先进陶瓷材料研究现状及发展趋势 发展科发展科 2016.05.27目录目录先进陶瓷材料概念及分类先进陶瓷材料概念及分类国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势先进陶瓷制备技术发展情况先进陶瓷制备技术发展情况宜兴先进陶瓷产业发展现状宜兴先进陶瓷产业发展现状一、先进陶瓷材料概念及分类传统上，陶瓷的概念是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。亦称为“普通陶瓷”。 先进陶瓷是“采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷。”透明陶瓷灯透明陶瓷灯l功功能能陶陶瓷瓷：功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷在先进陶瓷中约占70%的市场份额，其余为结构陶瓷。l结结构构陶陶瓷瓷：是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。陶瓷球阀陶瓷球阀 先进陶瓷先进陶瓷可分为可分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两大类。两大类。一、先进陶瓷材料概念及分类种种 类类性性 能能应应 用用结构陶瓷结构陶瓷高温陶瓷高温陶瓷800800以上长期使用，超高温短期使用以上长期使用，超高温短期使用窑炉器件、柴油机等发动机、航空航天、空间技术等窑炉器件、柴油机等发动机、航空航天、空间技术等高强陶瓷高强陶瓷高韧性、高强度、良好的抗冲击性高韧性、高强度、良好的抗冲击性机床主轴轴承、密封环、模具等机床主轴轴承、密封环、模具等超硬陶瓷超硬陶瓷热稳定性、化学稳定性、弹性模量优良热稳定性、化学稳定性、弹性模量优良高速磨削道具、防弹装备等高速磨削道具、防弹装备等耐腐蚀陶瓷耐腐蚀陶瓷优良的化学稳定性和耐冲刷性能优良的化学稳定性和耐冲刷性能化工设备、舰船潜艇密封、金属液体防护、过滤陶瓷等化工设备、舰船潜艇密封、金属液体防护、过滤陶瓷等功能陶瓷功能陶瓷电子陶瓷电子陶瓷压电、光电、热释电、铁电、绝缘性压电、光电、热释电、铁电、绝缘性电子元器件、超高压绝缘子等电子元器件、超高压绝缘子等超导陶瓷超导陶瓷超导特性、耐低温超导特性、耐低温超导光缆、空间、电子、生物等超导光缆、空间、电子、生物等光学陶瓷光学陶瓷透波性能、透明性、荧光性透波性能、透明性、荧光性基板、天线罩、发光器、陶瓷传感器、激光器件等基板、天线罩、发光器、陶瓷传感器、激光器件等生物陶瓷生物陶瓷与血液、器官良好的生物相容性与血液、器官良好的生物相容性陶瓷关节、骨骼、牙齿等陶瓷关节、骨骼、牙齿等磁性陶瓷磁性陶瓷磁导率、矫顽力大、硬度高磁导率、矫顽力大、硬度高微波器件、量子无线电等微波器件、量子无线电等储能陶瓷储能陶瓷能量转换与存储特性能量转换与存储特性热、电、光、氢储能等热、电、光、氢储能等先先 进进 陶陶 瓷瓷 应应 用用 性性 能能 分分 析析一、先进陶瓷材料概念及分类力学性能力学性能物理、化学性能物理、化学性能一、先进陶瓷材料概念及分类先进陶瓷材料国民经济新的增长点国民经济新的增长点国家经济实力的重要标志之一国家经济实力的重要标志之一二、国内外研究现状及发展趋势美国美国日本日本欧盟欧盟l全全球球第第二二大大先先进进陶陶瓷瓷材材料料生生产产基基地地，占占全球市场份额全球市场份额20%20%以上；以上；l国国家家航航空空和和宇宇航航局局对对结结构构陶陶瓷瓷的的大大规规模模研究与开发；研究与开发；l“脆性材料设计脆性材料设计”等十大计划；等十大计划；l业内知名企业：格鲁曼、杜邦、赛瑞丹业内知名企业：格鲁曼、杜邦、赛瑞丹l全全球球最最大大先先进进陶陶瓷瓷材材料料生生产产基基地地，占占全球市场份额全球市场份额50%50%以上；以上；l功能陶瓷领域垄断国际市场；功能陶瓷领域垄断国际市场；l“月月光光计计划划”、300kW300kW陶陶瓷瓷燃燃气气轮轮机机研制计划研制计划等；等；l业业内内知知名名企企业业：京京瓷瓷、东东芝芝、旭旭硝硝子子、住友、村田、东陶住友、村田、东陶l市场份额仅次于日本和美国；市场份额仅次于日本和美国；l德国、法国在结构陶瓷领域重点研发；德国、法国在结构陶瓷领域重点研发；l“尤里卡尤里卡”等研发计划等研发计划1. 1. 国外研究发展情况国外研究发展情况二、国内外研究现状及发展趋势功能陶瓷的研究得到了国家功能陶瓷的研究得到了国家和各科研院所的高度重视和各科研院所的高度重视进入快速发展期，不断打破国外垄断和进入快速发展期，不断打破国外垄断和技术封锁技术封锁现代现代工艺工艺推动推动了了特种纤维、特种纤维、连续纤维复合连续纤维复合材料制备技术材料制备技术快速发展快速发展纳米技术纳米技术的的应应用使用使某些陶瓷某些陶瓷材料性能发生材料性能发生根本性变化根本性变化学科交叉学科交叉大大幅提高幅提高了了材材料的性能料的性能1980-19901980-19901980-1990进入进入21世纪世纪现在现在2. 2. 国内研究发展情况国内研究发展情况二、国内外研究现状及发展趋势二、国内外研究现状及发展趋势太阳能熔融石英方坩埚1101100mm系列产品应用领域：太阳能光伏行业的多晶硅铸锭环节形状要求：大件、壁薄性能要求：密度均匀、强度高、热传导性强、热膨胀系数低二、国内外研究现状及发展趋势 1） 技术及新产品工程转化极度匮乏技术及新产品工程转化极度匮乏虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。 2）高端粉体制备及分散技术远远落后高端粉体制备及分散技术远远落后我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。受部分发达国家限制，国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动；同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。 3）制造装备加工技术落后）制造装备加工技术落后虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。存在问题：存在问题：二、国内外研究现状及发展趋势产业发展的产业发展的技术保障技术保障打破国际垄断，满足打破国际垄断，满足产业发展的基本需求产业发展的基本需求注模成型、注凝成型、固体无模成型、注模成型、注凝成型、固体无模成型、微波烧结、放电等离子烧结微波烧结、放电等离子烧结储能陶瓷、环保过滤储能陶瓷、环保过滤陶瓷、光电陶瓷、功陶瓷、光电陶瓷、功能能- -结构一体化陶瓷等结构一体化陶瓷等降低降低生产成本生产成本批量化生产的新型批量化生产的新型成型技术、新型环成型技术、新型环保烧结技术保烧结技术符合符合“十十三五三五”和工和工业发展的要求业发展的要求基础理论研究基础理论研究和结构设计和结构设计粉体技术粉体技术的研发及产业化的研发及产业化增韧技术增韧技术重点重点重点重点研发方向研发方向研发方向研发方向突突破破应应用用局局限限性的关键因素性的关键因素三、先进陶瓷的制备技术发展情况先进陶瓷材料的制备工艺坯体成型坯体烧结精密加工粉体制备三、先进陶瓷的制备发展情况1. 1. 陶瓷粉体的制备方法陶瓷粉体的制备方法固相反固相反应应法法液相反液相反应应法法气相反气相反应应法法粉体制粉体制备备方法方法活性高 纯度高粒径小后续成型后续成型后续成型后续成型烧烧烧烧 结结结结机械性能机械性能机械性能机械性能显微结构显微结构显微结构显微结构三、先进陶瓷的制备发展情况目前实验室和工业上应用最广泛的粉体制备方法目前实验室和工业上应用最广泛的粉体制备方法三、先进陶瓷的制备发展情况2. 2. 先进陶瓷的成型技术先进陶瓷的成型技术成型技术成型技术干法压制成型干法压制成型塑性成型塑性成型干压成型干压成型冷等静压成型冷等静压成型挤压成型挤压成型注射成型注射成型热蜡铸成型热蜡铸成型扎膜成型扎膜成型浆料成型浆料成型固体无模成型固体无模成型注浆成型注浆成型流延成型流延成型凝胶注模成型凝胶注模成型原位凝固成型原位凝固成型熔融沉积成型熔融沉积成型三维打印成型三维打印成型分层实体成型分层实体成型立体光刻成型立体光刻成型激光选取烧结成型激光选取烧结成型三、先进陶瓷的制备发展情况（1） 冷等静压成型冷等静压成型 冷等静冷等静压成型压成型分类分类工艺工艺缺点缺点优点优点三、先进陶瓷的制备发展情况将粉体放入柔性模具将粉体放入柔性模具或包套中，通过对其或包套中，通过对其施加各项均匀的压力施加各项均匀的压力成型成型干袋式等静压干袋式等静压湿袋式等静压湿袋式等静压成本低、模具简单；成本低、模具简单；生坯强度高；生坯强度高；制品密度高制品密度高, ,不易变形不易变形制品尺寸不精确；制品尺寸不精确；复杂形状成型较困难；复杂形状成型较困难；自动化生产率低自动化生产率低（目前国内应用最为广泛、最为成熟的工艺）（目前国内应用最为广泛、最为成熟的工艺）冷冷等等静静压压成成型型超超特特高高压压绝绝缘缘子子三、先进陶瓷的制备发展情况流延成型法制备的Al2O3陶瓷基片三、先进陶瓷的制备发展情况（2） 流延成型流延成型坯体制备坯体制备加工处理加工处理料浆制备料浆制备步骤：步骤：料浆薄膜基带刮刀流延成型薄膜制备过程流延成型薄膜制备过程 优优点点：工工艺艺稳稳定定，生生产产效效率率高高，自自动动化化程程度度高高，坯坯体体韧韧性性高高、强强度度高，可制备厚度为高，可制备厚度为10-1000m的高质量陶瓷薄膜。的高质量陶瓷薄膜。 缺点：坯体粘结剂含量高，密度小，烧成收缩率高达缺点：坯体粘结剂含量高，密度小，烧成收缩率高达20-21%。（广泛应用在电容器瓷片、（广泛应用在电容器瓷片、AlAl2 2O O3 3基片和压电陶瓷膜片中）基片和压电陶瓷膜片中）三、先进陶瓷的制备发展情况（3） 其他成型方法其他成型方法CAD设计、3D打印的三维立体构件三、先进陶瓷的制备发展情况3. 3. 先进陶瓷的烧结技术先进陶瓷的烧结技术宏宏观观变变化化：体体积积收收缩缩、致致密密度度提高、强度增加。提高、强度增加。微微观观变变化化：晶晶粒粒迁迁移移，尺尺寸寸长长大，气孔减少。大，气孔减少。坯体烧结坯体烧结 是指把成型坯体转变为致密体的工艺过程。三、先进陶瓷的制备发展情况烧结状态烧结状态烧结压力烧结压力特殊加热原理特殊加热原理固态烧结固态烧结液相烧结液相烧结常压烧结常压烧结无压烧结无压烧结真空烧结真空烧结热压烧结热压烧结热等静压烧结热等静压烧结气氛烧结气氛烧结微波烧结微波烧结放电等离子烧结放电等离子烧结自蔓延烧结自蔓延烧结坯坯 体体 烧烧 结结 技技 术术热压烧结的透明陶瓷三、先进陶瓷的制备发展情况（1） 热压烧结（热压烧结（HP） 热压烧结热压烧结 指在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。全进口热压烧结设备全进口热压烧结设备价格：价格：3131万欧元（￥万欧元（￥260260万）万）烧结温度低、时间短烧结温度低、时间短制品密度高、性能强制品密度高、性能强优点优点产品形状单一、生产率低产品形状单一、生产率低设备价格成本高设备价格成本高缺点缺点100200 100200 国产化气压烧结氮化硅陶瓷轴承球三、先进陶瓷的制备发展情况（2） 气压烧结（气压烧结（GPS） 气气压压烧烧结结 指在高温烧结过程中对坯料施加1-10Mpa气体压力，抑制了高温下陶瓷材料的分解和失重，从而可以提高烧结温度，促进材料的致密化。最大优势较低成本制备性能优良、形状复杂的共价键陶瓷，并可实现批量化生产。 三、先进陶瓷的制备发展情况（3） 新型烧结技术新型烧结技术三、先进陶瓷的制备发展情况4. 陶瓷精密加工技术陶瓷精密加工技术导致导致先进陶瓷的精密加工技术先进陶瓷的精密加工技术已经成为国内外陶瓷领域的热点已经成为国内外陶瓷领域的热点陶陶瓷瓷材材料料属属于于硬硬脆脆材材料料，其其特特点点是是：硬硬度度高高，脆脆性性大，不变形。大，不变形。加加工工难难度度大大，稍稍有有不不慎慎就就会产生裂纹或者破坏会产生裂纹或者破坏三、先进陶瓷的制备发展情况力学的 化学的 光化学的 光刻电化学的 电解抛光电学的 光学的 激光加工磨料加工：磨削、研磨、抛光等刀具加工：切割蚀刻：磨削、研磨、抛光等化学抛光电火花加工电子束加工离子束加工等离子束加工陶陶瓷瓷精精加加工工种种类类传统加工技术传统加工技术陶陶瓷瓷球球阀阀磨磨削削加加工工激光切割机激光切割机 激光打孔机激光打孔机 超声波打孔机超声波打孔机四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状山东山东淄博淄博江苏江苏宜兴宜兴江西江西萍乡萍乡广东广东深圳深圳湖南湖南新化新化河北河北唐山唐山国家火炬计划国家火炬计划宜兴非金属产业基地宜兴非金属产业基地四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状相关企业相关企业500500多家多家规模以上企业规模以上企业3030多家多家总应税销售额总应税销售额3030多亿元多亿元丁丁蜀蜀镇镇地地区区1. 产业总体发展情况产业总体发展情况其其它它地地区区结构陶瓷结构陶瓷化化机机厂厂、王王子子制制陶陶、杜杜塞塞拉拉姆姆、海海登皇格登皇格功能陶瓷功能陶瓷电子器件总电子器件总厂、陶瓷研厂、陶瓷研究所究所先先先先进进进进陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷材材材材料料料料门门门门类类类类齐齐齐齐全全全全四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状企企企企业业业业技技技技术术术术包包包包容容容容性性性性强强强强传统技术：热压铸、注浆和干压技术等传统技术：热压铸、注浆和干压技术等先进技术：流延、等静压、自动压铸和先进技术：流延、等静压、自动压铸和高压注射等高压注射等先进企业引领高端技术先进企业引领高端技术四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状2.创新体系建设情况创新体系建设情况江苏省宜兴陶瓷产业园江苏省宜兴陶瓷产业园江苏省宜兴工业陶瓷科技产业园江苏省宜兴工业陶瓷科技产业园江苏省宜兴新材料高新技术创业江苏省宜兴新材料高新技术创业服务中心服务中心江苏省宜兴新型陶瓷材料公共江苏省宜兴新型陶瓷材料公共技术服务中心技术服务中心江苏省陶瓷耐火产品检测中心江苏省陶瓷耐火产品检测中心国家火炬计划非金属材料特色国家火炬计划非金属材料特色产业基地产业基地产业集聚平台创新服务平台四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状全全市市先先进进陶陶瓷瓷材材料料产产业业累累计计认认定定各各级级企企业业研研发发机机构构8080多多家家，其其中中省级工程技术研究中心省级工程技术研究中心1313家。家。国家高新技术企业国家高新技术企业4040多家，获批省级以上高新技术产品近多家，获批省级以上高新技术产品近6060只。只。承承担担省省级级以以上上科科技技计计划划项项目目4040项项以以上上，其其中中化化机机厂厂的的“满满足足柴柴油油车车国国以以上上排排放放标标准准的的大大规规格格堇堇青青石石蜂蜂窝窝陶陶瓷瓷载载体体的的研研发发及及产产业业化化”、电电子子器器件件厂厂“集集成成电电路路封封装装用用多多引引出出端端高高密密度度陶陶瓷瓷外外壳壳的的研研发发及及产产业业化化”等等获获批批省省重重大大科科技技成成果果转转化化项项目目，王王子子制制陶陶、拜拜富富科科技技等等承承担担国国家家“863”863”项项目目子子课课题题4 4项项，东东城城陶陶瓷瓷等等承承担担国国家家中小企业创新基金项目中小企业创新基金项目2020余项。余项。近五年创新成果四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状3. 存在问题存在问题第一，产业层次相对不高，产业链较短。第一，产业层次相对不高，产业链较短。我我市市的的陶陶瓷瓷产产品品门门类类较较多多，但但仍仍以以通通用用型型、基基础础型型材材料料为为主主，功功能能化化、专专用用化化的的高高端端材材料料产产值值占占比比较较低低，面面向向下下游游高高端端应应用用领领域域的的新新型型功功能能性性材材料料开开发发不不够够，关关键键生生产产装装备备、核核心心部部件件及及材材料料、高高端端配配套套产产品品仍仍然然依依赖赖外外购购，缺缺乏乏自主研发能力和高端产品的配套能力自主研发能力和高端产品的配套能力，低端产品重复度高，价格竞争激烈。，低端产品重复度高，价格竞争激烈。第二，受外部环境影响偏大，抵御风险能力较弱。第二，受外部环境影响偏大，抵御风险能力较弱。由由通通货货膨膨胀胀引引发发的的原原材材料料成成本本、人人口口红红利利引引发发的的人人力力资资源源成成本本、市市场场竞竞争争加加剧剧引引发发的的市市场场营营销销、物物流流运运输输等等经经营营成成本本的的持持续续上上涨涨，不不断断蚕蚕食食着着企企业业的的利利润润空空间间，令令我我市市相相关关企企业业的的生生产产成成本本优优势势和和产产品品价价格格优优势势逐逐步步丧丧失失，直直接接阻阻碍碍了了陶陶瓷瓷材材料料产产业业增增长长的的步步伐伐，而而严严峻峻的的宏宏观观经经济济环环境境更更加加剧剧了了企企业业抵抵御御风风险的压力。险的压力。第三，环保压力大，资源环境制约明显。第三，环保压力大，资源环境制约明显。政政府府对对资资源源、能能源源和和环环境境的的管管理理力力度度在在逐逐年年加加强强，政政策策上上对对陶陶瓷瓷产产业业发发展展的的制制约约日日益益明明显显，全全行行业业节节能能降降耗耗，治治污污减减排排的的任任务务十十分分繁繁重重，关关键键高高档档产产品品用原材料资源紧张的形势在短期内也难以缓解。用原材料资源紧张的形势在短期内也难以缓解。优化产业发展环境提升行业发展水平壮大产业规模四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状4. 发展建议发展建议发挥发挥协会协会作用作用 优化优化产业产业结构结构 加强加强政策政策引导引导 结结合合“十十三三五五”规规划划和和工工业业发发展展要要求求，贯贯彻彻落落实实我我市市关于陶瓷产业发展的工作意见等文件精神关于陶瓷产业发展的工作意见等文件精神 完善金融、财税等扶持政策完善金融、财税等扶持政策 加大技术改造，合理设定发展门槛加大技术改造，合理设定发展门槛 充充分分发发挥挥好好我我市市陶陶瓷瓷材材料料行行业业协协会会服服务、协调、自律、监督和管理的作用务、协调、自律、监督和管理的作用 做做好好制制定定产产业业规规划划、科科技技信信息息交交流流、产业技术培训、加快人才培养产业技术培训、加快人才培养等工作等工作 鼓励企业通过兼并重组等方式调整和优化结构鼓励企业通过兼并重组等方式调整和优化结构 提高产业集中度，提高抗风险能力和资源利用率提高产业集中度，提高抗风险能力和资源利用率 降低能耗水平降低能耗水平优化产业发展环境四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状提升工艺和装备提升工艺和装备提升工艺和装备提升工艺和装备加强科技合作加强科技合作加强科技合作加强科技合作注重新品开发注重新品开发注重新品开发注重新品开发研发研发纳米纳米陶瓷、电子陶瓷、陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷等先进陶瓷生物陶瓷等先进陶瓷。推进推进“大尺寸蜂窝陶瓷载体大尺寸蜂窝陶瓷载体”、“集成电路封装用高密集成电路封装用高密度陶瓷外壳度陶瓷外壳”等产品实现产等产品实现产业化业化。研发机构升级研发机构升级研发机构升级研发机构升级开开展展企企业业研研发发机机构构绩绩效效管管理理，做好企业研发机构提档升级做好企业研发机构提档升级。鼓鼓励励企企业业进进一一步步加加大大投投入入，积积极极建建设设研研究究生生工工作作站站、省省级级工工程程技技术术研研究究中中心心、省省重重点点实实验验室等创新平台室等创新平台。逐步淘汰落后产品逐步淘汰落后产品开发免烧型砖开发免烧型砖选用水煤气等新型烧选用水煤气等新型烧成能源成能源使用节能型环保窑炉使用节能型环保窑炉合作共建合作共建“武汉武汉- -宜兴陶瓷及耐宜兴陶瓷及耐火研究所火研究所”合作共建合作共建“中韩精细陶瓷技术人中韩精细陶瓷技术人才交流中心才交流中心”合作开设合作开设“武汉科技大学工程硕武汉科技大学工程硕士班士班”提升行业发展水平四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状产业招商产业招商坚持地方特色坚持地方特色促进产业链形促进产业链形成成引进外商投资引进外商投资壮大产业规模企业投入企业投入加大技术改造加大技术改造 加大装备投入加大装备投入发展循环经济发展循环经济结语智能化材智能化材料科学料科学功能功能-结构结构一体化材一体化材料科学料科学计算材料计算材料科学科学当今先进陶瓷的发展不再局限于传统技术，而更多的是与现代信息、自动化技术、不同新功能材料结合而形成新的技术科学，先进陶瓷发展的新时代即将到来。 谢谢 谢！谢！2 0 1 6 / 0 5 / 2 7