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全球先进陶瓷材料的应用趋势预测
2020-08-22 743
       随着5G时代的到来,陶瓷材料将迎来新一轮快速发展。先进陶瓷,又称为高性能陶瓷、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,具有精确的化学组成、精密的制造加工技术和结构设计,并具有优异的力学、声、光、热、电、生物等特性的陶瓷。
 
       由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济的各个领域。先进陶瓷的发展是国民经济新的增长点,其研究、应用、开发状况是体现一个国家国民经济综合实力的重要标志之一。
       先进陶瓷是“采用高度精选或合成的原料,具有精确控制的化学组成,按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计,并且有优异特性的陶瓷”。按其特性和用途,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;结构陶瓷大致分为氧化物系、非氧化物系和结构用陶瓷基复合材料。功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷。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。
      国内外先进陶瓷的研究发展现状对比
      美国:
      重点发展高温结构陶瓷,目前在航天技术、航空器、核工程、汽车、医疗设备及机械动力等领域处于大范围使用阶段。从2000年开始,美国先进陶瓷协会和美国国家能源部联合资助并实施了为期20年的美国先进陶瓷发展计划,预期目标是:到2020年,先进陶瓷以其优越的高温性能、可靠性以及其他独特性能,成为一种经济适用的首选材料,并广泛应用于节能环保、新一代信息技术、生物医药、高端装备制造、新能源和新能源汽车等战略性新兴产业中,需求者根据应用要求可以选择使用具有优越性价比的先进陶瓷产品。美国国家航空和宇航局(NASA)在结构陶瓷的开发和加工技术方面实施了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。
      日本:
      近年来,日本将先进陶瓷作为战略性产业,将其看作是决定未来国际竞争力的高科技产业,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,均处于领先地位。
      欧盟:
      欧盟各国以功能陶瓷和高温结构陶瓷为主要研究对象,目前研究的重点为发电设备中应用的新型材料技术,如陶瓷活塞盖、排气管里衬、涡轮增压转子及燃气轮转子等。此外,欧盟部分国家在先进陶瓷机械、装备方面优势明显。
      国内:
      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。
      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。
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