多个生产厂。美国拥有一些知名结构陶瓷公司，如美国CoorsTec公司、赛瑞丹公司（Ceradyne）、还有一些国防军工用先进陶瓷的专业制造商如Raythen公司和Surmet公司。美国虽是先进结构陶瓷生产大国，但它更是结构陶瓷最大的消费国，其生产少于消费，因此有许多产品从日本和欧洲进口，美国较大的生产结构陶瓷的公司包括CoorsTec公司和康宁公司。CoorsTec技术陶瓷公司是美国技术陶瓷市场最大的供应商，生产各种精密陶瓷部件、电真空陶瓷、半导体工业用陶瓷基板和半导体设备用陶瓷部件。康宁公司成立于年，是光纤、光缆及光电材料、高功能玻璃、蜂窝陶瓷载体及汽车尾气过滤器的主要供应商，其蜂窝陶瓷技术和生产处于世界领先地位，康宁公司在全球有一百多处生产基地。（左）Al2O3电真空陶瓷（中）堇青石蜂窝陶瓷（右）汽车尾气过滤器在欧洲和美国的环境保护立法是很多新一代结构陶瓷产品商业化的推动因素。例如，很多类型的催化器载体，气体过滤器，喷嘴，陶瓷薄膜，陶瓷泵密封件以及一些发动机部件。环境因素的推动作用未来必将在很多领域得以继续，例如，发动机、焚化装置、零排放泵等。微粒过滤器和除氮氧化物的催化装置也被引人到各种大小的柴油发动机。雪铁龙公司将在它的一些新车中装上SiC陶瓷微粒过滤器，美国好几个州的发电厂正在开始一个很大的投资项目，以期在未来几年降低氮氧化物的排放，预计到年美国对除氮氧化物的陶瓷催化剂的需求每年会超过10亿美元。目前正在开发的介孔材料（有序纳米结构的多孔材料）在催化、分离、吸附工程方面存在很广阔的应用前景。陶瓷泵密封件和滑动轴承在欧美已形成很大的稳定市场，一个趋势是碳化硅陶瓷材料密封件的应用会越来越多，如汽车水泵、石油化工泵、离心机泵，磁流泵等，且使用寿命通常比这些整机长；此外还有应用于诸如高速压缩机和核反应冷却水泵中关键密封领域。近几年开始应用于大型轮船和军舰上的滑动轴承取得突破，例如德国赛琅泰克公司生产的大型游轮螺旋推进系统中的SiC系列滑动轴承，直径达mm的SiC密封环。依靠其独特的设计，密封环能承受高达巴的压力，在-℃到+℃的环境下工作，滑动速度高达米/秒。四个巨型的螺旋桨将发动机的动力传递到水中，每天要转动14万次。（左）陶瓷密封件（中）陶瓷滑动轴承（右）螺旋推进系统中系列滑动轴承日本仍然是新一代结构陶瓷的最大生产国，主要的生产厂家有日本京瓷公司（Kyocera），日本特殊陶业，日本碍子公司（NGK），东芝精细陶瓷公司等。京瓷公司是世界强和全球最大的高技术陶瓷公司。它不仅生产电子陶瓷、功能陶瓷、结构陶瓷、生物陶瓷等产品，而且还拓展到高性能陶瓷材料相关的终端产品，年销售额为亿美元，利润近亿人民币。日本碍子公司（NGK）主要生产汽车发动机用的陶瓷火花塞、蜂窝陶瓷催化剂载体、陶瓷过滤器、陶瓷轧辊和导辊、陶瓷机械密封环等，其材料包括堇青石瓷、SiC、Si3N4、Al2O3等陶瓷材料；日本特殊陶业生产多种先进结构陶瓷产品、汽车发动机用火花塞、耐磨陶瓷、真空绝缘陶瓷、陶瓷刀具、生物陶瓷等；日本东芝精细陶瓷公司在许多结构陶瓷制品开发与生产上处于先进水平，主要材料包括Al2O3、Si3N4、ZrO2和SiC等半导体生产线上的易损耗零配件。在以往10年里，世界先进结构陶瓷的市场规模平均以7%～9%的速度递增，达到近亿美元。新一代结构陶瓷的应用领域及占比当然这些统计不一定很准确，但已大致看到其发展的趋势和作用。陶瓷轴承对发展现代高端装备的重要性越来越突出。在航空发动机设计中，轴承材料和技术始终占到90%～95%以上。可以说轴承技术代表着发动机极限转速、耐温能力和可靠性水平。上世纪末，美、日、欧等国家和地区在各类技术计划的引导和资助下，完成了大量的材料的应用基础、设计、制造工艺、质量控制等基础研究，建立了可靠的基础数据。目前国际上著名的轴承公司如瑞典SKF公司、德国FAG公司、日本KOYO和日本东芝公司都先后建立了陶瓷轴承球或轴承生产线，主要用于高速高精度机床主轴轴承、计算机硬盘驱动器轴承、牙钻轴承以及防磁、防腐、绝缘等领域，特别是军用的和航天航空等尖端技术采用的特殊轴承。尤其是热等静压烧结的氮化硅（Si3N4）陶瓷相对密度可以达到99.9%以上，三点抗弯强度高于0MPa，断裂韧性可达到8～9以上，大大优于滚动轴承的最低门槛值。因此Si3N4陶瓷轴承已经应用在直升机主传动装置、航空APU、飞机附件传动、导弹发动机、火箭发动机和航天卫星上，已成为高端制造装备中高速和高功率主轴的标配轴承。氮化硅陶瓷轴承陶瓷切削刀具应用于汽车零件和高温合金的高速切削，近十年得到很大发展。像日本京瓷公司（Kyocera）、日本NGK公司、、美国肯纳、瑞典Sandvik、德国CeramTec公司都有先进的陶瓷刀具生产线，生产Al2O3基、Si3N4基，以及晶须增韧Al2O3陶瓷刀具。目前发达国家陶瓷刀具的构成比例约为5%～10%左右，由于它能大幅度提高加工效率，已经为机械加工过程带来巨大的经济效益。美国、瑞典还研制成功SiC晶须增韧Al2O3陶瓷刀具Al2O3+SiCw。晶须的加入使Al2O3基陶瓷的断裂韧性提高两倍多,同时保留了很高的硬度。这种刀具投放市场,其抗弯强度可达σ=MPa,断裂韧性KIC=8.7MPa·m1/2,硬度HRA94～95,使Al2O3基陶瓷刀具能够进军对高硬材料有冲击力的加工。目前，Al2O3+SiCw刀具主要用于淬硬钢、工具钢、冷硬铸铁和镍基超合金的加工。日本NGK公司生产的各种精密陶瓷刀具生物结构陶瓷材料及产品由于其生物活性和化学惰性以及优异的力学性能和耐磨耐蚀性，已成为骨骼、牙齿和关节等组织的置换材料。此外，陶瓷手术刀以及生物液体过滤膜等医用工具也是结构陶瓷在医用领域的另一应用方向。欧洲、美国、日本在这一领域仍然占据市场的主导地位，生产商包括美国3M公司，美国Biomet公司，德国CeramTec公司，日本Kyocera公司，英国Morgan公司，瑞士Straumann公司等。氧化铝与氧化锆复合的陶瓷髋关节及膝关节透明透波激光陶瓷主要包括半透明Al2O3陶瓷、全透明或具有透红外光的Y2O3（氧化钇）、MgO（氧化镁）、AlON（阿隆）、MgAl2O4（镁铝尖晶石）陶瓷，以及具有激光特性的稀土掺杂钇铝石榴石（如Nd:YAG）激光透明陶瓷。由于上述这些透明陶瓷不仅具有良好的透明性和光学特性，同时又保持结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、导热率高及良好的介电性能；因此在新型照明技术、高温高压及腐蚀环境下的观测窗口、红外探测用窗、导弹用防护整流罩、军事用透明装甲以及激光武器等领域的应用得到快速发展和产业化。如美国Surmet公司批量生产的AlON透明陶瓷，在紫外、可见光、红外波段有高的光学透过率,具有蓝宝石的机械强度和硬度,但其制造成本低于蓝宝石,是红外窗口和整流罩的较理想材料，已应用于导弹和战斗机。特别是以Nd:YAG为代表的透明激光陶瓷朝着大尺寸、高掺杂浓度、高功率方向迅速发展，Nd:YAG陶瓷激光器除了在材料加工激光医疗等民用及工业有着广阔应用前景外，更重要的是在激光测距、激光制导、激光武器、空间遥感等军事尖端技术领域中的应用。美国采用日本Konoshima化学公司生产的10×10×2cm的Nd:YAG激光陶瓷板条制造的固态热容激光器（简称SSHCL），其产生25kW输出功率所形成的激光束，在2-7秒内可穿透2.5cm厚的钢板。由于新一代结构陶瓷耐热、耐磨、耐腐蚀方面比金属材料具有更好的性能和更长的使用寿命，从而在石油、化工、机械、冶金等领域的应用愈加广泛，且国际市场需求仍然不断增长，该类陶瓷产品种类繁多，包括石油化工用的缸套、球阀、管道，各类陶瓷泵，机械工程中的喷砂嘴、密封环，真空开关用的陶瓷管壳，电子器件的承烧板、基板，冶金工业中的水平连铸分离环、非晶钢带成型用高温喷嘴、薄带连铸用陶瓷侧封板、汽车铝合金轮毂制造用陶瓷升液管等。如图26所示为日本京瓷公司生产的陶瓷离心泵及陶瓷球阀等耐腐蚀耐磨损陶瓷零部件，这种泵是由高纯氧化铝（99.5%）材料制成的，尤其适用于化学液体、有机溶剂和液体浆料的传输。能源与环保往往与高温、过滤、腐蚀、反应等过程有关联，因此应用于这一领域的先进结构陶瓷产品在欧美发达国家增长迅速。市场最大的是汽车尾气净化用的堇青石蜂窝陶瓷，用作净化汽车排放的废气中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HXC）和氮氧化物（NOX）等有害气体的催化剂载体；国际上的主流生产企业有美国康宁公司、日本NGK公司和日本电装公司，这三家公司已占到世界市场的80%，其产品具有非常优异的综合性能。例如，康宁公司的孔/in2蜂窝陶瓷，壁厚仅为1.7mm，热膨胀系数为0.6×10-6℃-1（25～0℃），抗热震性可达℃以上。其次陶瓷滤膜，因具有耐高温、耐酸碱、抗微生物侵蚀、机械性能好、孔径均匀、化学稳定性好、分离效率高等特点，在污水废液处理、饮料除菌去杂、高温烟气的净化、分离与合成和催化反应等工程领域应用广泛。在这一领域美国陶氏化学最先推出FT-30反渗透复合膜；柯氏（Koch）制备出φ18英寸，60英寸长的最大型反渗透膜组件、日本的日东电工和东丽也均开发出多品种的反渗透复合膜组件，东洋纺开发出多品种的CTA中空纤维膜组件。陶瓷热交换器比金属热交换器提高工作温度数百度，可有效将许多工业窑炉、冶金、化工工业中排除的高温烟气中的热能通过物理的热交换过程进行回收和利用，可使各类窑炉与高温设备节省20%-40%的能源消耗，同时用着高温燃烧喷嘴和燃烧器等，以高导热SiC为代表的陶瓷热交换器和燃烧喷嘴在美国欧洲和日本等国家的应用越来越多，见图30，主要生产企业有德国ESK公司、美国Carborumdum公司、日本京瓷公司等。这是因为SiC导热系数是钽的2倍，是不锈钢的5倍，是哈氏合金10倍；优异的抗氧化和侵蚀性，即使在超高温度下也能工作于热的气体和液体环境及氧化和腐蚀性气氛以及强酸和强碱中；即便在极端高温和压力下，也具有超强的耐磨性和完全的不渗透性，允许介质以高速通过，且热交换率高。航天领域用于控制卫星轨道的火箭燃烧室必须轻质且能够承受高温气体的燃烧，氮化硅陶瓷推进器能够承受1℃以上更高的温度，从而取代了铌合金。此外，近十年太空陶瓷反射镜的产业发展很快，从过去直径为0.5米已发展到2米甚至更大。（左）火箭燃烧室陶瓷尾喷管（右）碳化硅陶瓷反射镜陶瓷防弹装甲在国际上因反恐战争而成为快速成长的一个产业。不论是人体防护还是车俩装甲防护，新一代结构陶瓷拥有许多优于常规材料不具备的优点，主要包括质量轻，硬度高，可对微结构进行统一控制，因此可以抵御更高层次的威胁。防弹陶瓷材料主要包括碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al2O3）等高硬度陶瓷材料，其中碳化硅陶瓷因硬度高防弹效果好且制造成本远低于防弹性能更好的碳化硼陶瓷，近几年成为国际防弹陶瓷的主流产品，包括人体防弹背心、直升机腹部防弹层、坦克装甲车防弹层。国际上几家大公司生产的SiC防弹陶瓷材料的性能综上所述，在国际上特别是美国、西欧、日本等发达国家由于其现代工业和高科技产业发达，近十年来对于性能优异的新一代结构陶瓷需求持续增加，保持每年近8%的增长速率，成为一些世界强企业（如日本京瓷公司、法国圣戈班公司、美国康宁公司）的主营业务和增长点。结构陶瓷产品与应用领域及代表性企业（待续）预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇

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