陶瓷制品未来发展的五大产业
电动汽车行业
根据中国汽车工业协会最新数据,今年1-11月,中国产销新能源汽车625.3万辆和606.7万辆,同比增长约100%,市场份额达25%。产销增速远超市场增速,新能源汽车渗透率已超过36%,且持续上升。电动汽车技术不断发展,加速了其零部件设计和材料的更新换代。先进陶瓷材料以其独特的性能优势,已在新能源电动汽车中得到充分应用。
其中以HIP氮化硅轴承球、高热导率氮化硅基片为主。
01 氮化硅轴承用 HIP 球
与标准轴承相比,新能源汽车电机轴承的转速更高,因此需要密度更低、耐磨性更强的材料。氮化硅陶瓷轴承的滚珠在轴承系统内产生的热量和摩擦更少。具体来说,氮化硅是一种天然电绝缘体,可以防止轴承放电引起的电腐蚀,延长润滑剂和轴承的寿命,并最终防止轴承故障。它非常适合用于电动汽车等各种领域。

电驱动时代,陶瓷轴承正日益取代钢球轴承,国产小鹏P7、G9、蔚来ET7等车型均采用氮化硅陶瓷球绝缘轴承,如特斯拉电机输出轴采用的就是陶瓷轴承,NSK设计的混合陶瓷轴承,轴承滚珠由50颗氮化硅球组成。
热等静压 (HIP) 和气压烧结 (GPS) 是两种最流行的氮化硅陶瓷球烧结制备技术。这两种方法生产的陶瓷球在许多场合中都经常使用。与 GPS 氮化硅相比,HIP 氮化硅具有更优异的机械性能和更长的疲劳寿命。
目前,国外知名企业仍然掌控着国际市场份额和发展方向,日本、欧美企业仍然主导着高端陶瓷轴承产品的制造。2015年,我国成立了国材高技术氮化物陶瓷有限公司。
中瓷金盛在热等静压氮化硅陶瓷球批量生产技术上取得重大进展,成为国内第一家实现该材料批量生产的公司,也是继日本东芝公司和美国Kustec公司之后第三家实现该材料批量生产的公司。其产品远销瑞典SKF、美国Timken、德国GMN和西班牙Forsa等国家。此外,中瓷金盛等公司也采用类似方法生产了抗弯强度为1000MPa的氮化硅轴承球。
02 高热导率氮化硅陶瓷基板
氮化硅陶瓷基板主要应用于纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的动力装置、半导体器件及逆变器等,具有巨大的市场潜力和应用前景。

目前,高导热氮化硅陶瓷基板材料的商业化要求为弯曲强度650MPa、断裂韧性5~7MPa·m1/2、热导率85W/(m·K)。目前,具备高导热氮化硅陶瓷基板量产能力的主要企业有东芝集团、日立金属、日本电气化学、丸和、日本精密陶瓷等。
此外,国内在氮化硅陶瓷基板材料研究方面也取得了一些进展,北京中材人工晶体研究院有限公司通过优化烧结方法和工艺,成功制备出抗弯强度为700~800MPa、断裂韧性≥8MPa·m1/2、热导率≥80W/(m·K)的氮化硅陶瓷基板。中材高科氮化物陶瓷有限公司北京分公司采用流延工艺生产的氮化硅陶瓷基板热导率可达100W/(m·K)。
随着新能源汽车的普及和人工智能的发展,电动汽车正向智能化迈进,汽车厂商也对各类陶瓷材料表现出浓厚兴趣,包括激光雷达封装材料、碳陶刹车片、高容量MLCC、陶瓷导热材料等。
半导体制造
半导体行业奉行“技术一代、工艺一代、设备一代”的产业规律,精密零件技术进步对半导体设备的更新迭代至关重要。精密陶瓷零件是半导体精密零件中最具代表性的材料,应用于刻蚀、化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入等多个半导体关键制程工艺,如机械搬运臂、静电吸盘、衬垫、导轨、轴承等,在设备腔体内起稳定、防御、分散等作用。

半导体生产 半导体产业有“技术一代、工艺一代、设备一代”的产业规律,精密零件技术的提升是半导体设备更新换代的关键。半导体精密零件材料中,陶瓷精密零件最具代表性,应用于蚀刻、化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入等半导体重要制程,如轴承、衬垫、导轨、静电吸盘、机械搬运臂等,尤其在设备腔体内起导流、防护、稳定作用。
节能环保产业
在国家“双碳”政策引导下,各行业逐渐向节能减碳、减少污染、提高效率的方向发展,在此背景下,陶瓷行业面临能源消耗和环保压力,但也给陶瓷材料带来新的发展机遇。
01 陶瓷膜
以陶瓷膜为核心的膜分离技术目前主要应用于过程工业和特种水处理领域,作为替代传统过滤分离技术的高效分离工艺,用于过滤分离、浓缩净化、净化除杂。

陶瓷平板膜
其中,高性能陶瓷平板膜可对复杂环境下的流体进行过滤、分离和净化,具有耐高温高压、化学稳定性强、过滤效率高、可靠性好、运行维护成本低、使用寿命长、全寿命周期环境友好等特点,在市政污水、分布式水处理、黑臭水体处理、中水回用、工业园区废水处理等领域得到广泛应用和推广,是国际高性能陶瓷分离膜领域的首要发展方向,具有广泛的市场前景。
和水处理一样,我国大气污染治理也已初露锋芒,将环保型稀土金属氧化物系纳米脱硝催化剂负载于陶瓷纤维复合膜材料为支撑体,制成高温纤维脱硝除尘膜,是一种可在高温条件下实现气体直接净化的集脱硝除尘功能于一体的滤芯。

02 气凝胶
超级隔热材料气凝胶的绿色低碳化大发展,为气凝胶行业带来了前所未有的发展空间,有望与绿色制造融合,创造出更多新的产品应用,顺应绿色产业加速发展的趋势。
气凝胶具有极低密度、超高孔隙率、低折射率、低热导率、低声阻抗等一般固体材料所不具备的特性,这些特性使得其在隔热保温、生物医药、隔音、吸附等领域有着巨大的应用前景,市场需求潜力巨大。
生物医药产业
随着社会的发展和人们生活水平的提高,越来越多的人工植入物和器官将用于治疗领域。在我国,不锈钢和钴合金等金属因其优越的机械和控制性能而长期用于骨科治疗和修复;然而,它们的生物相容性不足。因此,更健康、更相容的涂层材料或生物陶瓷的市场和研究正在迅速扩大。
Al2O3、ZrO2、ZTA、Si3N4等生物医学陶瓷及相关复合陶瓷材料因其优异的断裂韧性和耐磨性,常用于外科承重假体、牙种植体、骨替代物等。氧化锆因其良好的性能和美观性而常用于牙科修复材料,但其强度则归功于玻璃陶瓷。其中氮化硅兼具杀菌作用和自润滑性能,其植入体具有长期稳定的生物稳定性。

2022年,全球医用陶瓷材料市场规模预计约为150亿美元。2022年,中国医用陶瓷材料市场规模预计约为45亿美元。其中,氧化铝陶瓷占大多数(约60%)。氮化硅陶瓷用于骨科植入物,而氧化锆陶瓷主要用于牙科。
航空航天领域
陶瓷在各种严苛的应用环境下始终以优异的性能脱颖而出。军事和航空航天工业是先进陶瓷最受欢迎的两个应用市场。“耐高温”和“隐身”是航空航天工业的两条主要陶瓷发展路线。
随着单晶、热障涂层、主动气冷等材料潜力的逐渐耗尽,新一代军用航空发动机对新型耐高温结构材料的需求日益增加,SiC/SiC-CMC已成为耐高温结构材料的首选材料之一。SiC/SiC-CMC的增强增韧作用很大程度上依赖于碳化硅纤维。碳化硅纤维是SiC/SiC-CMC最重要的原材料,其耐温可达1200℃以上,引起了航空强国的科研竞争。

吸波材料通常由吸收介质(吸收剂)和基质材料(有时称为粘合剂)组成,是最重要的隐形材料之一。碳化硅是制造多波段吸收陶瓷材料的主要成分;无机陶瓷纳米颗粒和无机聚合物材料结合形成陶瓷红外隐形材料,这是一种涂层。为了产生有效的宽带电磁波吸收,无机陶瓷纳米颗粒均匀分散在无机聚合物基质中并受到严格控制。
