國內先進陶瓷狀況與發展機遇和挑戰

謝志鵬 范彬彬

隨著現代科學技術的高速發展，迫切要求研制與發展具有特殊性能的新一代先進陶瓷材料。這是因為先進陶瓷具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕以及優異的電學性能、光學性能、化學穩定性和生物相容性等優點，從而在航天航空、國防軍工、機械化工、生物醫療、信息電子、核電與新能源等領域得到越來越多的應用，已成為國家某些重大工程和尖端技術中不可或缺的關鍵材料，因此具有重要的科學價值和國家戰略意義。

近二十年來，在國家重大工程和尖端技術中對陶瓷材料及其制備技術也提出了更高的要求和挑戰。例如航天工業火箭發射中液氫液氧渦輪泵用的Si3N4陶瓷軸承在無潤滑狀態下高速運轉、激光武器需使用大尺寸大功率Nd-YAG激光透明陶瓷、地球衛星對地監測使用的SiC陶瓷反射鏡、大規模集成電路用高導熱AlN陶瓷基板、減少汽車尾氣污染的蜂窩陶瓷催化劑載體、智能終端產品和油電混動車用小型化和高頻化MLCC等。

這些例子充分顯示了新一代先進陶瓷材料對現代科學技術發展至關重要。特別是近年來由于各種高純氧化物、氮化物、碳化物和硼化物陶瓷的快速發展，加快了國內對先進陶瓷的研發及量產步伐，盡量縮小與世界先進陶瓷發達國家的差距。本文結合國內先進陶瓷發展現狀，剖析了產業分布及產品應用狀況，指出了國內先進陶瓷行業目前所面臨的問題、機遇與挑戰。

1、國內先進陶瓷研發與產業分布

國內從事先進陶瓷研究與開發的高等院校和科研院所已達100多個單位，如清華大學、中科院上海硅酸鹽研究所、哈爾濱工業大學、西北工業大學和武漢理工大學等，為企業發展在一定程度上提供了技術支撐。這些單位研制的透明透波陶瓷、激光陶瓷、超高溫陶瓷、陶瓷切削刀具、高溫陶瓷基復合材料及其他功能陶瓷材料的性能都接近或達到國際先進水平，許多技術和產品已實現產業化。

國內先進陶瓷產業分布主要集中在廣東、江蘇、山東，以及江西、湖南、浙江、河南、河北等地，其中廣東、江蘇、山東三省的先進陶瓷產業集中度高，在技術和產品方面具有競爭力，圖1為國內結構陶瓷代表性企業分布圖。

廣東先進陶瓷產業占據優勢地位，特別是在功能陶瓷和中高端結構陶瓷與生物陶瓷領域，已擁有六家先進陶瓷上市公司。深圳、佛山、潮州、東莞等地區的先進陶瓷企業借助與香港和海外聯系便捷優勢，其先進陶瓷材料及零部件制造上在國內處于領先地位，如光通訊陶瓷插芯、手機陶瓷背板、電子封裝陶瓷基板、片式陶瓷電容器、片式陶瓷電感器、5G微波介質陶瓷、精密陶瓷零部件等占據了高附加值工業陶瓷產品的很大市場。目前大約有100多家企業，包括潮州三環、順絡電子、東方鋯業、廣東佛陶所等有一定國際競爭力的公司，還有一批在結構陶瓷精密成型與加工上有特色的中小型企業。圖2為廣東和山東部分先進陶瓷上市公司的銷售情況。

江蘇的宜興、蘇州、常州等地在精密紡織陶瓷、化工用結構陶瓷、汽車尾氣凈化用蜂窩陶瓷、環保陶瓷、以及陶瓷軸承和陶瓷濾波器等領域具有優勢，代表企業有宜興非金屬化工機械廠、宜興九榮特種陶瓷、國瓷江蘇金盛和江蘇陶瓷研究所等。其中宜興地區的精細陶瓷產業已形成較大的生產規模，從單一的Al2O3材料發展到現在的Al2O3、ZrO2、MgO、TiO2、SiC、Si3N4、BN、滑石瓷和堇青石等多種材料；產品的應用范圍也大大擴展，不僅大量出口，而且國內市場的占有率也較高，涵蓋了許多工業領域，如紡織機械、電子工業、化工冶金、生物環保、5G通信等。宜興紡織機械陶瓷和汽車尾氣凈化蜂窩陶瓷在國內占有優勢和領先水平，全市工業陶瓷總產值近百億元。

山東的淄博和濰坊為工業陶瓷聚集區，擁有100余家工業陶瓷企業和五大類工業陶瓷產品，包括耐磨陶瓷內襯、環保陶瓷、陶瓷缸套和球閥、透波石英陶瓷和Si3N4陶瓷、反應燒結SiC陶瓷。山東濰坊集中了我國80%以上的反應燒結SiC陶瓷產品，產值數十億，產品品種數百種、不但滿足國內需求還大量出口到美國和歐洲等國家。山東先進陶瓷代表性企業有山東國瓷、山東工陶院、硅苑科技、淄博華創、濰坊華美等，其中山東國瓷在高性能氧化物納米陶瓷粉體（如BaTiO3、ZrO2、Al2O3）方面已達到國際先進水平，產品銷往國內外。

湖南的婁底市和新化縣是我國Al2O3電子陶瓷、Al2O3精密瓷件及滑石瓷的主要產地，集中了近百家企業。產品涵蓋了用于溫控器的95Al2O3或滑石瓷、電光源陶瓷系列、耐熱陶瓷系列、水滑片陶瓷系列、新能源汽車用陶瓷繼電器外殼等，涌現了像婁底安地亞斯電子陶瓷和湖南美程陶瓷科技這樣為比亞迪等新能源汽車提供系列絕緣電子陶瓷的企業，以及湖南新化鑫星電子陶瓷這樣的國內最大的陶瓷水滑片生產龍頭企業，此外，湖南醴陵在高壓電瓷和精密陶瓷方面也形成了一定的產業群，集中了一批像湖南醴陵特種電瓷電器、醴陵華鑫電瓷電器、湖南株洲湘火炬火花塞公司是全國最大陶瓷火花塞制造企業，產品銷往國內外。

河北唐山依然是我國各種Al2O3陶瓷管和理化瓷的產地，產品主要有Al2O3陶瓷管、熱電偶保護管、高溫爐件、絕緣瓷件等，除了滿足國內市場還出口到歐美和韓國等亞洲國家。集中了一批像唐山陶瓷集團工業試驗廠、唐山科碩特陶制造等有影響力的企業。

河南鄭州及周邊地區依然是Al2O3陶瓷粉末及制品的重要產地，產業規模達到數十億，集中了一批像中國鋁業鄭州研究院、河南濟源兄弟材料等有影響力的企業。河南焦作則集中了一批ZrO2陶瓷粉末和制品的企業，如焦作市維納科技、焦作李封工業等公司。

江西景德鎮作為中國瓷都，在Al2O3電真空管殼及新能源汽車絕緣瓷件的生產企業較為集中，如景德鎮景龍特陶、景華特陶、海川特陶和品安特陶等企業，其工藝技術主要來自原國營九九九廠。此外還有一些壓電陶瓷、蜂窩陶瓷、B4C防彈陶瓷、ZrO2陶瓷插芯、滑石瓷的精密陶瓷企業。圖3為景德鎮景龍特陶的Al2O3真空滅弧室產品。江西萍鄉在化學工業陶瓷、耐磨陶瓷、環保過濾陶瓷膜和高壓電瓷等方面聚集度高，是我國化工陶瓷和高壓電瓷的重要產地，涌現出一批有規模有影響力的企業，如萍鄉龍發實業、中材江西電瓷電氣等，其產品在國內外市場占據較高份額。此外，還有上百家中小陶瓷企業。

2、國內先進陶瓷產業化應用狀況

伴隨著我國先進陶瓷材料制備技術的進步和市場的強勁需求，先進陶瓷產業呈現出良好的發展態勢，應用領域越來越廣闊，不僅在化工冶金、機械制造、電力電子、能源環保等傳統工業領域得到廣泛應用，而且在我國航天航空、深空探測、現代通訊、消費電子和國防軍工等尖端技術領域獲得愈來愈多的應用。

2.1 機械化工領域

我國作為機械工業中廣泛使用陶瓷密封件的最大生產國，主要采用耐磨和抗腐蝕性能優異的SiC、SiC/C、Al2O3、Si3N4陶瓷材料，特別是近幾年通過常壓燒結亞微米SiC粉末制成的細晶單相SiC產品，具有出色的抗腐蝕性，已在化工廠、煉油廠、離心機、水動渦輪和油井的大型泵上應用。SiC陶瓷滑動密封環即使在更小型的應用上也能保證安全和長效，如汽車上的燃油泵和冷卻水泵等。國內代表性企業有鄭州華碩、上海華碩、浙江東新和北京中興實強等，行業產值已達數十億余元。

在石油、化工、電力和冶金等工業領域中，需要大量的閥門。近年來許多單位在陶瓷閥門的研制與生產上日趨成熟，產量和應用范圍不斷擴大，涌現一批陶瓷閥門的專業廠家，如福建智勝特陶、東莞信柏、天津圣凱閥門和山東硅苑等公司。產品不但滿足國內市場的需求，還有不少出口。陶瓷閥門的材料包括Al2O3、ZrO2、ZTA和SiC等陶瓷，常見的種類有球閥、閘閥和碟閥等。目前山東淄博華創是最大的陶瓷缸套生產企業，產品除了滿足國內油田使用，還出口到美國和中東等國家。

2.2新能源汽車與環保領域

隨著新能源汽車行業的快速發展，諸如繼電器外殼、動力電池密封連接器和陶瓷熔斷器等Al2O3絕緣陶瓷產品需求大幅增加，這些產品常具備固定、支撐、隔離、保護及連接等作用，圖4示出了具體產品。高壓高電流的電路在斷閉時會產生電弧，此時受到陶瓷繼電器外殼的冷卻和表面吸附作用，使產生的電弧迅速熄滅，從而杜絕汽車電路因電弧引發的短路起火。目前，生產新能源汽車和電真空用的Al2O3絕緣陶瓷主要分布在江西景德鎮、湖南婁底等地。

隨著我國環境污染面臨的壓力，用于高溫煙氣脫硫、氣固分離、污水凈化的過濾陶瓷或陶瓷過濾膜產品快速發展，國內已有江蘇久吾高科、山東工陶院、宜興化機廠等數十家企業生產各類陶瓷過濾膜管和組件，甚至到污水處理和高溫煙氣處理的環保工程承包的整體服務。

2.3通信與消費電子領域

微波介質陶瓷廣泛應用于微波諧振器、濾波器、振蕩器、電容器及微波基板等，是移動通訊、衛星通訊、全球衛星定位系統、藍牙技術及無線局域網等現代微波通訊的關鍵材料。介質諧振器和濾波器是用量最大的微波介質陶瓷器件，目前，我國是移動通信用微波介質諧振器和濾波器的最大市場。近年來，微波陶瓷器件正向片式化、微型化甚至集成化方向發展。國內知名企業有江蘇燦勤科技、蘇州艾福電子、廣東國華新材料、蘇州東山精密制造和浙江嘉康電子等。

伴隨我國快速發展的智能手機產業，新一代高性能納米ZrO2陶瓷已在手機外殼和指紋識別中獲得應有。幾年前華為公司在全球第一個發布了采用高性能的黑色納米ZrO2陶瓷外殼手機P7，近兩年小米、OPPO、三星等知名品牌手機的先后采用各種顏色的納米ZrO2陶瓷背板。最新發展起來的指紋識別智能手機，需采用0.15mm的納米陶瓷薄片替代傳統的玻璃材料。目前國內潮州三環和東莞信柏等公司已形成規模化生產，供應國內外大品牌手機廠商，如蘋果，三星和華為。隨著5G商用時代到來，納米ZrO2陶瓷背板成為最佳備選材料，目前中國走在前面，全球90%以上的陶瓷背板由中國制造。

2.4航空航天領域

連續碳纖維增韌SiC陶瓷基復合材料，是先進航空航天器制造能力的戰略性新型先進陶瓷材料。目前近二十種這類材料的構件應用于航空發動機、液體火箭發動機和固體火箭發動機等。液體火箭發動機中使用的Cf/SiC噴管，國內西工大、國防科大和中科院上硅所是最早研發成功的。另外一類重要的航空材料是碳纖維/碳復合材料，這種C/C復合材料首先是由碳纖維制成多孔隙的預制體，然后采用浸漬樹脂炭化，或者采用CVD/CVI的方式將多孔預制體中孔隙填充而獲得的，采用C/C復合材料制備的飛機剎車盤，目前中南大學及博云公司已形成了規模生產的能力。

3、我國先進陶瓷面臨的問題、機遇和挑戰

（1）MLCC電子陶瓷高端元器件還被國外壟斷

MLCC在國際電子制造業中 占據越來越重要的位置，尤其是隨著消費類電子產品、通信、網絡、汽車、工業和國防終端客戶的需求日益增多，全球市場達到百億美元，并以每年10%～15%的速度增長。日本是MLCC的生產大國，日本村田、京瓷、太陽誘電株式會社和TDK-EPC，韓國的三星電機，我國臺灣地區的華新科技和國巨等公司都是全球著名的 MLCC生產企業。MLCC的主流發展趨勢是小型化、大容量、薄層化、堿金屬化、高可靠性；單層陶瓷膜已達到0.5μm。

（2）高性能微波介質陶瓷及元器件還有差距

微波介質陶瓷廣泛應用于移動通信、導航、全球衛星系統、雷達、藍牙技術及無線局域網等領域。由于構成微波介質陶瓷的濾波器、諧振器和振蕩器等元器件在5G網絡中被廣泛使用，其質量在很大程度上決定了微波通信產品的最終性能、尺寸極限與成本。低損耗、高穩定性和可調制的微波電磁介質材料是如今國際上的核心技術，目前微波介質材料和器件的生產水平以日本村田、京瓷和TDK-EPC，美國Trans-Tech等公司為最高。國內武漢凡谷、大富科技、深圳順絡和江蘇燦勤等企業與國際知名大企業相比較，但在技術水平、產品品種和生產規模上仍有較大差距。

（3）易燒結細晶Al2O3粉體及高端Al2O3制品

許多高端的Al2O3陶瓷產品，如Al2O3體系的生物陶瓷、陶瓷基板、耐磨紡織瓷件和電子真空瓷件等所使用的Al2O3粉末還依賴從日本、德國和美國進口。特別是制備Al2O3含量為99.5%、99.7%、99.8%、99.9%的晶粒細小、結構均勻、機電性能和耐磨性好Al2O3陶瓷零部件。國內廠家在Al2O3粉末的雜質含量控制、燒結活性，特別是燒結成瓷后的顯微結構均勻性和材料性能上還具有差距。

（4）高純度高活性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，國內尚缺乏一流的生產供應商。例如用于制備高強度陶瓷軸承的Si3N4粉末主要依賴從日本宇部興產株式會社進口、半導體芯片封裝用的高導熱基板用AlN陶瓷粉主要從日本德山曹達等公司進口，而高性能的SiC陶瓷粉末還需從法國圣戈班公司進口，高品質的防彈裝甲用B4C和超高溫陶瓷用ZrB2等粉末需從德國H.C.Starck等公司進口，特別是核電站中子吸收用的核級B4C原料存在較大差距。

（5）高導熱AlN和Si3N4陶瓷基板

隨著新能源汽車、高鐵、風力發電和5G基站的快速發展，這些新產業中所用的大功率IGBT模塊對最新一代的高導熱高強度的AlN和Si3N4陶瓷基板需求巨大，僅株洲中車集團每年需求量就達500萬片。日本京瓷和美國羅杰斯等公司都可批量生產和提供覆銅刻蝕的Si3N4陶瓷基板。國內起步較晚，但近幾年大學、研究機構和一些企業都在加快研發并取得較大進展，其導熱率>90W·m-1·K-1，抗彎強度>700MPa，斷裂韌性>6.5MPa·m1/2，但距產業化還有一定差距。同時，國內的陶瓷基板覆銅技術尚不能完全達到對覆銅板的嚴格考核，產品以進口為主。

（6）生物陶瓷髖關節

生物陶瓷髖關節市場需求巨大，全球平均每2分鐘就有一例陶瓷髖關節置換手術，對該材料性能和可靠性要求非常高，使用壽命可達20年以上。目前，陶瓷髖關節主要由德國賽瑯泰克和日本京瓷等公司生產，國內每年需進口數十萬套。德國賽瑯泰克生產的ZrO2和SrAl12-xCrxO19板狀晶協同增強增韌Al2O3基復相陶瓷材料，其抗彎強度和斷裂韌性分別達到1380MPa和6.5 MPa·m1/2。

（7）長壽命高耐磨陶瓷軸承球和軸承

在航天發動機、風力發電和數控機床等高端裝備所使用的陶瓷軸承，不但要求高的力學性能和熱學性能，而且還需優異的耐磨性、可靠性和長壽命。目前國產的Si3N 4陶瓷軸承球與日本東芝還有明顯差距，與著名的瑞典SKF、德國FAG和日本KOYO等軸承公司相比，我國的軸承還處于產業鏈的中低端，像風電和數控機床等高端產品還依賴進口。

（8）切削金屬用陶瓷或金屬陶瓷刀頭

在汽車、冶金、航天航空領域的機械加工中大量使用陶瓷刀頭，據統計市場需求達數十億元，目前大量進口。陶瓷刀具材料包括Al2O3基、Si3N4基、Sialon陶瓷、ZTA和Ti（N，C）體系等，要求具有高硬度、高強度和高可靠性。目前國內企業只能生產少量非氧化物陶瓷刀具，像汽車產業加工用量巨大的氧化物陶瓷刀具還依賴從瑞典Sandvik、日本京瓷和NTK、德國CeramTec等公司進口。

（9）大尺寸透明透波陶瓷

在軍工國防用到的透明和透紅外線陶瓷材料，如Y2O3、MgO、AlON、MgAl2O4陶瓷以及具有激光特性的Nd：YAG透明陶瓷。目前我國的技術還限于制備小尺寸產品，而像美國surmet等公司已可制備0.5m以上的大尺寸透明透波陶瓷，我國無論在工藝技術和裝備上與其均有差距。

（10）半導體晶圓產線上陶瓷治具與CVD加熱盤

半導體晶圓生產線上需要使用到大量的陶瓷結構件，如陶瓷盤、陶瓷手臂、陶瓷環和保持架等，涵蓋了Al2O3、AlN和SiC等多種陶瓷材料，要求材料純度高、致密均勻、產品加工精度和光潔度極高。國內只有少數幾家企業提供部分這類產品，像高端的AlN和SiC陶瓷備件還得依賴進口。特別是半導體CVD設備中所需AlN和SiC陶瓷加熱盤與卡盤。

4、結 語

全球先進陶瓷產業已達到數萬億級的市場規模，中國企業累計在數千億級，僅占全球10%～15%，還有很大的上升空間。無論是中國市場和國際市場對先進陶瓷粉體與產品需求依然強勁，中國先進陶瓷企業仍然具有很多發展機會和潛力。

特別是近幾年隨著我國5G基站、5G通信、新能源汽車、消費電子、生物醫療、軌道交通、半導體芯片與封裝、機器人與人工智能、工業互聯網的加速發展，對電子功能陶瓷、高性能結構陶瓷、生物陶瓷、納米陶瓷粉體、高端電子陶瓷元器件和機構陶瓷零部件需求巨大，中國已成為全球最大的先進陶瓷市場。

2021年始，先進陶瓷產業將迎來一個新的爆發增長期，這也為我國先進陶瓷的新材料、新產品、新技術的研發和產業化帶來新的機遇。

（作者1系清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室 博士、教授）

（作者2系景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院）