国内先进陶瓷状况与发展机遇和挑战

谢志鹏 范彬彬

随着现代科学技术的高速发展，迫切要求研制与发展具有特殊性能的新一代先进陶瓷材料。这是因为先进陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀以及优异的电学性能、光学性能、化学稳定性和生物相容性等优点，从而在航天航空、国防军工、机械化工、生物医疗、信息电子、核电与新能源等领域得到越来越多的应用，已成为国家某些重大工程和尖端技术中不可或缺的关键材料，因此具有重要的科学价值和国家战略意义。

近二十年来，在国家重大工程和尖端技术中对陶瓷材料及其制备技术也提出了更高的要求和挑战。例如航天工业火箭发射中液氢液氧涡轮泵用的Si3N4陶瓷轴承在无润滑状态下高速运转、激光武器需使用大尺寸大功率Nd-YAG激光透明陶瓷、地球卫星对地监测使用的SiC陶瓷反射镜、大规模集成电路用高导热AlN陶瓷基板、减少汽车尾气污染的蜂窝陶瓷催化剂载体、智能终端产品和油电混动车用小型化和高频化MLCC等。

这些例子充分显示了新一代先进陶瓷材料对现代科学技术发展至关重要。特别是近年来由于各种高纯氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷的快速发展，加快了国内对先进陶瓷的研发及量产步伐，尽量缩小与世界先进陶瓷发达国家的差距。本文结合国内先进陶瓷发展现状，剖析了产业分布及产品应用状况，指出了国内先进陶瓷行业目前所面临的问题、机遇与挑战。

1、国内先进陶瓷研发与产业分布

国内从事先进陶瓷研究与开发的高等院校和科研院所已达100多个单位，如清华大学、中科院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学和武汉理工大学等，为企业发展在一定程度上提供了技术支撑。这些单位研制的透明透波陶瓷、激光陶瓷、超高温陶瓷、陶瓷切削刀具、高温陶瓷基复合材料及其他功能陶瓷材料的性能都接近或达到国际先进水平，许多技术和产品已实现产业化。

国内先进陶瓷产业分布主要集中在广东、江苏、山东，以及江西、湖南、浙江、河南、河北等地，其中广东、江苏、山东三省的先进陶瓷产业集中度高，在技术和产品方面具有竞争力，图1为国内结构陶瓷代表性企业分布图。

广东先进陶瓷产业占据优势地位，特别是在功能陶瓷和中高端结构陶瓷与生物陶瓷领域，已拥有六家先进陶瓷上市公司。深圳、佛山、潮州、东莞等地区的先进陶瓷企业借助与香港和海外联系便捷优势，其先进陶瓷材料及零部件制造上在国内处于领先地位，如光通讯陶瓷插芯、手机陶瓷背板、电子封装陶瓷基板、片式陶瓷电容器、片式陶瓷电感器、5G微波介质陶瓷、精密陶瓷零部件等占据了高附加值工业陶瓷产品的很大市场。目前大约有100多家企业，包括潮州三环、顺络电子、东方锆业、广东佛陶所等有一定国际竞争力的公司，还有一批在结构陶瓷精密成型与加工上有特色的中小型企业。图2为广东和山东部分先进陶瓷上市公司的销售情况。

江苏的宜兴、苏州、常州等地在精密纺织陶瓷、化工用结构陶瓷、汽车尾气净化用蜂窝陶瓷、环保陶瓷、以及陶瓷轴承和陶瓷滤波器等领域具有优势，代表企业有宜兴非金属化工机械厂、宜兴九荣特种陶瓷、国瓷江苏金盛和江苏陶瓷研究所等。其中宜兴地区的精细陶瓷产业已形成较大的生产规模，从单一的Al2O3材料发展到现在的Al2O3、ZrO2、MgO、TiO2、SiC、Si3N4、BN、滑石瓷和堇青石等多种材料；产品的应用范围也大大扩展，不仅大量出口，而且国内市场的占有率也较高，涵盖了许多工业领域，如纺织机械、电子工业、化工冶金、生物环保、5G通信等。宜兴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，全市工业陶瓷总产值近百亿元。

山东的淄博和潍坊为工业陶瓷聚集区，拥有100余家工业陶瓷企业和五大类工业陶瓷产品，包括耐磨陶瓷内衬、环保陶瓷、陶瓷缸套和球阀、透波石英陶瓷和Si3N4陶瓷、反应烧结SiC陶瓷。山东潍坊集中了我国80%以上的反应烧结SiC陶瓷产品，产值数十亿，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。山东先进陶瓷代表性企业有山东国瓷、山东工陶院、硅苑科技、淄博华创、潍坊华美等，其中山东国瓷在高性能氧化物纳米陶瓷粉体（如BaTiO3、ZrO2、Al2O3）方面已达到国际先进水平，产品销往国内外。

湖南的娄底市和新化县是我国Al2O3电子陶瓷、Al2O3精密瓷件及滑石瓷的主要产地，集中了近百家企业。产品涵盖了用于温控器的95Al2O3或滑石瓷、电光源陶瓷系列、耐熱陶瓷系列、水滑片陶瓷系列、新能源汽车用陶瓷继电器外壳等，涌现了像娄底安地亚斯电子陶瓷和湖南美程陶瓷科技这样为比亚迪等新能源汽车提供系列绝缘电子陶瓷的企业，以及湖南新化鑫星电子陶瓷这样的国内最大的陶瓷水滑片生产龙头企业，此外，湖南醴陵在高压电瓷和精密陶瓷方面也形成了一定的产业群，集中了一批像湖南醴陵特种电瓷电器、醴陵华鑫电瓷电器、湖南株洲湘火炬火花塞公司是全国最大陶瓷火花塞制造企业，产品销往国内外。

河北唐山依然是我国各种Al2O3陶瓷管和理化瓷的产地，产品主要有Al2O3陶瓷管、热电偶保护管、高温炉件、绝缘瓷件等，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、唐山科硕特陶制造等有影响力的企业。

河南郑州及周边地区依然是Al2O3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、河南济源兄弟材料等有影响力的企业。河南焦作则集中了一批ZrO2陶瓷粉末和制品的企业，如焦作市维纳科技、焦作李封工业等公司。

江西景德镇作为中国瓷都，在Al2O3电真空管壳及新能源汽车绝缘瓷件的生产企业较为集中，如景德镇景龙特陶、景华特陶、海川特陶和品安特陶等企业，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、B4C防弹陶瓷、ZrO2陶瓷插芯、滑石瓷的精密陶瓷企业。图3为景德镇景龙特陶的Al2O3真空灭弧室产品。江西萍乡在化学工业陶瓷、耐磨陶瓷、环保过滤陶瓷膜和高压电瓷等方面聚集度高，是我国化工陶瓷和高压电瓷的重要产地，涌现出一批有规模有影响力的企业，如萍乡龙发实业、中材江西电瓷电气等，其产品在国内外市场占据较高份额。此外，还有上百家中小陶瓷企业。

2、国内先进陶瓷产业化应用状况

伴随着我国先进陶瓷材料制备技术的进步和市场的强劲需求，先进陶瓷产业呈现出良好的发展态势，应用领域越来越广阔，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、消费电子和国防军工等尖端技术领域获得愈来愈多的应用。

2.1 机械化工领域

我国作为机械工业中广泛使用陶瓷密封件的最大生产国，主要采用耐磨和抗腐蚀性能优异的SiC、SiC/C、Al2O3、Si3N4陶瓷材料，特别是近几年通过常压烧结亚微米SiC粉末制成的细晶单相SiC产品，具有出色的抗腐蚀性，已在化工厂、炼油厂、离心机、水动涡轮和油井的大型泵上应用。SiC陶瓷滑动密封环即使在更小型的应用上也能保证安全和长效，如汽车上的燃油泵和冷却水泵等。国内代表性企业有郑州华硕、上海华硕、浙江东新和北京中兴实强等，行业产值已达数十亿余元。

在石油、化工、电力和冶金等工业领域中，需要大量的阀门。近年来许多单位在陶瓷阀门的研制与生产上日趋成熟，产量和应用范围不断扩大，涌现一批陶瓷阀门的专业厂家，如福建智胜特陶、东莞信柏、天津圣凯阀门和山东硅苑等公司。产品不但满足国内市场的需求，还有不少出口。陶瓷阀门的材料包括Al2O3、ZrO2、ZTA和SiC等陶瓷，常见的种类有球阀、闸阀和碟阀等。目前山东淄博华创是最大的陶瓷缸套生产企业，产品除了满足国内油田使用，还出口到美国和中东等国家。

2.2新能源汽车与环保领域

随着新能源汽车行业的快速发展，诸如继电器外壳、动力电池密封连接器和陶瓷熔断器等Al2O3绝缘陶瓷产品需求大幅增加，这些产品常具备固定、支撑、隔离、保护及连接等作用，图4示出了具体产品。高压高电流的电路在断闭时会产生电弧，此时受到陶瓷继电器外壳的冷却和表面吸附作用，使产生的电弧迅速熄灭，从而杜绝汽车电路因电弧引发的短路起火。目前，生产新能源汽车和电真空用的Al2O3绝缘陶瓷主要分布在江西景德镇、湖南娄底等地。

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。

2.3通信与消费电子领域

微波介质陶瓷广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器、电容器及微波基板等，是移动通讯、卫星通讯、全球卫星定位系统、蓝牙技术及无线局域网等现代微波通讯的关键材料。介质谐振器和滤波器是用量最大的微波介质陶瓷器件，目前，我国是移动通信用微波介质谐振器和滤波器的最大市场。近年来，微波陶瓷器件正向片式化、微型化甚至集成化方向发展。国内知名企业有江苏灿勤科技、苏州艾福电子、广东国华新材料、苏州东山精密制造和浙江嘉康电子等。

伴随我国快速发展的智能手机产业，新一代高性能纳米ZrO2陶瓷已在手机外壳和指纹识别中获得应有。几年前华为公司在全球第一个发布了采用高性能的黑色纳米ZrO2陶瓷外壳手机P7，近两年小米、OPPO、三星等知名品牌手机的先后采用各种颜色的纳米ZrO2陶瓷背板。最新发展起来的指纹识别智能手机，需采用0.15mm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，如苹果，三星和华为。随着5G商用时代到来，纳米ZrO2陶瓷背板成为最佳备选材料，目前中国走在前面，全球90%以上的陶瓷背板由中国制造。

2.4航空航天领域

连续碳纤维增韧SiC陶瓷基复合材料，是先进航空航天器制造能力的战略性新型先进陶瓷材料。目前近二十种这类材料的构件应用于航空发动机、液体火箭发动机和固体火箭发动机等。液体火箭发动机中使用的Cf/SiC喷管，国内西工大、国防科大和中科院上硅所是最早研发成功的。另外一类重要的航空材料是碳纤维/碳复合材料，这种C/C复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体，然后采用浸渍树脂炭化，或者采用CVD/CVI的方式将多孔预制体中孔隙填充而获得的，采用C/C复合材料制备的飞机刹车盘，目前中南大学及博云公司已形成了规模生产的能力。

3、我国先进陶瓷面临的问题、机遇和挑战

（1）MLCC电子陶瓷高端元器件还被国外垄断

MLCC在国际电子制造业中 占据越来越重要的位置，尤其是随着消费类电子产品、通信、网络、汽车、工业和国防终端客户的需求日益增多，全球市场达到百亿美元，并以每年10%～15%的速度增長。日本是MLCC的生产大国，日本村田、京瓷、太阳诱电株式会社和TDK-EPC，韩国的三星电机，我国台湾地区的华新科技和国巨等公司都是全球著名的 MLCC生产企业。MLCC的主流发展趋势是小型化、大容量、薄层化、碱金属化、高可靠性；单层陶瓷膜已达到0.5μm。

（2）高性能微波介质陶瓷及元器件还有差距

微波介质陶瓷广泛应用于移动通信、导航、全球卫星系统、雷达、蓝牙技术及无线局域网等领域。由于构成微波介质陶瓷的滤波器、谐振器和振荡器等元器件在5G网络中被广泛使用，其质量在很大程度上决定了微波通信产品的最终性能、尺寸极限与成本。低损耗、高稳定性和可调制的微波电磁介质材料是如今国际上的核心技术，目前微波介质材料和器件的生产水平以日本村田、京瓷和TDK-EPC，美国Trans-Tech等公司为最高。国内武汉凡谷、大富科技、深圳顺络和江苏灿勤等企业与国际知名大企业相比较，但在技术水平、产品品种和生产规模上仍有较大差距。

（3）易烧结细晶Al2O3粉体及高端Al2O3制品

许多高端的Al2O3陶瓷产品，如Al2O3体系的生物陶瓷、陶瓷基板、耐磨纺织瓷件和电子真空瓷件等所使用的Al2O3粉末还依赖从日本、德国和美国进口。特别是制备Al2O3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Al2O3陶瓷零部件。国内厂家在Al2O3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。

（4）高纯度高活性AlN、Si3N4和SiC等陶瓷粉料

高性能AlN、Si3N4、SiC和B4C等非氧化物陶瓷粉末，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Si3N4粉末主要依赖从日本宇部兴产株式会社进口、半导体芯片封装用的高导热基板用AlN陶瓷粉主要从日本德山曹达等公司进口，而高性能的SiC陶瓷粉末还需从法国圣戈班公司进口，高品质的防弹装甲用B4C和超高温陶瓷用ZrB2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B4C原料存在较大差距。

（5）高导热AlN和Si3N4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IGBT模块对最新一代的高导热高强度的AlN和Si3N4陶瓷基板需求巨大，仅株洲中车集团每年需求量就达500万片。日本京瓷和美国罗杰斯等公司都可批量生产和提供覆铜刻蚀的Si3N4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>90W·m-1·K-1，抗弯强度>700MPa，断裂韧性>6.5MPa·m1/2，但距产业化还有一定差距。同时，国内的陶瓷基板覆铜技术尚不能完全达到对覆铜板的严格考核，产品以进口为主。

（6）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，对该材料性能和可靠性要求非常高，使用寿命可达20年以上。目前，陶瓷髋关节主要由德国赛琅泰克和日本京瓷等公司生产，国内每年需进口数十万套。德国赛琅泰克生产的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。

（7）長寿命高耐磨陶瓷轴承球和轴承

在航天发动机、风力发电和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，而且还需优异的耐磨性、可靠性和长寿命。目前国产的Si3N 4陶瓷轴承球与日本东芝还有明显差距，与著名的瑞典SKF、德国FAG和日本KOYO等轴承公司相比，我国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。

（8）切削金属用陶瓷或金属陶瓷刀头

在汽车、冶金、航天航空领域的机械加工中大量使用陶瓷刀头，据统计市场需求达数十亿元，目前大量进口。陶瓷刀具材料包括Al2O3基、Si3N4基、Sialon陶瓷、ZTA和Ti（N，C）体系等，要求具有高硬度、高强度和高可靠性。目前国内企业只能生产少量非氧化物陶瓷刀具，像汽车产业加工用量巨大的氧化物陶瓷刀具还依赖从瑞典Sandvik、日本京瓷和NTK、德国CeramTec等公司进口。

（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、MgO、AlON、MgAl2O4陶瓷以及具有激光特性的Nd：YAG透明陶瓷。目前我国的技术还限于制备小尺寸产品，而像美国surmet等公司已可制备0.5m以上的大尺寸透明透波陶瓷，我国无论在工艺技术和装备上与其均有差距。

（10）半导体晶圆产线上陶瓷治具与CVD加热盘

半导体晶圆生产线上需要使用到大量的陶瓷结构件，如陶瓷盘、陶瓷手臂、陶瓷环和保持架等，涵盖了Al2O3、AlN和SiC等多种陶瓷材料，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AlN和SiC陶瓷备件还得依赖进口。特别是半导体CVD设备中所需AlN和SiC陶瓷加热盘与卡盘。

4、结 语

全球先进陶瓷产业已达到数万亿级的市场规模，中国企业累计在数千亿级，仅占全球10%～15%，还有很大的上升空间。无论是中国市场和国际市场对先进陶瓷粉体与产品需求依然强劲，中国先进陶瓷企业仍然具有很多发展机会和潜力。

特别是近几年随着我国5G基站、5G通信、新能源汽车、消费电子、生物医疗、轨道交通、半导体芯片与封装、机器人与人工智能、工业互联网的加速发展，对电子功能陶瓷、高性能结构陶瓷、生物陶瓷、纳米陶瓷粉体、高端电子陶瓷元器件和机构陶瓷零部件需求巨大，中国已成为全球最大的先进陶瓷市场。

2021年始，先进陶瓷产业将迎来一个新的爆发增长期，这也为我国先进陶瓷的新材料、新产品、新技术的研发和产业化带来新的机遇。

（作者1系清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 博士、教授）

（作者2系景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院）