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【深度】大数据下分析欧美日先进结构陶瓷产业历程

日期: 2018-08-10
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★ 前言 ★

       近年来,先进结构陶瓷材料一直是世界各国的重点研发方向,并在国防、航天、电子、生物医学等工业领域得到了广泛的应用。欧美、日本等发达国家作为制造业强国,先进结构陶瓷产业更是处于领跑地位,在一些重要领域、关键环节把控了世界市场。那么欧美日三国先进陶瓷产业具体情况如何?本文依据大数据对欧美、日本先进陶瓷产业进行了简要的梳理与总结。


大数据分析

在以往10年里,世界先进结构陶瓷的市场规模平均以7%~9%的速度递增,约达到数百亿美元。英国Morgan公司曾估算在结构陶瓷的世界市场中,不同的应用领域所占的比例。

【深度】大数据下分析欧美日先进结构陶瓷产业历程

例如陶瓷轴承,目前国际上著名的轴承公司如SKF、NSK、FAG、KOYO、SNFA等都先后建立了陶瓷轴承生产线,主要用于高速、高精度机床主轴轴承、计算机硬盘驱动器轴承、牙钻轴承以及防磁、防腐、绝缘等领域,特别是军用的和航天航空等尖端技术采用的特殊轴承。

【深度】大数据下分析欧美日先进结构陶瓷产业历程


陶瓷切削刀具应用于汽车零件和高温合金的高速发削,得到很大发展,像日本特殊陶业、Kyocera、美国肯纳、瑞典Sandvik、德国CeramTec公司都有先进的陶瓷刀具生产线,生产Al2O3基、Si3N4基,以及晶须增韧Al2O3陶瓷刀具。目前发达国家陶瓷刀具的构成比例约为5%~10%左右由于它能大幅度提高加工效率,已经为机械加工过程带来巨大的经济效益。

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蜂窝陶瓷、多孔陶瓷、介孔材料、陶瓷膜材料等在环境保护、生物化学、食品工业、催化反应中得到越来越多的应用。氧化物(如Al2O3、SiO2等)、碳化物(如SiC等)多孔陶瓷作为气体、液体、熔融金属的过滤净化材料,发挥了十分重要的作用。雪铁龙公司将在它的一些新车中装上SiC微粒过滤器,美国好几个州的发电厂正在开始一个很大的投资项目,以期在未来几年降低氮氧化物的排放,2005年美国对除氮氧化物的陶瓷催化剂的需求每年超过2.5亿美元。目前正在开发的介孔材料(有序纳米结构的多孔材料)在催化、分离、吸附工程方面存在很广阔的应用前景。

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欧美汽车排放的立法是陶瓷催化剂载体发展的推动因素,在美国,结构陶瓷最高的增长率为汽车尾气净化器催化剂载体,在欧洲为生物陶瓷。生物陶瓷已经是髋骨修复的常规材料,在欧洲和美国每年共有20多万例这样的手术,主要材料为Al2O3和ZrO2。

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应用面最大的还是耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘的零部件,其种类十分繁多,如石油化工用的缸套、球阀、管道,汽车的耐磨零件,机械工程中的喷砂嘴、密封环,导弹的鼻锥体和喷嘴,真空开关用的陶瓷管壳,电子器件的承烧板、基板等。这些结构陶瓷材料及制品对各行各业的技术发展都有十分重要的作用。

脆性的结构陶瓷材料应用于高温、高应力热机部件也是近20年来各发达国家努力的方向,其主要目标是节约热机的燃料消耗。从20世纪70年代至今,美国、日本、德国在陶瓷高温燃气轮机研究方面,有多次国家计划,投入了很大的人力、物力,近年来才取得实质性进展,特别是日本的300kW陶瓷高温燃气轮机的研究最为成功,燃气入口温度为1350℃,废气排放低于国家标准,热机效率达到42.1%,并且成功地进行了1200℃下1000h的试运行,主要陶瓷零件为Si3N4陶瓷。

表2列出结构陶瓷的主要应用领域和典型厂商。 

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英国Morgan公司还估算了在高技术陶瓷中,各种陶瓷材料所占的份额,如表3所示。

表3 几种材料在高技术陶瓷中所占份额

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在国际上,以日本、美国、欧洲发展最快。日本是世界上先进陶瓷最大的生产国,2000年高技术陶瓷的总销售额约为165亿美元,其中结构陶瓷约为47.4亿美元。

日本高性能结构陶瓷的最主要的生产厂家有京都陶瓷公司(Kyocera),日本特殊陶业,日本碍子公司(NGK),东芝精细陶瓷公司等。京都陶瓷公司是全球最大的高技术陶瓷公司。它不仅生产电子陶瓷、功能陶瓷、结构陶瓷、生物陶瓷及其产品,而且还拓展到高性能陶瓷材料相关的终端产品。2001年公司销售额为110亿美元;日本碍子公司(NGK)主要生产汽车发动机用的蜂窝陶瓷催化剂载体、陶瓷过滤器、陶瓷轧辊和导辊、陶瓷机械密封环等,其材料包括堇青石瓷、SiC、Si3N4、Al2O3等陶瓷材料;日本特殊陶瓷业生产多种先进结构陶瓷产品、汽车发动机用火花塞、耐磨陶瓷、真空绝缘陶瓷、陶瓷刀具、生物陶瓷等;日本东芝精细陶瓷公司在许多结构陶瓷制品开发与生产上处于先进水平,主要材料包括Al2O3、Si3N4、ZrO2和SiC等。


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京瓷部分产品

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日本NTK公司部分产品

美国2001年高技术陶瓷的总产值约为78.35亿美元,其中结构陶瓷的产值约为18.70亿美元。预测在今后5年中,其增长率约为10%。美国虽是先进结构陶瓷生产大国,但它更是结构陶瓷最大的消费国,其生产少于消费,因此有许多产品从日本进口,美国较大的生产结构陶瓷的公司有康宁玻璃公司(Corning)、CoorsTec公司等;原有两个大公司Carborundum和Norton公司已被法国圣戈班(Saint-Gobain)公司收购。康宁公司成立于1851年,是光纤、光缆及光电材料、高功能玻璃、蜂窝陶瓷载体的主要供应商,其蜂窝陶瓷技术和生产处于世界首位。康宁公司在全球有一百多处生产基地,2000年营业额为71亿美元;Coors Tec技术陶瓷公司以生产Al2O3陶瓷为主,是美国技术陶瓷市场最大的供应商。生产各种精密陶瓷部件、电真空陶瓷、半导体工业用陶瓷基板和半导体设备用陶瓷部件。

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美国CoorsTec技术陶瓷公司部分产品

欧洲比较大的生产先进结构陶瓷的公司有法国Saint-Gobain公司、德国Ceram Tec公司、英国Morgan公司等。Saint-Gobain公司是世界百强工业公司之一,是世界工业工程材料的先驱者,名列财富500强企业第188位。2001年销售收入为198亿美元,其中玻璃占38.5%,建筑材料占48.5%,高性能陶瓷材料占13%。不久前圣戈班收购了美国著名的Carborundum和Norton公司。Caram Tec公司是德国最大的技术陶瓷公司,它生产各类先进陶瓷材料,应用于工业和生活的各个领域。英国Morgan公司是英国一家中型企业,以碳材料和陶瓷为主要产品,在60多个国家设立了160多个生产厂。2001年销售收入为10.51亿英镑。

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Caram Tec公司部分产品

在欧美市场,有超过150家的工程陶瓷制造商和几十家相关的原料供应商,但超过65%的工程陶瓷是由7个跨国公司生产的。

 

★ 总结 ★

欧美,日本陶瓷产业在高质量原料的基础上,开展了大量先进陶瓷材料和制品的工业化生产技术和相应装备的研究,实现了大量高端产品的产业化,并发展成为世界级垄断企业。我国企业应当学习先进经验,把握发展脉络,以求在产品方面进行赶超。届时我国的国民经济才会步入良性的发展轨道,中国梦的实现指日可待。

撰写:苗赫濯教授、谢志鹏教授(清华大学)

编辑:安迪

 

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