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【深度】我国先进结构陶瓷产业面临的问题、挑战、痛点

日期: 2018-09-13
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★ 引言★

         在上一篇“我国先进结构陶瓷产业分布与应用发展状况”一文中,从宏观层面展示了我国结构陶瓷产业形成的格局和大致应用发展状况。可见,近三十年来我国从事先进结构陶瓷材料的高校科研院所和众多陶瓷企业在陶瓷材料的研发和产业化方面取得了令人瞩目的成就,已成为先进结构陶瓷材料的制造大国,不但为我国工业化和现代化进程提供了材料保障和支撑,其中不少企业的高性能陶瓷产品出口到海外,这些企业不但有像潮州三环、山东国瓷、顺络电子、中材高新这样的大公司,也有许多像湖南美程、深圳商德、广东夏阳、宜兴九荣、上海华硕、浙江宏泰、北京中兴实强这样具有创新活力的中小型企业。

        但是,从陶瓷产业链和价值链上来看,我国先进结构陶瓷许多企业和产品还处于中低端,总体水平与发达国家相比还有一定差距。从先进陶瓷大国向强国转型,面临的主要问题、挑战与痛点至少包括以下几个方面。




1. 缺乏优质先进陶瓷粉末原料生产企业

        目前,虽然国内先进陶瓷粉末原料生产企业很多,但陶瓷粉末性能通常存在较大的分散性和不稳定性,因此直接影响后续批量化制备的陶瓷产品性能和可靠性。近几年国内在一些高品质氧化物陶瓷粉末产业化方面已有突破,如山东国瓷和广东华旺公司采用先进的水热水解技术生产的纳米氧化锆粉已作为高端生物陶瓷的齿科材料获得广泛应用,在国内外均占有较大的市场份额;潮州三环生产的用于手机陶瓷背板的高强度高韧性氧化锆专用粉,已成功用于小米6、小米MIX2、 OPPO等多款手机陶瓷背板,可经受从1米高度不同角度的跌落无任何破裂;江西赛瓷公司生产的高性能低温烧结纳米氧化锆粉已成功应用于光纤连接器陶瓷插芯,从而打破了日本Tosoh等公司在这一领域的垄断。但是我国在其他许多重要的结构陶瓷粉末方面还达不到这种水平,例如高纯度易烧结的氧化铝陶瓷粉末,仍然依赖从日本大明公司、住友公司、昭和电工以及德国纳博特公司、安迈公司和法国的一些公司进口。特别是高性能非氧化物陶瓷粉末,如氮化硅、氮化铝、碳化硅、碳化硼、硼化锆等共价键陶瓷粉末,国内尚缺乏一流的生产供应商。例如用于制备高强度陶瓷轴承的氮化硅粉末主要依赖从日本宇部公司(简称UBE公司)及瑞典的公司进口;而半导体芯片封装用的高导热基板用氮化铝陶瓷粉主要从日本德山曹达等公司进口,而高性能的碳化硅陶瓷粉末需从法国圣戈班公司进口,高品质的防弹装甲用碳化硼、超高温陶瓷用硼化锆等粉末需从德国H. C. Starck等公司进口;特别是核电站中子吸收用的核级碳化硼原料存在较大差距。大连金玛硼业是国内在高性能碳化硼粉末研发和生产有实力的企业,正在拉近与国际先进水平的差距。上述这些依赖进口的高端陶瓷粉料一旦被卡脖子(类似中兴芯片),将会被置于极端危险的境地。

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日本产易烧结氧化铝粉体

 2. 规模化生产的技术与装备相对落后

        虽然我国高性能结构陶瓷生产工艺技术已有很大提升,但在关键工艺技术和装备上仍然有较大差距,国产装备的性能和可靠性还难以达到国际先进水平。由于结构陶瓷生产的工艺装备,包括粉体处理装置、各种成型设备、不同类型高温烧结炉、精密研磨加工设备,大多不是市场上通用机械装备;开发这些专用设备其性能和可靠性与进口的设备比较均有差距,体现在设备的精度、可靠性和稳定性以及寿命方面。包括像陶瓷粉末喷雾造粒装置、注射成型机、气氛压力烧结炉、热等静压烧结炉、陶瓷精加工的研磨设备、加工中心(CNC)等。例如近几年快速发展起来陶瓷粉末的精密注射成型技术,可以制备形状复杂和内部结构精细的高附加值陶瓷产品,如陶瓷插芯、陶瓷手术刀、陶瓷关节等,但由于成型烧结工艺可控精度以及后续精密机加工设备等原因,导致像半导体工业中大量使用的陶瓷劈刀等产品还无法商业化生产,还需从日本、美国、瑞士进口。

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3. 企业的技术创新及工程化能力还较弱

        国内先进结构陶瓷材料的企业虽然多达上千家,但以中小企业居多。由于目前这类企业的专业技术人员(包括工程师和技术工人)普遍比较缺乏,研发力量比较弱,特别是具有十年以上研发和生产经验的陶瓷工艺工程师和机加工等方面的工程师一人难求,因此在新产品和新工艺的研发方面不像国外公司那样快速又有条件保障。即使现在通过产学研结合,将大学和科研院所的成果到企业进行转化,但由于受到企业工程技术人员少和工艺装备的局限性,要快速实现产业化和规模化的时间周期也比较长,因此常常失去进入市场的有利时机;可见我国在先进陶瓷产业上的工程师和技术研发人员的严重缺失,已成为制约整个产业发展的一大瓶颈。

4. 急需具有国际品牌或专业化的公司

        如前所述,美国、日本、德国、法国、英国等发达国家在先进陶瓷材料这一领域已有一批具有国际品牌价值和影响力的大公司,如美国的库尔斯泰克(CoorsTec)、康宁(Coning)、赛瑞丹(Ceradyne)等公司、日本的京瓷(Kyocera)公司、NGK和NTK公司、东芝陶瓷、德国赛琅泰克(CeramTec)公司、法国圣戈班(Saint-Gobain)公司、英国的摩根(Morgan)公司,这些大公司的产品品质高、种类多、销往全球,包括中国也要进口他们的许多产品。此外上述发达国家还有一批企业具有高度专业化的水准,如专业生产纳米氧化锆粉末原料的日本东曹(Tosoh)公司和专业生产氮化硅粉末原料日本宇部公司(简称UBE),在全球享有盛誉,以至于美国苹果公司的无线充电的智能手表陶瓷后盖,指名必须采用日本Tosoh公司的原料。又例如美国奎斯特技术公司(Quest Technology. LP)其技术核心是注射成型工艺和注射模具的制造,公司生产的产品主要是氧化铝、氮化铝、氮化硅等高技术结构陶瓷,其生产最大的特点是精密注射成型生产线和相应的注射摸具加工配套,产品精度非常高。

        我国近几年虽然也涌现了像潮州三环、山东国瓷、顺络电子、中材高新等大公司,在国际上开始产生影响力,但绝大多数结构陶瓷企业的品牌价值和影响力尚未形成,具有高度专业化的陶瓷公司也比较少。此外,许多中小型陶瓷企业的产品同质化现象严重,恶性竞争比较激烈,且产品性能指标达不到国际先进水平,因此还难以进入广阔的国际市场。

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日本精密陶瓷照片


结构陶瓷产业的十大“痛点”


(1)高性能氮化硅和氮化铝粉末

       这两种重要的先进陶瓷粉末原料严重依赖进口,主要来自日本宇部(UBE)公司,日本德山曹达等公司,不但价格昂贵且供货不能保障。国内的生产企业无论在粉末性能还是批量生产的稳定性和一致性方面均有较大差距,从而在一定程度上制约了像高端陶瓷轴承球、高导热高强度陶瓷基板等许多高附加值陶瓷产品的产业化。

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(2)高导热高强度氮化硅陶瓷基板

        随着新能源汽车、高铁、风力发电和5G基站的快速发展,这些新产业中所用的大功率器件IGBT对最新一代的高导热高强度的氮化硅陶瓷基板需求巨大,仅中车集团每年需求量就达到500万片;日本的京瓷和美国罗杰斯等公司都已可批量生产和提供覆铜刻蚀的氮化硅陶瓷基板;国内起步较晚,但近几年大学研究机构和一些企业都在加快研发并取得较大进展,其导热率>90WM/K,抗弯强度>650MPa,断裂韧性>6.5MPa.m1/2;但距产业化还有一定差距。

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高导热高强度氮化硅陶瓷基板

(3)高性能氮化铝氮化硅覆铜板的制备

        对于IGBT用高导热氮化铝氮化硅覆铜基板还是以进口为主,特别是在高铁上的大功率器件控制模块;国内的基板覆铜技术尚不能完全达到对覆铜板的严格考核,例如冷热循环次数。目前,国际上都采用先进的活化金属键合(AMB)技术进行覆铜,比直接覆铜(DBC)具有更高的结合强度和抗冷热循环特性

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(4)易烧结细晶氧化铝陶瓷粉末

         许多高端的氧化铝陶瓷产品如氧化铝体系的生物陶瓷、陶瓷基板、真空管壳、耐磨纺织瓷件、电子真空瓷件等所使用的氧化铝粉末还依赖从日本、德国、美国进口,特别是制备氧化铝含量为99.5%、99.7%、99.8%、99.9%的晶粒细小、结构均匀、机电性能和耐磨性好的氧化铝陶瓷零部件;国内厂家在氧化铝粉末的杂质含量控制、烧结活性,特别是烧结成瓷后的显微结构均匀性和材料性能上还具有差距。

(5)压力传感器用氧化铝平板

        氧化铝陶瓷平板电容式压力传感器在各种汽车上用量巨大,市场达近百亿,但目前这种氧化铝平板主要依赖进口。国产氧化铝板在材料的弹性模量、弹性变形循环次数、使用寿命和可靠性等方面还有差距,尚未进入商业化实际应用。

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(6)平板式氧化锆基氧传感器

        平板式氧化锆氧传感器对降低汽车排气有害物的排放及燃油经济性的提高起到很大的作用,目前汽车用氧传感器以浓差电池型氧化锆传感器为主。近年来,国内汽车持有量日益增多,每辆汽车至少要安装2个氧传感器,氧传感器市场年增长率达30%,并且氧传感器属于易损件,基本上每个大修期(甚至每年)都要更换,而目前我国所有的汽车氧 传感器几乎全部依赖进口或者进口组装。庞大的汽车氧传感器市场、严格的汽车尾气排放法规和我国国内相关技术的欠缺,使得研究和开发具有我国自主产权的性能好、可靠性高的氧传感器产品显得尤为迫切和重要。现在,生产汽车氧传感器的主要有Bosch、Delphi、Denso、NTK、Kefico等,以及其在各地的一些合资公司和子公司。其中Bosch公司为最大的氧传感器生产企业。另外,国外一些陶瓷企业,依靠其强大的陶瓷开发能力,生产氧传感器敏感元件和陶瓷加热器,如日本京瓷。

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氧传感器

(7)生物陶瓷髋关节

        生物陶瓷髋关节市场需求巨大,全球平均每2分钟就有一例陶瓷髋关节置换手术,目前主要由德国赛琅泰克公司和日本京瓷等公司生产,国内每年需要大量进口。陶瓷髋关节材料性能和可靠性要求非常高,使用寿命至少20年。德国赛琅泰克公司生产的这种采用ZrO2和SrAl12-xCrxO19板状晶协同增强增韧Al2O3基复相陶瓷材料,其抗弯强度和断裂韧性分别达到1380MPa和6.5 MPa·m1/2,国内还是空白。

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德国赛琅泰克陶瓷髋关节

(8)长寿命高耐磨陶瓷轴承球和轴承

        在航天发动机、风力发电、数控机床等高端装备所使用的陶瓷轴承,不但要求高的力学性能和热学性能,而且要求优异的耐磨性、可靠性和长寿命,目前国产的氮化硅陶瓷轴承球与日本东芝陶瓷公司还有明显差距;与国际上著名的瑞典SKF公司、德国FAG公司和日本KOYO等轴承公司相比,我们的轴承还处于产业链的中低端,像风电和数控机床等高端产品还依赖进口。

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 东芝氮化硅陶瓷轴承

(9)大尺寸透明透波陶瓷

      在军工国防用到的透明和透红外线陶瓷材料,如Y2O3(氧化钇)、MgO(氧化镁)、AlON(阿隆)、MgAl2O4(镁铝尖晶石)陶瓷以及具有激光特性Nd:YAG)透明陶瓷。目前我们的技术还限于制备有限的尺寸,对于国际上已达到半米的大尺寸透明透波陶瓷材料我们还很困难,无论在工艺技术和装备上均有差距。

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美国Armorline的大尺寸镁铝尖晶石透明陶瓷

(10)半导体晶圆生产线上的陶瓷备件

     半导体晶圆生产线上需要使用到大量的陶瓷备件,例如陶瓷盘、陶瓷手臂、陶瓷环、保持架等;涵盖了氧化铝、氮化铝、碳化硅等多种结构陶瓷材料,要求材料纯度高、致密均匀、产品加工精度和光洁度极高。国内只有少数几家企业提供部分这类产品,像高端的氮化铝与碳化硅陶瓷备件还得依赖进口。

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英国摩根公司产晶圆生产线陶瓷备件


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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

撰写:谢志鹏教授

编辑:安迪博士

 

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