先进陶瓷材料的研发及应用

先进陶瓷材料的研发及应用

先进陶瓷展2020年1月19日

No.1

先进陶瓷材料产业的背景需求及战略意义

随着现代科学技术的高速发展，迫切要求研制与发展具有特殊性能的新一代陶瓷材料。这是因为由离子键和共价键结合的先进陶瓷材料，具有金属和高分子材料不具备的高模量、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗侵蚀、良好的生物相容性以及优异的电学、光学、磁电、压电、热电等特性，从而在航天航空，国防军工，机械化工、生物医疗、信息电子、核电与新能源等领域得到越来越多的应用，已成为国家某些重大工程和尖端技术中不可或缺的关键材料，因此具有重要的科学价值和国家战略意义。

近二十年来，在国家重大工程和尖端技术中对陶瓷材料及其制备技术也提出了更高的要求和挑战；例如航天工业火箭发射中液氢液氧涡轮泵用的氮化硅陶瓷轴承在低温极端条件下无滑状态下高速运转，要求陶瓷抽承强度高、初性好、耐磨损、表面加工精度高；激光武器需使用大尺寸大功率Nd－YAG激光透明陶瓷，导弹天线罩需使用高透波高强度陶瓷材料；核电站主泵用的大尺寸陶瓷密封环需要长寿命高可靠性，特别是地球卫星拍摄地面目标的对地监测使用的碳化硅陶瓷反射镜，除了高弹性模量、低热膨胀系数和轻量化，要求高精度超镜面和大尺寸（直径1米至几米），这对大尺寸结构陶瓷材料的成型技术、烧结技术、加工技术都是一个挑战；又如在微电子工业中使用的微型陶瓷劈刀，其内孔只有20－30微米；而光通讯中的光纤连接器陶瓷插芯，其内孔为125微米，并且要求极高的表面光洁度与尺寸精度及同心度。

此外，超高温结构陶瓷（如ZrB

2、HfB

2

）的及陶瓷基复合材料（Cf/SiC、SiCf/SiC）快速发展，

使航天飞机能在邀游太空后重返地球；B

4

C陶瓷成为反应雄中不可缺少的吸收中子的控制棒；高硬度

陶瓷刀具可比传统刀具提高加工效率3~10倍；Si

3N

4

、SiC陶瓷作为发动机和燃气轮机的高温关键部

件，可使涡轮进口温度提高到1370℃，从而可以大幅度提高热效率和节省燃料；耐热隔热的陶瓷涂层在航空发动机和重型燃气轮机中应用越来越多；高铁和电动汽车中IGBT功率控制模块封装对高性能的AIN陶瓷基板，高强度高韧性高导热Si3N

4

陶瓷基板需求迫切。汽油柴油车需要性能更佳的蜂窝陶瓷及催化剂载体，从而大大减少汽车排放和环境污染。

这些例子充分显示了先进陶瓷材料对现代科学和工程技术发展至关重要。特别是近十年来，由于

各种高纯氧化物陶瓷（Al

20

3

、ZrO

2

、SiO

2

、MgO、Y

2

3

、MgAl204），氮化物陶瓷（Si

3

N

4

、BN、AlN、AION

等）、碳化物陶瓷（SiC、B

4C等）、硼化物陶瓷（TiB

2

，ZrB

2

、HfB

2

等）发展，特别是陶瓷材料制备

技术和纳米陶瓷复合材料技术的发展，新一代陶瓷材料的各种力学性能、热学性能、透光透波性能大幅提高，应用领域更加广阔，令人瞩目。

No.2国际上发达国家先进陶瓷的研发重点及趋势

国际上发达国家高度重视先进陶瓷材料研发和产业化，例如从2000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，美国国家航空和字航局（NASA）在超高温结构陶瓷极其复合材料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1650℃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500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1500℃高温下也能承受1400MPa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（ZrB

2－SiC，HfB

2

－SiC）占有优势。日本在陶瓷粉末（如ZrO

2

，Si

3

N

4

，AIN，Nd－YAG、

BaTiO

3

）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1500℃抗弯强度达1400MPa 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的研究也得到重要发展。No.3

国际上先进陶瓷的应用与产业化发展

在欧美市场，有超过150多家的先进陶瓷制造商和几十家相关的精细原料供应商，但超过65％的先进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先进陶瓷市场的37％。法国和英国的市场合起来则占39％。欧洲的主要先进陶资生产国包括德国，法国，英国、瑞典和意大利。

欧洲比较大的生产先进陶瓷的公司有法国圣戈班公司（Saint－Gobain）、德国赛琅泰克公司（Caram Tec）、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，是全球工业工程材料的先驱者，名列财富500强企业第188位。年销售收入达到300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。赛琅秦克公司（Caram Tec）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公司是英国一家企业，以碳材料和先进陶瓷为主要产品，在60多个国家设立了160多个生产厂。

美国虽是先进陶瓷生产大国，但它更是先进陶瓷最大的消费国，其生产少于消费，因此有许多产品从日本和欧洲以及中国进口，美国较大的生产先进陶瓷的公司包括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，部分产品如图1（左）所示。康宁公司成立于1851年，是特种玻璃和新型陶瓷材料的全球领导商，基于160多年在材料科学和制造工艺领域的知识与积累，康宁创造出众多被用于高科技消费电子、移动排放控制、电信和生命科学领域产品的关键组成部分已成为全球的光纤、光缆及光电材料、智能手机触摸屏高功能玻璃、蜂窝陶瓷载体及汽车尾气过滤器的主要供应商，见图1（中、右），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和研发基地。

在欧洲和美国的环境保护立法是很多新一代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入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