智能手机、液晶电视、电脑、汽车这些产品中都应用了众多尖端的先进技术，而陶瓷在其中同样不可或缺。例如，一部智能手机中使用的微型电子元器件——陶瓷电容器，就有数百上千个之多。但这类陶瓷并不是人们生活中常见的“瓷砖”“瓷碗”，它们是使用高精工艺生产出来的先进陶瓷。

先进陶瓷材料具有金属和高分子材料所不具备的高模量、高硬度、耐高温等优异性能，其在航天航空、国防军工、核电与新能源、半导体芯片封装等领域应用越来越广泛。因此，先进陶瓷材料发展突飞猛进。目前，日、美、欧在先进陶瓷材料的研发处于前列，全球市场被以日企为代表的外资企业垄断。因此，加速国产研发才能突破垄断，以防陷入同芯片封锁的危机困境中。

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什么是先进陶瓷？

陶瓷制品分为普通陶瓷与先进陶瓷两大类，其中的先进陶瓷，又称新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷等，它是指采用高纯度、超细人工合成或精选的无机化合物为原料，具有精确的化学组成、精密的制造加工技术和结构设计，并具有优异的力学、声、光、热、电、生物等特性的陶瓷，在航空航天、电子信息、生物医药、高端装备制造等高端科技领域随处可见。

先进陶瓷与传统陶瓷的区别：

先进陶瓷的分类及应用

先进陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。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、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相互转换功能的一类陶瓷。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。

先进陶瓷部分应用如下：

1、电子陶瓷

随着信息化产业、电子消费产业的快速发展，工业用电子产品、消费电子产品将保持快速发展趋势，对电子陶瓷的需求巨大，预计到2020年全球电子陶瓷需求将突破400亿美元。电子陶瓷是先进陶瓷中最成熟的技术产品，占先进陶瓷市场份额的65%。主要用于芯片、电容、集成电路封装、传感器、绝缘体、铁磁体、压电陶瓷、半导体、超导等。主要材料有钛酸钡、氧化锌、钛锆酸铅、铌酸锂、氮化铝、二氧化锆和氧化铝等。

2、生物陶瓷

生物陶瓷是指直接作用于人体或者与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料，广义讲，凡属于生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。作为生物陶瓷材料应具备以下功能:代替人体内有病的或损伤的部分,作为人体先天性缺损部分的代用品，有助于人体内组织的恢复。

生物医用材料目前已成为各国科学家竞相研究和开发的热点，国内生物医学材料和制品70%-80%依赖进口，并基本属于仿制，我国的生物医用材料在全球的市场份额仅占2%，产品技术水平大多处于初级阶段。伴随社会人口的老龄化，到2020年，我国将需要人工关节80万套/年、血管支架160万个/年、眼内人工晶体140万个/年，对生物陶瓷材料需求将会大幅增加。

生物陶瓷除用于测量、诊断、治疗外, 主要是作为生物硬组织的代用材料, 可应用在骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科、耳喉鼻科及普通外科等各个方面。

3、纳米陶瓷

近年来纳米陶瓷倍受人们关注。当所选用的原料以及成材后晶粒达到纳米量级时，将为陶瓷材料的制备科学、陶瓷学、陶瓷工艺以及最终的材料性能带来突变，从而开辟陶瓷材料更广泛的用途。

目前纳米陶瓷制备方法有三大类：物理制备法、气相法、湿化学法。制备的纳米陶瓷粉体有：Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、Si₂N、SiC、BaTiO₃、TiO₂等。纳米陶瓷的研制，带动了一些新的快速烧结设备的开发，如真空烧结工艺、微波烧结工艺和等离子烧结技术(SPS)等。

4、低膨胀陶瓷

热膨胀系数绝对值小于2 ×10⁻⁶ /℃的材料称为低膨胀材料，膨胀系数接近于零的材料为超低膨胀材料。低膨胀陶瓷，特别是零膨胀陶瓷或负膨胀陶瓷，可作为发动机主要部件，航空材料叶片，炉具垫片，电路基片，天文镜坯及天线罩，高温观察窗，精密计量等器件，载体及过滤器，核废料固定化，封接材料等高技术材料。

5、节能环保和新能源领域使用的先进陶瓷

随着经济高速发展、能源需求迅速增加，工业及生活废弃物巨量产生，能源节约和环境保护已经成为国际社会日益关心的重大问题。在能源匮乏和环境恶化日益严重的情况下，先进、高效节能环保技术得以实现的节能蓄热式热力垃圾焚烧炉(RT0)和冶炼行业节能蓄热室用蜂窝陶瓷、热气体净化领域和水处理领域用的陶瓷膜及装备、特高压交流输电技术与装备用的系列超/特高压悬式瓷绝缘子、蓄热换热用的碳化硅陶瓷部件、光伏产业用系列陶瓷制品都将会获得难得的发展契机。

6、航空航天陶瓷

应用主要涉及直升机用防弹装甲陶瓷、飞机刹车盘材料、卫星电池用陶瓷隔膜材料、红外隐身（伪装）涂料、陶瓷轴承、导弹用陶瓷天线罩材料等。目前在航空航天中的应用研究主要集中在火箭喷嘴的耐热材料，太空飞船的隔热瓦，复合工程陶瓷材料以及宇宙飞船的观察窗涂层等，尤其是对具有轻质耐热、耐烧蚀、高熔点高强度的陶瓷纤维的研发极为关注。

02

国外发展现状

1、日本

日本在高韧性陶瓷领域和电子陶瓷位于领先地位。目前，全球先进陶瓷元件市场主要由日本制造商占据。各类先进陶瓷产品，包括热传感器、压力传感器、光传感器等，日本占据了大部分市场。在新型超塑陶瓷、塑料陶瓷、陶瓷发动机等研发领域，日本处于领先地位。京瓷集团是全球规模最大的先进陶瓷供应商，日本碍子在半导体设备的陶瓷加热器产品拥有较高市场份额，日本特殊陶业在导体设备的静电卡盘产品全球市场拥有较高份额。从结构陶瓷产品的开发和生产来看，东芝处于领先地位，其生产半导体生所需的敏感元件主要采用氧化铝、氮化硅、碳化硅等材料。

2、美国

美国高温结构先进陶瓷的发展良好，在航空航天和核能领域应用处于领先地位。从 2000 年开始，美国陶瓷协会和美国能源部联合资助并实施了为期 20 年的美国先进陶瓷发展计划。目前，美国在新型陶瓷材料如纳米陶瓷技术、陶瓷装甲、核电用陶瓷、透光透波陶瓷等制备技术取得重大进展。库斯泰克和康宁是美国结构陶瓷主要制造商。库斯泰克作为美国市场高技术陶瓷领先的供应商，其主要生产陶瓷基板、电真空陶瓷、精密陶瓷零件、半导体设备陶瓷零件。康宁是晶圆陶瓷、光电材料、高性能特种玻璃、汽车尾气过滤器的主要供应商，其蜂窝陶瓷技术和生产处于世界领先地位。

3、欧洲

欧盟在功能陶瓷领域优势明显。其主要研究发电设备领域新材料技术，如排气管内衬、涡轮增压器转子结构、陶瓷活塞、燃气轮机转子等。欧洲生产先进陶瓷的大型公司有法国圣戈班 (Saint-Gobain)、德国赛琅泰克 (CeramTec)、英国摩根 (Morgan)。圣戈班是世界工业工程材料先驱者，其中高性能陶瓷材料占 15% 以上。赛琅泰克是德国最大的技术陶瓷公司，生产各类先进陶瓷材料，应用于现代工业和生物医疗各个领域。摩根在材料科学、专业制造和应用工程领域具有全球领先的实力，产品包括先进陶瓷、电碳材料、特种石墨等。

03

国内发展现状

20世纪80年代到90年代初，许多现代陶瓷理论和工艺在精细陶瓷的制备中得到应用。利用和金属材料的相变理论、仿生学等学科的交叉使得材料的性能得到了大幅的提高，研制的纤维补强复相陶瓷，陶瓷基复合材料的韧性得到较大提高，通过仿生学在精细陶瓷制备工艺中得到应用，层状材料得到较大发展。

聚合物裂解转化、化学气相沉（渗）积、溶胶工艺的采用，使得特种纤维的制造、连续纤维复合材料制备技术快速发展。纳米技术在陶瓷中的应用使材料性能发生根本性变化，使某些陶瓷具有超塑性或使陶瓷的烧结温度大大降低。

进入21世纪，功能陶瓷的研究也得到了国家和各科研院所的高度重视。从1995—2015年我国先进陶瓷产值及预测可以看出，我国先进陶瓷产业进入了快速发展期，预计到2015年产值可达到450亿元。精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧结技术、低成本规模化制备技术，陶瓷加工系统等领域不断打破国外垄断和技术封锁。

例如凝胶注模工艺生产的大尺寸熔融石英陶瓷方坩埚打破了美国赛瑞丹、日本东芝和法国维苏威3大公司的技术垄断，在2007年率先实现国产化，通过近5年的不断发展，已经形成110～1100mm系列产品，产能居于全球第1位。

太阳能熔融石英方坩埚（110～1100mm）

但是，国内先进陶瓷总体水平与美国、日本和德国相比还存在一定的差距。主要表现在3个方面：

技术及新产品工程转化极度匮乏

世界上开发了200多种陶瓷材料及2000多种应用产品。虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。

高端粉体制备及分散技术远远落后

我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。例如：高纯氧化铝粉，日本企业99.99%氧化铝粉烧结温度只需1300℃，而国内需要到1600℃以上；高纯氮化硅粉仍受到日本UBE和德国H.C.Stark的限制，国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动。同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。

制造装备加工技术落后

虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。

我国在“十二五”科技发展规划中明确指出大力发展新型功能与智能材料、先进结构与复合材料、纳米材料、新型电子功能材料、高温合金材料等关键基础材料。实施高性能纤维及复合材料、先进稀土材料等科技产业化工程。掌握新材料的设计、制备加工、高效利用、安全服役、低成本循环再利用等关键技术，提高关键材料的供给能力，抢占新材料应用技术和高端制造制高点。

同时，对先进陶瓷主要应用领域新能源、电子信息、环境保护、高端机械制造等同样提出了规划要求，将进一步推动我国先进陶瓷向规模化、应用化、高端化发展。

04

先进陶瓷研发与产业化问题解析

1. 国内先进陶瓷产业与国外的差距

当前，国内先进陶瓷材料在各领域内的应用总体来说还与国外发达国家相比有明显的差距，特别是基础技术、应用技术和产业化方面，满足不了国民经济迅速发展的要求，国内先进陶瓷产业与国外存在一定差距，可以概括为以下四个方面：

（1）市场

目前世界最先进和高附加值的先进陶瓷产品，特别是高端装备中大量的陶瓷制品仍需进口，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器、风力发电机陶瓷绝缘轴承等，国内各龙头企业占据市场份额较低，与国外仍有较大差距。

（2）粉体与器件

现阶段国内材料的纯度、分散性、均匀性、性能稳定性等均与国外有较大差距，高质量粉体高度依赖进口；器件性能与国外存在5-30年代差。

（3）知识产权和标准

国内先进陶瓷知识产权布局和标准布局都起步较晚，知识产权中整体的专利布局数量、质量与国外比有较大差距，龙头企业申请的专利数量、质量也与国外龙头相差甚远。

（4）产业化能力

国内企业的高质量先进陶瓷产业化时间节点、能力及产量均落后国外企业。

2. 国内先进陶瓷产业差距问题的原因

先进陶瓷产业出现这些问题的原因有很多，我们从整体角度分析了原因，包括以下几个方面：

（1）顶层设计

材料属于产业而不是行业，是各个行业的基础和支撑，与各个行业都相关，而材料产业又有“三高三长”的特点，所以材料产业的利润和价值体现在延伸或者关联产业。而材料产业更重视核心技术及平台的打造，最终形成深化后续应用的竞争优势的解决方案，而不是简单的产品或者商品。所以特别需要顶层设计、整体管理、战略布局、系统规划。

（2）基础研究与应用研究

由于学校的体制和企业的机制，学校基础研究的方向很多都是规划在论文影响因子高和学生能够有效毕业的领域；而企业基础研究的方向，由于投入大、周期长、见效慢，往往更重视能够二次创新形成短期效益和引进人员快速获得成功的投入，所以最后基础研究集中度很高，但深度、广度、高度、长度都远远不够。应用研究实际上包含应用平台（解决技术、产品功效关系的研发；属于应用研究深度）和应用中心（解决技术、产品、商品匹配度方面的研发；属于应用研究广度），但由于企业之间信用基础不够、护城河很难建立，竞争和保密成为主旋律，因此以竞合为基础的应用研究很难有效、高质量、可持续的进行。

（3）矿产资源

我国先进陶瓷的锆矿、铝矿等矿产资源贫瘠，无大型矿产供应商，资源严重依赖进口，而对于矿产加工能力虽然很高，但深度应用十分欠缺。

（4）人才结构与薪资压力

高中学子读大学时对材料专业热情度低，材料、化学类研究生占比比较少，且材料类研究生就业时只有少部分会选择先进制造行业，选择材料就会更少，造成人才资源严重不足。此外，材料类毕业生薪资普遍低于计算机、金融类、互联网等行业毕业生，不及全国毕业生平均薪资，而先进陶瓷在材料领域也不属于热门，大家兴趣更低。

（5）资本青睐度

外部资本、内部资本在先进制造业的投资数量和投资金额明显较其他行业少，而材料产业就更少。

05

发展与展望

在近20年，不论是六、七十年前发明的流延成型技术、常压烧结,还是一、二十年刚刚兴起的注凝成型技术、放电等离子烧结技术，为了满足应用和研究的需要，都进行了大跨步的技术升级，相关的理论研究也取得长足的进展。

国内的先进陶瓷体系不断拓展，制备技术不断丰富与进步，应用领域也从单一的军事、航空航天推广到环保、新能源、电子信息等更为广泛的民用市场，陶瓷材料也从结构陶瓷、功能陶瓷向结构——功能一体化发展。针对目前国内先进陶瓷现状，仍需从几个方面进行重点研究开发：

陶瓷技术的基础理论研究和结构设计需要匹配应用领域对先进陶瓷的发展要求，能够对新体系、新产品、新应用和批量化转化提供技术保障；

陶瓷粉体技术的研究与产业化，要打破高端粉体仍受国外制约的现状，满足陶瓷材料发展的基本需要；

增韧技术的研究是突破先进陶瓷应用局限性的关键之一，强韧化技术将实现先进陶瓷应用翻天覆地的变化；

降低先进陶瓷生产成本是突破先进陶瓷应用局限性的另一个关键因素，特别是大批量化生产制备技术、生产装备的精密制造技术、陶瓷精密加工技术的发展将决定成本降低的能力；

注射成型、注凝成型和固体无模成型技术将成为最具批量化应用潜力的成型技术，微波烧结、放电等离子烧结技术将会给陶瓷材料性能带来质的飞跃；

结合“十三五”规划的要求和工业发展的要求，能源转化载体的储能陶瓷、在环境保护中作用突出的过滤陶瓷（膜）等功能——结构一体化陶瓷、以Si3N4为代表综合性能优良的结构陶瓷、以AlON透明陶瓷为代表的光电陶瓷将成为应用、研究的主力。

我国从事先进陶瓷研究的单位有300多家，技术积累日益丰厚，以中材高新材料股份有限公司、中科院上海硅酸盐研究所、清华大学等为代表的单位在新体系研究设计、产业化转化方面对我国先进陶瓷发展发挥了重要推动作用。

当今先进陶瓷材料的发展不再局限于传统技术，而更多的是与现代信息、自动化技术、不同材料的结合而形成新的技术科学（计算材料科学、功能——结构一体化等），先进陶瓷发展的新时代即将到来。

文章来源： 先进陶瓷展，中关村智造大街， 新材料快讯