工业陶瓷的研发与应用进展

吴建锋，徐笑阳，徐晓虹，成 昊，张亚祥

（武汉理工大学，硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

工业陶瓷的研发与应用进展

吴建锋，徐笑阳，徐晓虹，成 昊，张亚祥

（武汉理工大学，硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

随着近代科学技术的飞速发展，工业陶瓷制品技术含量逐步提高，其产业规模也不断扩大，工业陶瓷已成为高技术发展的重要关键材料，具有广阔地发展和应用前景。本文综述了国内外工业陶瓷的市场规模、研发特点和发展趋势，并介绍了国外相关企业的典型产品；对我国工业陶瓷的瓷区分布、产品种类及其应用领域进行了概述，并指出工业陶瓷的发展应着重于原料生产标准化、工艺改进和设备研发；提出工业陶瓷未来发展应紧密关注国家相关政策以及国家重大需求，关注工业陶瓷新材料和新应用。

工业陶瓷；研发；应用；展望

0 引 言

陶瓷(Ceramic)是人类最早使用的材料之一，传统概念上的陶瓷是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料,经过粉碎、成型、煅烧等过程制成的各种制品。随着生产的发展和科学技术的进步，工业陶瓷材料虽然制作工艺和生产过程基本上还沿用传统陶瓷的生产工艺，但所用原料已不仅仅是天然的矿物，还有经过人工提纯或人工合成的，组成配合范围已扩大到整个无机非金属材料的范围。因此，工业陶瓷的含义可定义为用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。

工业陶瓷(Industrial Ceramics)是伴随着现代工业技术的发展而出现的各种新型陶瓷总称，也称之为“特种陶瓷”、“工程陶瓷”、“现代陶瓷”、“精细陶瓷”和“高技术陶瓷”等，它充分利用了各不同组成物质的特点以及特定的力学性能和物理化学性能。从组成上看，除了传统的硅酸盐、氧化物和含氧酸盐外，还包括碳化物、硼化物、硫化物及其他的盐类和单质；从性能上看，不仅充分利用无机非金属物质的高熔点、高硬度、高化学稳定性，得到了一系列耐高温(如Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4等)、高耐磨和高耐蚀(BN、Si3N4、Al2O3+TiC、B4C等)的新型陶瓷，而且还充分利用其优异的物理性能，制得了不同功能的特种陶瓷。如介电陶瓷(BaTiO3)、压电陶瓷(PZT、ZnO)、高导热陶瓷(AlN)以及具有铁电性、半导体、超导性和各种磁性的陶瓷，适应了航天、能源、电子等领域新技术发展的需求[1]。工业陶瓷的发展与现代工业的需求密切相关，成为许多新兴科学技术得以体现的关键，它的研发与应用具有广阔的发展前景。

1 工业陶瓷发展概况

材料、能源和信息是现代国民经济的三大支柱。据估算，现今新材料全球市场规模每年已超过4000多亿美元，与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑和制造等产业的结合越来越紧密。新材料产业已是21世纪发展最快的高新技术产业之一。美国、欧盟、日本等发达国家都把新材料列为国家重点发展的关键技术，特别是对工业陶瓷的开发研究。

当前，世界工业陶瓷发展十分迅猛，应用范围和潜在市场不断扩大，已形成了相当的市场规模，总销售额和市场占有率也逐步增长。数据显示，世界工业陶瓷市场规模为500-600亿美元，美国、日本和西欧发达的国家工业陶瓷市场年平均增长率为12%，其中美国工业陶瓷市场总值年平均增长率为9%；中国占据约300-400亿元人民币的市场，每年以10-15%的速度增长。表1和表2分别为工业陶瓷最大市场美国和日本的市场规模与发展趋势[2]。

作为石化、轻工、冶金、环保等工业用陶瓷产品的生产，我国起步较晚，二十世纪50年代才开始发展。其产品大致可分为高温结构陶瓷、陶瓷纤维、多孔陶瓷、蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷以及石化工业用瓷柱、瓷球、瓷砂等几大类，目前取得了长足的进步，我国生产的工业陶瓷产品在国际上处于质优价廉的有利竞争地位。当前，我国陆续在河北唐山、山东淄博、江苏宜兴、江西萍乡及广东佛山等地形成了一批工业陶瓷产区，如唐山共有陶瓷工业企业350多家，资产规模达到70多亿元，其中工业陶瓷占20-30%，年产值近20亿元；以中材高新材料股份有限公司等为代表的山东淄博工业陶瓷企业，则致力于氧化物陶瓷、氮化硅陶瓷、红外技术陶瓷、微孔陶瓷制品和高档陶瓷纤维等制品的发展，年产值近40亿元；宜兴工业陶瓷的发展主要集中在高温陶瓷、化工陶瓷和耐磨陶瓷等12个方面，年产值近100亿元；萍乡湘东区工业陶瓷基地现有环保陶瓷等生产企业300余家，年产量约500万吨，年产值达60亿元以上。这对推动产学研衔接，加快我国工业陶瓷的发展具有重要意义[3,4]。

表1 美国工业陶瓷市场规模及预测（单位：亿美元）Tab.1 The tendency of US industrial ceramic scale (×100 million US dollars)

表2 日本工业陶瓷市场规模及预测（单位：亿日元）Tab.2 The tendency of Japanese industrial ceramic scale (×100 million Japanese yen)

从材料研制的角度来说，工业陶瓷今后的发展趋势是功能材料小型化、信息化(智能化)，结构材料复合化，同时要进一步提高其可靠性，降低成本；从产品种类来说，随着我国汽车、化工、环保和能源等产业的发展，用于环保和新能源这两个行业的工业陶瓷将高速发展。节能环保方面，“十二五”期间，我国将部署1000套蓄热式热力垃圾焚烧炉(RTO)[5]，其核心部件是蜂窝陶瓷，其需求量约为10万立方米/年；冶金和炼钢行业的节能蓄热室需要的蜂窝陶瓷在15万立方米/年；在烟气处理，水处理等行业对陶瓷过滤管，过滤球及陶瓷膜的需求量也在不断增加。新能源方面，我国将部署4000MW太阳能热发电站，用于蓄热的陶瓷产品在24万立方米以上，同时对SiC吸热器及吸热陶瓷管道的需求量也较大[6-8]。预计至2020年，中国高技术工业陶瓷的市场需求将达到4000亿元/年以上，市场潜力巨大。

2 工业陶瓷的研发进展

工业陶瓷是继金属、塑料之后的第三代新材料，是当代材料研发与开发的热点，各国政府都十分重视工业陶瓷的研究开发与应用工业，而美国和日本是在这一领域最具有代表性的国家。美国注重创造性的研究与开发，基础研究处于领先地位。而日本更倾向于技术产品的商品化，在电子陶瓷方面日本已处于领先地位。其中，在美国，涉及工业陶瓷生产的企业已达到450多家，产值超过200万美元的大公司有上百家，总产值超过50亿美元。日本，欧洲等国家也相继发展迅速。

国外具有代表性的大型工业陶瓷企业有美国康宁公司、日本碍子公司(NGK)、法国圣戈班公司和英国摩根公司等，主要产品有电子陶瓷、耐磨部件、机械加工刀具、宇航军事用耐温部件和特种涂料。表3介绍了国外部分工业陶瓷生产厂及其主要产品。

近两年来，国外出现一批工业陶瓷新产品，如：美国Florida Turbine Technologies公司2012年生产了用于涡轮转子的铸造成型的工业陶瓷[9]，Ervin Industries公司生产了复相陶瓷制作的子弹和导弹等武器[10]，日本的宇部兴产株式会社和株式会社村田制作所则相继制备出应用于光学转化的复相陶瓷，具有低成本、高设计性、抗腐蚀、低缺陷率的陶瓷电极薄片以及能够在迅速升温至1600 ℃以上的情况下保持物理性能不变的SiC 纤维增韧陶瓷。

我国从20世纪50年代，开始从传统陶瓷向工业陶瓷方向发展，从事以氧化铝为主的工业陶瓷的研究。1960年中期，开始非氧化物陶瓷的研究。经过五个“五年计划”的科研攻关和“863”计划的支持，我国的工业陶瓷研究领域不仅涉及国际上的所有前沿问题，也形成了一些研究成果，部分成果的水平已经达到了国际先进水平。目前，我国参与工业陶瓷研究的高等学校和科研院所超过300家, 每年完成的科技成果或发表的科技论文在数千篇以上。

表3 国外部分工业陶瓷生产厂Tab.3 Some foreign industrial ceramic manufacturers

我国工业陶瓷的研究以研制性能合适的实用材料为主，并研究工业陶瓷各种增强与增韧的途径及其机制。其中，基础研究着重于有关材料组分的相互作用关系的研究，用以指导材料的组成及其显微结构的设计；同时注重材料的组成、显微结构与性能之间关系的研究，以适应实际应用要求；在工艺研究上，为了获得高性能、低成本的陶瓷材料，强调工业陶瓷制备工艺过程中的物理与化学作用，借以指导最佳工艺的选择，探索多种工艺手段。就总体而言，我国工业陶瓷实验室研究水平达到了国际水准，但在工程化技术研究、装备技术、标准规范、质量控制以及市场开拓、产业化规模方面与国际水平还有较大差距。因此, 应重点加强工业陶瓷低成本、高可靠性、稳定性工程化关键技术的研究，加速我国工业陶瓷的产业化进程[11]。

我国从事功能陶瓷的单位占63.6%，结构陶瓷约占36.4%，主要分布在江苏、江西、河北、山东和广东等沿海城市和地区，表4为国内部分工业陶瓷生产厂及其主营产品。

3 工业陶瓷的应用

工业陶瓷产品的种类繁多，性能各异，通常把它们划分成两类：结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要是利用陶瓷的强度、刚度、韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度等力学性能的陶瓷材料，主要种类有高强度陶瓷、(超)高温陶瓷、(超)低温陶瓷、高韧性陶瓷、超硬度陶瓷和纳米陶瓷等。功能陶瓷是利用陶瓷的电磁光声热等性能及其藕合效应的陶瓷材料，主要种类有电子陶瓷、敏感陶瓷、光学陶瓷、生物陶瓷、磁性陶瓷和超导陶瓷等。功能陶瓷中约60%是电子陶瓷，它包括铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、电介质陶瓷等[12]，以下是一些典型的结构陶瓷和功能陶瓷应用领域。

工业上普通粘土陶瓷主要是用于绝缘用的电瓷、对酸碱性要求较高的化学瓷、承载强度要求较低的结构零件用瓷等，如绝缘子、耐腐蚀容器、管道等；氧化铝瓷熔点高、硬度高、强度高、且具有良好的抗化学腐蚀能力和介质介电性能，但脆性大、抗冲击性能和抗热震性差，不能承受环境温度的剧烈变化，可用于制造高温炉的炉管、炉衬、内燃机的火花塞等，还可制造高硬度的切削刀具，又是制造热电偶绝缘套管的良好材料；氮化硅陶瓷具有自润滑性，摩擦系数小和耐磨性好，而且化学性能稳定，热膨胀系数小，具有优良的抗高温蠕变性能，即使在1200 ℃下工作强度仍不降低，氮化硅陶瓷抗震性是氧化铝陶瓷和任何其他陶瓷材料所不能比拟的，可用于制造耐磨、耐腐蚀的泵和阀、高温轴承、燃气轮机的转子叶片及金属切削工具等，也是测量铝液的热电偶套管的理想材料。碳化硅陶瓷的最大特点是高温强度大，具有很高的热传导能力，耐磨、耐蚀、抗蠕变性能高，常被用做国防、宇航等科技领域中的高温烧结材料，即用于制造火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用的喉嘴及热电偶套管、炉管等高温零件，由于热传导能力高，还可用于制造气轮机的叶片、轴承等高温强度零件，以及用做高温热交换器的材料、核燃料的包封材料等。氮化硼陶瓷有六方氮化硼和立方氮化硼两种，六方氮化硼具有良好的耐热性，导热系数与不锈钢相当，热稳定性好，在200 ℃时仍然是绝缘体，六方氮化硼还具有硬度低，自润滑性好，可用做热电偶套管、半导体散热绝缘零件、高温轴承、玻璃制品成形模具等材料，立方氮化硼的硬度与金刚石相近，是优良的耐磨材料，可用于制作磨料和金属切削刀具。

表4 国内部分工业陶瓷生产厂及其主营产品Tab.4 Some Chinese industrial ceramic manufacturers and their main products

表5 工业陶瓷的分类及主要产品Tab.5 Classif i cation of industrial ceramic products

PbZrO3-PbTiO3系陶瓷是最为人们熟知压电陶瓷，这种陶瓷具有较高的居里温度(300-400 ℃)和电机耦合系数值及良好的极化率(约50 mic℃/cm2)，广泛用于做电机和电声变换器。铬酸镧(La-CrO3)是一种钙钛矿型(ABO3)复合氧化物，具有很高的熔点(2490 ℃)，它在掺杂Ca、Sr和Mg等二价碱土金属后具有很多特殊的性质，在高温发热材料、固体氧化物燃料电池连接材料、催化剂、NTC热敏电阻等方面都得到广泛的应用，是一种很有前途的功能陶瓷材料。在NTC热敏电阻方面应用NiMn2O4与LaCrO3以适当的比例进行复合，利用不同特性材料间的复合效应制备低B值(热敏电阻器的材料常数)高阻热敏材料，该复合材料对化学成分偏离不敏感，电阻易于调整和控制，并具有良好的耐高温性，是很有发展前途的一类新型热敏材料。纳米Y2O3和ZrO2是在较低温度烧结的陶瓷，具有很高的韧性和强度，被用于轴承和刀具等耐磨器件；用纳米Nd2O3和Sm2O3等制作的多层电容和微波器件，性能都得到了很大的提高[13,14]。莫来石、堇青石、刚玉、SiC、Si3N4、塞隆等及其复合陶瓷因其优良性能，可作为太阳能热发电蓄热陶瓷、吸热器及输热管道的潜在材料。表5列出了一些其他工业陶瓷类型及应用。

4 展 望

随着现代高新技术的发展，工业陶瓷制品已逐步成为我国新材料的重要组成部分，成为许多高技术发展的重要关键材料。因此，工业陶瓷必须满足各行业应用对其性能苛刻的要求，因此工业陶瓷的材质和品种、结构和功能必需向多样化方向发展。今后工业陶瓷发展的趋势如下：(1)低碳化、无铅化、小型化，满足环保压力及器件集成化的需要；(2)原料生产的标准化，实现质量控制和全面质量管理，达到批量稳定生产；(3)产学研紧密配合开发新工艺、新设备，缩短与世界先进水平的差距；(4)关注工业陶瓷新材料和新应用。2013年10月15日，《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》发布，将改革重点锁定钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃、船舶等五大严重产能过剩行业。这一政策也警醒我们工业陶瓷行业，盲目和粗放的发展方式必然会引起产能过剩。目前，政府正致力于将相关政策和大规模资金向新材料和新兴产业引导，高技术产业和新兴产业等领域对工业陶瓷的需求较大，工业陶瓷将迎来新的机遇和挑战。

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Research and Application of Industrial Ceramics

WU Jianfeng, XU Xiaoyang, XU Xiaohong, CHENG Hao, ZHANG Yaxiang
(State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China)

With the rapid development of modern science and technology, the technology content and industrial scale of industrial ceramics has gradually expanded. As key materials of high technology, industrial ceramics have great development potentials and broad application prospects. This paper summarized the market size, characteristics and trends of domestic and foreign industrial ceramics, introduced typical products of some related foreign enterprises. The production area distribution, product categories and applications of domestic industrial ceramics were outlined. It points out that the development of industrial ceramics should focus on the standardization of raw material production, technology improvement and equipment innovation; it should gear to our country’s relevant policies and major needs, and incorporate new materials and new applications.

industrial ceramics; research; application progress; prospect

TQ174.75

A

1006-2874(2014)06-0026-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2014.06.006

2014-09-05。

2014-09-08。Received date: 2014-09-05. Revised date: 2014-09-08.

吴建锋，男，教授。Correspondent author:WU Jianfeng, male, Professor. E-mail:wujf@whut.edu.cn