先进材料系列——先进陶瓷材料行业研究

先进陶瓷材料属于陶瓷材料的一种。陶瓷材料具备优良材料特性，与金属材料、高分子材料并列为当代“三大固体材料”。

传统陶瓷：传统意义上的陶瓷是指以粘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：

1. 按化学成分可分为氧化物陶瓷、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。

中国先进陶瓷市场规模-按陶瓷材料分类

先进陶瓷具有精细的结构，其化学键为离子键和共价键，键合能大，因而具有金属和高分子材料所不具备的高模量、高硬度、耐腐蚀等性能以及光、声、电等优异功能特性。

微观结构控制

我国先进陶瓷材料制备技术快速发展，不断打破国外垄断和技术封锁，包括各种烧结技术（如常压烧结、真空烧结、热等静压烧结、气氛压力烧结等）、成型工艺（如陶瓷注射成型、流延成型、凝胶注模成型、挤压成型等）、粉末制备技术（如固相法、化学气相合成法、化学液相法、自蔓延燃烧合成法等），精密加工工艺和陶瓷与金属的封接技术。

2.2.1 粉体制备

粉体质量取决于多个因素，包括化学成分的高纯度和精确配比、粒径分布、形态和分散性等。湿化学法是一种常见的制备方法，通过一系列化学反应生成高纯度、纳米级的陶瓷粉体。这种方法包括共沉淀法、溶胶-凝胶法、溶剂热法、喷雾热解法等。 

粉体制备的工艺

2.2.2 成型技术

成型是将陶瓷粉体制作成预定形状的过程。传统成型方法包括干压成型、等静压成型、注射成型和热压成型等。干压成型适用于生产形状简单、尺寸不大的零件，而注射成型更适合复杂形状的零件，尤其在大批量生产时更具经济效益。等静压成型则可以实现近净形状的致密陶瓷零部件。

成型工艺特点

2.2.3 烧结技术

从根本上说，烧结是粉末发生扩散传质产生致密化，从而使陶瓷材料具有均匀显微结构、稳定形状以及优异性能的过程。

常见烧结工艺有：常压烧结、无压烧结、真空烧结、热压烧结、热等静压烧结、气氛烧结、微波烧结、燃烧烧结、自蔓延高温烧结、智能烧结、喷涂烧结、低温烧结以及无压烧结等。

冷烧结技术

2.2.4 精密加工

从根本上说，烧结是粉末发生扩散传质产生致密化，从而使陶瓷材料具有均匀显微结构、稳定形状以及优异性能的过程。

先进陶瓷材料常见的后续加工处理方式主要有表面施釉、机械加工及表面金属化。

施釉：①提高瓷件的机械强度与耐热冲击性能；②防止工件表面的低压放电；③使瓷件的防潮功能提高。

机械加工：可以使陶瓷制品适应尺寸公差的要求，也可以改善陶瓷制品表面的光洁度或去除表面的缺陷。方法有磨削、激光和超声波加工等。

机械加工

金属化：为了满足电性能的需要或实现陶瓷与金属的封接，需要在陶瓷表面牢固地镀上一层金属薄膜，常見的陶瓷金属化方法有被银法、电镀法等。陶瓷与金属的封接形式包括玻璃釉封接、金属焊接封接、活化金层封接、激光焊接、固相封接等。

高强度和硬度： 先进陶瓷材料因其高密度和微结构控制，在机械性能上远优于传统材料。例如，结构陶瓷如碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）具有很高的抗拉强度、抗压强度和硬度。这些材料被广泛应用于制造陶瓷轴承、刀具和其他承受高应力的部件。

耐高温： 先进陶瓷材料能在极端高温环境中维持其物理性能。例如，氧化锆和氧化铝陶瓷可在燃气轮机和高温加热元件中使用，这些环境温度常常超过1600°C.。

氧化铝陶瓷

化学惰性和耐腐蚀性： 先进陶瓷材料在高温和腐蚀性环境中依然稳定，不易与其他化学物质发生反应。这种特性使它们非常适合用于化工行业中的耐腐蚀部件，如阀门和管道衬里。

超高温陶瓷（HTCC）： 特别的，TaxHf1-xC系列超高温陶瓷以其在已知物质中极高的熔点（超过3000°C）和卓越的抗氧化、耐烧蚀性能，广泛应用于高速飞行器的热防护系统和火箭发动机的高温部件。

2.3.2 功能多样性

功能陶瓷（电子陶瓷）： 这些陶瓷利用其电、磁、声、光、热等多种物理性质，适用于广泛的电子设备。例如，压电陶瓷（如PZT）可用于传感器和执行器，铁电陶瓷（如PLZT）可用于高容量存储器。这些材料品种多、产量大、应用广、更新快。

生物陶瓷： 相比金属和高分子材料，生物陶瓷具有更好的生物相容性和化学稳定性。它们主要用于人造骨、人工关节等医用植入物，以及固定酶载体、催化剂等生物化学应用

2.4 应用场景

2.4.1 电子设备

手机背板：例如，小米公司在其旗舰手机小米5尊享版上首次采用了氧化锆陶瓷背板，因其高强度和美观的视觉效果受到广泛关注。

电子元件：钛酸铅基质粉体广泛应用于高温正温度系数热敏电阻元件的制备，通过与其他元素如钡一起使用，可以改善电子元件的性能和可靠性。

半导体封装：氮化物陶瓷因其优越的导热性和电绝缘性，被广泛用作半导体封装材料和电路基板，提高了电子产品的散热效率和整体性能。

2.4.2 医疗健康

人工关节和牙科植入：氧化锆陶瓷因其出色的耐磨性和生物相容性，广泛应用于人工关节和牙科植入材料。它不仅能够模拟天然骨骼的机械性能，还具有良好的生物相容性，减少了身体排异反应的风险。

医疗器械：硅酸盐陶瓷和其它先进陶瓷材料被用于制造医疗器械中的关键部件，如泵阀和手术工具，这些部件需要承受高压、高腐蚀环境，陶瓷材料的优异性能使其成为理想选择。

骨修复：生物活性玻璃陶瓷能够促进骨生长和抗菌，常用于骨折修复和骨折固定的材料。通过3D打印技术，这些材料可以根据患者的具体需求定制，进一步提升了治疗效果。

2.4.3 环保治理

工业废气处理：泡沫陶瓷因其独特的结构和优异的过滤能力，被广泛应用于工业废气处理。它能够有效去除空气中的颗粒物，降低污染物排放，达到环保标准。

污水净化：纳米陶瓷膜具有高效的过滤能力和耐高温特性，非常适合用于工业废水处理。其高通量、低能耗的特点使其在污水处理领域展现出巨大的潜力和推广价值。

空气净化：纳米陶瓷材料还可以用于空气净化，尤其是在高温环境下，其稳定的化学性能和高效的过滤能力使其成为理想的环保材料。

2.4.4 能源开发

固体氧化物燃料电池（SOFC）：氧化锆陶瓷因其高温稳定性和良好的电化学性能，是固体氧化物燃料电池的核心材料。它能够显著提高燃料电池的效率和寿命，推动清洁能源的发展。

风力发电：氮化硅陶瓷因其卓越的机械性能和耐高温特性，被广泛应用于风力发电机的轴承部件。它不仅提高了轴承的使用寿命，还增强了整个系统的可靠性和效率。

锂电池和太阳能电池：高纯氧化铝广泛应用于锂离子电池隔膜涂层和太阳能电池组件。其高绝缘性和高导热性有助于提高电池的安全性和效率，推动新能源技术的发展。

全球先进陶瓷市场规模趋势预测图

2023年我国先进结构陶瓷市场规模约为234亿元。另外中国大陆国产半导体设备的先进结构陶瓷零部件国产化率仅约为22%。因此，半导体、显示面板领域先进结构陶瓷国产替代率目前仍然不高，未来该等领域的国产替代前景良好，国产替代市场空间巨大。

2017-2022年，全球结构陶瓷市场规模年复合增长率约为10%。预计2023年到2026年，全球结构陶瓷材料市场的增速将以约5%的年复合增长率增长。

2017-2022年，中国功能陶瓷市场规模年复合增长率约为5%，其中电子陶瓷是功能陶瓷中技术最成熟的种类，主要产品有MLCC（片式陶瓷电容）、电阻、压电器件等，在半导体、汽车、消费电子、通信等领域有着广泛应用，占功能陶瓷总市场规模的80%。预计2023到2026年中国功能陶瓷材料市场将以超过5%的年复合增长率增长。

受到电子陶瓷产业发展和下游广泛的应用领域等因素的驱动，2017-2022年，全球功能陶瓷市场规模年复合增长率约为10%。2023年到2026年，全球功能陶瓷材料市场规模年复合增长率将超过5%，预计到2026年市场规模将超过500亿美元。

2021年中国先进结构陶瓷国产化率提高至约20%，行业多项关键零部件产品不同程度上实现了国产替代。随着技术的不断成熟和成本的降低，国产先进结构陶瓷材料有望在更多领域实现国产替代，进一步提升国产化率。中商产业研究院分析师预测，2024年先进结构陶瓷国产化率提高至约32%。

国内半导体、显示面板产线建设极大拉动了国产设备需求，据华经产业研究院，2023年中国泛半导体先进结构陶瓷市场规模为87亿元，占全球市场规模的21%，2017年至2023年中国泛半导体先进结构陶瓷市场规模复合增速为14%。

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