國外先進陶瓷研發及產業化應用發展狀況

謝志鵬 范彬彬

先進陶瓷是“采用高度精煉提純或化學合成的粉體原料，具有精確控制的化學組成，通過產品結構設計，按照便于控制的制造技術加工、制備得到具有優異特性的陶瓷”。先進陶瓷涵蓋了結構陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷等各類氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等高性能陶瓷材料，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及優異的電學性能、光學性能、化學穩定性和生物相容性。

隨著現代高新技術產業的快速發展，先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分，成為許多高技術領域發展的關鍵材料。先進陶瓷不僅廣泛應用于機械、化工、能源、環保等工業領域，而且在航空航天、通信電子、半導體微電子、生物醫療、國防軍工及高鐵、新能源汽車等高科技領域和新型產業中得到越來越多的應用。

據統計，先進陶瓷產業每年以8%左右的增長速度高速發展，全球先進陶瓷產業已達到數萬億級的市場規模。但從陶瓷產業價值鏈來看，我國先進陶瓷許多企業和產品仍處于中低端，日、美、歐則占據了包括功能陶瓷和電子元器件在內的中高端市場。本文從多方面介紹了國際上這些先進陶瓷的研發重點及其應用發展狀況。

1、國外先進陶瓷研發與產業化重點

面對先進陶瓷的巨大市場與應用前景，世界各國政府及先進陶瓷產業界都做出了許多積極響應。從2000年開始，美國國家能源部與美國陶瓷協會聯合資助并實施了為期20年的美國先進陶瓷發展計劃。歐盟第六次框架計劃支持廣泛的多領域課題研究，其中一些專門針對高性能陶瓷及其復合材料的先進制備技術，特別是英國、法國和德國在航空航天應用的背景下加強陶瓷基復合材料和超高溫陶瓷材料的制備技術研究。在先進陶瓷制備技術具有優勢的日本更是加大力度發展新技術新工藝，其中以日本國立研究機構、日本京瓷和村田為代表的大公司在高性能先進陶瓷的開發研究方面取得了令人矚目的成績。圖1列出了上述國家的部分先進陶瓷企業在2020年的生產銷售情況。

美國已將新型陶瓷材料如陶瓷裝甲、環保陶瓷和核電用陶瓷等制備技術作為優先發展方向。歐洲從事陶瓷材料研究和開發的主要國家有德國、法國、英國、意大利，他們在航天航空所需的耐高溫抗燒蝕陶瓷基復合材料（如Cf/ SiC，SiCf/SiC），超高溫陶瓷（ZrB2-SiC，HfB2-SiC）占有優勢。日本在精密陶瓷粉末（如BaTiO3，ZrO2，Si3N4，AlN，Nd：YAG，BaTiO3）合成、電子陶瓷元器件、納米/微米復合陶瓷材料技術方面繼續發揮引領作用；同時在積極開發高強度和高韌性的陶瓷及其復合材料，例如在1500℃抗彎強度達1400MPa的Si3N4高溫陶瓷，以及具有高導熱率的Si3N4陶瓷基板。此外隨著先進陶瓷在各種尖端技術和重大工程中應用，極端環境下（超高/低溫，超高腐蝕，超高輻射，超強磁場）使用的陶瓷材料及服役行為也得到重要發展。

2、國外先進陶瓷應用與產業發展狀況

2.1 結構陶瓷及其應用情況

結構陶瓷主要是指可發揮材料力學、熱學、化學、電絕緣等性能的一類先進陶瓷，常作為工程結構材料使用。結構陶瓷的化學鍵主要為離子鍵和共價鍵，因此其具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、抗熱震等特性，從而在機械冶金、化工環保、生物醫療、航天航空，國防軍工，核電與新能源等領域得到廣泛的應用，已成為國家某些重大工程和尖端技術中不可或缺的關鍵材料。如圖2所示各種結構陶瓷產品及精密加工后的陶瓷結構件。

在歐美市場，有超過150家的結構陶瓷企業和幾十家相關的原料供應商。近幾年數據顯示，德國生產和消費了歐洲結構陶瓷市場的37%，法國和英國的市場總和占27%。歐洲的主要結構陶瓷生產國包括德國，法國，英國、瑞典和意大利。歐洲較大的結構陶瓷公司有法國Saint-Gobain、德國CeramTec、英國Morgan，此外德國還有一批專業的中小型陶瓷原料公司如Starck、燒結設備公司如FCT。在以往二十年里，世界先進結構陶瓷的市場規模平均以7%～9%的速度遞增，達到500億美元，不同的應用領域的占比如表1所示。

在航空發動機設計中軸承材料和技術始終占到90%～95%，可以說軸承技術代表著發動機極限轉速、耐溫能力和可靠性水平。目前國際上著名的軸承公司如瑞典SKF、德國FAG、日本KOYO和東芝都先后建立了陶瓷軸承生產線。

陶瓷切削刀具應用于汽車零件和高溫合金的高速切削，如汽車、冶金、航空航天領域的機械加工中大量使用陶瓷刀頭。日本京瓷（Kyocera）和NGK、美國肯納、瑞典Sandvik、德國CeramTec等公司都擁有先進的陶瓷刀具生產線，生產Al2O3基、Si3N4基sialon陶瓷，以及晶須增韌Al2O3陶瓷刀具。目前發達國家陶瓷刀具的占比約為5%～10%。

結構陶瓷在高溫高應力熱機部件中的應用也是各國努力的方向，其主要目標是節約熱機的燃料消耗和減少廢氣排放。近年來以日本的300kW陶瓷高溫燃氣輪機的研究最為成功，燃氣入口溫度為1350℃，廢氣排放低于國家標準，熱機效率達到42.1%，并且成功地進行了1200℃下1000h的試運行。此外，作為21世紀主導的燃氣渦輪發動機因具有卓越的熱效率，近10種氮化硅陶瓷零部件的已開發并逐漸走向商業化。

陶瓷防彈裝甲在國際上因反恐戰爭而成為了一個快速成長的產業，例如美國賽瑞丹公司（Ceradyne）每年給美國軍方提供的防彈陶瓷裝甲達到10億美元以上。結構陶瓷具有質量輕，硬度高，可對微結構進行統一控制等優點，因此可以抵御更高層次的威脅。防彈陶瓷材料主要包括B4C、SiC、Al2O3等高硬度陶瓷材料，其中SiC陶瓷因硬度高防彈效果好且制造成本遠低于防彈性能更好的B4C陶瓷，近幾年成為國際防彈陶瓷的主流產品之一。

結構陶瓷因耐熱、耐磨、耐腐蝕等性能優于金屬材料且使用壽命更長，因而在石油、化工、機械等領域的應用愈加廣泛。該類陶瓷產品包括石油化工用的缸套、球閥、管道，機械工程中的噴砂嘴、密封環，冶金工業中的非晶鋼帶成型用高溫噴嘴、汽車鋁合金輪轂制造用陶瓷升液管等。

2.2 功能陶瓷及其應用狀況

功能陶瓷是具有電、磁、聲、光、熱、力、化學等功能的介質材料。隨著材料科學的迅速發展，功能陶瓷的各種新性能、新應用不斷被人們所認識，陸續研發了壓電陶瓷、陶瓷電容和電感、絕緣電子陶瓷和陶瓷封裝基板等一系列電子陶瓷元器件。

陶瓷電容、電感、電阻是最重要和應用量大的電子陶瓷元器件，尤其是片式多層陶瓷電容器、多層片式陶瓷電感器、片式電阻并稱為表面貼裝技術（SMT）三大無源片式元件。全球該類電子陶瓷元器件數量每年在上萬億件的規模，在信息、軍工、航空、移動通訊、電子電器、石油勘探等行業得到廣泛應用。國際上生產商有日本的村田、京瓷、東芝、TDK、NTK、NEC、美國的杜邦、摩托羅拉、韓國和我國臺灣地區企業如三星電機、KEMET、AVX、國巨。

多層片式陶瓷電容器（MLCC）是片式元件中應用最廣泛的一類，它是將內電極材料與陶瓷坯體以多層交替并聯疊合，并共燒成一個整體，其內部結構和元件（如圖3）所示。MLCC具有小尺寸、高比容、高精度的特點，可貼裝于印制電路板、混合集成電路基片，有效地縮小電子信息終端產品的體積和重量，提高產品可靠性。近年來，隨著消費電子、通信設備及汽車行業蓬勃開展，特別是手機、油電混合車使用的增加帶動了MLCC需求，全球年需求預計超過2萬億個。日本村田公司預測稱，面向智能手機等的市場到2024年度將增至2019年度的1.5倍左右。

陶瓷電感是將陶瓷材料及線圈導體層壓成一體的單片結構，其適用于移動通信設備的RF電路的耦合、扼流以及共振等各類用途。特別是多層片式電感器的平底表面適合表面貼裝、具有優異的端面強度、焊錫性及耐熱性，較高的Q值、低阻抗等特點。1984年TDK率先實現了疊層片式電感器產業化，同時日本村田實現片式感器的量產。目前電感器的疊層片式化率超過85%，日本、韓國及臺灣地區是片感主產區，占市場份額超過70%。日本村田公司的片式電感采用多層工藝、薄膜工藝、繞線工藝等多種技術的集成，針對不同用途進行特殊設計，實現了片式電感的小型化且高性能化。

壓電陶瓷是通過高壓極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷的總稱，常用的有PbTiO3、Pb（Ti1-xZrx）O3及三元系壓電陶瓷。至今壓電材料已成為超聲、醫療、激光和通信等各技術領域不可缺少的功能材料。

微波介質陶瓷是應用于微波頻段（300MHz～20GHz）電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是現代通信廣泛使用的諧振器、濾波器、介質導波回路等微波器件的關鍵材料，其目前正向著小型化、高穩定性和低損耗的方向發展。

絕緣電子陶瓷主要用作電子電路絕緣體，根據電路設計的要求將導體從物理上隔離，以防止電流在它們之間流動而破壞電路的正常運行或，其次其還擔負著導體的機械支持、散熱與電路環境保護等作用。在電子工業中，絕緣電子陶瓷產品應用廣泛，主要包括電路元件所用的基片和封裝材料、電真空管殼、新能源汽車用繼電器等各種絕緣瓷件等。

AlN和Si3N4陶瓷具有高熱導率和高強度等優點，非常適用于IGBT和功率模塊的封裝。目前全球真正將Si3N4基板用于實際生產的只有國外賀利氏、京瓷和羅杰斯等少數公司。以日本東芝公司為例，截止2016年已占有近半的Si3N4基板市場份額，其產品已用于混合動力汽車/純電動汽車（HEV/ EV）市場領域。

2.3 生物陶瓷及其應用進展

生物陶瓷（Bioceramics）是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。生物陶瓷按其生物學性能可分為生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷、生物活性玻璃陶瓷和齒科美學氧化鋯陶瓷等。生物陶瓷產品種類繁多，典型產品諸如陶瓷球帽、牙科植入物和陶瓷牙等，其中作為髖關節和膝關節假體在歐洲、美國及亞洲得到廣泛應用，代表性廠家有德國賽瑯泰克（Ceram Tec）公司，日本京瓷（Kyocera）公司，英國摩根（Morgan）公司。

生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩定、生物相容性好的陶瓷材料，如Al2O3、ZrO2、ZTA、Si3N4以及它們的復合陶瓷材料等。至今為止，Al2O3陶瓷已在外科矯形手術的承重假體、牙科移植物、某些骨頭替代物和眼科手術中的角質假體等方面得到較多應用，為Al2O3陶瓷膝關節及髖關節陶瓷球頭和陶瓷帽。YSZ比Al2O3的斷裂韌性和耐磨性更優，力學性能的增加使得在股骨頭應用中ZrO2植入體直徑比Al2O3更小，有利于減少植入物尺寸和實現低摩擦、磨損，用以制造牙根、骨、股關節、復合陶瓷人工骨、瓣膜等。德國賽瑯泰克報道了一種新型的ZTA陶瓷材料，并已廣泛應用于全陶瓷髖關節的置換手術中。美國阿梅迪卡公司目前開發了Si3N4陶瓷關節植入物，該美國公司作為全球唯一的醫用Si3N4陶瓷生產商，于2011年開始植入了第一例人工股骨球頭。

生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，生物活性陶瓷主要被作為支架材料或結構堅固的涂層材料，常見的生物活性陶瓷有羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣等。生物活性玻璃是一類能對機體組織進行修復、替代與再生、具有能使組織和材料之間形成鍵合作用的材料，因其具有良好的生物相容性和生物活性，在牙科、骨科骨缺損修復以及軟組織損傷愈合臨床上在全世界范圍廣泛使用。

ZrO2陶瓷具有良好的生物相容性，同時與普通陶瓷相比，具備更好的機械強度，其抗彎強度可以達到800～1000MPa，顏色與人類牙齒的天然顏色比較接近，這些優點使ZrO2陶瓷在生物材料領域的研究應用引起了人們的廣泛關注。隨著材料科學和口腔臨床醫學的快速發展，二十世紀九十年代以來的全瓷修復技術因具有良好的生物相容性、穩定的化學性質、較低的放射性和優越的美觀效果，成為目前較為理想的修復方式。

3、結 語

國際上日本、美國和歐洲的先進陶瓷材料與產業在工藝、技術、設備上仍保持領先地位。特別是日本京瓷和村田等一批年銷售達千億級的先進陶瓷跨國公司在全球具有重要影響力，還有一批像日本Tosoh、UBE和德山曹達等先進陶瓷粉體企業也在全球保持領先地位。美國的重要先進陶瓷企業如CoorsTec、3M和Ceradyne等企業在國防軍工、核能核電、航天航空等領域應用的結構陶瓷和電子陶瓷方面占用優勢，而德國CeramTec、法國圣戈班和英國Morgan等歐洲先進陶瓷跨國公司也具有強大的研發與制造能力。此外，在日本、美國、德國、瑞士等發達國家也有一批研發能力和技術與裝備水平相當高的先進陶瓷中小型企業，其產品在全球銷售，值得我國先進陶瓷企業借鑒。

（作者1系清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室 博士、教授）

（作者2系景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院）