全球先進陶瓷材料的應用趨勢預測

隨著5G時代的到來,陶瓷材料將迎來新一輪快速發展。先進陶瓷,又稱為高性能陶瓷、精細陶瓷、高技術陶瓷等,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。

由于先進陶瓷特定的精細結構和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、聲光、超導、生物相容等一系列優良性能,被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物醫學等國民經濟的各個領域。先進陶瓷的發展是國民經濟新的增長點,其研究、應用、開發狀況是體現一個國家國民經濟綜合實力的重要標志之一。

先進陶瓷是“采用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學組成,按照便于控制的制造技術加工、便于進行結構設計,并且有優異特性的陶瓷”。按其特性和用途,可分為2大類:結構陶瓷和功能陶瓷。

結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性;結構陶瓷大致分為氧化物系、非氧化物系和結構用陶瓷基復合材料。功能陶瓷是指具有電、磁、光、聲、超導、化學、生物等特性,且具有相互轉化功能的一類陶瓷。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。

國內外先進陶瓷的研究發展現狀對比

美國:重點發展高溫結構陶瓷,目前在航天技術、航空器、核工程、汽車、醫療設備及機械動力等領域處于大范圍使用階段。從2000年開始,美國先進陶瓷協會和美國國家能源部聯合資助并實施了為期20年的美國先進陶瓷發展計劃,預期目標是:到2020年,先進陶瓷以其優越的高溫性能、可靠性以及其他獨特性能,成為一種經濟適用的首選材料,并廣泛應用于節能環保、新一代信息技術、生物醫藥、高端裝備制造、新能源和新能源汽車等戰略性新興產業中,需求者根據應用要求可以選擇使用具有優越性價比的先進陶瓷產品。美國國家航空和宇航局(NASA)在結構陶瓷的開發和加工技術方面實施了大規模的研究與發展計劃,重點對航空發動機、民用熱機中的關鍵閉環實現陶瓷替代,同時對納米陶瓷涂層、生物醫學陶瓷和光電陶瓷的研究、產業化進行資助。

日本:近年來,日本將先進陶瓷作為戰略性產業,將其看作是決定未來國際競爭力的高科技產業,不斷加大投資力度。在電子陶瓷、光導纖維、高韌性陶瓷等先進陶瓷材料方面,日本均處于領先地位。日本生產的先進陶瓷敏感元件已占據國際市場主要份額,包括熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等在內的各種先進陶瓷產品壟斷著大部分市場;在泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑膠復合陶瓷以及各種先進陶瓷材料與陶瓷部件研發,高性能陶瓷電池、陶瓷發動機等研發開發方面,均處于領先地位。

歐盟:歐盟各國以功能陶瓷和高溫結構陶瓷為主要研究對象,目前研究的重點為發電設備中應用的新型材料技術,如陶瓷活塞蓋、排氣管里襯、渦輪增壓轉子及燃氣輪轉子等。此外,歐盟部分國家在先進陶瓷機械、裝備方面優勢明顯。

國內:20世紀80年代到90年代初,許多現代陶瓷理論和工藝在精細陶瓷的制備中得到應用。利用和金屬材料的相變理論、仿生學等學科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高,研制的纖維補強復相陶瓷,陶瓷基復合材料的韌性得到較大提高,通過仿生學在精細陶瓷制備工藝中得到應用,層狀材料得到較大發展。

聚合物裂解轉化、化學氣相沉(滲)積、溶膠工藝的采用,使得特種纖維的制造、連續纖維復合材料制備技術快速發展。納米技術在陶瓷中的應用使材料性能發生根本性變化,使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的燒結溫度大大降低。

進入21世紀,功能陶瓷的研究也得到了國家和各科研院所的高度重視。從19952015年我國先進陶瓷產值及預測可以看出,我國先進陶瓷產業進入了快速發展期,預計到2015年產值可達到450億元。精密小尺寸產品、大尺寸陶瓷器件的成型、燒結技術、低成本規?;苽浼夹g,陶瓷加工系統等領域不斷打破國外壟斷和技術封鎖。

例如凝膠注模工藝生產的大尺寸熔融石英陶瓷方坩堝打破了美國賽瑞丹、日本東芝和法國維蘇威3大公司的技術壟斷,在2007年率先實現國產化,通過近5年的不斷發展,已經形成1101100mm系列產品,產能居于全球第1位。


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