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軍工領域成為先進陶瓷火爆市場,如何搶占高端制造制高點? 

發布時間:2023/12/06

      智能手機、液晶電視、電腦、汽車這些產品中都應用了眾多尖端的先進技術,而陶瓷在其中同樣不可或缺。例如,一部智能手機中使用的微型電子元器件——陶瓷電容器,就有數百上千個之多。但這類陶瓷并不是人們生活中常見的“瓷磚”“瓷碗”,它們是使用高精工藝生產出來的先進陶瓷。

一、先進陶瓷與傳統陶瓷的區別

      陶瓷制品分為普通陶瓷與先進陶瓷兩大類,其中的先進陶瓷,又稱新型陶瓷、特種陶瓷、精細陶瓷、高技術陶瓷等,它是指采用高純度、超細人工合成或精選的無機化合物為原料,具有精確的化學組成、精密的制造加工技術和結構設計,并具有優異的力學、聲、光、熱、電、生物等特性的陶瓷,在航空航天、電子信息、生物醫藥、高端裝備制造等高端科技領域隨處可見。

它們的主要區別如下:

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二、先進陶瓷的分類及應用

      先進陶瓷分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學、生物等特性,且具有相互轉換功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。

1、電子陶瓷

      隨著信息化產業、電子消費產業的快速發展,工業用電子產品、消費電子產品將保持快速發展趨勢,對電子陶瓷的需求巨大,預計到2020年全球電子陶瓷需求將突破400億美元。電子陶瓷是先進陶瓷中最成熟的技術產品,占先進陶瓷市場份額的65%。主要用于芯片、電容、集成電路封裝、傳感器、絕緣體、鐵磁體、壓電陶瓷、半導體、超導等。主要材料有鈦酸鋇、氧化鋅、鈦鋯酸鉛、鈮酸鋰、氮化鋁、二氧化鋯和氧化鋁等。

2、生物陶瓷

      生物陶瓷是指直接作用于人體或者與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料,廣義講,凡屬于生物工程的陶瓷材料統稱為生物陶瓷。作為生物陶瓷材料應具備以下功能:代替人體內有病的或損傷的部分,作為人體先天性缺損部分的代用品,有助于人體內組織的恢復。

      生物醫用材料目前已成為各國科學家競相研究和開發的熱點,國內生物醫學材料和制品70%-80%依賴進口,并基本屬于仿制,我國的生物醫用材料在全球的市場份額僅占2%,產品技術水平大多處于初級階段。伴隨社會人口的老齡化,到2020年,我國將需要人工關節80萬套/年、血管支架160萬個/年、眼內人工晶體140萬個/年,對生物陶瓷材料需求將會大幅增加。

      生物陶瓷除用于測量、診斷、治療外, 主要是作為生物硬組織的代用材料, 可應用在骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科、耳喉鼻科及普通外科等各個方面。

3、納米陶瓷

      近年來納米陶瓷倍受人們關注。當所選用的原料以及成材后晶粒達到納米量級時,將為陶瓷材料的制備科學、陶瓷學、陶瓷工藝以及最終的材料性能帶來突變,從而開辟陶瓷材料更廣泛的用途。

      目前納米陶瓷制備方法有三大類:物理制備法、氣相法、濕化學法。制備的納米陶瓷粉體有:Al2O3、ZrO2、SiO2、Si2N、SiC、BaTiO3、TiO2等。納米陶瓷的研制,帶動了一些新的快速燒結設備的開發,如真空燒結工藝、微波燒結工藝和等離子燒結技術(SPS)等。

4、低膨脹陶瓷

      熱膨脹系數絕對值小于2 ×10?? /℃的材料稱為低膨脹材料,膨脹系數接近于零的材料為超低膨脹材料。低膨脹陶瓷,特別是零膨脹陶瓷或負膨脹陶瓷,可作為發動機主要部件,航空材料葉片,爐具墊片,電路基片,天文鏡坯及天線罩,高溫觀察窗,精密計量等器件,載體及過濾器,核廢料固定化,封接材料等高技術材料。

5、節能環保和新能源領域使用的先進陶瓷

      隨著經濟高速發展、能源需求迅速增加,工業及生活廢棄物巨量產生,能源節約和環境保護已經成為國際社會日益關心的重大問題。在能源匱乏和環境惡化日益嚴重的情況下,先進、高效節能環保技術得以實現的節能蓄熱式熱力垃圾焚燒爐(RT0)和冶煉行業節能蓄熱室用蜂窩陶瓷、熱氣體凈化領域和水處理領域用的陶瓷膜及裝備、特高壓交流輸電技術與裝備用的系列超/特高壓懸式瓷絕緣子、蓄熱換熱用的碳化硅陶瓷部件、光伏產業用系列陶瓷制品都將會獲得難得的發展契機。

6、航空航天陶瓷

      應用主要涉及直升機用防彈裝甲陶瓷、飛機剎車盤材料、衛星電池用陶瓷隔膜材料、紅外隱身(偽裝)涂料、陶瓷軸承、導彈用陶瓷天線罩材料等。目前在航空航天中的應用研究主要集中在火箭噴嘴的耐熱材料,太空飛船的隔熱瓦,復合工程陶瓷材料以及宇宙飛船的觀察窗涂層等,尤其是對具有輕質耐熱、耐燒蝕、高熔點高強度的陶瓷纖維的研發極為關注。

三、軍工領域成為先進陶瓷火爆市場

      功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。陶瓷材料的軍工應用則主要集中在結構材料及電子器件方面:

1. 用于航空發動機及飛機剎車盤

      對于航空發動機來說,提高渦輪前燃氣溫度是提高發動機推力的主要技術途徑,但是目前的渦輪前燃氣溫度已經逐步接近高溫合金自身的熔點,溫度上升空間很小,因此需要有替代材料。陶瓷基復合材料具有耐高溫特性,可用于熱端構件。研究表明陶瓷基復合材料可將渦輪前燃氣溫度在現有的基礎上提高300K以上。同時陶瓷基復合材料密度小,有利于發動機減重。隨著民用航空業對提高燃油效率的不斷追求,通用航空GE預計在今后十年陶瓷基復合材料在航空中的應用將增長十倍。

2. 用在飛機剎車盤材料

      碳陶剎車盤與上一代剎車盤相比,靜摩擦系數提高1-2倍,濕態摩擦性能衰減降低60%以上,磨損率降低50%以上,使用壽命提高1-2倍。生產周期降低2/3,生產成本降低1/3,能耗降低2/3,性價比提高2-3倍。是目前國際上發現唯一能在1500℃高溫環境下,各項物理性能不發生衰減的材料。推廣應用后,每年可為中國民航客機節約成本3億元左右。

3. 用于火箭發動機熱結構件

      陶瓷基復合材料可用于火箭發動機中。由于陶瓷基復合材料耐熱沖擊性高,對液體推進劑化學穩定性高,比金屬材料耐高溫,具有較高的抗蠕變性,是一種理想的液體火箭發動機熱結構件材料。

4. 用于航天飛行器和導彈的熱防護材料

      航天飛行器在進入大氣的過程中,由于強烈的氣動加熱,飛行器的頭錐和機翼前緣的溫度高達1650℃,熱防護系統是航天飛行器的關鍵技術之一。第一代熱防護系統的設計是采用放熱-結構分開的思想,即冷卻結構外部加放熱系統。C/SiC復合材料的發展,使飛行器的承載結構和放熱一體化。尤其是哥倫比亞號熱防護系統失效造成的機毀人亡事件后,使C/SiC陶瓷基復合材料更受關注。在熱結構材料的構件中包括航天飛機和導彈的鼻錐、導翼、機翼和蓋板等。

5. 用于衛星反射鏡

      衛星反射鏡材料的性能要求是密度低、比剛度大、熱膨脹系數CTE低、高導熱性以及適當的強度和硬度、可設計性等。玻璃反射鏡和金屬反射鏡加工成大型輕型反射鏡都有一定的局限性。因此,國內外都正在研究C/SiC復合材料反射鏡,該復合材料密度較低,剛度高,在低溫下熱膨脹系數小及導熱性能良好,熱性能和力學性能都比較理想,而且可以得到極好的表面拋光,是一種十分理想的衛星反射鏡基座材料。美國、俄羅斯、德國、加拿大等利用碳纖維增強碳化硅復合材料(Cf/SiC)制備出高性能反射鏡。

6. 陶瓷材料及陶瓷基復合材料會被用在裝甲中

      如防彈衣、戰機和裝甲車的防護層等。防彈衣主要由衣套和防彈層兩部分組成,防彈層可吸收彈頭或彈片的動能,對低速彈頭或彈片有明顯的防護效果,在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害。熱壓碳化硼和碳化硅陶瓷基復合材料可以用于制造堅固的抗擊打的盔甲板。我國是世界上三大的防彈衣生產國,在國際市場上,我國防彈衣價格大約500美元左右,而其他國家的防彈衣價格在800美元左右,在制造成本方面我國存在優勢。

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7. 用在飛機裝甲方面

      一些軍用直升機均裝配有包括陶瓷裝甲座椅、陶瓷組件和陶瓷面板系統等部件在內的陶瓷裝甲系統。此外,陶瓷基復合材料還應用在陸軍的裝甲戰車上,如斯特瑞克中型裝甲車。

8. 用于信息化電子器件

      軍用陶瓷電容器需求旺盛。電子陶瓷除了在民用領域被廣泛應用,隨著武器裝備信息化的加速,如陶瓷電容器這類電子陶瓷在軍工領域的需求不斷增大,尤其是片式多層瓷介電容器(MLCC,市占率超過90%),而軍用市場對電容器質量要求較高,中國軍用陶瓷電容器市場規模常年保持10%以上的增長。

四、先進陶瓷研發與產業化問題解析

1. 國內先進陶瓷產業與國外的差距

      當前,國內先進陶瓷材料在各領域內的應用總體來說還與國外發達國家相比有明顯的差距,特別是基礎技術、應用技術和產業化方面,滿足不了國民經濟迅速發展的要求,國內先進陶瓷產業與國外存在一定差距,可以概括為以下四個方面:

(1)市場

      目前世界最先進和高附加值的先進陶瓷產品,特別是高端裝備中大量的陶瓷制品仍需進口,如手機中使用的片式壓電陶瓷濾波器、風力發電機陶瓷絕緣軸承等,國內各龍頭企業占據市場份額較低,與國外仍有較大差距。

(2)粉體與器件

      現階段國內材料的純度、分散性、均勻性、性能穩定性等均與國外有較大差距,高質量粉體高度依賴進口;器件性能與國外存在5-30年代差。

(3)知識產權和標準

      國內先進陶瓷知識產權布局和標準布局都起步較晚,知識產權中整體的專利布局數量、質量與國外比有較大差距,龍頭企業申請的專利數量、質量也與國外龍頭相差甚遠。

(4)產業化能力

      國內企業的高質量先進陶瓷產業化時間節點、能力及產量均落后國外企業。

2. 國內先進陶瓷產業差距問題的原因

      先進陶瓷產業出現這些問題的原因有很多,我們從整體角度分析了原因,包括以下幾個方面:

(1)頂層設計

      材料屬于產業而不是行業,是各個行業的基礎和支撐,與各個行業都相關,而材料產業又有“三高三長”的特點,所以材料產業的利潤和價值體現在延伸或者關聯產業。而材料產業更重視核心技術及平臺的打造,最終形成深化后續應用的競爭優勢的解決方案,而不是簡單的產品或者商品。所以特別需要頂層設計、整體管理、戰略布局、系統規劃。

(2)基礎研究與應用研究

      由于學校的體制和企業的機制,學?;A研究的方向很多都是規劃在論文影響因子高和學生能夠有效畢業的領域;而企業基礎研究的方向,由于投入大、周期長、見效慢,往往更重視能夠二次創新形成短期效益和引進人員快速獲得成功的投入,所以最后基礎研究集中度很高,但深度、廣度、高度、長度都遠遠不夠。應用研究實際上包含應用平臺(解決技術、產品功效關系的研發;屬于應用研究深度)和應用中心(解決技術、產品、商品匹配度方面的研發;屬于應用研究廣度),但由于企業之間信用基礎不夠、護城河很難建立,競爭和保密成為主旋律,因此以競合為基礎的應用研究很難有效、高質量、可持續的進行。

(3)礦產資源

      我國先進陶瓷的鋯礦、鋁礦等礦產資源貧瘠,無大型礦產供應商,資源嚴重依賴進口,而對于礦產加工能力雖然很高,但深度應用十分欠缺。

(4)人才結構與薪資壓力

      高中學子讀大學時對材料專業熱情度低,材料、化學類研究生占比比較少,且材料類研究生就業時只有少部分會選擇先進制造行業,選擇材料就會更少,造成人才資源嚴重不足。此外,材料類畢業生薪資普遍低于計算機、金融類、互聯網等行業畢業生,不及全國畢業生平均薪資,而先進陶瓷在材料領域也不屬于熱門,大家興趣更低。

(5)資本青睞度

      外部資本、內部資本在先進制造業的投資數量和投資金額明顯較其他行業少,而材料產業就更少。

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五、如何搶占高端制造制高點

      國內的先進陶瓷體系不斷拓展,制備技術不斷豐富與進步,應用領域也從單一的軍事、航空航天推廣到環保、新能源、電子信息等更為廣泛的民用市場,陶瓷材料也從結構陶瓷、功能陶瓷向結構——功能一體化發展。針對目前國內先進陶瓷現狀,仍需從幾個方面進行重點研究開發:

      陶瓷技術的基礎理論研究和結構設計需要匹配應用領域對先進陶瓷的發展要求,能夠對新體系、新產品、新應用和批量化轉化提供技術保障。

      陶瓷粉體技術的研究與產業化,要打破高端粉體仍受國外制約的現狀,滿足陶瓷材料發展的基本需要。

      增韌技術的研究是突破先進陶瓷應用局限性的關鍵之一,強韌化技術將實現先進陶瓷應用翻天覆地的變化。

      降低先進陶瓷生產成本是突破先進陶瓷應用局限性的另一個關鍵因素,特別是大批量化生產制備技術、生產裝備的精密制造技術、陶瓷精密加工技術的發展將決定成本降低的能力。

      注射成型、注凝成型和固體無模成型技術將成為最具批量化應用潛力的成型技術,微波燒結、放電等離子燒結技術將會給陶瓷材料性能帶來質的飛躍。

      結合“十三五”規劃的要求和工業發展的要求,能源轉化載體的儲能陶瓷、在環境保護中作用突出的過濾陶瓷(膜)等功能——結構一體化陶瓷、以氮化硅為代表綜合性能優良的結構陶瓷、以AlON透明陶瓷為代表的光電陶瓷將成為應用、研究的主力。

      當今先進陶瓷材料的發展不再局限于傳統技術,而更多的是與現代信息、自動化技術、不同材料的結合而形成新的技術科學(計算材料科學、功能-結構一體化等),先進陶瓷發展的新時代即將到來。

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