产业报告：结构陶瓷材料（1） -《中国新材料产业发展报告2019》

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结构陶瓷材料

谢志鹏

1、结构陶瓷产业的背景需求及战略意义

结构陶瓷材料是由离子键和共价键结合一类高性能先进材料，具有金属和高分子材料不具备的许多优异性能。结构陶瓷所具备的特有的高模量、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗侵蚀、生物相容性以及优异的电绝缘和透光透波等特性，从而在航天航空，国防军工，冶金机械、化工环保、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，因此具有重要的应用价值和战略意义。

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动机中液氢液氧涡轮泵用的氮化硅陶瓷轴承在无润滑状态下高速运转，要求陶瓷轴承强度高、韧性好、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，导弹天线罩需使用的高透波陶瓷材料；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ZrB₂、HfB₂）的及陶瓷基复合材料（Cf/SiC、SiCf/SiC）快速发展，使航天飞机能在遨游太空后重返地球；B₄C陶瓷成为核反应堆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；Si₃N₄、SiC陶瓷作为发动机和燃气轮机的高温零部件材料，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；大规模集成电路用高导热的AlN陶瓷基板，高铁和新能源电动汽车用高强度高韧性高导热Si₃N₄陶瓷基板需求迫切。蜂窝陶瓷催化剂载体大大减少了汽车排放的污染，减少环境污染。

上述这些例子充分显示了结构陶瓷材料产业发展对一个国家的科技、国防、经济的发展是如此至关重要。特别是近二十年来，由于各种高纯氧化物陶瓷（Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、MgO、Y₂O₃、MgAl₂O₄），氮化物陶瓷（Si₃N₄、BN、AIN、AlON等）、碳化物陶瓷（SiC、B₄C等）、硼化物陶瓷（TiB₂，ZrB₂、HfB₂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，新一代结构陶瓷材料的各种力学性能、热学性能、透光和透波性能大幅提高，应用领域更加广阔，令人瞩目。

2、我国结构陶瓷产业的发展状况

2.1 国内结构陶瓷产业总体情况

从二十世纪八十年代开始，特别是在“七五”和“八五”期间，以高效发动机和燃汽轮机中使用的高温陶瓷关键零部件开发为导向的陶瓷材料的组成设计、晶界工程、净尺寸陶瓷成型、气压烧结、热压烧结、热等静压烧结技术研发，为新一代结构陶瓷的研究与发展培育了人才队伍、奠定了基础。此后三十年，我国在高技术陶瓷制备技术研发和产业化方面取得巨大进展，主要体现在以下几个方面：

（1）结构陶瓷材料制备技术快速提升，包括高纯陶瓷粉体的合成、先进的成型工艺、烧结技术及陶瓷部件的精密加工技术。各种粉末制备技术（如固相法、化学液相法、自蔓延燃烧合成等）、成型新工艺（如陶瓷注射成型，流延成型，凝胶注模成型、冷等静压成型、挤压成型等）、先进烧结技术（如热压烧结，热等静压烧结，气氛压力烧结，连续式高温隧道窑烧结等），和精密加工工艺（机械加工、CNC数控加工、激光加工等）都得到很大的发展与应用。目前已可以制备各类新型结构陶瓷产品和生产各种复杂形状的陶瓷零部件，其中一部分结构陶瓷产品出口到美国、欧洲、日本发达国家及其他国家。

（2）一批研发能力强，具有一定核心竞争力和一定规模的先进陶瓷企业得到发展，并且成为上市公司；如潮州三环集团、山东国瓷、广东风华高科、广东东方锆业、深圳顺络电子、宇阳科技。上述企业产业范围涵盖了结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷所涉及的粉体合成、产品制备、以及先进工艺技术与装备的研发，拥有较多的自主知识产权，产品销售国内外。上述公司2018年的营业总收入及净利润如图所示。

国内几家先进陶瓷上市公司财务状况

（3）上千家具有活力的结构陶瓷中小企业得到发展，结构陶瓷产业的区域特色形成，主要集中在广东、江苏、山东以及湖南、浙江、江西、河南、辽宁等地，其中广东、江苏、山东三省的结构陶瓷集中度高，在技术和产品方面最有竞争力。

我国结构陶瓷产业分布图

广东省的深圳、东莞、佛山、潮州、汕头等地区的先进陶瓷企业借助与香港和海外联系便捷优势，在结构陶瓷零部件制造上具有一定优势，如光通讯陶瓷插芯、手机陶瓷背板、电子穿戴产品用陶瓷表壳、电子封装陶瓷基板、高强度陶瓷柱塞、陶瓷球阀、陶瓷刀具、高温陶瓷棍棒等占据了高附加值工业陶瓷产品的很大市场。目前共有企业大约100家，其中发展出一些在国际上具有一定竞争力的大公司或上市公司，如潮州三环、东方锆业、广东金刚、顺络电子旗下的信柏结构陶瓷公司等，还有一批在结构陶瓷精密成型与精密加工有特色的中小型企业。广东深圳东莞也是全球智能手机和智能穿戴产品的制造中心，与之相配套的手机陶瓷背板和智能手表陶瓷外观件的一批企业迅速发展起来，如潮州三环、伯恩光学、东莞信柏、丁鼎陶瓷、广东夏阳等公司。

江苏的宜兴、苏州、常州、常熟等地区在精密纺织陶瓷零部件、精密陶瓷轴承球、化工用结构陶瓷部件、汽车尾气净化用蜂窝陶瓷、防弹陶瓷、水处理和烟气处理环保陶瓷等领域具有优势，代表性企业包括宜兴市九荣特种陶瓷有限公司、江苏金盛陶瓷科技有限公司、宜兴非金属化工机械厂有限公司、江苏省陶瓷研究所有限公司。其中宜兴地区的精细陶瓷产业已经形成较大的生产规模，从单一的氧化铝材料发展到现在的氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钛、滑石瓷、堇青石、碳化硅、氮化硅和氮化硼等多种材料；产品的应用范围也大大扩展，涵盖了许多工业领域，不仅大量出口，而且国内市场的占有率也较高。产品门类也涵盖了纺织瓷、装置瓷、耐磨陶瓷、环保陶瓷、化工陶瓷等各个领域。其中纺织机械陶瓷和汽车尾气净化蜂窝陶瓷在国内占有优势和领先水平，全市工业陶瓷总产值近40亿元。其中应税销售超亿元的有5家，5000万元以上的18家，1000万元以上的5家。

山东的淄博、潍坊为工业陶瓷聚集区，拥有工业陶瓷企业100余家和五大类工业陶瓷产品：（a）耐磨氧化铝氧化锆陶瓷内衬与造纸机用陶瓷部件，（b）脱硫脱硝环保陶瓷，（c）石油化工用陶瓷缸套和球阀，（d）透波石英陶瓷和氮化硅陶瓷，（e）耐热耐蚀领域用反应烧结碳化硅陶瓷。代表性企业有山东工陶院、硅苑科技、淄博华创、潍坊华美、潍坊致达。此外，山东东营的上市公司山东国瓷在高性能氧化物纳米陶瓷粉末（如钛酸钡、氧化锆、氧化铝）方面已达到国际先进水平，产品近一半销往国外。山东淄博的工业陶瓷优势和特色在于拥有陶瓷粉体制备、陶瓷机械设备生产、结构陶瓷产品制造及应用的产业链。已形成相当规模的氧化铝耐磨介质，用于造纸的高速纸机耐磨陶瓷件，用于火电系统的陶瓷阀门及管道，用于冶金铸造的陶瓷过滤器、陶瓷升液管，用于化工行业的陶瓷填料，用于各种泵类的陶瓷密封件，用于太阳能行业的石英坩埚，用于电力行业的真空管壳，石油开采用陶瓷缸套和柱塞等产品。山东潍坊地区则集中了我国80%以上的反应烧结碳化硅陶瓷产品，产值达数十亿，产品品种数百种、不但满足国内需求还大量出口到美国和欧洲等国家。

湖南的娄底市和新化县则是我国氧化铝电子陶瓷、氧化铝精密瓷件、及滑石瓷的主要生产基地，集中了近百家企业，成为地方支柱产业。产品涵盖了用于温控器的95%氧化铝或滑石瓷、保险管陶瓷系列、电光源陶瓷系列、耐热陶瓷系列、水滑片陶瓷系列、新能源汽车继电器用金属化陶瓷外壳系列，涌现了像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这样的为比亚迪等新能源汽车提供继电器金属化陶瓷外壳的大企业，像湖南新化鑫星电子陶瓷有限公司这样的国内最大的陶瓷水滑片生产龙头企业；而株洲湘火炬火花塞有限责任公司则是我国最大的陶瓷火花塞生产企业，成为国内汽车发动机的重要供应商，销售达到近十亿。此外，作为釉下五彩陶瓷之都的湖南醴陵市，在高压电瓷和精密陶瓷也形成了一定产业群，集中了一批像湖南醴陵特种电瓷电器有限公司、醴陵华鑫电瓷电器有限公司。

江西省萍乡地区在化学工业陶瓷、陶瓷填料、耐磨陶瓷、环保过滤陶瓷膜和高压电瓷方面聚集度高，是我国化工陶瓷和高压电瓷的重要生产基地，涌现出一批有规模有影响力的企业，如江西萍乡龙发实业股份有限公司、萍乡顺鹏新材料有限公司，中材江西电瓷电气有限公司，其产品在国内外市场占据较高份额。其中萍乡龙发是国内耐酸耐温防腐化工陶瓷的最大供应商，萍乡顺鹏的耐磨陶瓷产品已出口到欧洲美洲和非洲。此外，还有上百家中小陶瓷企业。作为中国瓷都的景德镇，则在氧化铝陶瓷管壳及瓷件的生产企业较为集中，如景德镇海川特种陶瓷有限公司、景德镇景华特种陶瓷有限公司、景德镇品安特种陶瓷有限公司，其工艺技术主要来自原国营九九九厂。此外还有一些压电陶瓷、蜂窝陶瓷、碳化硼防弹陶瓷、氧化锆陶瓷插芯、滑石瓷的精密陶瓷企业。

河南郑州及周边地区依然是氧化铝陶瓷粉末及制品的重要产地，产业规模达到数十亿，集中了一批像中国铝业郑州研究院、河南济源兄弟材料有限责任公司等有影响力的企业。而河南焦作地区则集中了一批氧化锆陶瓷粉末和制品的企业，如焦作市维纳科技有限公司、焦作李封工业有限责任公司。

河北唐山市依然是我国各种氧化铝陶瓷管和理化瓷的生产基地，产品主要有氧化铝陶瓷管、热电偶保护管、高温炉件、化学瓷件、绝缘瓷件、异型瓷件等，除了满足国内市场还出口到欧美和韩国等亚洲国家。集中了一批像唐山陶瓷集团工业试验厂有限公司、唐山科硕特种陶瓷制造有限公司等有影响力的企业。

（4）国内从事先进结构陶瓷及陶瓷复合材料研究与开发的高等院校和科研院所已达近100家，为企业发展在一定程度上提供了技术支撑。主要包括清华大学、中科院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、湖南大学、东华大学、西北工业大学、西安交通大学、中南大学、国防科技大学、华南理工大学、天津大学、浙江大学、景德镇陶瓷大学、山东大学、江苏大学、郑州大学、山东工陶院、北京建材设计研究总院、北京人工晶体研究院、中科院理化所，原电子部十三所和十二所等。这些单位研制的透明透波陶瓷、激光陶瓷、超高温陶瓷、超低温陶瓷、防弹陶瓷、陶瓷切削刀具、高温陶瓷基复合材料的性能都接近或达到国际先进水平；某些技术和产品已实现产业化。

3.2 国内结构陶瓷的应用与产业发展形势

近几年，伴随着我国结构陶瓷材料制备技术的进步和市场的强劲需求，结构陶瓷产业呈现出良好的发展态势，应用领域越来越广阔，不仅在化工冶金、机械制造、电力电子、能源环保等传统工业领域得到广泛应用，而且在我国航天航空、深空探测、现代通讯、消费电子、生物医疗、国防军工等尖端技术领域获得愈来愈多的应用。一批有实力的企业，如中材高新、潮州三环、山东国瓷、东方锆业、宜兴化机、广东金刚、东莞信柏、萍乡龙发、安地亚斯、湖南美程、鑫星电陶、江西赛瓷、潍坊华美、硅苑科技等，产值上亿甚至达到30亿的公司或上市公司得以涌现；同时许多专业技术型的中等规模企业也快速发展，如深圳尚德、广东夏阳、丁鼎陶瓷、淄博华创、潍坊致达、浙江宏泰、九荣特陶、江苏金盛、上海华硕、中兴实强、常德科锐、沈阳星光等。此外还有数百家具有特色的小型结构陶瓷企业。新一代结构陶瓷产品的应用涵盖各个领域，在国民经济和工业现代化进程中发挥重要的作用。

（1）机械工业领域

陶瓷切削刀具：由我国清华大学等单位最早自主开发的Si₃N₄陶瓷刀具系列，由于其较高的强度(σ= 900～1 000 MPa)、硬度(HRA92 .5)和断裂韧性(K_IC = 6～7 MPa·m1/2),又有较低的热膨胀系数(α=3 ×10^-6/℃), 因而表现出优异的切削性能, 特别适合于铸铁件和高温合金的加工。为了提高Si₃N₄ 陶瓷刀具的耐磨性, 又发展出Si₃N₄ + TiC (TiCN)复合陶瓷刀具,在国内十几个行业、上千家企业推广应用。与传统刀具相比，其切削效率提高3～10倍，其切削耐用度提高十几倍，带来显著的增产节能效益。特别是对于高硬难加工工件，例如碴浆泵、轧辊、轴承和模具等，陶瓷切削刀具解决了免除退火加工以及“以车削代替磨削”的工艺难题。销售量约80～100万片/年，随着我国机械制造业的复苏和发展，今后陶瓷刀具将会在更大范围内应用。

机械密封环：我国已成为机械工业中广泛使用的陶瓷密封件的最大生产国，除了满足国内需求还大量出口，主要采用具有优异的耐磨和抗腐蚀性的高性能SiC、SiC/C、Al₂O₃、Si₃N₄陶瓷材料，特别是近几年通过常压烧结亚微米碳化硅粉末制成的细晶单相碳化硅产品，因其均匀的碳化硅组成，出色的抗腐蚀性，从而在包括强酸和强碱的几乎所有的环境中保证了碳化硅产品卓越的性能，超过了所有反应烧结碳化硅、碳化钨和氧化铝，其寿命为传统密封材料的十余倍；已在化工厂、炼油厂、离心机、水动涡轮、油井和气井的大型泵上应用。碳化硅陶瓷滑动密封环即使在更小型的应用上也能保证安全和长效，如汽车上的燃油泵和冷却水泵等，密封环的使用寿命通常比这些整机长多倍。代表性企业有郑州华硕、上海华硕、浙江东新、北京中兴实强以及湖南鑫星电陶公司生产的Al₂O₃水阀片，行业产值已达10余亿元。陶瓷密封环产品如图所示。

碳化硅陶瓷密封环

陶瓷轴承：近十年来国内精密陶瓷轴承发展迅速，成为新一代结构陶瓷的一个重要方向。包括滚动轴承和滑动轴承，主要采用Si₃N₄、SiC、ZrO₂这三种耐磨陶瓷材料，其中滚动轴承更多倾向于气压烧结Si₃N₄陶瓷和ZrO2陶瓷，而滑动轴承主要选用常压烧结SiC或SiC/石墨的复合材料。各种陶瓷轴承的滚动寿命排序结果为Al₂O₃< SiC < ZrO₂< Si₃N₄。Si₃N₄轴承与轴承钢对比具有如下特点：（a）密度低，只有轴承钢的40%左右，用作滚动体时，轴承旋转时受转动体作用产生的离心力减轻，因而有利于高速旋转；（b）热膨胀系数小，为轴承钢的25%，可减小对温度变化的敏感性，使轴承工作速率范围更宽；（c）较高弹性模量（为轴承钢的1.5倍）和高的抗压强度，有利于滚动轴承承受应力提高；（d）耐高温耐腐蚀及优良化学稳定性，因此Si₃N₄陶瓷轴承适合于在高速、高温、耐腐蚀等特殊环境工作；（e）Si₃N₄陶瓷具有自润滑性，即使接触部油膜破裂也很难发生轴承粘着，故对于防止轴承的烧损可起到有利作用；（f）长寿命、低温升，由于Si₃N₄密度低导致离心力减小，从而大大减小对轴承外圈的压力和摩擦力矩，提高轴承寿命。试验研究表明，混合陶瓷轴承与同规格同精度等级的钢轴承相比，其寿命提高3-6倍，温升可降低35％~60％。陶瓷轴承已在高速机床、医疗装置、化工设备、风力发电等传动系统获得越来越多的应用，如图所示。

氮化硅氧化锆陶瓷轴承

国内陶瓷轴承球及轴承的生产企业已有二十余家，代表性企业有中兴实强、江苏金盛、山东工陶院、上海泛联、上海材料研究所、洛阳轴承研究所等。为了进一步减少陶瓷轴承球缺陷提高Si₃N₄陶瓷轴承的性能，近几年许多企业开始引进先进的热等静压烧结设备，采用先气压烧结然后热等静压烧结的两步工艺，使Si₃N₄陶瓷轴承的可靠性和使用寿命显著提高，从而在火箭发射的液氢液氧发动机上获得应用。

常压烧结SiC或SiC/C的滑动轴承在动密封系统应用不断增加，由于其优异的耐磨性长寿命以及耐各种强酸、强碱、腐蚀性气体和氢氟酸的侵蚀，从而成为磁力泵、屏蔽泵、真空泵中最理想的滑动轴承。

SiC陶瓷滑动轴承及磁力泵

（2）石油化工冶金

陶瓷阀门与缸套：在石油、化工、电力、冶金、环保等工业领域中，需要大量的阀门。近年来许多单位在陶瓷阀门的研制与生产上日趋成熟，产量和应用范围不断扩大，涌现一批陶瓷阀门的专业厂家，如福建省智胜特种陶瓷有限公司、东莞信柏结构陶瓷有限公司、天津圣凯阀门公司、北京中兴实强、山东硅苑、淄博华创等公司。产品不但满足国内市场的需求，还有不少出口。陶瓷阀门的材料也更加多样化，包括Al₂O₃、ZrO₂、ZTA（ZrO₂增韧Al₂O₃）、SiC等陶瓷，陶瓷阀门种类达到近十种，常见的有球阀、闸阀、碟阀等，如图所示。陶瓷阀门其优异耐热、耐磨和耐腐蚀等特性，使其寿命比原有的金属阀门提高十倍以上。同样这些耐磨陶瓷业应用于石油开采工业中使用的陶瓷缸套，如图所示。目前山东的淄博华创精密陶瓷有限公司是最大的陶瓷缸套生产企业，产品除了满足国内油田使用，还出口到美国和中东等国家。

（左）氧化锆陶瓷球阀（右）氧化铝陶瓷缸套

冶金企业正在实现向大型化、连续化、自动化、无(少) 污染、低消耗等方向发展，在许多冶金领域仅仅依靠应用金属材料或传统陶瓷材料来获得突破性进展是很困难的，而先进结构陶瓷材料则以其高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀以及优良的抗热震性等优异性能，在冶金工业中的应用日益广泛，其中氮化硼、钛酸铝、氮化硅陶瓷就是在冶金工业先进结构陶瓷材料应用中的典型。

六方氮化硼陶瓷及其复合材料一直以来被大量应用于冶金高温领域，如熔炼有色金属、贵金属和稀有金属的坩埚、器皿、输送泵等部件及硼单晶熔制器皿、水平连续铸造分离环、非晶制带用喷嘴、薄带连铸用侧封板、热电偶保护管、复合陶瓷蒸发舟等。氮化硼基陶瓷复合材料分离环，可将钢水直接冷却拉出形成型钢（如圆形、方形等），需要承受一千多度的温差和钢水腐蚀，热压氮化硼基陶瓷是最合适的材料，其寿命可达8～10h以上，而且还可重复使用。针对不同的钢水，可适量添加SiC、Si₃N₄等物质以调节其耐热耐腐蚀性。钢水连续测温也是一个难题，以往Al₂O₃或其他陶瓷热电偶保护管都难以直接插入1600℃的钢水中而不开裂，所以一直是采用一次性热电偶间断测温的方法，以至不能连续测温和自动控制钢水温度。采用氮化硼基陶瓷制成的热电偶保护管则可以直接插入钢水并连续测温8～10h。

氮化硅因其优异的耐热耐腐蚀和高温铝液的侵蚀以及高强度，目前逐渐取代钛酸铝陶瓷成为铝铸造工业中许多重要的高温部件，如发热体保护管，除气轴和转子，升液管，已开始应用于我国汽车工业中所需要的高强度铝合金轮毂的制造。过去该系列氮化硅耐热部件主要由德国和日本才能生产和垄断市场，目前国内在该领域已获得突破，如北京中兴实强等公司已开始生产和进入应用。

（3）新能源环保领域

新能源领域使用的新一代结构陶瓷材料日趋多样化，如国内知名陶瓷公司潮州三环为满足燃料电池产业化所需的钪锆陶瓷基板，在国内外率先采用流延技术制备出厚度为0.25毫米的基板，成为美国最大的燃料电池堆生产商的主要供应商。此外我国多晶硅太阳能电池产业中大尺寸多晶硅锭生产中所使用的耐高温抗热震石英陶瓷坩埚，国内中材高新等公司制备的坩埚尺寸从过去的0.8米发展到现在的1.2米，一次冶炼的多晶硅锭重量达到1吨多，目前我国已成为全球这一产品的最大生产国，每年达到数十万个。

（左）石英陶瓷坩埚 (右) 多晶硅锭

（待续）

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