干货！深析先进陶瓷材料10大核心技术、研发与产业化问题等-今日头条

说到先进陶瓷目前的市场形势，除了各材料行业都在极力靠拢的新能源领域外，军工领域也是先进陶瓷的一个非常火爆的市场。提高国防能力在任何时代下都是一个国家的首要重点任务之一，而提高国防能力首先就要从装备的升级开始。因此，作为军工装备的关键材料之一，先进陶瓷材料的发展也得到了强有力的驱动。

先进陶瓷材料按其性能及用途可分为两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。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。陶瓷材料的军工应用则主要集中在结构材料及电子器件方面：

用于航空发动机及飞机刹车盘：对于航空发动机来说，提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径，但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点，温度上升空间很小，因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性，可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。同时陶瓷基复合材料密度小，有利于发动机减重。随着民用航空业对提高燃油效率的不断追求，通用航空GE预计在今后十年陶瓷基复合材料在航空中的应用将增长十倍。用在飞机刹车盘材料：碳陶刹车盘与上一代刹车盘相比，静摩擦系数提高1-2倍，湿态摩擦性能衰减降低60%以上，磨损率降低50%以上，使用寿命提高1-2倍。生产周期降低2/3，生产成本降低1/3，能耗降低2/3，性价比提高2-3倍。是目前国际上发现唯一能在1500℃高温环境下，各项物理性能不发生衰减的材料。推广应用后，每年可为中国民航客机节约成本3亿元左右。用于火箭发动机热结构件：陶瓷基复合材料可用于火箭发动机中。由于陶瓷基复合材料耐热冲击性高，对液体推进剂化学稳定性高，比金属材料耐高温，具有较高的抗蠕变性，是一种理想的液体火箭发动机热结构件材料。用于航天飞行器和导弹的热防护材料：航天飞行器在进入大气的过程中，由于强烈的气动加热，飞行器的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃，热防护系统是航天飞行器的关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用放热-结构分开的思想，即冷却结构外部加放热系统。C/SiC复合材料的发展，使飞行器的承载结构和放热一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系统失效造成的机毁人亡事件后，使C/SiC陶瓷基复合材料更受关注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。用于卫星反射镜：卫星反射镜材料的性能要求是密度低、比刚度大、热膨胀系数CTE低、高导热性以及适当的强度和硬度、可设计性等。玻璃反射镜和金属反射镜加工成大型轻型反射镜都有一定的局限性。因此，国内外都正在研究C/SiC复合材料反射镜，该复合材料密度较低，刚度高，在低温下热膨胀系数小及导热性能良好，热性能和力学性能都比较理想，而且可以得到极好的表面抛光，是一种十分理想的卫星反射镜基座材料。美国、俄罗斯、德国、加拿大等利用碳纤维增强碳化硅复合材料(Cf/SiC)制备出高性能反射镜。陶瓷材料及陶瓷基复合材料会被用在装甲中：如防弹衣、战机和装甲车的防护层等。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成，防弹层可吸收弹头或弹片的动能，对低速弹头或弹片有明显的防护效果，在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害。热压碳化硼和碳化硅陶瓷基复合材料可以用于制造坚固的抗击打的盔甲板。我国是世界上三大的防弹衣生产国，在国际市场上，我国防弹衣价格大约500美元左右，而其他国家的防弹衣价格在800美元左右，在制造成本方面我国存在优势。用在飞机装甲方面：一些军用直升机均装配有包括陶瓷装甲座椅、陶瓷组件和陶瓷面板系统等部件在内的陶瓷装甲系统。此外，陶瓷基复合材料还应用在陆军的装甲战车上，如斯特瑞克中型装甲车。用于信息化电子器件：军用陶瓷电容器需求旺盛。电子陶瓷除了在民用领域被广泛应用，随着武器装备信息化的加速，如陶瓷电容器这类电子陶瓷在军工领域的需求不断增大，尤其是片式多层瓷介电容器（MLCC，市占率超过90%），而军用市场对电容器质量要求较高，中国军用陶瓷电容器市场规模常年保持10%以上的增长。

先进陶瓷材料由于其耐高温以及独特的电学特性广泛被应用于结构材料以及电子领域。本文将带你了解先进陶瓷的国内外研究现状、发展趋势以及与其相关联的10大核心技术，一起来看看。

一

国内外研究现状及发展趋势

1. 国外研究发展情况

目前，全球范围内先进陶瓷技术快速进步、应用领域拓宽及市场稳定增长的发展趋势明显。

美国和日本在先进陶瓷的研制与应用领域居于领先地位。美国国家航空和宇航局（NASA）则在结构陶瓷的开发和加工技术方面正实施大规模的研究与发展计划，重点对航空发动机、民用热机中的关键闭环实现陶瓷替代，同时对纳米陶瓷涂层、生物医学陶瓷和光电陶瓷的研究、产业化进行资助。美国的“脆性材料设计”等10大计划；美国联邦计划“先进材料与材料设备”中每年用于材料研究与工程费高达20亿～25亿美元，以提高其国际上的竞争力。

日本先进陶瓷以其先进的制造设备，优良的产品稳定性逐步成为国际市场的引导者，特别是功能陶瓷领域包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等逐步垄断国际市场。日本通产省精细陶瓷研究与开发的“月光计划”；300kW陶瓷燃气轮机研制计划。此外，欧盟各国，特别是德国、法国在结构陶瓷领域进行了重点研究，主要集中在发电装备、新能源材料和发动机中的陶瓷器件等领域。欧盟包括德、法、英等国家也采取了一些发展新材料的相应措施，如“尤里卡计划”等。

美国陶瓷工业部门的统计数字显示，美国、日本、欧盟的先进陶瓷市场年平均增长率为12%，其中欧盟先进陶瓷市场总值年平均增长率达15%～18%；美国先进陶瓷市场总值年平均增长率9.9%；日本精细陶瓷协会对日本先进陶瓷市场进行了预测，其年平均增长率为7.2%。目前先进陶瓷最大市场在日本和美国，其次是欧盟。

2. 国内研究发展情况

20世纪80年代到90年代初，许多现代陶瓷理论和工艺在精细陶瓷的制备中得到应用。利用和金属材料的相变理论、仿生学等学科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高，研制的纤维补强复相陶瓷，陶瓷基复合材料的韧性得到较大提高，通过仿生学在精细陶瓷制备工艺中得到应用，层状材料得到较大发展。

聚合物裂解转化、化学气相沉（渗）积、溶胶工艺的采用，使得特种纤维的制造、连续纤维复合材料制备技术快速发展。纳米技术在陶瓷中的应用使材料性能发生根本性变化，使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的烧结温度大大降低。

进入21世纪，功能陶瓷的研究也得到了国家和各科研院所的高度重视。从1995—2015年我国先进陶瓷产值及预测可以看出，我国先进陶瓷产业进入了快速发展期，预计到2015年产值可达到450亿元。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。

例如凝胶注模工艺生产的大尺寸熔融石英陶瓷方坩埚打破了美国赛瑞丹、日本东芝和法国维苏威3大公司的技术垄断，在2007年率先实现国产化，通过近5年的不断发展，已经形成110～1100mm系列产品，产能居于全球第1位。

太阳能熔融石英方坩埚（110～1100mm）

但是，国内先进陶瓷总体水平与美国、日本和德国相比还存在一定的差距。主要表现在3个方面：

技术及新产品工程转化极度匮乏

世界上开发了200多种陶瓷材料及2000多种应用产品。虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。

高端粉体制备及分散技术远远落后

我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。例如：高纯氧化铝粉，日本企业99.99%氧化铝粉烧结温度只需1300℃，而国内需要到1600℃以上；高纯氮化硅粉仍受到日本UBE和德国H.C.Stark的限制，国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动。同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。

制造装备加工技术落后

虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制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。

我国在“十二五”科技发展规划中明确指出大力发展新型功能与智能材料、先进结构与复合材料、纳米材料、新型电子功能材料、高温合金材料等关键基础材料。实施高性能纤维及复合材料、先进稀土材料等科技产业化工程。掌握新材料的设计、制备加工、高效利用、安全服役、低成本循环再利用等关键技术，提高关键材料的供给能力，抢占新材料应用技术和高端制造制高点。

同时，对先进陶瓷主要应用领域新能源、电子信息、环境保护、高端机械制造等同样提出了规划要求，将进一步推动我国先进陶瓷向规模化、应用化、高端化发展。

二

先进陶瓷制备技术发展情况

1. 陶瓷粉体的制备方法

粉体的特性对先进陶瓷后续成型和烧结有着显著的影响，特别是显著影响陶瓷的显微结构和机械性能。通常情况下，活性高、纯度高、粒径小的粉体有利于制备结构均匀、性能优良的陶瓷材料。

陶瓷粉体的制备主要包含固相反应法、液相反应法和气相反应法3大类。其中固相反应法特点是成本较低、便于批量化生产，但杂质较多，主要包括碳热还原法〔碳化硅（SiC）粉体、氧氮化铝（AlON）粉体）〕、高温固相合成法（镁铝尖晶石粉体、钛酸钡粉体等）、自蔓延合成法氮化硅〔（Si3N4）粉体等300余种〕和盐类分解法〔三氧化二铝（Al₂O₃）粉体〕等。其中近几年兴起的冲击波固体合成法可以大大降低反应温度，提高粉体活性。

液相反应法生产的粉料粒径小、活性高、化学组成便于控制，化学掺杂方便，能够合成复合粉体，主要包括化学沉淀法、溶胶——凝胶法、醇盐水解法、水热法、溶剂蒸发法。

气相反应法包括物理气相沉积和化学气相沉积2种。与液相反应法相比，气相反应制备的粉体纯度高、粉料分散性好、粒度均匀，但是投资较大、成本高。随着纳米技术的发展，近10年来，粉体表面积大、球形度高、粒径分布窄等特点，为高性能陶瓷提供了基础保障。

2.先进陶瓷的成型技术

先进陶瓷成型方法种类繁多，除了传统的干压成型、注浆成型之外，根据陶瓷粉体的特性和产品的制备要求，发展出多种成型方法。总的来说可以归纳为4类：干法压制成型、塑性成型、浆料成型和固体无模成型，其中每一类成形又可细分为不同成形方法。

干法压制成型：干压成型、冷等静压成型；塑性成型：挤压成型、注射成型、热蜡铸成型、扎膜成型；浆料成型：注浆成型、流延成型、凝胶注模成型和原位凝固成型；固体无模成型：熔融沉积成型、三维打印成型、分层实体成型、立体光刻成型和激光选取烧结成型。

根据先进陶瓷的发展进程，重点介绍以下成型方法：

（1）冷等静压成型

等静压成型是最常见的瘠性料先进陶瓷成型工艺，通过将粉体放入柔性模具或包套中，通过对其施加各项均匀的压力成型，是目前国内应用最为广泛、最为成熟的工艺，分为干袋式等静压和湿袋式等静压。其特点是成本低、模具简单，生坯强度高，但尺寸不精确、复杂形状成型较困难，湿袋式自动化生产效率低。

（２）流延成型

1945年，美国麻省理工学院首先对流延成型进行了报道。其原理是粘度适合、分散性良好的料浆通过流延机浆料槽道口流到基带上，通过基带和刮刀的相对运动使料浆铺展，在表面张力作用下形成有光滑表面的坯体。坯体具有良好的韧性和强度，可以制备几个微米到1mm厚的陶瓷薄片材料，目前已经广泛应用到电容器瓷片、Al₂O₃基片和压电陶瓷膜片中，此外，可利用流延法制备Si3N4、SiC、氮化硼（BN）等叠层复合材料，从而制备出高韧性先进陶瓷。

（３）注射成型

注射成型是将高分子聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合发展起来的一种制备陶瓷零部件的新工艺。图5是国内引进瑞典首台套中压注塑成型设备。

近几年在国内发展势头迅猛，在小尺寸、高精度、复杂形状陶瓷的大批量生产方面最具优势。发动机转子叶片、滑动轴承、陶瓷轴承球、光线连接器用陶瓷插芯、陶瓷牙、陶瓷手表等近几年均实现批量化生产。注射成型方法将是小尺寸陶瓷部件特别是复杂形状陶瓷部件最具发展前景的成型方法。

国内引进瑞典首台套中压注塑成型设备

中压注塑成型制备圆度很好的氮化硅轴承球坯体

（４）凝胶注模成型

凝胶注模成型，即注凝成型是借助料浆中有机单体聚合交联将陶瓷料浆固化成型，可制备出大尺寸薄壁陶瓷或形状复杂的产品。其特点是近净尺寸成型、有机物含量少，坯体强度高可进行机械加工，适合大规模批量化生产。

目前国内注凝成型应用最成熟的产品为大尺寸熔融石英坩埚、薄片Al₂O₃基片、二氧化锆（ZrO₂）陶瓷微珠等产品。我国的熔融石英坩埚尺寸达1200×1200×540（mm），是全球唯一采用注凝工艺生产石英坩埚的国家，其使用性能达到国际先进水平。

引进机械手进行注凝成型生产大尺寸石英陶瓷坩埚

（５）固体无模成型

陶瓷无模成型是直接利用CAD设计结果，通过计算形成可执行的像素单元文件，然后通过类似计算机打印输出设备将要成型的陶瓷粉体快速形成实际像素单元（尺寸可小至微米级），一个一个单元叠加的结果即可直接成型所需要的三维立体构件。

美国Rutgers大学和Argonne实验室利用熔融沉积成型技术制备了Al₂O₃喷嘴座，烧结密度98%，强度824±110MPa；麻省理工学院利用3D打印成型技术研制的四方氧化锆陶瓷强度670MPa，断裂韧性4MPa·m1/2，并制造出热气体陶瓷过滤器；英国布鲁诺大学利用10%体积含量的ZrO₂墨水采用喷墨打印机成型制备出相关陶瓷样品。

3D打印成型技术制备的陶瓷部件

虽然目前固体无模成型设备昂贵、技术封闭、材料性能不理想，但其与现代智能技术结合将进一步提高陶瓷制备工业的水平，是成型技术发展的主要方向。

3. 先进陶瓷的烧结技术

陶瓷坯体通过烧结促使晶粒迁移、尺寸长大、坯体收缩、气孔排出形成陶瓷材料，根据烧结过程中不同的状态，分为固态烧结和液相烧结。先进陶瓷的烧结技术按照烧结压力分主要有常压烧结、无压烧结、真空烧结以及热压烧结、热等静压烧结、气氛烧结等各种压力烧结。近些年通过特殊的加热原理出现微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延烧结等新型烧结技术。

（1）热压烧结（HP）

对共价键难烧材料如Si3N4、BN、二硼化锆（ZrB₂）需要在加热过程中给予外加机械力，使其达到致密化，此种烧结方式为热压烧结，分为单向加压和双向加压。热压烧结的特点是可以低于常压烧结温度100～200℃的条件下接近理论密度，同时提高制品的性能如透明性、电导率及可靠性。热压烧结目前在国内AlON、YAG等透明陶瓷、BN可切削陶瓷达到或接近国际水平。

热压烧结制备的AlON透明陶瓷

但是热压烧结通常只能制造形状单一产品，并且会加大后期的加工成本，因此该烧结方式制造成本较高。

（２）气压烧结（GPS）

气压烧结是指在陶瓷高温烧结过程中施加一定的气体压力，范围在1～10MPa以便抑制高温下陶瓷材料的分解和失重，从而可以提高烧结温度，促进材料的致密化，是先进陶瓷最重要的烧结技术之一。

该技术最早由日本的Mitomo报道，其最大优势在于可以较低成本制备性能优良、形状复杂的共价键陶瓷，并可以实现批量化生产。近30年来气压烧结在日本、美国、德国和中国得到了广泛而深入的研究，烧结材料的范围不断扩大与推广，国内在大尺寸气压烧结氮化硅陶瓷方面突破了国外技术封锁，实现技术国产化。

大型气压烧结炉及氮化硅陶瓷轴承球

（3）放电等离子烧结

放电等离子体烧结是利用等离子体所特有的高温快速烧成特点的一种新型材料制备工艺方法，被誉为陶瓷烧结技术发展的一次突破，广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、透明陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物等系列新型材料。

其优点是：烧结温度低（比HP和HIP低200～300℃），烧结时间短（只需3～10min），晶粒细小，致密度高，是近净尺寸烧结技术。此外，装置相对较简单，能量利用率高，运行费用低，易实现烧结工艺的一体化和自动化。

（4）微波烧结技术

微波烧结是微波电磁场与材料介质相互作用导致介电损耗而使材料表面和内部同时受热。其优点是：升温速率快，可实现快速烧结和晶粒细化；陶瓷产品整体均匀加热，内部温度场均匀；利用微波对材料的选择性加热，可以对材料某些部位进行加热修复或缺陷愈合；微波加热高效节能，节能效率可达50%左右；无热惯性，便于实现烧结的瞬时升、降温自动控制。美国橡树岭国家实验室Kinrey等人利用微波烧结1200℃制备了相对密度98.5%的Al₂O₃/ZrO₂陶瓷材料；徐耕夫等借助微波烧结在1650℃制备了相对密度97.5%的β-SiAlON陶瓷。

3. 陶瓷精密加工技术

先进陶瓷属于脆性材料，硬度高、脆性大。由于陶瓷加工性能差，加工难度大，稍有不慎就可能产生裂纹或者破坏，因此不断开发高效率、高质量、低成本的陶瓷材料精密加工技术已经成为国内外陶瓷领域的热点。传统的陶瓷加工技术主要体现在机械加工，包括陶瓷磨削、研磨和抛光。近20年来，电火花加工、超声波加工、激光加工和化学加工等加工技术逐步在陶瓷加工中应用。

硅钢线退火炉用石英陶瓷炉底辊（180×2150mm,空心）

玻璃水平钢化炉用石英陶瓷辊（Φ8×765mm到Φ150×6000mm各种规格）

三

先进陶瓷研发与产业化问题解析

1. 国内先进陶瓷产业与国外的差距

当前，国内先进陶瓷材料在各领域内的应用总体来说还与国外发达国家相比有明显的差距，特别是基础技术、应用技术和产业化方面，满足不了国民经济迅速发展的要求，国内先进陶瓷产业与国外存在一定差距，可以概括为以下四个方面：

（1）市场

目前世界最先进和高附加值的先进陶瓷产品，特别是高端装备中大量的陶瓷制品仍需进口，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等，国内各龙头企业占据市场份额较低，与国外仍有较大差距。

（2）粉体与器件

现阶段国内材料的纯度、分散性、均匀性、性能稳定性等均与国外有较大差距，高质量粉体高度依赖进口；器件性能与国外存在5-30年代差。

（3）知识产权和标准

国内先进陶瓷知识产权布局和标准布局都起步较晚，知识产权中整体的专利布局数量、质量与国外比有较大差距，龙头企业申请的专利数量、质量也与国外龙头相差甚远。

（4）产业化能力

国内企业的高质量先进陶瓷产业化时间节点、能力及产量均落后国外企业。

2. 国内先进陶瓷产业差距问题的原因

先进陶瓷产业出现这些问题的原因有很多，我们从整体角度分析了原因，包括以下几个方面：

（1）顶层设计

材料属于产业而不是行业，是各个行业的基础和支撑，与各个行业都相关，而材料产业又有“三高三长”的特点，所以材料产业的利润和价值体现在延伸或者关联产业。而材料产业更重视核心技术及平台的打造，最终形成深化后续应用的竞争优势的解决方案，而不是简单的产品或者商品。所以特别需要顶层设计、整体管理、战略布局、系统规划。

（2）基础研究与应用研究

由于学校的体制和企业的机制，学校基础研究的方向很多都是规划在论文影响因子高和学生能够有效毕业的领域；而企业基础研究的方向，由于投入大、周期长、见效慢，往往更重视能够二次创新形成短期效益和引进人员快速获得成功的投入，所以最后基础研究集中度很高，但深度、广度、高度、长度都远远不够。应用研究实际上包含应用平台（解决技术、产品功效关系的研发；属于应用研究深度）和应用中心（解决技术、产品、商品匹配度方面的研发；属于应用研究广度），但由于企业之间信用基础不够、护城河很难建立，竞争和保密成为主旋律，因此以竞合为基础的应用研究很难有效、高质量、可持续的进行。

（3）矿产资源

我国先进陶瓷的锆矿、铝矿等矿产资源贫瘠，无大型矿产供应商，资源严重依赖进口，而对于矿产加工能力虽然很高，但深度应用十分欠缺。

（4）人才结构与薪资压力

高中学子读大学时对材料专业热情度低，材料、化学类研究生占比比较少，且材料类研究生就业时只有少部分会选择先进制造行业，选择材料就会更少，造成人才资源严重不足。此外，材料类毕业生薪资普遍低于计算机、金融类、互联网等行业毕业生，不及全国毕业生平均薪资，而先进陶瓷在材料领域也不属于热门，大家兴趣更低。

（5）资本青睐度

外部资本、内部资本在先进制造业的投资数量和投资金额明显较其他行业少，而材料产业就更少。

四

发展与展望

在近20年，不论是六、七十年前发明的流延成型技术、常压烧结,还是一、二十年刚刚兴起的注凝成型技术、放电等离子烧结技术，为了满足应用和研究的需要，都进行了大跨步的技术升级，相关的理论研究也取得长足的进展。

国内的先进陶瓷体系不断拓展，制备技术不断丰富与进步，应用领域也从单一的军事、航空航天推广到环保、新能源、电子信息等更为广泛的民用市场，陶瓷材料也从结构陶瓷、功能陶瓷向结构——功能一体化发展。针对目前国内先进陶瓷现状，仍需从几个方面进行重点研究开发：

陶瓷技术的基础理论研究和结构设计需要匹配应用领域对先进陶瓷的发展要求，能够对新体系、新产品、新应用和批量化转化提供技术保障；

陶瓷粉体技术的研究与产业化，要打破高端粉体仍受国外制约的现状，满足陶瓷材料发展的基本需要；