行业报告：结构陶瓷材料（3） -《中国新材料产业发展报告2019》

来源：今日新材料

（接：产业报告：结构陶瓷材料（2） -《中国新材料产业发展报告2019》）

作  者：谢志鹏

4、我国结构陶瓷产业发展的主要任务及存在主要问题

尽管我国在结构陶瓷材料的研发与产业化方面取得了令人瞩目的成就，已成为先进结构陶瓷材料的制造大国，但是与发达国家相比还有一定差距，如何从结构陶瓷大国向强国转型，面临的主要任务及存在的主要问题包括：

（1）急需发展高质量的、稳定的、可持续的结构陶瓷粉末原料的生产与供应的公司

虽然国内先进陶瓷粉末原料生产企业很多，但大多数陶瓷粉末性能和一致性还达不到国家先进水平，粉体质量和性能通常存在较大的分散性和不稳定性，因此直接影响后续批量化制备的陶瓷产品性能和可靠性。近几年国内在一些高品质氧化物陶瓷粉末产业化方面已有突破，如山东国瓷公司采用先进的水热技术生产的钛酸钡粉和纳米氧化锆粉体获得许多应用，在国内外均占有较大的市场份额；潮州三环开发的高强度高韧性氧化锆陶瓷粉已成功应用手机陶瓷背板的制造，从而打破了日本Tosoh等公司在这一领域近十年的垄断。但是我国在其他许多重要的结构陶瓷粉末方面还达不到这种水平，例如高纯度易烧结的氧化铝陶瓷粉末，许多高端的氧化铝陶瓷产品如氧化铝体系的生物陶瓷、陶瓷基板、真空管壳、耐磨纺织瓷件、电子真空瓷件等所使用的氧化铝粉末还依赖从日本、德国、美国进口；特别是制备氧化铝含量为99.5%、99.7%、99.8%、99.9%的晶粒细小、结构均匀、机电性能和耐磨性好氧化铝陶瓷零部件；国内厂家在氧化铝粉末的杂质含量控制、烧结活性，特别是烧结成瓷后的显微结构均匀性和材料性能上还具有差距。

特别是高性能非氧化物陶瓷粉末，如氮化硅、氮化铝、碳化硅、碳化硼、硼化锆等共价键陶瓷粉末，国内尚缺乏一流的生产供应商。例如用于制备精密陶瓷轴承的氮化硅粉末主要依赖从日本宇部公司（简称UBE公司）及瑞典的公司进口；而电子工业高导热基板用氮化铝陶瓷粉主要从日本德山曹达等公司进口，而高性能的碳化硅陶瓷粉末需从法国圣戈班公司进口，高品质的防弹装甲用碳化硼、超高温陶瓷用硼化锆等粉末需从德国H.C.Starck公司进口；特别是核电站中子吸收用的核级碳化硼原料存在较大差距。

（2）规模化生产工艺技术装备相对落后

虽然我国高性能结构陶瓷生产工艺技术已有很大提升及与国际接轨，但在工艺装备上仍然有一定差距，国产装备的性能和可靠性还难以达到国际先进水平。由于结构陶瓷生产的工艺装备，包括粉体处理装置、成型设备、高温烧结炉、精密研磨加工设备，大多不是市场上通用机械装备；因此需要专门制作，但由于大的装备制造商不易合作，小的装备制造商技术实力有限，加之我国的工业基础严重落后于发达国家，因此开发的这些专业设备其性能和可靠性与进口的设备比较均有差距，体现在设备的性能和稳定性以及寿命方面。包括像陶瓷粉末喷雾造粒装置，注射成型机、流延成型机、气氛压力烧结炉、热等静压烧结炉、陶瓷精加工的研磨设备、数控加工中心（CNC）等。例如近几年快速发展起来陶瓷粉末的精密注射成型技术，可以制备形状复杂和内部结构精细的高附加值陶瓷产品，如陶瓷插芯，陶瓷手术刀，陶瓷关节等，但由于国产密炼机和注射成型机的耐磨性和可控精度等原因，导致像半导体工业中大量使用的陶瓷劈刀等产品还无法生产，包括后续精密机加工也难以达到要求。此外，尽管近几年来国内一些中等规模的陶瓷企业也从国外进口先进工艺设备，但由于进口设备通常比国内设备价格高出数倍，通常也只是个别台套设备的引进，难以形成完整的规模化生产线。

（3）企业的产品和技术创新及工程化能力还较弱

国内先进结构陶瓷企业很多但规模都不大，以中小企业居多，其产值大多在5000万以下。由于目前国内这类企业的专业技术人员普遍比较缺乏，研发力量还比较弱，因此在新产品和新工艺的研发方面不像国外公司那样快速又有条件保障。即使现在通过产学研结合，将大学和科研院所的成果到企业进行转化，但由于受到企业工程技术人员和工艺装备的局限性，要快速实现产业化和规模化的周期也比较长，因此常常失去进入市场的有利时机。

（4）急需发展具有国际品牌价值和影响力的企业或隐形冠军

如前所述，美国、日本、德国、法国、英国等发达国家在先进陶瓷这一领域已有一批具有国际品牌价值和影响力的大公司，如美国的CoorsTec和Ceradyne公司、日本京瓷公司、日本NGK公司、德国CeramTec公司、法国圣戈班公司、英国Morgan公司。此外上述发达国家还有一批企业规模虽然不是很大，但在某一方面具有高度专业化的隐形冠军，如专业生产纳米氧化锆粉末原料的日本Tosoh公司和专业生产氮化硅粉末原料日本宇部公司（UBE），在全球享有盛誉，以至于美国苹果公司的手机外观氧化锆陶瓷配件，指名必须采用日本Tosoh公司的原料。

我国近几年虽然也涌现了像潮州三环、中材高新、山东国瓷、顺络电子等陶瓷大公司，在国际上开始产生影响力，但绝大多数结构陶瓷企业的品牌价值和影响力尚未形成，具有高度专业化的隐形冠军也比较少。此外，许多中小型陶瓷企业的产品同质化现象严重，恶性竞争比较激烈，且产品性能指标又达不到国际先进水平，因此在国际市场上不具备优势。

(5)在结构陶瓷材料性能和制备技术方面还存在一些瓶颈

（a）高导热氮化铝和氮化硅陶瓷基板及覆铜技术: 随着新能源汽车、高铁、风力发电和5G基站的快速发展，这些新产业中所用的大功率器件IGBT对最新一代的高导热高强度的氮化硅陶瓷基板需求巨大，仅中车集团每年需求量就达到500万片；日本的京瓷和美国罗杰斯等公司都已可批量生产和提供覆铜刻蚀的氮化硅陶瓷基板；国内起步较晚，但近几年大学研究机构和一些企业都在加快研发并取得较大进展，其导热率》90WM/K，抗弯强度》700MPa，断裂韧性》6.5MPa.m1/2；但距产业化还有一定差距。

（c）长寿命高耐磨陶瓷轴承球和轴承：在航天发动机、风力发电、数控机床等高端装备所使用的陶瓷轴承，不但要求高的力学性能和热学性能，而且要求优异的耐磨性、可靠性和长寿命，目前国产的氮化硅陶瓷轴承球与日本东芝陶瓷公司还有明显差距；与国际上著名的瑞典SKF公司、德国FAG公司和日本KOYO等轴承公司相比，我们的轴承还处于产业链的中低端，像数控机床、医疗设备和风电等高端产品还依赖进口。

（d）大尺寸透明透波陶瓷：在军工国防用到的透明和透红外线陶瓷材料，如Y2O3（氧化钇）、MgO（氧化镁）、AlON（阿隆）、MgAl2O4（镁铝尖晶石）陶瓷以及具有激光特性Nd:YAG）透明陶瓷。目前我们的技术还限于制备较小的尺寸，对于国际上已达到半米以上的大尺寸透明透波陶瓷材料我们还很困难，无论在工艺技术和装备上均有差距。

e） 半导体晶圆生产线上的精密陶瓷治具 ：半导体晶圆生产线上需要使用到大量的陶瓷备件，例如陶瓷盘、陶瓷手臂、陶瓷环、保持架等；涵盖了氧化铝、氮化铝、碳化硅等多种结构陶瓷材料，要求材料纯度高、致密均匀、产品加工精度和光洁度极高。国内只有少数几家企业提供部分这类产品，像高端的氮化铝与碳化硅陶瓷备件还得依赖进口。

5、推动我国结构陶瓷产业发展的对策和建议

（1）加快我国结构陶瓷制造领域的技术专业人才队伍的建设

在材料科学与工程领域，与金属和高分子材料行业比较，先进结构陶瓷材料是一个较小的行业，进入这一产业的大学生和研究生比较少，特别是具有不同技能的又训练有素的专业技术人才更少，导致目前国内许多中小型结构陶瓷企业的技术人员和技术工人匮乏，严重影响了企业在新产品新工艺开发和技术改进方面的进程。事实上结构陶瓷企业不但需要无机非金属材料的专业人才，也需要懂机械懂电气的机电专业的人才，还需要通晓各种研磨加工技术（包括CNC数控加工）的人才，此外，还有粉体化学合成方面的化学化工人才，材料结构与性能研究方面的物理人才，只有当上述专业人才队伍形成，企业的研究开发才具有核心竞争力，企业的持续发展才有保障。德国日本的许多结构陶瓷公司虽然人员不多，但材料制备、机械设计、电气控制、研磨加工等各种专业技术人才都具备，而且他们一部分来自大学，许多来至训练有素的专科职业技术学校，具有一技之长和很强的实战能力，中国企业就缺这种人。

（2）先进工艺设备须加强国产化和高端化

为提升和生产一流的先进结构陶瓷产品，引进国际上先进的工艺设备是必须的；例如宜兴九荣特种陶瓷公司通过引进德国阿博格公司生产的最先进的注射成型机，大大提高陶瓷注射产品的质量，目前公司生产各种纺织机械用精密结构陶瓷件出口欧洲和亚洲许多国家。但对于在结构陶瓷生产中常见的和量大的许多设备必须加强国产化和高端化，例如通用的粉末处理设备、成型设备、烧结设备、机械研磨加工和CNC数控机床等设备。近几年在这方面已有较大进步，但这些设备的性能指标与国外相比还有差距，可通过与国内有实力的装备制造企业的合作来进行突破，尽快使国产化设备也走向高端，达到或接近国外设备的水平。另外一方面，陶瓷企业通过引进的机电人才，也可以对现有设备进行改进和完善，提升设备性能和应用水平。

（3）提升陶瓷粉末原料的品质和稳定性

虽然我国陶瓷粉末原料产量大，但许多高品质的原料还依赖进口，如高品质氮化硅、氧化铝、氮化铝、碳化硅、碳化硼等粉体。我们知道结构陶瓷产品的性能和质量与初始粉末原料的性能密切相关，因此高性能陶瓷粉末原料这一关必须把握住。目前精细陶瓷粉末大都是通过化学提炼或反应合成而获得，前面提到的日本Tosoh公司和UBE公司都是化工企业，因此他们通过化学反应合成的纳米氧化锆粉和氮化硅粉性能好、稳定性好，在全球享有知名度。而我国的陶瓷粉末大多是陶瓷企业自己来制备，粉末性能和稳定性不够好，因此我们必须通过陶瓷企业与化工企业的合作，才有利于快速提升陶瓷粉末的品质和稳定性，为高性能结构陶瓷产品的制备提供优质原材料的保障。

（4）加强融入国际市场倒逼企业发展

目前国内已有一批结构陶瓷企业逐渐走向国际化，通过频繁参加本行业的国际展会，直接与国外客户进行产品推介及交流。例如北京中兴实强陶瓷轴承有限公司每年都去德国和日本参加化工流体展和铝业工业展，对接使用结构陶瓷产品的下游客户，公司的新一代碳化硅滑动轴承已批量出口到德国生产磁力泵和流体泵的企业。由于国外大公司对供应商的陶瓷产品从材料性能到尺寸精度和企业生产管理都有很高要求，反过来这对国内结构陶瓷企业起到了很大的促进作用，迫使企业不断改进技术改进工艺来提升产品的品质，达到国外客户的苛刻要求。

（5）对接新兴产业实现结构陶瓷产业新发展

结构陶瓷传统应用领域主要是机械、化工、冶金、纺织等工艺领域，这些领域的大规模需求趋于稳定，因此引导企业主动对接新兴行业是紧扣结构陶瓷产业新发展的新机遇。目前电子消费类产品（智能手机、智能穿戴设备）对高强度韧性纳米氧化锆陶瓷展示巨大的市场空间、5G通迅所需的微波介质等陶瓷快速增长、新能源汽车继电器等器件用的氧化铝等金属化绝缘陶瓷越来越多、节能环保和医疗器械等领域对先进结构陶瓷的需求日趋增长，上述都是结构陶瓷产业新的增长点。

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