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【深度】我国先进结构陶瓷产业分布与应用发展状况

日期: 2018-08-16
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★ 前言 ★


    从二十世纪八十年代开始,以高效发动机和燃汽轮机中高温陶瓷关键零部件开发为导向的陶瓷材料的组成设计、晶界工程、净尺寸成型、烧结技术研发,为先进结构陶瓷的研究与发展培育了人才队伍、奠定了基础。此后三十年,我国在高技术陶瓷制备技术研发和产业化方面取得巨大进展。目前已可以制备各类新型结构陶瓷材料和生产各种复杂形状的陶瓷部件,其中一部分结构陶瓷产品已出口海外。另外,国内先进结构陶瓷产业分布与区域特色已经形成。伴随着我国结构陶瓷材料制备技术的进步和市场的强劲需求,结构陶瓷产业呈现出良好的发展态势,新一代结构陶瓷产品的应用涵盖各个领域,在国民经济和工业现代化进程中发挥重要的作用。

先进结构陶瓷产业地域分布

      国内先进结构陶瓷产业主要集中在广东、江苏、山东以及湖南、浙江、江西、河南、辽宁等地,其中广东、江苏、山东、江西、湖南五省的结构陶瓷集中度高,在技术和产品方面具有竞争力。一批有实力的企业得以涌现;同时许多专业技术型的中等规模企业也快速发展。此外还有数百家具有特色的小型结构陶瓷企业。

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先进结构陶瓷产业主要分布区域

       广东省的深圳、佛山、潮州、东莞、汕头等地区的先进陶瓷企业在陶瓷零部件制造上具有一定优势,如光通讯陶瓷插芯、手机陶瓷背板、电子穿戴产品用陶瓷表壳、电子封装陶瓷基板、高强度陶瓷柱塞、陶瓷球阀、陶瓷精密零部件、高温陶瓷棍棒等占据了高附加值工业陶瓷产品的很大市场。 目前共有企业大约200多家,其中发展出一些在国际上具有一定竞争力的大公司或上市公司,如潮州三环、东方锆业、佛山市陶瓷研究所股份有限公司、顺络电子旗下的东莞信柏结构陶瓷公司等,还有一批像深圳商德这类在陶瓷精密成型与精密加工有特色的中小型企业。

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广东潮州三环集团

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东莞信柏结构陶瓷股份有限公司

        江苏的宜兴、苏州、常州、常熟等地区在精密纺织陶瓷零部件、精密陶瓷轴承球、化工用结构陶瓷部件、汽车尾气净化用蜂窝陶瓷、耐磨陶瓷、水处理和烟气处理环保陶瓷等领域具有优势,代表性企业包括江苏宜兴非金属化工机械厂有限公司、宜兴市九荣特种陶瓷有限公司、江苏金盛陶瓷科技有限公司、江苏省陶瓷研究所有限公司、宜兴王子制陶有限公司等。其中宜兴地区的精细陶瓷产业已经形成较大的生产规模,从单一的氧化铝材料发展到现在的氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化钛、滑石瓷、堇青石、碳化硅、氮化硅和氮化硼等多种材料;产品的应用范围也大大扩展,涵盖了许多工业领域,不仅大量出口,而且国内市场的占有率也较高。产品门类也涵盖了纺织瓷、装饰瓷、耐磨陶瓷、环保陶瓷、化工陶瓷等各个领域。其中纺织机械陶瓷和汽车尾气净化蜂窝陶瓷在国内占有优势和领先水平。据不完全统计宜兴市工业陶瓷总产值近数十亿元,其中应税销售超亿元的有5家,5000万元以上的18家。

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 江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司

       山东的淄博、潍坊为工业陶瓷聚集区,拥有工业陶瓷企业100余家和五大类工业陶瓷产品:(a)耐磨氧化铝氧化锆陶瓷内衬与造纸机用陶瓷部件,(b)脱硫脱硝环保陶瓷,(c)石油化工用陶瓷缸套和球阀,(d)透波石英陶瓷和氮化硅陶瓷,(e)耐热耐蚀领域用反应烧结碳化硅陶瓷。代表性企业有山东工陶院、硅苑科技、淄博华创、潍坊华美、潍坊致达。此外,山东东营的上市公司山东国瓷在高性能氧化物纳米陶瓷粉末(如钛酸钡、氧化锆、氧化铝)方面已达到国际先进水平,产品近一半销往国外。山东淄博的工业陶瓷优势和特色在于拥有陶瓷粉体制备、陶瓷机械设备生产、结构陶瓷产品制造及应用的产业链。已形成相当规模的氧化铝耐磨介质,用于造纸的高速纸机耐磨陶瓷件,用于火电系统的陶瓷阀门及管道,用于冶金铸造的陶瓷过滤器、陶瓷升液管,用于化工行业的陶瓷填料,用于各种泵类的陶瓷密封件,用于太阳能行业的石英坩埚,用于电力行业的真空管壳,石油开采用陶瓷缸套和柱塞等产品。潍坊则集中了我国80%以上的反应烧结碳化硅陶瓷产品,产值上十亿,产品品种数百种、不但满足国内需求还大量出口到美国和欧洲等国家。

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山东国瓷功能材料股份有限公司

       江西省的萍乡在化学工业陶瓷、陶瓷填料、耐磨陶瓷、环保过滤陶瓷膜和高压电瓷方面聚集度高,是我国化工陶瓷和高压电瓷的重要生产基地,涌现出一批有规模有影响力的企业,如江西萍乡龙发实业股份有限公司、萍乡顺鹏新材料有限公司,中材江西电瓷电气有限公司,其产品在国内外市场占据较高份额。其中萍乡龙发是国内耐酸耐温防腐化工陶瓷的最大供应商,萍乡顺鹏的耐磨陶瓷产品已出口到欧洲美洲和非洲。此外,还有上百家中小陶瓷企业。作为中国瓷都的景德镇,则在氧化铝陶瓷管壳及瓷件的生产企业较为集中,如景德镇海川特种陶瓷有限公司、景德镇景华特种陶瓷有限公司、景德镇品安特种陶瓷有限公司,其工艺技术主要来自原国营九九九厂。此外还有一些压电陶瓷、蜂窝陶瓷、碳化硼防弹陶瓷、氧化锆陶瓷插芯、滑石瓷的精密陶瓷企业。

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江西萍乡龙发实业股份有限公司

        湖南的娄底市和新化县则是我国氧化铝电子陶瓷、氧化铝精密瓷件、及滑石瓷的主要生产基地,集中了近百家企业,成为地方支柱产业。产品涵盖了用于温控器的95%氧化铝或滑石瓷、保险管陶瓷系列、电光源陶瓷系列、耐热陶瓷系列、水滑片陶瓷系列、新能源汽车继电器用金属化陶瓷外壳系列,涌现了像湖南新化鑫星电子陶瓷有限公司这样的国内最大的陶瓷水滑片生产龙头企业,像湖南省美程陶瓷科技有限公司和娄底市安地亚斯电子陶瓷有限公司这样的为比亚迪等新能源汽车提供继电器金属化陶瓷外壳的大企业。此外,作为釉下五彩陶瓷之都的湖南醴陵市,在高压电瓷和精密陶瓷也形成了一定产业群,集中了一批像湖南醴陵特种电瓷电器有限公司、醴陵华鑫电瓷电器有限公司、湖南正阳精密陶瓷有限公司等有影响力的公司。

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       湖南省美程陶瓷科技有限公司

        河北唐山市依然是我国各种氧化铝陶瓷管和理化瓷的生产基地,产品主要有氧化铝陶瓷管、热电偶保护管、高温炉件、化学瓷件、绝缘瓷件、异型瓷件等,除了满足国内市场还出口到欧美和韩国等亚洲国家。集中了一批像唐山陶瓷集团工业试验厂有限公司、唐山科硕特种陶瓷制造有限公司等有影响力的企业。  

        河南郑州及周边地区依然是氧化铝陶瓷粉末及制品的重要产地,产业规模达到数十亿,集中了一批像中国铝业郑州研究院、河南济源兄弟材料有限责任公司等有影响力的企业。而河南焦作地区则集中了一批氧化锆陶瓷粉末和制品的企业,如焦作市维纳科技有限公司、焦作李封工业有限责任公司。

国内先进结构陶瓷应用状况

      先进结构陶瓷不仅在化工冶金、机械制造、电力电子、能源环保等传统工业领域得到广泛应用,而且在我国航天航空、深空探测、现代通讯、消费电子、生物医疗、国防军工等尖端技术领域获得愈来愈多的应用。一批有实力的企业,如潮州三环、山东国瓷、中材高新、江西赛瓷、东方锆业、宜兴化机、佛山陶瓷所、东莞信柏、萍乡龙发、湖南美程、山东硅苑等产值上亿甚至达到30亿的公司或上市公司得以涌现;同时许多专业技术型的中等规模企业也快速发展,如深圳商德、淄博华创、郑州华硕、潍坊致达、浙江宏泰、广东夏阳、九荣特陶、江苏金盛、

大连金玛硼业、湖南正阳、沈阳星光、北京中兴实强。此外还有数百家具有特色的小型结构陶瓷企业。以下为先进结构陶瓷应用领域:

  机械工业领域

  1

        瓷切削刀具由我国清华大学、北京科技大学等单位最早自主开发的Si3N4陶瓷刀具系列表现出优异的切削性能, 特别适合于铸铁件和高温合金的加工。另外,在此基础上发展出的Si3N4 + TiC (TiCN)复合陶瓷刀具,在国内十几个行业、上千家企业推广应用。与传统刀具相比,其切削效率提高3~10倍,其切削耐用度提高十几倍,带来了显著的增产节能效益。切削刀具的销售量约80~100万片/年,随着我国机械制造业的复苏和发展,其销量将更大。

        机械密封环:我国已成为机械工业中广泛使用的陶瓷密封件的最大生产国,其材质主要采用SiC、Al2O3、Si3N4陶瓷材料,特别是由常压烧结亚微米碳化硅粉末制成的细晶单相碳化硅产品已在化工厂、炼油厂、离心机、水动涡轮、油井和气井的大型泵上应用。在汽车上的燃油泵和冷却水泵上使用的碳化硅滑动密封环的使用寿命通常比整机长多倍。代表性企业有郑州华硕、浙江东新、北京中兴实强,行业产值已达10余亿元。

        精密陶瓷轴承:近十年来国内精密陶瓷轴承发展迅速,成为新一代结构陶瓷的一个重要方向,主要产品包括滚动轴承和滑动轴承,主要采用Si3N4、SiC、ZrO2这三种耐磨陶瓷材料,其中滚动轴承更多倾向于气压烧结Si3N4陶瓷和ZrO2陶瓷,而滑动轴承主要选用常压烧结SiC或SiC/石墨的复合材料。各种陶瓷轴承的滚动寿命排序结果为Al2O3< SiC < ZrO2< Si3N4。混合陶瓷轴承与同规格同精度等级的钢轴承相比,其寿命提高3-6倍,温升可降低35% ~ 60%。陶瓷轴承已在高速机床、医疗装置、化工设备、风力发电等传动系统获得越来越多的应用。热等静压烧结Si3N4轴承已经在火箭的液氢液氧发动机上获得应用。常压烧结SiC或SiC/C的滑动轴承已成为磁力泵、屏蔽泵、真空泵中最理想的滑动轴承。 国内陶瓷轴承球及轴承的生产企业已有二十余家,代表性企业有中材高新、江苏金盛、上海泛联、北京中兴实强、上海材料研究所、洛阳轴承研究所等。

                    



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北京中兴实强生产的碳化硅滑动轴承

                     氮化硅陶瓷轴承                 

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石油化工冶金

2

         陶瓷阀门与缸套:近年来许多单位在陶瓷阀门的研制与生产上日趋成熟,涌现一批陶瓷阀门的专业厂家,如东莞信柏结构陶瓷有限公司、福建智胜特种陶瓷有限公司、天津圣凯、北京中兴实强、山东硅苑、淄博华创等公司。陶瓷阀门的材料包括Al2O3、ZrO2、ZTA(ZrO2增韧Al2O3)、SiC等陶瓷。陶瓷阀门具备优异的耐热、耐磨和耐腐蚀等特性,其寿命比原有的金属阀门提高十倍以上。同样这些耐磨陶瓷也应用于石油开采工业中使用的陶瓷缸套,目前山东的淄博华创精密陶瓷有限公司是最大的陶瓷缸套生产企业。

 

氧化铝陶瓷缸套

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氧化锆陶瓷球阀

        氮化硼、钛酸铝、氮化硅陶瓷是在冶金工业先进结构陶瓷材料应用中的典型。六方氮化硼陶瓷及其复合材料一直以来被大量应用于冶金高温领域,如熔炼有色金属、贵金属和稀有金属的坩埚、器皿、输送泵等部件及硼单晶熔制器皿、水平连续铸造分离环、非晶制带用喷嘴、薄带连铸用侧封板、热电偶保护管、复合陶瓷蒸发舟等。采用氮化硼基陶瓷制成的热电偶保护管可以直接插入钢水并连续测温8~10h。

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     氮化硼基陶瓷分离环    

        氮化硅陶瓷目前逐渐取代钛酸铝陶瓷成为铝铸造工业中许多重要的高温部件,如发热体保护管,除气轴和转子,升液管等。以往该系列氮化硅耐热部件主要由德国和日本才能生产和垄断市场,目前国内在该领域已获得突破,如北京中兴实强等公司已开始生产和进入应用。

               

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           铝液铸造工业用各种氮化硅高温陶瓷保护管

 

新能源环保领域

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        新能源领域使用的新一代结构陶瓷材料日趋多样化,如国内知名陶瓷公司潮州三环为满足燃料电池产业化所需的钪锆陶瓷基板。此外我国多晶硅太阳能电池产业中大尺寸多晶硅锭生产中所使用的耐高温抗热震石英陶瓷坩埚,国内中材高新等公司制备的坩埚尺寸从过去的0.8米发展到现在的1.2米。目前我国已成为全球这一产品的最大生产国,每年达到数十万个。

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石英陶瓷坩埚

        环保过滤陶瓷:随着我国环境污染面临的压力,用于高温烟气脱硫、气固分离、污水净化的过滤陶瓷或陶瓷过滤膜产品快速发展。国内已有江苏久吾高科、山东工陶院、宜兴化机厂等数十家企业生产各类陶瓷过滤膜管和组件,甚至到污水处理和高温烟气处理的环保工程承包的整体服务。

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陶瓷过滤膜管和组件

         汽车尾气净化三元过滤器所使用的国产堇青石蜂窝陶瓷载体的生产规模和产品质量都有显著提升,以宜兴化工机械有限公司、宜兴王子、江苏高淳为代表的企业,已可批量生产应用于汽油车和柴油车的多种规格和型号的蜂窝陶瓷载体。

        此外,铸造过程中用的泡沫过滤陶瓷可排除夹杂物提高铸件的纯度及其机械性能,是生产优质铸件的关键部件。这类泡沫过滤陶瓷的材质有Al2O3、SiC、ZrO2(PSZ)、堇青石等。国内泡沫过滤陶瓷的研制开发还属起步阶段,主要研制与生产单位有山东圣泉、山东硅苑、佛山陶研所等,目前年产值累计已达到数亿元。

光通讯与智能手机领域

4

        光通讯设备中重要的元器件光纤连接器中的插芯和套筒,目前全世界均使用高强度高韧性的纳米氧化锆陶瓷,一般采用陶瓷粉末注射成型高温烧结而制得,过去主要由日本Adamant和Toto公司生产,但近几年以国内企业为主导,主要有潮州三环、晋城富士康、宁波韵升、深圳威谊等十几家企业,年产量达到几十亿只,占全球产量的80%以上。

          

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    纳米氧化锆陶瓷插芯及元件

         伴随我国快速发展的智能手机产业,新一代高性能纳米氧化锆陶瓷已在手机外壳和指纹识别中获得应有,华为P7,小米6和小米MIX 系列手机先后采用了3D和Unibody的精美陶瓷后盖,整机宛若琼玉。最新发展起来的手机陶瓷指纹识别片,采用0.08mm的纳米陶瓷薄片替代传统的玻璃材料。目前国内潮州三环和东莞信柏等公司已形成规模化生产,供应国内外大品牌手机厂商,如小米、OPPO。

    小米MIX系列陶瓷手机

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 指纹识别陶瓷片

国防军工领域

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        新一代结构陶瓷在国防军工领域的应用近十年来在我国发展迅速,主要包括透波导弹天线罩,透波陶瓷,激光陶瓷,陶瓷防弹装甲等。导弹天线罩材料有石英陶瓷,氮化硅陶瓷等。其中石英陶瓷天线罩已批量生产。透波透明陶瓷主要包括氧化钇,氧化镁,镁铝尖晶石,阿隆等。目前国内中材高新和上海硅酸盐研究所等单位在石英陶瓷天线罩和透明透波陶瓷研发和制备技术上都具有一定优势。防弹陶瓷近几年国内产量和品种上有大幅提升,主要是常压烧结碳化硅以及氧化铝陶瓷,热压烧结碳化硼陶瓷,有近二十家企业具备这些防弹陶瓷的生产能力,如大连金玛硼业,宁夏机械研究所,济源兄弟材料有限公司等。

石英陶瓷天线罩 

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镁铝尖晶石透明陶瓷

编辑说明

由于原文篇幅较长,尚有部分内容未能在本篇推文中展出,请关注本公众号的后续更新。

撰写:谢志鹏教授(清华大学)

编辑:安迪

 

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