我國(guó)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)分布與發(fā)展及面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

謝志鵬 ，秦笑威 ，安 迪 ，李辰冉 ，胡 豐

(1.清華大學(xué) 材料學(xué)院新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，迫切要求不斷研制與發(fā)展具有特殊性能的新一代結(jié)構(gòu)陶瓷材料。這是因?yàn)橛呻x子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合的新一代結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有金屬和高分子材料不具備的高模量、高硬度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗侵蝕、生物相容性以及優(yōu)異的電絕緣和透光透波等特性，從而在航天航空，國(guó)防軍工，機(jī)械化工、生物醫(yī)療、信息電子、核電與新能源等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，已成為國(guó)家某些重大工程和尖端技術(shù)中不可或缺的關(guān)鍵材料，因此具有重要的科學(xué)價(jià)值和國(guó)家戰(zhàn)略意義。

近二十年來(lái)，在國(guó)家重大工程和尖端技術(shù)中對(duì)陶瓷材料及其制備技術(shù)也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)； 例如航天工業(yè)火箭發(fā)射中液氫液氧渦輪泵用的氮化硅陶瓷軸承在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，要求陶瓷軸承強(qiáng)度高、韌性好、耐磨損、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，導(dǎo)彈天線罩需使用高透波陶瓷材料；核電站主泵用的大尺寸陶瓷密封環(huán)需要長(zhǎng)壽命高可靠性，特別是地球衛(wèi)星拍攝地面目標(biāo)的對(duì)地監(jiān)測(cè)使用的碳化硅陶瓷反射鏡，除了高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)和輕量化，要求高精度超鏡面和大尺寸(直徑1米至幾米)，這對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)陶瓷材料的成型技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)、加工技術(shù)都是一個(gè)挑戰(zhàn)。

此外，超高溫結(jié)構(gòu)陶瓷(如ZrB2、HfB2)的及陶瓷基復(fù)合材料（Cf/SiC、SiCf/SiC）快速發(fā)展，使航天飛機(jī)有可能在遨游太空后重返地球；B4C陶瓷成為反應(yīng)堆中不可缺少的吸收中子的控制棒；高硬度陶瓷刀具可比傳統(tǒng)刀具提高加工效率3-10倍；Si3N4、SiC陶瓷及其復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的高溫關(guān)鍵部件，可使渦輪進(jìn)口溫度提高到1370 ℃，從而可以大幅度提高熱效率和節(jié)省燃料；大規(guī)模集成電路用高導(dǎo)熱的AlN陶瓷基板，高鐵和電動(dòng)汽車用高強(qiáng)度高韌性高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷基板需求迫切。蜂窩陶瓷催化劑載體大大減少了汽車排放的污染，減少環(huán)境污染。

這些應(yīng)用充分顯示了新一代結(jié)構(gòu)陶瓷材料對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。特別是各種高純氧化物陶瓷(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)發(fā)展，促進(jìn)了陶瓷材料制備技術(shù)和納米陶瓷復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，各種粉末制備技術(shù)(如固相法、化學(xué)液相法、化學(xué)氣相合成，自蔓延燃燒合成等)、成型技術(shù)(如陶瓷注射成型，流延成型，凝膠注模成型、冷等靜壓成型、擠壓成型等)、燒結(jié)技術(shù)(如熱壓燒結(jié)，熱等靜壓燒結(jié)，氣氛壓力燒結(jié)，連續(xù)式高溫隧道窯燒結(jié)等)，和精密加工工藝(機(jī)械加工、復(fù)雜形狀的CNC加工、激光加工等)都得到很大的發(fā)展與應(yīng)用[9]。

目前我國(guó)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)的區(qū)域特色也逐漸形成，包括廣東、江蘇、山東、湖南、浙江、江西、河南、河北、遼寧等地，已可以制備各類新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料和生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的陶瓷部件，其中一部分結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品出口到美國(guó)、歐洲、日本發(fā)達(dá)國(guó)家及其他國(guó)家。

1 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷研發(fā)與產(chǎn)業(yè)分布

國(guó)內(nèi)從事先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其陶瓷復(fù)合材料研究與開(kāi)發(fā)的高等院校和科研院所已達(dá)近100家，為企業(yè)發(fā)展在一定程度上提供了技術(shù)支撐。主要包括清華大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、中南大學(xué)、湖南大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)、東華大學(xué)、山東大學(xué)、山東工陶院、北京建材設(shè)計(jì)研究院、北京人工晶體研究院、中科院理化所、中科院寧波材料所、中科院過(guò)程所等。這些單位研制的透明透波陶瓷、激光陶瓷、超高溫陶瓷、超低溫陶瓷、防彈陶瓷、陶瓷切削刀具、高溫陶瓷基復(fù)合材料的性能都接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，許多技術(shù)和產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

國(guó)內(nèi)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)分布來(lái)看，主要集中在廣東、江蘇、山東以及湖南、浙江、江西、河南、河北、遼寧等地，其中廣東、江蘇、山東三省的結(jié)構(gòu)陶瓷集中度高，在技術(shù)和產(chǎn)品方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。

廣東省的深圳、佛山、潮州汕頭、東莞等地區(qū)的先進(jìn)陶瓷企業(yè)借助與香港和海外聯(lián)系便捷優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)陶瓷零部件制造上具有一定優(yōu)勢(shì)，如光通訊陶瓷插芯、手機(jī)陶瓷背板、電子穿戴產(chǎn)品用陶瓷表殼、電子封裝陶瓷基板、高強(qiáng)度陶瓷柱塞、陶瓷球閥、陶瓷刀具、高溫陶瓷棍棒等占據(jù)了高附加值工業(yè)陶瓷產(chǎn)品的很大市場(chǎng)。 目前共有企業(yè)大約100家，其中發(fā)展出一些在國(guó)際上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的大公司或上市公司，如潮州三環(huán)、東方鋯業(yè)、廣東佛陶所、順絡(luò)電子旗下的東莞信柏結(jié)構(gòu)陶瓷公司等，還有一批在結(jié)構(gòu)陶瓷精密成型與精密加工有特色的中小型企業(yè)。

江蘇的宜興、蘇州、常州、常熟等地區(qū)在精密紡織陶瓷零部件、精密陶瓷軸承球、化工用結(jié)構(gòu)陶瓷部件、汽車尾氣凈化用蜂窩陶瓷、防彈陶瓷、水處理和煙氣處理環(huán)保陶瓷等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，代表性企業(yè)包括宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司、宜興市九榮特種陶瓷有限公司、江蘇金盛陶瓷科技有限公司、江蘇省陶瓷研究所有限公司。其中宜興地區(qū)的精細(xì)陶瓷產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成較大的生產(chǎn)規(guī)模，從單一的氧化鋁材料發(fā)展到現(xiàn)在的氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、滑石瓷、堇青石、碳化硅、氮化硅和氮化硼等多種材料；產(chǎn)品的應(yīng)用范圍也大大擴(kuò)展，涵蓋了許多工業(yè)領(lǐng)域，不僅大量出口，而且國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率也較高。產(chǎn)品門類也涵蓋了紡織瓷、裝置瓷、耐磨陶瓷、環(huán)保陶瓷、化工陶瓷等各個(gè)領(lǐng)域。其中紡織機(jī)械陶瓷和汽車尾氣凈化蜂窩陶瓷在國(guó)內(nèi)占有優(yōu)勢(shì)和領(lǐng)先水平，全市工業(yè)陶瓷總產(chǎn)值近40億元。其中應(yīng)稅銷售超億元的有5家，5000萬(wàn)元以上的18家，1000萬(wàn)元以上的5家。

圖1 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)分布Fig.1 Distribution of advanced structural ceramic enterprises

山東的淄博、濰坊為工業(yè)陶瓷聚集區(qū)，擁有工業(yè)陶瓷企業(yè)100余家和五大類工業(yè)陶瓷產(chǎn)品：(a)耐磨氧化鋁氧化鋯陶瓷內(nèi)襯與造紙機(jī)用陶瓷部件，(b)脫硫脫硝環(huán)保陶瓷，(c)石油化工用陶瓷缸套和球閥，(d)透波石英陶瓷和氮化硅陶瓷，(e)耐熱耐蝕領(lǐng)域用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷。代表性企業(yè)有山東工陶院、硅苑科技、淄博華創(chuàng)、濰坊華美、濰坊致達(dá)、濰坊邦德。此外，山東東營(yíng)的上市公司山東國(guó)瓷在高性能氧化物納米陶瓷粉末(如鈦酸鋇、氧化鋯、氧化鋁)方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)品近一半銷往國(guó)外。山東淄博的工業(yè)陶瓷優(yōu)勢(shì)和特色在于擁有陶瓷粉體制備、陶瓷機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品制造及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈。已形成相當(dāng)規(guī)模的氧化鋁耐磨介質(zhì)，用于造紙的高速紙機(jī)耐磨陶瓷件，用于火電系統(tǒng)的陶瓷閥門及管道，用于冶金鑄造的陶瓷過(guò)濾器、陶瓷升液管，用于化工行業(yè)的陶瓷填料，用于各種泵類的陶瓷密封件，用于太陽(yáng)能行業(yè)的石英坩堝，用于電力行業(yè)的真空管殼，石油開(kāi)采用陶瓷缸套和柱塞等產(chǎn)品。濰坊則集中了我國(guó)80%以上的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷產(chǎn)品，產(chǎn)值上十億，產(chǎn)品品種數(shù)百種、不但滿足國(guó)內(nèi)需求還大量出口到美國(guó)和歐洲等國(guó)家。

江西省的萍鄉(xiāng)在化學(xué)工業(yè)陶瓷、陶瓷填料、耐磨陶瓷、環(huán)保過(guò)濾陶瓷膜和高壓電瓷方面聚集度高，是我國(guó)化工陶瓷和高壓電瓷的重要生產(chǎn)基地，涌現(xiàn)出一批有規(guī)模有影響力的企業(yè)，如江西萍鄉(xiāng)龍發(fā)實(shí)業(yè)股份有限公司、萍鄉(xiāng)順鵬新材料有限公司，中材江西電瓷電氣有限公司，其產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)占據(jù)較高份額。其中萍鄉(xiāng)龍發(fā)是國(guó)內(nèi)耐酸耐溫防腐化工陶瓷的最大供應(yīng)商，萍鄉(xiāng)順鵬的耐磨陶瓷產(chǎn)品已出口到歐洲美洲和非洲。此外，還有上百家中小陶瓷企業(yè)。作為中國(guó)瓷都的景德鎮(zhèn)，則在氧化鋁陶瓷管殼及瓷件的生產(chǎn)企業(yè)較為集中，如景德鎮(zhèn)海川特種陶瓷有限公司、景德鎮(zhèn)景華特種陶瓷有限公司、景德鎮(zhèn)品安特種陶瓷有限公司，其工藝技術(shù)主要來(lái)自原國(guó)營(yíng)九九九廠。此外還有一些壓電陶瓷、蜂窩陶瓷、碳化硼防彈陶瓷、氧化鋯陶瓷插芯、滑石瓷的精密陶瓷企業(yè)。

湖南的婁底市和新化縣則是我國(guó)氧化鋁電子陶瓷、氧化鋁精密瓷件、及滑石瓷的主要生產(chǎn)基地，集中了近百家企業(yè)，成為地方支柱產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)品涵蓋了用于溫控器的95%氧化鋁或滑石瓷、保險(xiǎn)管陶瓷系列、電光源陶瓷系列、耐熱陶瓷系列、水滑片陶瓷系列、新能源汽車?yán)^電器用金屬化陶瓷外殼系列，涌現(xiàn)了像湖南新化鑫星電子陶瓷有限公司這樣的國(guó)內(nèi)最大的陶瓷水滑片生產(chǎn)龍頭企業(yè)，像湖南省美程陶瓷科技有限公司和婁底市安地亞斯電子陶瓷有限公司這樣的為比亞迪等新能源汽車提供繼電器金屬化陶瓷外殼的大企業(yè)。此外，作為釉下五彩陶瓷之都的湖南醴陵市，在高壓電瓷和精密陶瓷也形成了一定產(chǎn)業(yè)群，集中了一批像湖南醴陵特種電瓷電器有限公司、醴陵華鑫電瓷電器有限公司、湖南正陽(yáng)精密陶瓷有限公司等有影響力的公司。

河北唐山市依然是我國(guó)各種氧化鋁陶瓷管和理化瓷的生產(chǎn)基地，產(chǎn)品主要有氧化鋁陶瓷管、熱電偶保護(hù)管、高溫爐件、化學(xué)瓷件、絕緣瓷件、異型瓷件等，除了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還出口到歐美和韓國(guó)等亞洲國(guó)家。集中了一批像唐山陶瓷集團(tuán)工業(yè)試驗(yàn)廠有限公司、唐山科碩特種陶瓷制造有限公司等有影響力的企業(yè)。

河南鄭州及周邊地區(qū)依然是氧化鋁陶瓷粉末及制品的重要產(chǎn)地，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到數(shù)十億，集中了一批像中國(guó)鋁業(yè)鄭州研究院、河南濟(jì)源兄弟材料有限責(zé)任公司等有影響力的企業(yè)。而河南焦作地區(qū)則集中了一批氧化鋯陶瓷粉末和制品的企業(yè)，如焦作市維納科技有限公司、焦作李封工業(yè)有限責(zé)任公司。

2 國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用狀況

伴隨著我國(guó)結(jié)構(gòu)陶瓷材料制備技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求，先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣闊，不僅在化工冶金、機(jī)械制造、電力電子、能源環(huán)保等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且在我國(guó)航天航空、深空探測(cè)、現(xiàn)代通訊、消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、國(guó)防軍工等尖端技術(shù)領(lǐng)域獲得愈來(lái)愈多的應(yīng)用。一批有實(shí)力的企業(yè)，如中材高新、潮州三環(huán)、江西賽瓷、山東國(guó)瓷、東方鋯業(yè)、宜興化機(jī)、東莞信柏、北京中興實(shí)強(qiáng)、山東硅苑科技等產(chǎn)值上億甚至達(dá)到30億的公司或上市公司得以涌現(xiàn)；同時(shí)許多專業(yè)技術(shù)型的中等規(guī)模企業(yè)也快速發(fā)展，如湖南正陽(yáng)、深圳尚德、淄博華創(chuàng)、濰坊致達(dá)、浙江宏泰、九榮特陶、江蘇金盛、萍鄉(xiāng)龍發(fā)、江西新航、沈陽(yáng)星光。此外還有數(shù)百家具有特色的小型結(jié)構(gòu)陶瓷企業(yè)。先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品的應(yīng)用涵蓋各個(gè)領(lǐng)域， 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮重要的作用。

2.1 機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域

機(jī)械密封環(huán)：我國(guó)已成為機(jī)械工業(yè)中廣泛使用的陶瓷密封件的最大生產(chǎn)國(guó)，除了滿足國(guó)內(nèi)需求還大量出口，主要采用具有優(yōu)異的耐磨和抗腐蝕性的高性能SiC、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料，特別是近幾年通過(guò)常壓燒結(jié)亞微米碳化硅粉末制成的細(xì)晶單相碳化硅產(chǎn)品，因其均勻的碳化硅組成，出色的抗腐蝕性，從而在包括強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的幾乎所有的環(huán)境中保證了碳化硅產(chǎn)品卓越的性能，超過(guò)了所有反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化鎢和氧化鋁，其壽命為傳統(tǒng)密封材料的十余倍；已在化工廠、煉油廠、離心機(jī)、水動(dòng)渦輪、油井和氣井的大型泵上應(yīng)用。碳化硅陶瓷滑動(dòng)密封環(huán)即使在更小型的應(yīng)用上也能保證安全和長(zhǎng)效，如汽車上的燃油泵和冷卻水泵等，密封環(huán)的使用壽命通常比這些整機(jī)長(zhǎng)多倍。代表性企業(yè)有上海華碩、浙江東新、北京中興實(shí)強(qiáng)，行業(yè)產(chǎn)值已達(dá)10余億元。

精密陶瓷軸承：近十年來(lái)國(guó)內(nèi)精密陶瓷軸承發(fā)展迅速，成為先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷的一個(gè)重要方向。包括滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，主要采用Si3N4、SiC、ZrO2這三種耐磨陶瓷材料，其中滾動(dòng)軸承更多傾向于氣壓燒結(jié)Si3N4陶瓷和ZrO2陶瓷，而滑動(dòng)軸承主要選用常壓燒結(jié)SiC或SiC/石墨的復(fù)合材料。各種陶瓷軸承的滾動(dòng)壽命排序結(jié)果為Si3N4＞ ZrO2＞ SiC ＞ Al2O3。Si3N4軸承與軸承鋼對(duì)比具有如下特點(diǎn)：(a)密度低，只有軸承鋼的40%左右，用作滾動(dòng)體時(shí)，軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)受轉(zhuǎn)動(dòng)體作用產(chǎn)生的離心力減輕，因而有利于高速旋轉(zhuǎn)；(b)熱膨脹系數(shù)小，為軸承鋼的25%，可減小對(duì)溫度變化的敏感性，使軸承工作速率范圍更寬；(c)較高彈性模量(為軸承鋼的1.5倍)和高的抗壓強(qiáng)度，有利于滾動(dòng)軸承承受應(yīng)力提高；(d)耐高溫耐腐蝕及優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性，因此Si3N4陶瓷軸承適合于在高速、高溫、耐腐蝕等特殊環(huán)境工作；(e)Si3N4陶瓷具有自潤(rùn)滑性，即使接觸部油膜破裂也很難發(fā)生軸承粘著，故對(duì)于防止軸承的燒損可起到有利作用；(f)長(zhǎng)壽命、低溫升，由于Si3N4密度低導(dǎo)致離心力減小，從而大大減小對(duì)軸承外圈的壓力和摩擦力矩，提高軸承壽命。試驗(yàn)研究表明，混合陶瓷軸承與同規(guī)格同精度等級(jí)的鋼軸承相比，其壽命提高3-6倍，溫升可降低35%-60%。陶瓷軸承已在高速機(jī)床、醫(yī)療裝置、化工設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電等傳動(dòng)系統(tǒng)獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)陶瓷軸承球及軸承的生產(chǎn)企業(yè)已有二十余家，代表性企業(yè)有北京中興實(shí)強(qiáng)、江蘇金盛、山東工陶院、上海泛聯(lián)、上海材料研究所、洛陽(yáng)軸承研究所等。為了進(jìn)一步減少陶瓷軸承球缺陷提高Si3N4陶瓷軸承的性能[11]，近幾年許多企業(yè)開(kāi)始引進(jìn)先進(jìn)的熱等靜壓燒結(jié)設(shè)備，采用先氣壓燒結(jié)然后熱等靜壓燒結(jié)的兩步工藝，使Si3N4陶瓷軸承的可靠性和使用壽命顯著提高[20-22]，從而在火箭發(fā)射的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用，如圖2所示。

常壓燒結(jié)SiC或SiC/C的滑動(dòng)軸承在動(dòng)密封系統(tǒng)應(yīng)用不斷增加，由于其優(yōu)異的耐磨性長(zhǎng)壽命以及耐各種強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、腐蝕性氣體和氫氟酸的侵蝕，從而成為磁力泵、屏蔽泵、真空泵中最理想的滑動(dòng)軸承，圖3示出由中興實(shí)強(qiáng)公司生產(chǎn)的SiC滑動(dòng)軸承及磁力泵。

2.2 石油化工冶金

圖2 Si3N4陶瓷軸承及應(yīng)用的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 Si3N4 ceramic bearing and its application to liquid hydrogen/oxygen engine

圖3 SiC陶瓷滑動(dòng)軸承及磁力泵Fig.3 SiC ceramic sliding bearing and magnetic pump

陶瓷閥門與缸套：在石油、化工、電力、冶金、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域中，需要大量的閥門。近年來(lái)許多單位在陶瓷閥門的研制與生產(chǎn)上日趨成熟，產(chǎn)量和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，涌現(xiàn)一批陶瓷閥門的專業(yè)廠家，如福建省智勝特種陶瓷有限公司、東莞信柏結(jié)構(gòu)陶瓷有限公司、天津圣凱閥門公司、北京中興實(shí)強(qiáng)、山東硅苑科技、淄博華創(chuàng)等公司。產(chǎn)品不但滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，還有不少出口。陶瓷閥門的材料也更加多樣化，包括Al2O3、ZrO2、ZTA(ZrO2增韌Al2O3)、SiC等陶瓷，陶瓷閥門種類達(dá)到近十種，常見(jiàn)的有球閥、閘閥、碟閥等，如圖4(左)所示。陶瓷閥門其優(yōu)異耐熱、耐磨和耐腐蝕等特性，使其壽命比原有的金屬閥門提高十倍以上。同樣這些耐磨陶瓷業(yè)應(yīng)用于石油開(kāi)采工業(yè)中使用的陶瓷缸套，如圖4(右)所示。目前山東的淄博華創(chuàng)精密陶瓷有限公司是最大的陶瓷缸套生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品除了滿足國(guó)內(nèi)油田使用，還出口到美國(guó)和中東等國(guó)家。

冶金企業(yè)正在實(shí)現(xiàn)向大型化、連續(xù)化、自動(dòng)化、無(wú)(少) 污染、低消耗等方向發(fā)展，在許多冶金領(lǐng)域僅僅依靠應(yīng)用金屬材料或傳統(tǒng)陶瓷材料來(lái)獲得突破性進(jìn)展是很困難的，而先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料則以其高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕以及優(yōu)良的抗熱震性等優(yōu)異性能，在冶金工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，其中氮化硼、鈦酸鋁、氮化硅陶瓷就是在冶金工業(yè)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料應(yīng)用中的典型。

六方氮化硼陶瓷及其復(fù)合材料一直以來(lái)被大量應(yīng)用于冶金高溫領(lǐng)域，如熔煉有色金屬、貴金屬和稀有金屬的坩堝、器皿、輸送泵等部件及硼單晶熔制器皿、水平連續(xù)鑄造分離環(huán)、非晶制帶用噴嘴、薄帶連鑄用側(cè)封板、熱電偶保護(hù)管、復(fù)合陶瓷蒸發(fā)舟等。圖5為氮化硼基陶瓷復(fù)合材料分離環(huán)，可將鋼水直接冷卻拉出形成型鋼(如圓形、方形等)，需要承受一千多度的溫差和鋼水腐蝕，熱壓氮化硼基陶瓷是最合適的材料，其壽命可達(dá)8-10 h以上，而且還可重復(fù)使用。針對(duì)不同的鋼水，可適量添加SiC、Si3N4等物質(zhì)以調(diào)節(jié)其耐熱耐腐蝕性。鋼水連續(xù)測(cè)溫也是一個(gè)難題，以往Al2O3或其他陶瓷熱電偶保護(hù)管都難以直接插入1600 ℃的鋼水中而不開(kāi)裂，所以一直是采用一次性熱電偶間斷測(cè)溫的方法，以至不能連續(xù)測(cè)溫和自動(dòng)控制鋼水溫度。采用氮化硼基陶瓷制成的熱電偶保護(hù)管則可以直接插入鋼水并連續(xù)測(cè)溫8-10 h。

氮化硅因其優(yōu)異的耐熱耐腐蝕和高溫鋁液的侵蝕以及高強(qiáng)度，目前逐漸取代鈦酸鋁陶瓷成為鋁鑄造工業(yè)中許多重要的高溫部件，如發(fā)熱體保護(hù)管，除氣軸和轉(zhuǎn)子，升液管，如圖6所示，已開(kāi)始應(yīng)用于我國(guó)汽車工業(yè)中所需要的高強(qiáng)度鋁合金輪轂的制造。過(guò)去該系列氮化硅耐熱部件主要由德國(guó)和日本才能生產(chǎn)和壟斷市場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域已獲得突破，如北京中興實(shí)強(qiáng)等公司已開(kāi)始生產(chǎn)和進(jìn)入應(yīng)用。

2.3 新能源環(huán)保領(lǐng)域

圖4 (a)氧化鋯陶瓷球閥；(b)氧化鋁陶瓷缸套Fig.4 (a) Zirconia ceramic ball valve; (b) alumina ceramic cylinder sleeve

圖5 (a)氮化硼基陶瓷分離環(huán)；(b)分離環(huán)用于鋼水拉出圓鋼Fig.5 (a) Boron nitride ceramic separation ring; (b) application of the separation ring for extrusion of round steel billets from hot melt

圖6 鋁液鑄造工業(yè)用各種氮化硅高溫陶瓷保護(hù)管和加熱管Fig.6 Various high temperature silicon nitride ceramic protective and heating tubes used in liquid aluminum casting industry

新能源領(lǐng)域使用的先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料日趨多樣化，如國(guó)內(nèi)知名陶瓷公司潮州三環(huán)為滿足燃料電池產(chǎn)業(yè)化所需的鈧鋯陶瓷基板，在國(guó)內(nèi)外率先采用流延技術(shù)制備出厚度為0.25 mm的基板，成為美國(guó)最大的燃料電池堆生產(chǎn)商的主要供應(yīng)商。此外我國(guó)多晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)中大尺寸多晶硅錠生產(chǎn)中所使用的耐高溫抗熱震石英陶瓷坩堝，如圖7所示，國(guó)內(nèi)中材高新等公司制備的坩堝尺寸從過(guò)去的0.8 m發(fā)展到現(xiàn)在的1.2 m，一次冶煉的多晶硅錠重量達(dá)到1噸多，目前我國(guó)已成為全球這一產(chǎn)品的最大生產(chǎn)國(guó)，每年達(dá)到數(shù)十萬(wàn)個(gè)。

環(huán)保過(guò)濾陶瓷：隨著我國(guó)環(huán)境污染面臨的壓力，用于高溫?zé)煔饷摿?、氣固分離、污水凈化的過(guò)濾陶瓷或陶瓷過(guò)濾膜產(chǎn)品快速發(fā)展，陶瓷過(guò)濾膜管和組件如圖8所示，國(guó)內(nèi)已有江蘇久吾高科、山東工陶院、宜興化機(jī)廠等數(shù)十家企業(yè)生產(chǎn)各類陶瓷過(guò)濾膜管和組件，甚至到污水處理和高溫?zé)煔馓幚淼沫h(huán)保工程承包的整體服務(wù)。

汽車尾氣凈化三元過(guò)濾器所使用的堇青石蜂窩陶瓷載體，過(guò)去嚴(yán)重依賴進(jìn)口，但近幾年我國(guó)在蜂窩陶瓷載體生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量都有顯著提升，以宜興化工機(jī)械有限公司、宜興王子、江蘇高淳為代表的企業(yè)，通過(guò)與大學(xué)研究機(jī)構(gòu)合作和引進(jìn)先進(jìn)的工藝裝備，已可批量生產(chǎn)應(yīng)用于汽油車和柴油車的多種規(guī)格和型號(hào)的蜂窩陶瓷載體。

圖7 (a)多晶硅錠；(b)石英陶瓷坩堝Fig.7 (a) Polycrystalline silicon ingot; (b) quartz ceramic crucible

圖8 陶瓷過(guò)濾膜管和組件Fig.8 Ceramic fi lter tubes and components

此外，隨著我國(guó)高端潔凈鋼和鋁合金的發(fā)展需要越來(lái)越多的用于鑄鋼、鋁合金、高溫合金的鑄造過(guò)程中的泡沫過(guò)濾陶瓷[8]，以便排除夾雜物，提高鑄件的純度及其機(jī)械性能，降低鑄件廢品率，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵技術(shù)。這類耐熱耐金屬液體侵蝕的泡沫過(guò)濾陶瓷其材質(zhì)有Al2O3、SiC、ZrO2(PSZ)、堇青石等。國(guó)內(nèi)泡沫過(guò)濾陶瓷的研制開(kāi)發(fā)還屬起步階段，主要研制與生產(chǎn)單位有山東圣泉、山東硅苑、北京晶銳、佛山金剛新材料有限公司等，目前年產(chǎn)值累計(jì)已達(dá)到數(shù)億元。

2.4 光通訊與智能手機(jī)領(lǐng)域

光通訊設(shè)備中重要的元器件光纖連接器中的插芯和套筒，目前全世界均使用高強(qiáng)度高韌性的納米氧化鋯陶瓷，陶瓷插芯內(nèi)孔小精度要求高，其外徑為2.499 ± 0.0005 mm (同心度＜0.001 mm)，內(nèi)徑為0.125＋0.001 mm，如圖9所示。該產(chǎn)品采用陶瓷粉末注射成型高溫?zé)Y(jié)和精密研磨加工而制得，過(guò)去主要由日本Adamant和Toto公司生產(chǎn)，但近幾年以國(guó)內(nèi)企業(yè)為主導(dǎo)，主要有潮州三環(huán)、晉城富士康、寧波韻升、深圳威誼等十幾家企業(yè)，年產(chǎn)量達(dá)到幾十億只，占全球產(chǎn)量的80%以上。

伴隨我國(guó)快速發(fā)展的智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)，先進(jìn)高性能納米氧化鋯陶瓷已在手機(jī)外殼和指紋識(shí)別中獲得應(yīng)有，幾年前華為公司在全球第一個(gè)發(fā)布了采用高強(qiáng)度高硬度的黑色納米氧化鋯陶瓷外殼手機(jī)P7，前不久小米5手機(jī)的后蓋材質(zhì)也使用了精密陶瓷材料，見(jiàn)圖10(左)。最新發(fā)展起來(lái)的指紋識(shí)別智能手機(jī)，需采用0.15 mm的納米陶瓷薄片替代傳統(tǒng)的玻璃材料[1-2]，見(jiàn)圖10(右)，目前國(guó)內(nèi)潮州三環(huán)和東莞信柏等公司已形成規(guī)?；a(chǎn)，供應(yīng)國(guó)內(nèi)小米和OPPO 等大品牌手機(jī)廠商。

2.5 航天航空領(lǐng)域

連續(xù)碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，是先進(jìn)航空航天器制造能力的戰(zhàn)略性新型熱結(jié)構(gòu)材料。由于它比鋁還輕、比鋼還強(qiáng)、比碳化硅陶瓷更耐高溫、抗氧化燒蝕，而且克服了陶瓷的脆性，不會(huì)發(fā)生突發(fā)災(zāi)難性破壞，替代金屬材料可解決目前航空航天器燃料20%至30%浪費(fèi)的問(wèn)題，以滿足其向高速度、高精度、高搭載和長(zhǎng)壽命發(fā)展的需求。目前近二十種這類材料的構(gòu)件應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器防熱結(jié)構(gòu)上。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的Cf/SiC噴管及噴管擴(kuò)張段見(jiàn)圖11(a)，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所是最早研發(fā)成功的，材料性能和制備技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。另外一類重要的航空材料是碳纖維/碳復(fù)合材料，這種碳/碳復(fù)合材料首先是由碳纖維制成多孔隙的預(yù)制體，然后采用浸漬樹(shù)脂(或?yàn)r青)炭化，或者采用化學(xué)氣相沉積/滲透(CVD/CVI)的方式將多孔預(yù)制體中孔隙填充而獲得的，圖11(b)采用碳/碳復(fù)合材料制備的飛機(jī)剎車盤，目前中南大學(xué)及博云公司已形成了規(guī)模生產(chǎn)的能力。上述兩類尖端航天航空材料我國(guó)雖然起步晚，但目前已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，有力支撐了我國(guó)航天工業(yè)的發(fā)展。

圖9 納米氧化鋯陶瓷插芯及元件Fig.9 Nanometer zirconia cores and elements

圖10 (a)小米黑色陶瓷背板；(b)指紋識(shí)別納米陶瓷(替代藍(lán)寶石晶體)；(c)2018小米MIX 2S翡翠色陶瓷版手機(jī)；(d)2018年OPPO R15夢(mèng)鏡版陶瓷黑手機(jī)背板Fig.10 (a) Black ceramic back plate for Xiaomi's smartphone; (b) nano ceramic device for fi ngerprint identi fi cation (substitute for sapphire crystal); (b) Xiaomi's Mix 2S smartphone with emerald ceramic back plate; (d) OPPO R15 Dream Mirror Edition mobile phone with black ceramic back plate

2.6 國(guó)防軍工領(lǐng)域

先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷在國(guó)防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用近十年來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅速，主要包括透波導(dǎo)彈天線罩，透波陶瓷，激光陶瓷，陶瓷防彈裝甲等。導(dǎo)彈天線罩材料有石英陶瓷，氮化硅陶瓷等。其中石英陶瓷天線罩已批量生產(chǎn)，如圖12(a)所示。透波透明陶瓷主要包括氧化釔(Y2O3)，氧化鎂(MgO)，鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)，阿隆(AlON)等，見(jiàn)圖12(b)。目前國(guó)內(nèi)中材高新和上海硅酸鹽研究所等單位在石英陶瓷天線罩和透明透波陶瓷研發(fā)和制備技術(shù)上都具有一定優(yōu)勢(shì)。由于反恐等需求，防彈陶瓷近幾年國(guó)內(nèi)產(chǎn)量和品種上都有大幅提升，主要是常壓燒結(jié)碳化硅，熱壓燒結(jié)碳化硼[6]及氧化鋁陶瓷，有近二十家企業(yè)具備這些防彈陶瓷的生產(chǎn)能力，如大連金瑪硼業(yè)，寧夏機(jī)械研究所，濟(jì)源兄弟公司等。

圖11 (a)Cf/SiC噴管及噴管擴(kuò)張段；(b)飛機(jī)剎車盤Fig.11 (a) Cf/SiC nozzle and nozzle expansion section; (b) aircraft brake disc

圖12 (a)石英陶瓷天線罩；(b)鎂鋁尖晶石透明陶瓷Fig.12 (a) Crystal ceramic antenna cover; (b) transparent magnesia - alumina - spinel ceramics

3 結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

3.1 缺乏生產(chǎn)高質(zhì)量穩(wěn)定的陶瓷粉末原料生產(chǎn)企業(yè)

目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)陶瓷粉末原料生產(chǎn)企業(yè)很多，但陶瓷粉末性能通常存在較大的分散性和不穩(wěn)定性，因此直接影響后續(xù)批量化制備的陶瓷產(chǎn)品的性能和可靠性。雖然近幾年國(guó)內(nèi)在一些高品質(zhì)氧化物陶瓷粉末產(chǎn)業(yè)化方面已有突破，如山東國(guó)瓷和廣東華旺公司采用先進(jìn)的水熱水解技術(shù)生產(chǎn)的納米氧化鋯粉已作為高端生物陶瓷的齒科材料獲得廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外均占有較大的市場(chǎng)份額；潮州三環(huán)生產(chǎn)的用于手機(jī)陶瓷背板的高強(qiáng)度高韌性氧化鋯基專用粉，已成功用于小米6、小米MIX2、 OPPO等多款手機(jī)陶瓷背板，可經(jīng)受從1 m高度不同角度的跌落無(wú)破裂；江西賽瓷公司生產(chǎn)的高性能低溫?zé)Y(jié)納米氧化鋯粉已成功應(yīng)用于光纖連接器陶瓷插芯。但是我國(guó)在其他許多重要的結(jié)構(gòu)陶瓷粉末方面還達(dá)不到這種水平，許多高端的氧化鋁陶瓷產(chǎn)品如氧化鋁體系的生物陶瓷、陶瓷基板、真空管殼、耐磨紡織瓷件、電子真空瓷件等所使用的氧化鋁粉末還依賴從日本大明公司、住友公司、昭和電工以及德國(guó)納博特公司、安邁公司和法國(guó)的一些公司進(jìn)口。特別是制備氧化鋁含量為99.5%、99.7%、99.8%、99.9%的晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)均勻、機(jī)電性能和耐磨性好氧化鋁陶瓷零部件；國(guó)內(nèi)廠家在氧化鋁粉末的雜質(zhì)含量控制、燒結(jié)活性，特別是燒結(jié)成瓷后的顯微結(jié)構(gòu)均勻性和材料性能上還具有差距。

此外，高性能非氧化物陶瓷粉末，如氮化硅、氮化鋁、碳化硅、碳化硼、硼化鋯等共價(jià)鍵陶瓷粉末，國(guó)內(nèi)尚缺乏一流的生產(chǎn)供應(yīng)商。例如用于制備高強(qiáng)度陶瓷軸承的氮化硅粉末主要依賴從日本宇部公司(簡(jiǎn)稱UBE公司)及瑞典進(jìn)口；半導(dǎo)體芯片封裝用的高導(dǎo)熱基板用氮化鋁陶瓷粉主要從日本德山曹達(dá)等公司進(jìn)口，而高性能的碳化硅陶瓷粉末還需從法國(guó)圣戈班公司進(jìn)口，高品質(zhì)的防彈裝甲用碳化硼、超高溫陶瓷用硼化鋯等粉末需從德國(guó)H. C.Starck等公司進(jìn)口；特別是核電站中子吸收用的核級(jí)碳化硼原料存在較大差距。上述這些依賴進(jìn)口的高端陶瓷粉料一旦被卡脖子(類似中興芯片)，將會(huì)被置于極端危險(xiǎn)的境地。

3.2 規(guī)模化生產(chǎn)的工藝技術(shù)與裝備相對(duì)落后

雖然我國(guó)高性能結(jié)構(gòu)陶瓷生產(chǎn)工藝技術(shù)已有很大提升，但在關(guān)鍵工藝技術(shù)和裝備上仍然有較大差距，國(guó)產(chǎn)裝備的性能和可靠性還難以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。由于結(jié)構(gòu)陶瓷生產(chǎn)的工藝裝備，包括粉體處理裝置、各種成型設(shè)備、不同類型高溫?zé)Y(jié)爐、精密研磨加工設(shè)備，大多不是市場(chǎng)上通用機(jī)械裝備；開(kāi)發(fā)這些專用設(shè)備其性能和可靠性與進(jìn)口的設(shè)備比較均有差距，體現(xiàn)在設(shè)備的精度、可靠性和穩(wěn)定性以及壽命方面。包括像陶瓷粉末噴霧造粒裝置、注射成型機(jī)、氣氛壓力燒結(jié)爐、熱等靜壓燒結(jié)爐、陶瓷精加工的研磨設(shè)備、加工中心(CNC)等。例如近幾年快速發(fā)展起來(lái)陶瓷粉末的精密注射成型技術(shù)，可以制備形狀復(fù)雜和內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)的高附加值陶瓷產(chǎn)品，如陶瓷插芯、陶瓷手術(shù)刀、陶瓷關(guān)節(jié)等、但由于國(guó)產(chǎn)密煉機(jī)和注射機(jī)以及模具的耐磨性和可控精度以及后續(xù)精密機(jī)加工設(shè)備等原因，導(dǎo)致像半導(dǎo)體工業(yè)中大量使用的陶瓷劈刀等產(chǎn)品還無(wú)法商業(yè)化生產(chǎn)，還需從日本、美國(guó)、瑞士進(jìn)口。

3.3 企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新及工程化能力還較弱

國(guó)內(nèi)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的企業(yè)雖然多達(dá)上千家，但以中小企業(yè)居多。由于目前這類企業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員(包括工程師和技術(shù)工人)普遍比較缺乏，研發(fā)力量比較弱，特別是具有十年以上研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的陶瓷工藝工程師和機(jī)加工等方面的工程師一

圖13 陶瓷劈刀Fig.13 Ceramic cleaver

圖14 日本宇部氮化硅粉Fig.14 Silicon nitride powder from Ube Industries

人難求，因此在新產(chǎn)品和新工藝的研發(fā)方面不像國(guó)外公司那樣快速又有條件保障。即使現(xiàn)在通過(guò)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，將大學(xué)和科研院所的成果到企業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但由于受到企業(yè)工程技術(shù)人員少和工藝裝備的局限性，要快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；臅r(shí)間周期也比較長(zhǎng)，因此常常失去進(jìn)入市場(chǎng)的有利時(shí)機(jī)；可見(jiàn)我國(guó)在先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)上的工程師和技術(shù)工人的嚴(yán)重缺失，已成為制約整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大瓶頸。

3.4 一些高性能結(jié)構(gòu)陶瓷零部件還無(wú)法商業(yè)化生產(chǎn)

隨著新能源汽車、高鐵、風(fēng)力發(fā)電和5G基站的快速發(fā)展，這些新產(chǎn)業(yè)中所用的大功率器件IGBT對(duì)最新一代的高導(dǎo)熱高強(qiáng)度的氮化硅陶瓷基板需求巨大，日本的京瓷和美國(guó)羅杰斯等公司都已可批量生產(chǎn)和提供覆銅刻蝕的氮化硅陶瓷基板[3-5]；國(guó)內(nèi)起步較晚，但近幾年大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和一些企業(yè)都在加快研發(fā)并取得較大進(jìn)展，其導(dǎo)熱率≥90 WM/K，抗彎強(qiáng)度≥700 MPa，斷裂韌性≥6.5 MPa·m1/2；但距產(chǎn)業(yè)化還有一定差距。

對(duì)于IGBT用高導(dǎo)熱氮化鋁氮化硅覆銅板目前還是以進(jìn)口為主，特別是在高鐵上的大功率器件控制模塊；國(guó)內(nèi)的基板覆銅技術(shù)尚不能完全達(dá)到對(duì)覆銅板的嚴(yán)格考核，例如冷熱循環(huán)次數(shù)。目前，國(guó)際上都采用先進(jìn)的活化金屬鍵合(AMB)技術(shù)進(jìn)行覆銅，比直接覆銅(DBC)具有更高的結(jié)合強(qiáng)度和抗冷熱循環(huán)特性。

圖15 高導(dǎo)熱高強(qiáng)度氮化硅陶瓷基板Fig.15 High thermal conductivity and high strength silicon nitride ceramic substrate

氧化鋁陶瓷平板電容式壓力傳感器在各種汽車上用量巨大，市場(chǎng)達(dá)近百億，但目前這種氧化鋁平板主要依賴進(jìn)口。國(guó)產(chǎn)氧化鋁板在材料的彈性模量、彈性變形循環(huán)次數(shù)、使用壽命和可靠性等方面還有差距，尚未進(jìn)入商業(yè)化實(shí)際應(yīng)用。

生物陶瓷髖關(guān)節(jié)市場(chǎng)需求巨大[10]，全球平均每2分鐘就有一例陶瓷髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，目前主要由德國(guó)賽瑯泰克公司和日本京瓷等公司生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)每年進(jìn)口數(shù)十萬(wàn)套。陶瓷髖關(guān)節(jié)材料性能[23]和可靠性要求非常高，使用壽命至少20年。德國(guó)賽瑯泰克公司生產(chǎn)的這種采用ZrO2和SrAl12-xCrxO19板狀晶協(xié)同增強(qiáng)增韌Al2O3基復(fù)相陶瓷材料[17-19]，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到1380 MPa和6.5 MPa·m1/2，國(guó)內(nèi)還是空白。

圖16 日本氮化鋁覆銅板Fig.16 Aluminum nitride copper clad sheet from Japan

圖17 京瓷氮化硅覆銅板Fig.17 Silicon nitride copper clad plate from Kyocera

圖18 電容式壓力傳感器用氧化鋁板Fig.18 Aluminum oxide plate for capacitive pressure sensor

在航天發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、數(shù)控機(jī)床等高端裝備所使用的陶瓷軸承，不但要求高的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，而且要求優(yōu)異的耐磨性、可靠性和長(zhǎng)壽命，目前國(guó)產(chǎn)的氮化硅陶瓷軸承球與日本東芝陶瓷公司還有明顯差距；與國(guó)際上著名的瑞典SKF公司、德國(guó)FAG公司和日本KOYO等軸承公司相比，我們的軸承還處于產(chǎn)業(yè)鏈的中低端，像風(fēng)電和數(shù)控機(jī)床等高端產(chǎn)品還依賴進(jìn)口。

在汽車、冶金、航天航空領(lǐng)域的機(jī)械加工中大量使用陶瓷刀頭[24]，據(jù)統(tǒng)計(jì)市場(chǎng)需求達(dá)數(shù)十億元。陶瓷刀具材料包括氧化鋁基、氮化硅基、氧化鋯增韌氧化鋁、氮碳化鈦體系等，要求具有高硬度、高強(qiáng)度和高可靠性。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)只能生產(chǎn)少量非氧化物陶瓷刀具，像汽車缸套加工用量巨大的氧化物陶瓷刀具還依賴從瑞典Sandvik、日本京瓷、日本NTK公司、德國(guó)CeramTec公司進(jìn)口。

在軍工國(guó)防用到的透明和透紅外線陶瓷材料，如Y2O3(氧化釔)、MgO(氧化鎂)、AlON(阿隆)、MgAl2O4(鎂鋁尖晶石)陶瓷以及具有激光特性(Nd:YAG)透明陶瓷。目前我們的技術(shù)還限于制備有限的尺寸，對(duì)于國(guó)際上已達(dá)到半米的大尺寸透明透波陶瓷材料我們還很困難，無(wú)論在工藝技術(shù)和裝備上均有差距。

圖19 德國(guó)賽瑯泰克公司陶瓷髖關(guān)節(jié)Fig.19 Ceramic hip joint from CeramTec

圖20 東芝氮化硅陶瓷軸承Fig.20 Silicon nitride ceramic bearing from Toshiba

半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)線上需要使用到大量的陶瓷備件，例如陶瓷盤、陶瓷手臂、陶瓷環(huán)、保持架等；涵蓋了氧化鋁、氮化鋁、碳化硅等多種結(jié)構(gòu)陶瓷材料，要求材料純度高、致密均勻、產(chǎn)品加工精度和光潔度極高。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)提供部分這類產(chǎn)品，像高端的氮化鋁與碳化硅陶瓷備件還得依賴進(jìn)口。

圖21 日本京瓷陶瓷刀頭Fig.21 Ceramic cutting tools from Kyocera

圖22 美國(guó)Armorline的大尺寸鎂鋁尖晶石透明陶瓷Fig.22 Large-sized transparent magnesia - alumina spinel ceramics from Armorline, USA (483 mm × 889 mm)

圖23 英國(guó)摩根公司產(chǎn)晶圓生產(chǎn)線陶瓷備件Fig.23 Ceramic spare parts for wafer production line from Morgan Technical Ceramics, UK

4 急需發(fā)展具有國(guó)際品牌價(jià)值或高度專業(yè)化的公司

如前所述，美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在先進(jìn)陶瓷材料這一領(lǐng)域已有一批具有國(guó)際品牌價(jià)值和影響力的大公司，如美國(guó)的庫(kù)爾斯泰克(CoorsTec)、康寧(Corning)、賽瑞丹(Ceradyne)等公司、日本的京瓷(Kyocera)公司、NGK和NTK公司、東芝陶瓷、德國(guó)賽瑯泰克(CeramTec)公司、法國(guó)圣戈班(Saint-Gobain)公司、英國(guó)的摩根(Morgan)公司,這些大公司的產(chǎn)品品質(zhì)高、種類多、銷往全球，包括中國(guó)也要進(jìn)口他們的許多產(chǎn)品。此外上述發(fā)達(dá)國(guó)家還有一批企業(yè)具有高度專業(yè)化的水準(zhǔn)，如專業(yè)生產(chǎn)納米氧化鋯粉末原料的日本東曹(Tosoh)公司和專業(yè)生產(chǎn)氮化硅粉末原料日本宇部公司(簡(jiǎn)稱UBE)，在全球享有盛譽(yù)，以至于美國(guó)蘋果公司的無(wú)線充電的智能手表后蓋，指名必須采用日本Tosoh公司的原料。又例如美國(guó)奎斯特技術(shù)公司(Quest Technology. LP)其技術(shù)核心是注射成型工藝和注射模具的制造，公司生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是氧化鋁、氮化鋁、氮化硅及復(fù)合陶瓷類等高技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷，其生產(chǎn)最大的特點(diǎn)是精密注射成型生產(chǎn)線和相應(yīng)的注射摸具加工配套車間，產(chǎn)品精度非常高。

我國(guó)近幾年雖然也涌現(xiàn)了像潮州三環(huán)、山東國(guó)瓷、順絡(luò)電子、中材高新等大公司，在國(guó)際上開(kāi)始產(chǎn)生影響力，但絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷企業(yè)的品牌價(jià)值和影響力尚未形成，具有高度專業(yè)化的陶瓷公司也比較少。此外，許多中小型陶瓷企業(yè)的產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，惡性競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，且產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)不到國(guó)際先進(jìn)水平，因此還難以進(jìn)入廣闊的國(guó)際市場(chǎng)。

5 小結(jié)與建議

綜上所述，先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用日益顯著，同時(shí)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷還有許多應(yīng)用等待探索，其發(fā)展?jié)摿σ廊痪薮??？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)智能終端、新能源汽車、生物醫(yī)療，高鐵、半導(dǎo)體等熱點(diǎn)行業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展時(shí)期，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)將迎來(lái)新的機(jī)遇。但從陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈來(lái)看，我國(guó)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷許多企業(yè)和產(chǎn)品還處于中低端，總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。為了促進(jìn)我國(guó)從先進(jìn)陶瓷大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型，應(yīng)重點(diǎn)考慮和解決如下問(wèn)題：結(jié)構(gòu)陶瓷原材料生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)聯(lián)合相關(guān)研究單位，盡快完成優(yōu)質(zhì)粉體的國(guó)產(chǎn)化，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)；結(jié)構(gòu)陶瓷制品生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)高端產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)探索，重點(diǎn)彌補(bǔ)與國(guó)外產(chǎn)品在質(zhì)量可靠性一致性上的差距；加大提升結(jié)構(gòu)陶瓷工藝裝備與精密加工設(shè)備的制造水平和性能，提高加工精度和效率，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品的高效精密加工制備；國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)當(dāng)形成自身獨(dú)有的產(chǎn)品特色，減少和消除同質(zhì)化現(xiàn)象，避免惡性競(jìng)爭(zhēng)，從而打造先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)的知名品牌并提升企業(yè)的專業(yè)化水平和產(chǎn)品商業(yè)價(jià)值；不斷推進(jìn)我國(guó)先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)業(yè)向中高端發(fā)展。