國內先進陶瓷研究機構介紹

一、先進陶瓷及其研究機構簡介

我國先進陶瓷材料的研究主要起始于20世紀70年代，以中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學、山東工陶院、天津大學為代表的一批高校和研究院所率先開展結構陶瓷、功能陶瓷的基礎理論與制備技術的研究。早期科研成果的產業化包括高壓鈉燈透明氧化鋁陶瓷燈管、氮化硅陶瓷刀具、透波石英陶瓷頭罩等。特別是在“七五”和“八五”期間，以高效發動機和燃汽輪機中使用的高溫陶瓷關鍵零部件開發為導向的陶瓷材料的組成設計、晶界工程、凈尺寸陶瓷成型、氣壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結技術的研發。當時參與“發動機用先進陶瓷”這一國家層面的重大聯合攻關項目的單位有清華大學、上海硅酸鹽研究所、山東工陶院、天津大學、浙江大學、華南理工大學、中國建筑材料科學研究總院、上海內燃機研究所等單位。研究的課題包括：1）氣氛加壓燒結Si3N4，界面特性；2）柴油機ZrO2陶瓷針閥研制；3）氮化硅陶瓷鑲塊材料的燒結制備；4）氮化硅陶瓷電熱塞研制；5）增壓器陶瓷渦輪轉子注射成型工藝研究；6）絕熱發動機用增韌莫來石復相陶瓷部件；7）壓濾成型陶瓷渦輪轉子的研究；8）Mg-PSZ陶瓷材料及發動機用陶瓷材料；9）Sialon陶瓷氣門的制備研究；10）Si3N4陶瓷與鋼的連接技術研究；11）檢測陶瓷零件的微焦點X-CT實驗系統；12）陶瓷的無損檢測與力學行為分析。正是上述這一歷時數年的先進陶瓷大項目大工程，為我國先進陶瓷的研究與發展培育了人才隊伍，奠定了技術與工藝基礎。

目前，國內已有100多所大學和科研院所從事先進陶瓷材料的研究，其中包括一批國家級陶瓷重點實驗室或工程研究中心，如清華大學“新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室”、中科院上硅所“高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室”、武漢理工大學“材料復合新技術國家重點實驗室”、山東工陶院的“國家工業陶瓷工程技術研究中心”。

先進陶瓷材料研究的主要大學還包括：哈爾濱工業大學、東華大學、湖南大學、浙江大學、西北工業大學、西安交通大學、景德鎮陶瓷大學、長沙理工大學、廣東工業大學、國防科技大學、江蘇大學、天津大學、東北大學、鄭州大學、北方民族大學、映西科技大學、武漢科技大學、華南理工大學、華中科技大學、北京大學、上海大學、海南大學、山東理工大學、昆明理工大學、遼寧科技大學、廈門大學、合肥工業大學、北京航天航空大學、北京理工大學、北京科技大學、湖南人文科技學院、湖北工業大學、西南交通大學、大連海事大學、上海海事大學、江蘇師范大學、廈門理工學院、紅河學院、合肥學院、銅仁學院等。

先進陶瓷材料研究的主要科研院所還包括：中科院理化技術研究院、北京人工晶體研究院、中科院過程研究所、中科院上海光學精密機械研究所、中電科集團十二所、中電科集團十三所、中電科集團四十三所、中科院蘭州化學物理研究所、山東省硅酸鹽研究設計院、中國建筑材料科學研究總院陶瓷科字研究院、咸陽陶瓷究設計院、江蘇陶瓷研究所、天津硅酸鹽研究所、佛山陶瓷研究所、遼寧省輕工業研究院。

二、結構陶瓷及其研究機構簡介

早在20世紀80年代，清華大學、中科院上海硅酸鹽研究所、天津大學、山東工陶院、中國建筑材料科學研究總院等高校和研究單位就以國家科技部的“陶瓷發動機”項目為依托，開展多種結構陶瓷材料及高溫陶瓷零部件的研發，包括發動機增壓用氮化硅渦輪轉子、發動機缸蓋頂板的鎂部分穩定氧化鋯陶瓷，簡稱Mg-PSZ，發動機高溫燃燒室碳化硅陶瓷，以及耐高溫耐腐蝕的氮化硅陶瓷氣門、搖臂鑲塊等，為此，在結構陶瓷基礎理論方面開展了“晶界工程”“相變增韌”“微觀結構調控”等方面研究探索；在結構陶瓷復雜形狀零部件成型方面開展了“陶瓷注射成型”“壓濾成型”“塑性擠壓成型”等新工藝；在陶瓷致密化燒結方面先后開展了“氣壓燒結”“氣氛燒結”“熱壓燒結”“熱等靜壓燒結”等燒結新技術的研發。上述這些基礎研究和陶瓷零部件的制備技術開發為我國后續先進陶瓷的發展奠定了良好的基礎，同時也培養了一批骨干人才隊伍。

清華大學研發的氮化硅基陶瓷刀具是較早實現成果轉化和產業化的結構陶瓷產品之一，這種采用Si3N4，與TiC復合的陶瓷刀具在機械行業得到許多應用；隨后發展了復合TiCN金屬陶瓷刀具，用于加工炮彈以及冷鑄鐵泥漿泵等硬質鋼鐵。此外，研發的SiC晶須強韌化的SiN，陶瓷刀具及燃氣輪機用陶瓷葉片等結構件。

天津大學在Mg-PSZ材料研究基礎上，制備出發動機用陶瓷部件，并開展氧化鋯陶瓷成果轉化，先后開發出發動機用高溫陶瓷缸蓋及石油井泥漿泵用氧化鋯陶瓷缸套。

10余年來，中科院上海硅酸鹽研究所在碳化硅陶瓷制備材料上取得突破，成功制備出大尺寸碳化硅反射鏡，在空間對地觀測等重要領域獲得應用。

山東工陶院發展了Si3N4，粉末的封閉式氮氣保護噴霧造粒技術，采用氣壓燒結與熱等靜壓燒結相結合技術制備出耐磨損、長壽命、高可靠性氮化硅陶瓷軸承球。這種陶瓷軸承在航天發動機、高速機床、風力發電、高端醫療設備方面獲得重要應用。

哈爾濱工業大學在航天防熱陶瓷復合材料和ZrB2等超高溫陶瓷零部件制備上取得許多成果，并成功應用于航天工程與國防軍工。

西安交通大學在氮化硅-碳化硅納米陶瓷的無壓燒結制備、氮化硅陶瓷的相轉變和致密化、多孔氮化硅陶瓷的制備、反應燒結碳化硅多孔陶瓷及多孔氮化硅-碳化硅納米復合材料方面做出了有特色的工作，所開發的無壓燒結制備的氮化硅-碳化硅納米復合材料具有高強度、耐磨性等優點，具有較高的實用價值。

北方民族大學長期堅守從事SiC陶瓷相圖與制備工藝研究，并將SiC常壓燒結技術應用高性能SiC防彈陶瓷制備及產業化。

山東大學、景德鎮陶瓷大學與企業合作開發的熱壓燒結高硬度、高密度BC防彈陶瓷通過認證，在軍隊人體防護和直升機上獲得應用。

武漢理工大學開發的梯度復合材料、超硬陶瓷、導電陶瓷材料已應用于國防軍工領域；清華大學和昆明理工大學在低熱導率熱障涂層材料的研發上也取得許多新成果。

近幾年，中科院上硅所、東華大學、北京理工大學等單位又開展高熵陶瓷的基礎研究。此外，中科院沈陽金屬所、北京交通大學、清華大學、河南理工大學等單位在MAX相（如Ti3Sic2、Ti3AlC2）導電陶瓷方面做了不少研究工作，北京交通大學并將這種導電陶瓷應用于電力機車受電弓滑板。

北京人工晶體研究院開發出可加工的云母玻璃陶瓷。該材料質輕，抗熱沖擊性能好且體積電阻大，絕緣強度高，是一種優良的電子絕緣材料，已獲得許多重要應用。

三、功能陶瓷及其研究機構簡介

功能陶瓷是具有電、磁、聲、光、熱、力、化學或生物功能等的介質材料，因此，功能陶瓷材料種類多，用途廣泛。主要包括鐵電、壓電、介電、熱釋電、半導體、電光和磁性等功能各異的新型陶瓷。它是電子信息、集成電路、移動通信、消費電子、能源技術和國防軍工等現代高新技術領域的重要基礎材料。自20世紀70年代，國內一批高校和科研院所就陸續對各種功能陶瓷材料從基礎理論到工程應用展開研究。

多層片式陶瓷電容器（MLCC）是一種量大面廣的重要電子元器件，廣泛用于電子信息產品的各種表面貼裝電路中，清華大學、西安交通大學、同濟大學等高校相繼開展研究工作。特別是清華大學李龍土院士團隊通過復合添加劑摻雜、調控顯微結構制備出的鈦酸鋇基X7R 502 MLCC材料的室溫介電常數可達5000左右，室溫介電損耗小于1%，電阻率為1011Ω？m，擊穿場強高于5kV/mm，為制備軍用高可靠性大容量陶瓷電容器提供了關鍵材料，與風華高科股份有限公司合作，獲得產業化應用。此外進行的片式電感（MLCI）研究，開發了共燒陶瓷技術，推動了片式電感與片式電容在我國的發展。

鐵電壓電陶瓷作為機、電、聲、光、熱敏感材料，在傳感器、換能器、無損檢測和通信技術等領域已獲得廣泛應用。其中，壓電陶瓷及器件一直是人們關注和研究的一個熱點。中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學、武漢理工大學、浙江大學、北京大學工學院、天津大學、景德鎮陶瓷大學先后開展了這方面的研究工作，其中上海硅酸鹽研究所研發的壓電陶瓷產品及器件在航空航天、醫療系統、油氣勘探等領域中得到了實際應用。清華大學和北京大學開發壓電蜂鳴器、超聲波振子。特別是在超聲波壓電馬達方面取得許多成果，開發出轉速高達11200r/min的壓電微電機，提出可10萬次步進累積誤差小于1度的壓電微馬達。先后成功研制出可用于電聲、消費電子、電子通信、軍工等行業需求的新型壓電元器件和應用技術，如超精密壓電定位臺、人機交互的壓電陶瓷觸摸屏、超輕壓電音箱和壓電耳機。

微波介質陶瓷是現代通信中廣泛使用的諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質導波回路等微波元器件的關鍵材料，也是功能陶瓷領域中研究十分活躍、發展迅速的一類材料。參與研究的高校和科研院所眾多，包括清華大學、浙江大學、上海硅酸鹽研究所、電子科技大學等單位，其中浙江大學在介電常數大于100的高介電常數微波介質陶瓷新體系探索方面取得重要進展。清華大學與同方公司合作開發了天線用微波陶瓷材料系列，介電常數從K10到K150的不同微波介質陶瓷，可用于諧振器、濾波器。特別是針對5G基站濾波器應用，制備出鈦酸鎂/鈦酸鈣微波介質陶瓷樣品。據市場預測2020-2025年，5G基站用陶瓷濾波器將達到近100億元。

作為半導體功能陶瓷應用的PTC熱敏電阻，繼日本、美國之后，國內天津大學、華中科技大學先后研發出不同特性的PTC熱敏電阻陶瓷材料，并且實現規模化生產。

電子封裝用陶瓷基板，如Al2O3、ZTA、BeO、AlN，特別是高導熱氮化鋁、氮化硅陶瓷基板近10年來成為半導體功率器件、IGBT功率模塊中的關鍵封裝材料。早在21世紀初，清華大學開發出高導熱AlN基板的流延成型與低溫燒成工藝，中電科集團十三所在AlN基板燒結、AlN基板金屬化工藝取得實用化成果，基板表面鍍銅（100μm Max）滿足電流承載需求，表面鍍覆鎳金適合鍵合和焊接。此外，在AlN多層陶瓷封裝方面，實現了AlN與W金屬化體系高溫共燒，多層陶瓷布線設計電路滿足需求，可以與金屬進行釬焊。

近幾年，同時具有高導熱率，高強度、高韌性的氮化硅陶瓷基板成為功能——結構一體化陶瓷的研究熱點。中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學、廣東工業大學、山東工陶院等單位均開展了大量研發工作。上海硅酸鹽研究所采用硅粉氮化再進行致密化燒結技術路線已制備出熱導率高達100W/（m·K）以上的Si3N4樣品，山東工陶院采用流延成型再排膠燒結得到80～90W（m？K）的SiN基板，并進行了覆銅試驗。清華大學與企業合作分別采用氣壓燒結和震蕩壓力燒結新工藝制備出熱導率達到85～95W（m·k）的大尺寸Si3N4基板，抗彎強度和斷裂韌性分別為750MPa和7MPa？m1/2。

在電子電氣工業上廣泛應用的絕綠電子陶瓷研究的代表性單位有中電科集團十二所，主要進行電真空器件的研制生產。產品包括行波管、磁控管、速調管、閘流管、加速管、電力開關管等，廣泛用于通信、醫療、集裝箱在線檢測、工業無損探傷、電力開關柜等。

四、透明陶瓷及其研究機構簡介

透明透波陶瓷是指對可見光和紅外波長范圍電磁波具有良好透過性的陶瓷材料。這些陶瓷主要包括透明氧化鋁（Al2O3）、氧化釔（Y2O3）、氧化鎂（MgO）、鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）以及阿隆（AlON）透明陶瓷、釔鋁石榴石透明陶瓷（簡稱YAG）和稀土摻雜釔鋁石榴石激光透明陶瓷（如Nd：YAG）。

早在20世紀70年代，清華大學苗赫濯教授團隊采用氫氣氛燒結制備出透明Al2O3陶瓷與高壓鈉燈，高壓鈉燈發光效率比當時的高壓汞燈高一倍以上，透射性強，從而在北京長安街、首都機場、港口獲得廣泛應用。由于高壓鈉燈內的透明燈管要耐受1300℃高溫鈉蒸汽腐蝕，因此玻璃燈管會被腐蝕導致失透，但透明Al2O3燈管可以勝任。進入21世紀，另一種新光源“陶瓷金鹵燈”因為光線自然柔和、省電節能，從而獲得關注和應用。中科院上硅所和清華大學分別開發出“金鹵燈”中的透明Al2O3放電管，并且獲得成果轉化與產業化應用。

透明Al2O3陶瓷也是一種生物相容性良好的齒科陶瓷材料，其中透明Al2O3陶瓷托槽被引入正畸領域，廣泛地應用于牙齒矯正的臨床治療。與金屬托槽比較，透明陶瓷托槽由于其良好透明性和光澤度，使其更加美觀實用。多晶透明Al2O3托槽主要采用氫氣氛燒結或熱等靜壓燒結，繼美國、瑞士、日本之后，清華大學、上硅所等單位也開發出此類產品。清華大學采用注射成型與熱等靜壓燒結制備的透明Al2O3陶瓷托槽，通過與北京首都醫科大學口腔醫院合作，成功應用于牙齒矯正領域。

鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）透明陶瓷具有光學各向同性的特性，因此比六方晶系的Al2O3透明度更高，而且對于紅外光和紫外光均具有良好的透過率。20世紀80年代美國軍方率先開展熱壓燒結透明尖晶石紅外整流罩的研究，美國的 CoorsTec和 Raytheon公司成功地制備出性能較為完善的透明尖晶石材料，并很快應用于紅外戰術導彈系統。國內90年代初開始研制透明尖晶石陶瓷。北京人工晶體研究院采用熱等靜壓燒結材料首先研發出透明尖晶石陶瓷，隨后天津津航技術物理研究所、中科院上海硅酸鹽研究所也制備出不同直徑的透明鎂鋁尖晶石陶瓷整流罩。

阿隆（AlON，即氮氧化鋁）透明陶瓷由于具有良好的光學性能、介電性能、化學性能，同時還具有較高的抗彎強度和硬度，其適用范圍寬，從紫外區的02μm一直到外紅區的6.0μm，從而在透明裝甲和許多光學領域是非常有用的材料。例如用于雷達天線罩、耐高溫紅外傳感器窗口材料、坦克裝甲車的觀察窗、超音速飛機的風擋。美國 Surmet公司已可制備出610mm×914mm的大尺寸板材及各種窗口，成功應用于航空航天及防彈透明裝甲等領域。國內參與AlON透明陶瓷研究的主要有中科院上海硅酸鹽研究所、北京人工晶體研究院、武漢理工大學、山東理工大學、大連理工大學、天津津航技術物理研究所。其中，上海硅酸鹽研究所和人工晶體研究院已報道制備出性能較為優異的中小尺寸AlON透明陶瓷產品。

釔鋁石榴石透明陶瓷是近20年來發展迅速的透明陶瓷材料，重點關注和研究釔鋁石榴石（簡稱YAG）摻雜Nd3+、Yb3+、Ln3+、Er3+、Tm3+等稀土離子的激光透明材料與器件。1995年，日本科學家lkesue等人通過高溫固相反應，于1750℃真空燒結的1.1%Nd：YAG激光透明陶瓷的折射率、熱導率、硬度等物理性能與0.9%Nd：YAG單晶性能相當，其散射損耗低達0.009cm-1，某些發光性能甚至優于提拉法（CZ法）制備的Nd：YAG單晶。與此同時，研制出世界第一臺能與Nd：YAG單晶激光器相媲美的Nd：YAG透明陶瓷激光器。2016年美國利弗莫爾實驗室與日本合作，采用Nd：YAG透明陶瓷板條研發的激光器可產生67kW的平均輸出功率。國內中科院上海硅酸鹽研究所、中科院理化所、東北大學、四川大學、江蘇師范大學、北京人工晶體研究院先后開展了有關Nd：YAG粉體的化學合成、致密化燒結工藝和燒結助劑的開發以及Nd：YAG透明陶瓷激光器的研究。其中，上海硅酸鹽研究所的激光透明陶瓷的應用取得了顯著成績，采用固相反應燒結技術研制的大尺寸Nd：YAG激光透明陶瓷板條（120mm×50mm×3mm）實現激光輸出平均功率為4350W，為國內當時Nd：YAG激光透明陶瓷激光輸出最高功率。

（摘自：《2020中國先進陶瓷產業大全》）