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陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

日期: 2019-01-16
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1先进陶瓷简介

陶瓷与金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料,在人类生活和社会建设中不可或缺。

三大固体材料

陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

按陶瓷的概念和用途分类,陶瓷制品分为普通陶瓷(传统陶瓷)与先进陶瓷(先进陶瓷)两大类。其中,普通陶瓷是指以黏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。

先进陶瓷是相对于普通陶瓷而言,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,并且特性优异的陶瓷。先进陶瓷广泛应用于高温、腐蚀,电子、光学领域,作为一种新兴材料,以其优异的性能在材料领域独树一帜,受到人们的高度重视,在未来的社会中将发挥重要的作用。

普通陶瓷与先进陶瓷的主要区别
陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

2先进陶瓷的分类

1.按化学成分分类

先进陶瓷按化学成分分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。

2.按性能和用途分类

先进陶瓷按其特性和用途可分为结构陶瓷与功能陶瓷两大类。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。

先进陶瓷应用性能分类

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结构陶瓷

结构陶瓷是指能作为工程结构材料使用的陶瓷,具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、抗热震等特性,大致分为氧化物系、非氧化物系和结构用陶瓷基复合材料。

结构陶瓷主要有:切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器和装甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化钛(TiB2)、氧化铝(A12O3)和赛隆(Sialon)等。

1)Si3N4基陶瓷材料

C纤维增强Si3N4基陶瓷材料,用ZrO2的变相效应防止由于纤维与基体的热膨胀系数上的不匹配而产生的裂纹,所获得的复合材料的断裂韧性提高5倍。氮化硅陶瓷以其优异的综合性能和丰富的资源成为高性能陶瓷中最有应用潜力的一种切削工具,每年约有140吨氮化硅粉末用于刀具制造,价值约3亿美元。

2)碳化硅基陶瓷

用热压工艺制得的碳化硅陶瓷,其密度可以接近理论密度,弯曲强度即使在1400℃左右的高温仍可达到500~600MPa。用CVI法制得的C纤维补强的碳化硅复合材料,强度为520MPa,而断裂韧性达到16.5MPa·m。加入25vol%TiB的碳化硅复相陶瓷,如果严格控制起始的颗粒尺寸,可使强度达到888MPa,断裂强度达到8.8MPa·m。可以说碳化硅是高温空气中强度最高的材料,其热导率仅次于氧化铍陶瓷材料。中国有很多企业生产碳化硅粉 ,其中很大一部分出口,但是主要都是低品味的用于制造耐火砖用的碳化硅粉。东欧有15万吨/年的生产能力,北美的生产量为10万吨/年。高纯、高活性的碳化硅微细粉价格很高,为14-40美元/公斤,年需求额约1500万美元,这种粉末用于制造高性能的碳化硅陶瓷。

3)氧化锆增韧陶瓷

氧化锆增韧陶瓷在结构陶瓷研究中取得了重大的进展,经过增韧的陶瓷品种也很多,目前已经知道的可使氧化锆稳定的添加物有:氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化钇、氧化铈等单一的氧化物或它们的复合氧化物。被增韧的材料,除了稳定的氧化锆以外,还有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。在氧化铝中添加16vol%的氧化锆增韧处理,得到材料的强度为1200MPa,断裂韧性为15.0MPa.m。氧化锆增韧陶瓷材料在室温下具有最高的强度和断裂韧性,今后将着重提高其高温的性能。

功能陶瓷

功能陶瓷是指具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷的品种繁多,这类材料具有微波介电性能、气敏性能、超导性能、电阻梯度性能、铁电性能及其相变行为、多层驱动性、弛豫性能等多种优良的功能,应用十分广泛。

1)电子绝缘材料

目前国内外常用的电子绝缘材料是Al2O3。近年来出现的新型电子绝缘材料,如AlN陶瓷,具有高强度、高绝缘性、低介电常数、高的热导率等优良的性能,且其热膨胀系数能够与单晶硅相匹配,主要应用是作为大规模集成电路和电力模块电路的散热基板。

2)电介质材料

用于调谐电路、保护逻辑及记忆单元的陶瓷电容器介质材料多数为BaTiO3基材料,此外还有高介的复合钙钛矿材料,频率为105Hz时,介电常数高达105的高介材料晶界层电容器的出现,使常规瓷介电容器的介电常数提高数倍甚至数十倍。

3)压电陶瓷材料

常用的压电元件:传感器、气体点火器、报警器、音响设备、医疗诊断设备及通讯等。通常的压电材料是PZT,新型的压电陶瓷材料主要有:高灵敏、高稳定压电陶瓷材料、电致伸缩陶瓷材料,热释电陶瓷材料等。

4)磁性陶瓷材料

磁性陶瓷材料可分为硬磁性和软磁性材料两类,前者不易磁化,也不易失去磁性。代表性硬磁材料为铁氧体磁铁和稀土磁体,主要用于磁铁和磁存储元件。软磁性材料易磁化及去磁,磁场方向可以改变,主要用于交变磁场响应的电子部件。

5)超导陶瓷材料

从二十世纪80年代对超导陶瓷的研究有重大突破以来,对高温超导陶瓷材料的研究及应用就倍受关注。近十几年以来,我国在这方面的研究一直处于世界先进水平。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用、电子学应用、抗磁性等方面发展。

6)抗杀菌陶瓷材料

抗杀菌陶瓷材料是随着科学的发展及社会的文明而产生的新一代功能材料。无机抗杀菌剂按作用于微生物的机理可分为三类:一类是主要通过物理吸附或离子交换将银、铜 、锌等具有抗杀菌作用的金属或其离子固定在沸石、磷灰石、硅胶、玻璃等无机材料载体上而制成;第二类是二氧化钛粒子光催化抗杀菌剂,二氧化钛在光照下能使氧分子变成活性氧,使水产生活性氧自由基而发挥抗菌杀菌的作用;第三类是具有远红外辐射功能的抗杀菌材料,远红外线的抗杀菌功能效果有限,因此这种材料必须与前两种材料配合使用,才能有更好的应用价值。

3先进陶瓷的工艺

从本质上来讲,陶瓷材料的成型就是通过某些工艺步骤将一些分离的陶瓷颗粒固结在一起以形成具有一定尺寸形状和机械强度的均匀坯体。随后,通过烧结工艺使坯体转化为制品。与其他材料一样,陶瓷材料的显微结构决定着材料的性能。

而陶瓷材料的结构受到以下因素的影响:粉末原料的化学性质以及总组成、粉料的表面化学、颗粒形貌(表面积、颗粒尺寸及形状)、成型工艺及成型条件、烧结工艺以及条件等。从起始粉末原料到最终的陶瓷制品,原材料的特性和制备工艺过程的每一个环节都是影响材料显微结构以及性能的决定性因素。

先进陶瓷材料的制备工艺

4先进陶瓷的应用

先进陶瓷因其特定的精细结构和高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航空、航天、生物医学等国民经济各个领域。以下为先进陶瓷材料在汽车上的应用示例。

陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

这辆独一无二的陶瓷版布加迪威龙白金跑车是法国超级跑车制造商布加迪与柏林皇家瓷器建造厂联合推出的。它采用陶瓷材质进行整车制造,油箱盖、车标和轮盖部位由特殊材料制成。它由一个8升W16引擎提供动力,可产生1000马力,由于动力十足,时速从0加速到62英里(约100公里)仅需2.5秒,最大时速可达253英里(约407公里),出厂售价为160万英镑。

1.陶瓷在汽车发动机上的应用

新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成,是氧化铝陶瓷强度的三倍以上,能耐1000℃以上高温。要将柴油机的燃耗费降低30%以上,新型陶瓷是不可缺少的。现在汽油机中,燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的,柴油机热效率为33%,与汽油机相比已十分优越,然而仍有60%以上的热能量损失掉。

因此,为减少这部分损失,用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热,进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量,有试验证明,这样可把热效率提高到48%。同时由于新型陶瓷的使用,柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器,它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性,而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此,新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。

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2.特种敏感陶瓷在汽车传感器上应用

对汽车用传感器的要求是能长久适用于汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气),并应当具有小型轻量,重复使用性好,输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能,近年来随着制造技术的进步而得到充分利用,敏感陶瓷材料制成的传感器完全能够满足上述要求。

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3.陶瓷在汽车制动器上的应用

陶瓷制动器是在碳纤维制动器的基础上制造而成的。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维和树脂构成,它被机器压制成形,之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器,陶瓷制动器的碳硅化合物表面的硬度接近钻石,碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击,耐腐蚀,让碟片极为耐磨。目前此类技术除了在F1赛车中应用,在超级民用跑车中也有涉及。

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4.陶瓷在汽车减振器上的应用

高级轿车的减振装置是综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件,这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能,可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。

陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

5.陶瓷材料在汽车喷涂技术上的应用

近年来,在航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术的优点是隔热效果好、能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热的目标,可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂,如活塞顶喷的氧化锆,缸套喷的氧化锆。经过这种处理的发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。

陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

总之,特种陶瓷是一种正在不断开发中的陶瓷材料产品,但原料的制取、材料的评价和利用技术等许多方面都有尚待解决的课题。目前,特种陶瓷在汽车的应用并不广泛,其中的主要原因有:制造工艺复杂、要求高;因特种陶瓷对原材料要求比较严格、工艺难以掌握,使得各批制品的性能难以保持均匀一致;成本较高,可加工性差、脆性大、使用可靠性差。不过,人们有充分理由相信,随着科学技术的飞速发展,在未来的汽车制造业中将会有更多的特种陶瓷、智能陶瓷制品被引入和采用到汽车上,而且一定会在汽车生产中得到广泛的应用。

不仅如此,伴随先进陶瓷各种功能的不断发掘,其在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益显著,市场容量也将进一步提升。

5先进陶瓷的市场规模

据估计,2015年全球先进陶瓷市场规模为567亿美元,未来几年里,多个终端行业的需求量增长将对先进陶瓷行业带来正面影响,预计到2024年,全球先进陶瓷市场规模将达1346美元,2015-2024年复合增速约为10%。

陶瓷材料|先进陶瓷的分类、应用及市场规模

 

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