我國碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展路徑研究
——以寧夏為例

吳瀾爾

（北方民族大學(xué),寧夏 銀川 750021）

碳化硅與金剛石具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，在空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，碳原子、硅原子交替以共價(jià)鍵相結(jié)合。碳化硅主要有兩種結(jié)晶形態(tài)：β-SiC和α-SiC。β型為低溫型，是面心立方結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)為3C。α型為高溫型，六方結(jié)構(gòu)，有近250種多型體。碳化硅的基本特性：密度（g/cm3)：α-SiC，3.217；β-SiC，3.215。熱傳導(dǎo)性（W/m·℃)：α-SiC，41.0；β-SiC，25.5。維氏硬度（HV換算成GPa）：24.5～28.2。抗氧化性：極好。耐腐蝕性：室溫下幾乎是惰性的。

碳化硅產(chǎn)品與用途主要有：磨具磨料（砂輪、砂紙、研磨膏、拋光液）；耐火材料（陶瓷窯爐中的方梁、支架、襯板、匣缽）；煉鋼爐出渣口、鐵水澆口；煉鋼過程中添加的脫氧劑；光伏產(chǎn)業(yè)切割刃料；高技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷部件；半導(dǎo)體材料及器件等。

1 碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史

1890年，Edward和G.Acheson 在碳中加硅，試圖合成金剛石時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了碳化硅的合成方法。目前Acheson法是碳化硅工業(yè)化合成主要方法。其主要工藝過程：石英砂＋石油焦（或無煙煤）＋少量鋸末和氯化鈉，在2 000 ℃～2 400 ℃的電弧爐中反應(yīng)合成。

我國碳化硅工業(yè)生產(chǎn)始于1949年，第一機(jī)械工業(yè)部沈陽第一砂輪廠和中科院金屬研究所的技術(shù)人員參照日本與蘇聯(lián)的技術(shù)資料，搭建了碳化硅冶煉爐，開始了我國最初的碳化硅工業(yè)生產(chǎn)，可以說第一砂輪廠是我國碳化硅工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)源地[1]。

1978年，寧夏在第一砂輪廠的協(xié)助下建起了第一臺(tái)碳化硅冶煉爐，由于具備煤基碳化硅的原料礦產(chǎn)資源，碳化硅產(chǎn)業(yè)在寧夏得以迅速發(fā)展，成為寧夏的支柱產(chǎn)業(yè)之一。圖1是2014—2018年全國碳化硅冶煉產(chǎn)量和寧夏產(chǎn)量對比數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來自中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)磨料磨具分會(huì)）。圖1中，比例是寧夏碳化硅產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的百分比。從圖1可以看出，在2014年和2016年，寧夏碳化硅產(chǎn)量均超過全國產(chǎn)量的50%。

圖1 全國碳化硅產(chǎn)量與寧夏碳化硅產(chǎn)量對比

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年，寧夏有碳化硅冶煉企業(yè)9家，其生產(chǎn)能力58萬噸，當(dāng)年實(shí)際生產(chǎn)38萬噸。另有碳化硅磨料微粉企業(yè)6家，碳化硅陶瓷生產(chǎn)企業(yè)2家[2]。

2 碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策導(dǎo)向

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年（2016—2020）規(guī)劃綱要》強(qiáng)調(diào)：“堅(jiān)持戰(zhàn)略和前沿導(dǎo)向，集中支持事關(guān)發(fā)展全局的基礎(chǔ)研究和共性關(guān)鍵技術(shù)研究，更加重視原始創(chuàng)新和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。聚焦目標(biāo)、突出重點(diǎn)，加快實(shí)施已有國家重大科技專項(xiàng)，部署啟動(dòng)一批新的重大科技項(xiàng)目。加快突破新一代信息通信、新能源、新材料、航空航天、生物醫(yī)藥、智能制造等領(lǐng)域核心技術(shù)”。

《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》提出：“以高性能纖維及復(fù)合材料、高溫合金為核心，以輕質(zhì)高強(qiáng)材料、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料、材料表面工程、3D打印材料為重點(diǎn)，解決材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)調(diào)控的重大科學(xué)問題，突破結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料制備及應(yīng)用的關(guān)鍵共性技術(shù)，提升先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的保障能力和國際競爭力”。包括“先進(jìn)鋁基、鈦基、鐵基等金屬基復(fù)合材料，金屬層狀復(fù)合材料，碳化硅、氧化鋁、氮化硅和氮化硼纖維及復(fù)合材料，耐高溫陶瓷基復(fù)合材料，低成本碳/陶復(fù)合材料等”。

《中國制造2025》提出：“以特種金屬功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材料、特種無機(jī)非金屬材料和先進(jìn)復(fù)合材料為發(fā)展重點(diǎn)，加快研發(fā)先進(jìn)熔煉、凝固成型、氣相沉積、型材加工、高效合成等新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和體系建設(shè)，突破產(chǎn)業(yè)化制備瓶頸”。

《產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》提出：“加快基礎(chǔ)材料升級換代，做好戰(zhàn)略前沿材料提前布局和研制，關(guān)注顛覆性新材料對傳統(tǒng)材料的影響，以特種金屬功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材料、先進(jìn)無機(jī)非金屬材料和先進(jìn)復(fù)合材料為發(fā)展重點(diǎn)，加快研發(fā)新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備。重點(diǎn)發(fā)展軸承、齒輪、彈簧及工模具用鋼，擠壓、鑄造鋁型材，基礎(chǔ)樹脂，工業(yè)陶瓷等先進(jìn)基礎(chǔ)材料”。

3 碳化硅陶瓷技術(shù)、產(chǎn)品與市場

3.1 我國碳化硅陶瓷技術(shù)研發(fā)

碳化硅冶煉產(chǎn)品經(jīng)機(jī)械破碎、研磨、提純至亞微米、微米級高純微粉可以用來制備碳化硅高技術(shù)陶瓷，也稱工業(yè)陶瓷、精細(xì)陶瓷。從20世紀(jì)80年代起，我國大力支持高技術(shù)陶瓷材料的研發(fā)，隨著市場需求的迅速擴(kuò)大，航空航天、軍工、電子行業(yè)、煤制油等新興產(chǎn)業(yè)對先進(jìn)陶瓷提出了更多更高的要求。目前國內(nèi)從事碳化硅先進(jìn)陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料研發(fā)的單位已達(dá)幾十家之多，如中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北方民族大學(xué)、武漢理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。發(fā)表的相關(guān)論文、專利、標(biāo)準(zhǔn)逐年增多，在國際上占據(jù)了一定的地位。以專利為例，利用SOOPAT專利數(shù)據(jù)庫搜尋分析，全球碳化硅陶瓷專利申請主要在日本、中國、美國、德國、韓國、加拿大、法國、英國、澳大利亞、俄羅斯等國家和地區(qū)。日本專利申請量排名第一，中國位居第二，美國列居第三[3]。我國專利申請分為三個(gè)階段：1988—2000年為起步期，2001—2011年為緩慢增長期，2012年至今為快速增長期。我國碳化硅陶瓷材料領(lǐng)域相關(guān)專利的申報(bào)主體以科研院所和高校為主，企業(yè)次之。說明碳化硅陶瓷的核心技術(shù)主要掌握在研究單位，廣大生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品單調(diào)，后續(xù)研發(fā)能力亟待提高。

3.2 碳化硅陶瓷產(chǎn)品分類及應(yīng)用

工業(yè)化碳化硅陶瓷產(chǎn)品主要分為三類（不包括碳化硅基耐火材料）：反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、重結(jié)晶碳化硅和無壓燒結(jié)碳化硅。

（1）反應(yīng)燒結(jié)碳化硅。反應(yīng)燒結(jié)是陶瓷原料成型坯體在一定溫度下通過固相、液相和氣相相互間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行致密化和規(guī)定組分的合成，得到預(yù)定的燒結(jié)體的過程，其制品在燒結(jié)前后幾乎沒有尺寸收縮，可以制造尺寸精確的制品。山東濰坊集中了我國80%以上的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷產(chǎn)品，產(chǎn)值上十億元，產(chǎn)品數(shù)百種。主要有反應(yīng)燒結(jié)碳化硅輥棒、方梁、噴火嘴-分火器、熱電偶保護(hù)管、鍋爐煙氣脫硫裝置的霧化噴嘴等。

（2）重結(jié)晶碳化硅。重結(jié)晶燒結(jié)碳化硅是以高純超細(xì)碳化硅為原料，碳化硅在2 400 ℃高溫及一定壓力的氣氛保護(hù)下，發(fā)生蒸發(fā)-凝聚再結(jié)晶作用，在顆粒接觸處發(fā)生顆粒共生形成的燒結(jié)體。其基本不收縮，但具有一定的氣孔率，可制備尺寸精確的制品。國內(nèi)以沈陽星光技術(shù)陶瓷有限公司為首，產(chǎn)能超過1 000噸/年。

（3）無壓燒結(jié)碳化硅。無壓燒結(jié)是在無外界壓力條件下，將具有一定形狀的坯體放在一定的溫度和氣氛條件下經(jīng)過物理化學(xué)過程變成致密、體積穩(wěn)定、具有一定性能的固結(jié)致密塊體的過程。這種方法不僅簡單易行，還適用于不同形狀、大小物件的燒制，溫度便于控制，是使用最為廣泛的燒結(jié)技術(shù)。在機(jī)械密封環(huán)、滑動(dòng)軸承、陶瓷閥門、防彈片、過濾元件、各種高溫耐腐蝕條件的結(jié)構(gòu)部件等應(yīng)用領(lǐng)域顯示出優(yōu)異的性能。圖2為無壓燒結(jié)桑塔納汽車水泵的碳化硅密封環(huán)。

圖2 碳化硅陶瓷密封環(huán)

3.3 我國碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)布局

我國碳化硅陶瓷生產(chǎn)企業(yè)較多分布于沿海地區(qū)，一般來講，很多企業(yè)產(chǎn)能較小，其產(chǎn)品（尤其是高端產(chǎn)品）存在供不應(yīng)求的情況。我國31個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）的產(chǎn)業(yè)布局如圖3所示，代表性企業(yè)名錄如表1所示[4]。

表1 我國碳化硅陶瓷代表性企業(yè)名錄

圖3 我國31個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)布局

3.4 碳化硅高技術(shù)陶瓷市場

3.4.1 國內(nèi)市場與產(chǎn)品

截至2018年底，我國碳化硅陶瓷總產(chǎn)量約10.8萬噸，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以中低端為主，市場規(guī)模約8億美元，消費(fèi)量7.5萬噸[5]，如圖4、圖5所示。

圖4 2014—2018年我國碳化硅陶瓷產(chǎn)量（單位：噸）

圖5 2014—2018年我國碳化硅陶瓷消費(fèi)量（單位：噸）

有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，2018年我國碳化硅陶瓷出口量約4萬噸，產(chǎn)品以低端產(chǎn)品為主；進(jìn)口量6 779.48噸，主要為中高端產(chǎn)品[5]，如圖6所示。

圖6 2014—2018年我國碳化硅陶瓷進(jìn)出口規(guī)模（單位：噸）

3.4.2 全球碳化硅陶瓷市場及預(yù)測

根據(jù)2017年Technavio的報(bào)告，全球碳化硅陶瓷市場在2016年達(dá)到48.60億美元。Market Research Future報(bào)告顯示，2017年全球碳化硅陶瓷市場達(dá)到52.07億美元，2019年達(dá)到58.59億美元。雖然分析口徑有所不同，但是都反映出碳化硅陶瓷市場在近幾年內(nèi)有顯著的發(fā)展。目前全球碳化硅陶瓷市場處在成長膨脹階段（Growth-Expansion phase），并且相當(dāng)長的一段時(shí)間（直至2026年）內(nèi)保持持續(xù)增長。Technavio預(yù)計(jì)碳化硅陶瓷市場在2023年達(dá)到74.74億美元，市場年增長率在6.45%。從數(shù)量上看，碳化硅陶瓷市場在2016年大約為24.56萬噸，2017—2023年的數(shù)量增長率預(yù)計(jì)為5.6%。Market Research Future認(rèn)為，到2026年，全球碳化硅市場復(fù)合增長率都將保持6.01%，產(chǎn)值將達(dá)到81.33億美元，產(chǎn)量達(dá)到37.457萬噸。表2為碳化硅陶瓷產(chǎn)品在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的市場份額以及市場預(yù)測（2026），表3為不同類型碳化硅陶瓷的市場及增長分析。

表2 碳化硅陶瓷產(chǎn)品在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的市場份額以及市場預(yù)測

表3 不同類型碳化硅陶瓷市場及增長分析

碳化硅陶瓷市場的增長主要原因是部分區(qū)域的工業(yè)化以及工業(yè)化向高端領(lǐng)域發(fā)展。工業(yè)制造提供了碳化硅陶瓷發(fā)展的動(dòng)力。發(fā)展中國家如亞太國家、拉丁美洲以及中東政策支持驅(qū)動(dòng)了碳化硅陶瓷整體市場的發(fā)展。碳化硅陶瓷的高性能使其在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，但因其制造成本高從而限制了市場的開拓。因此低成本制造成為制約碳化硅陶瓷市場發(fā)展的瓶頸問題之一。

近年來，隨著電子和半導(dǎo)體行業(yè)、機(jī)械加工市場的不斷擴(kuò)展，其對碳化硅陶瓷的需求也不斷增加。這成為在2015年以后碳化硅陶瓷市場得以擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力，而在2020—2022年，隨著市場對碳化硅陶瓷的認(rèn)識(shí)加深，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)得到開拓，這成為碳化硅市場增加的主要驅(qū)動(dòng)力。2023年以后，高性能碳化硅陶瓷，尤其是功能-結(jié)構(gòu)（高導(dǎo)熱性能，高導(dǎo)電性能，光學(xué)性能）碳化硅陶瓷進(jìn)入市場，碳化硅陶瓷市場將出現(xiàn)新的增長點(diǎn)。

4 碳化硅高端產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)趨勢

通過對文獻(xiàn)、專利、進(jìn)出口貿(mào)易數(shù)據(jù)和學(xué)術(shù)會(huì)議活躍度等大數(shù)據(jù)綜合研判，目前碳化硅高技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)方向主要有碳化硅增材制造技術(shù)、碳化硅復(fù)合材料、單晶及半導(dǎo)體材料。

4.1 碳化硅增材制造技術(shù)

碳化硅增材制造技術(shù)又稱3D打印技術(shù)，是一種以點(diǎn)對點(diǎn)、線對線或?qū)訉盈B加的方式制造實(shí)體零件的一系列數(shù)字化制造技術(shù)，被視為制造業(yè)的革命。增材制造獨(dú)特的制造理念使采用傳統(tǒng)制造方法如鑄造、注模、加工等制備困難的高度復(fù)雜和精密結(jié)構(gòu)成為可能。由于對象可以在一次運(yùn)行中構(gòu)建，增材制造可顯著提高生產(chǎn)效率，極大地節(jié)省原材料。

將碳化硅增材制造技術(shù)引入陶瓷部件制造為解決陶瓷成型、加工困難提供了全新的可能性。例如，寧波伏爾肯科技股份有限公司利用3D打印技術(shù)制備的顆粒硅流化床碳化硅內(nèi)襯，替代國外進(jìn)口，解決了高純硅生產(chǎn)的卡脖子部件國產(chǎn)化制備。

4.2 碳化硅復(fù)合材料

碳化硅復(fù)合材料以碳化硅（SiC）為基體，通過添加其他物質(zhì)對基體產(chǎn)生增強(qiáng)增韌作用，增強(qiáng)碳化硅陶瓷的性能。添加物質(zhì)的種類一般包含碳化物、硼化物、碳、氧化物、氮化物等。制備出SiC基復(fù)合材料后，對其力學(xué)、熱學(xué)、抗氧化性、導(dǎo)電性和耐腐蝕性等性能有所改善，以適應(yīng)更復(fù)雜多樣的應(yīng)用場合需求。

4.3 單晶及半導(dǎo)體材料

碳化硅單晶是一種優(yōu)良的半導(dǎo)體材料。由于4H-SiC材料與Si相比具有更大的能帶間隙，其固有載流子密度要小得多，這使得從穩(wěn)定性的角度來看碳化硅晶體具有高溫運(yùn)行能力。碳化硅晶體與硅晶體相比還具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率以及飽和遷移速率等優(yōu)點(diǎn)，使得碳化硅晶體被認(rèn)為是可以取代硅晶體的新一代半導(dǎo)體材料。圖7為碳化硅晶體與硅晶體的性能對比。

圖7 碳化硅晶體與硅晶體的性能比較

幾種半導(dǎo)體的物理性質(zhì)如圖8所示。

圖8 幾種半導(dǎo)體的物理性質(zhì)

通過摻雜能進(jìn)一步改善SiC的電性能。碳化硅在摻雜和電阻率控制方面比其他寬禁帶半導(dǎo)體材料有很大的優(yōu)勢；雙極性摻雜是可能的，同時(shí)對p型和n型摻雜均可實(shí)現(xiàn)大范圍的電阻率控制。氮是碳化硅晶體中最重要的淺層施主雜質(zhì)，它可以取代碳化硅晶體中的C位，在PVT生長過程中，通過控制氮?dú)饬髁浚梢院苋菀椎貙⑵湟刖w中。

目前較為成熟的SiC單晶生長方法有以下幾種。

（1）晶種升華工藝/物理氣相傳輸（PVT）。

圖9是晶種升華生長過程示意圖。這是目前“最先進(jìn)”的碳化硅大塊單晶工業(yè)生長技術(shù)。典型生長條件為2 573 K和1 330 Pa氬氣氛。

圖9 晶種升華生長過程示意圖

（2）高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）。

雖然PVT技術(shù)主導(dǎo)了今天的SiC晶圓生產(chǎn)，但由Kordina等人首先引入的HTCVD已經(jīng)變得非常重要。HTCVD生長系統(tǒng)基于垂直的反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)，其中的前驅(qū)體，如SiH4和C2H4，稀釋在載體氣體中，通過加熱區(qū)向上饋送到種子晶體支架。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是原料的連續(xù)供應(yīng)，可以使長錠生長直接控制C/Si比以及對摻雜的完美控制，實(shí)現(xiàn)從高純度的半絕緣晶體到n型或p型摻雜晶體。

（3）鹵化物化學(xué)氣相沉積（H-CVD）。

H-CVD是對碳化硅薄層和厚層沉積的經(jīng)典化學(xué)氣相沉積（CVD）的高溫變換。氯化前驅(qū)體用于避免在接近種子表面的氣相中形成均勻的成核。這個(gè)過程是一個(gè)純CVD技術(shù)。該方法在生長速率、本征晶體純度、n型摻雜等方面取得了令人滿意的初步結(jié)果，但此后未見報(bào)道。

（4）改性物理氣相傳輸（M-PVT）。

M-PVT具有將PVT成熟用于單晶生長和HTCVD用于高純度多晶SiC源連續(xù)加料相結(jié)合的內(nèi)在優(yōu)勢。該工藝由三個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)組成：進(jìn)料區(qū)，其中多晶碳化硅源由在載氣中稀釋的氣態(tài)前驅(qū)體形成；轉(zhuǎn)移區(qū)，由多孔石墨泡沫組成，支持CVD沉積，并允許碳化硅轉(zhuǎn)移到升華區(qū)；單晶生長的升華區(qū)，后者的設(shè)計(jì)類似于PVT坩堝。由于“轉(zhuǎn)移帶”孔隙率高，接近95%，PVT帶部分打開。因此，前驅(qū)體濃度在進(jìn)給區(qū)可以有效地作為附加參數(shù)，簡單而精確地控制過飽和度接近晶體表面，保持壓力和熱環(huán)境不變。利用原位X射線成像，可以證明“連續(xù)”生長的概念。然而，這種二合一的過程似乎很難加以優(yōu)化，沒有進(jìn)一步的發(fā)展報(bào)告。然而，值得注意的是，使用M-PVT可以實(shí)現(xiàn)特定的過飽和控制，這是證明幾毫米厚的“塊狀”3C-SiC單晶生長的唯一過程。

（5）頂部供給溶液生長（TSSG）。

高溫溶液的生長通常比其他方法的位錯(cuò)密度低，這與生長所需的過飽和水平較低有關(guān)。在60多年前已有人嘗試將溶液生長法應(yīng)用于碳化硅中，但是通過最近重大的成果報(bào)道可知，大塊單晶的制備終于實(shí)現(xiàn)。采用感應(yīng)加熱的方法對石墨氈隔熱的高密度石墨坩堝進(jìn)行加熱。石墨坩堝因其是連續(xù)溶解的，通常既是硅基溶劑的容器，又是工藝的C源。TSSG由三個(gè)基本步驟組成：1.在坩堝-液界面的溶解；2.溶質(zhì)從溶解區(qū)向結(jié)晶區(qū)運(yùn)移；3.碳化硅在晶種上結(jié)晶，后者被粘在石墨軸上。通常需要進(jìn)行晶體和坩堝的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。溫度范圍略低于PVT(通常為2273～2373K)，溫度梯度也是如此。工作氣氛為高純度Ar或He高于大氣壓，以降低液體硅的汽化率。

以上五種方法中，PVT是最成熟的和已工業(yè)化的生產(chǎn)工藝；H-CVD、M-PVT通常不用于工業(yè)化生產(chǎn)；HTCVD和TSSG目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。但是，PVT法本質(zhì)上不能連續(xù)生產(chǎn)，工藝的重復(fù)性也很難把握，而HTCVD和TSSG兩種方法分別提供了解決連續(xù)生產(chǎn)和降低缺陷濃度問題的思路，值得深入研究。

由于SiC優(yōu)良的半導(dǎo)體特性，近年來在功率半導(dǎo)體行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，SiC功率二極管，SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），SiC結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET），SiC閘流管，SiC絕緣柵雙極晶體管（IGBT），SiC碳化硅雙極面結(jié)型晶體管(BJT)。

5 我國碳化硅基陶瓷產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展中的問題及其解決方案探索

5.1 我國碳化硅基陶瓷產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展中的問題

通過對國內(nèi)外碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)技術(shù)、產(chǎn)品、市場的分析，可以得出我國碳化硅基陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在以下幾個(gè)問題。

（1）產(chǎn)品低端、品類單一。從我國現(xiàn)行碳化硅相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)來看，應(yīng)用在機(jī)械行業(yè)中的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷窯具仍是目前市場上碳化硅陶瓷的主流產(chǎn)品，而碳化硅陶瓷熱交換管、砂磨機(jī)用反應(yīng)燒結(jié)碳化硅內(nèi)襯、碳化硅過濾器、船舶用碳化硅陶瓷密封環(huán)等附加值稍高的精細(xì)碳化硅陶瓷產(chǎn)品剛剛起步，雖然市場潛力很大，但目前市場容量較小，有待進(jìn)一步推廣；而美國、日本等發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)成功推向市場的產(chǎn)品有商用碳化硅基復(fù)合材料、柴油機(jī)微粒過濾器（DPF）、大型陶瓷膜、超長碳化硅陶瓷熱交換管（≥6m）、塊孔式碳化硅陶瓷熱交換部件、大化工中使用的碳化硅陶瓷閥件等，我國尚在研發(fā)-中試-小批量試生產(chǎn)過程中，未形成研發(fā)-中試-產(chǎn)業(yè)化-產(chǎn)品再優(yōu)化的良性循環(huán)。

（2）尚不具備高端成型、燒結(jié)等設(shè)備的國產(chǎn)化能力。成型和燒結(jié)一直是碳化硅陶瓷制備工藝中的重要環(huán)節(jié)。成型、燒結(jié)步驟能否控制得當(dāng)主要取決于工藝和設(shè)備兩個(gè)方面。其中，設(shè)備又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。在塑性成形設(shè)備（擠出機(jī)、注射成型機(jī)以及相應(yīng)模具的配合設(shè)計(jì)）、固體無模成型設(shè)備（3D打印成型機(jī)、噴墨打印機(jī)等）、燒結(jié)設(shè)備（高溫?zé)Y(jié)爐、熱壓燒結(jié)爐、超長管材連續(xù)燒結(jié)爐等）等設(shè)備領(lǐng)域，國內(nèi)均與國外存在著不小的差距。

（3）行業(yè)集中度低。目前國內(nèi)市場成熟的碳化硅陶瓷產(chǎn)品準(zhǔn)入門檻低，一旦有利可圖，行業(yè)內(nèi)外的投資者都急于分一杯羹，結(jié)果造成質(zhì)量管控能力差，甚至產(chǎn)生低價(jià)惡性競爭，企業(yè)無力持續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，形成惡性循環(huán)。

（4）相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制不健全。除行業(yè)集中度低之外，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制不健全是我國目前無國際品牌的示范性龍頭企業(yè)的又一原因。核心技術(shù)隨著技術(shù)人員的流動(dòng)而流失的情況日益凸顯，原技術(shù)保有單位在追責(zé)取證方面存在較大的困難。另外，由于碳化硅陶瓷行業(yè)本身的特點(diǎn)，難以從最終產(chǎn)品完全判斷其具體配方、生產(chǎn)工藝，降低了侵權(quán)成本，在司法實(shí)踐中，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)仍面臨諸多法律困境。

（5）科研院所、高校、企業(yè)之間的互動(dòng)程度有限。標(biāo)準(zhǔn)起草制定方面，多是企業(yè)合作完成，專利的申請多由科研院所及高校自身完成。這意味著在專利形成階段企業(yè)參與較少，而在產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品推廣階段，科研院所及高校參與較少。因此，目前的專利多是實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，而不是具有較高應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。目前，企業(yè)往往根據(jù)產(chǎn)品檢測、制備等方面的需求自行制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或者與其他企業(yè)聯(lián)合制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尚未對標(biāo)國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。科研院所、高校、企業(yè)之間的互動(dòng)程度有限，在一定程度上制約著行業(yè)發(fā)展。

5.2 相應(yīng)的解決方案

（1）加強(qiáng)科研院所、高校、企業(yè)之間的互動(dòng)。科研院所和高校的學(xué)者專家應(yīng)勤于了解企業(yè)的需求，善于甄別企業(yè)的技術(shù)問題，敢于深入企業(yè)解決問題。企業(yè)應(yīng)不斷提高自身專業(yè)水平，多參加行業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)組織的行業(yè)論壇、學(xué)術(shù)論壇，了解科研院所和高校的最新研究動(dòng)向，能夠明確企業(yè)發(fā)展需求，能夠了解行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，爭取能夠預(yù)判行業(yè)發(fā)展趨勢。將專家學(xué)者的“勤于、善于、敢于”與企業(yè)家的三個(gè)“能夠”結(jié)合起來，增強(qiáng)相互間的交流合作。

（2）完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制，適當(dāng)提高侵權(quán)違法成本。中美貿(mào)易摩擦發(fā)生以來，核心技術(shù)的重要性被提至前所未有的高度，關(guān)注本土自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)刻不容緩。在完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制方面，既要保證具有可行性，也要保證原被告雙方的商業(yè)機(jī)密不被泄露。在完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制的同時(shí)，還要建立一支具有良好專業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)道德精神的執(zhí)法隊(duì)伍。適當(dāng)提高侵權(quán)違法成本，讓企業(yè)和個(gè)人對知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)生敬畏感。

（3）提高行業(yè)集中度。嚴(yán)格審批手續(xù)，避免浪費(fèi)產(chǎn)能。為大型企業(yè)提供用地、用電、生活配套優(yōu)質(zhì)服務(wù)，讓大家看到做大企業(yè)的希望。政府部門可設(shè)置專項(xiàng)資金扶持大型企業(yè)的建設(shè)，同時(shí)鼓勵(lì)社會(huì)資金參與行業(yè)建設(shè)。企業(yè)只有做大做強(qiáng)，行業(yè)優(yōu)勢才能凸顯，形成同行業(yè)企業(yè)“和而不同”的共贏局面。

（4）提高高端成型、燒結(jié)設(shè)備的國產(chǎn)化能力。需要設(shè)備使用方與設(shè)備制造方加強(qiáng)溝通交流，堅(jiān)持走“引進(jìn)—消化吸收—再創(chuàng)新”的道路。不斷優(yōu)化設(shè)備，把設(shè)備做好做精。

（5）開發(fā)更多種類的碳化硅陶瓷制品。碳化硅陶瓷行業(yè)從業(yè)者挖掘其本身特性，提出創(chuàng)新性成型、燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)配方的創(chuàng)新和工藝的優(yōu)化，在設(shè)備能力允許的前提下，開發(fā)出更多種類的碳化硅陶瓷制品，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。

5.3 寧夏碳化硅基陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

在寧夏發(fā)展碳化硅高技術(shù)陶瓷規(guī)模化生產(chǎn)，需要因地制宜，發(fā)揮優(yōu)勢，規(guī)避弱項(xiàng)。高尺寸精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工量大的陶瓷部件，雖然單件價(jià)格高，但要求加工設(shè)備先進(jìn)，模具設(shè)計(jì)制造工藝嫻熟，操作工人技術(shù)水平高，相關(guān)工業(yè)配套條件良好。在這些方面，寧夏難以與沿海地區(qū)競爭。寧夏發(fā)展碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)適合發(fā)展加工簡單、批量大、用原材料多的制品，如防彈片。除了防彈片，還可以根據(jù)寧夏的市場需求和工業(yè)基礎(chǔ)，發(fā)展換熱管、閥門配件、散熱片等制品的業(yè)務(wù)。因此，建議政府重點(diǎn)支持發(fā)展碳化硅換熱器，碳化硅耐磨耐腐蝕部件在煤制油工業(yè)閥門、泵等關(guān)鍵設(shè)備上的應(yīng)用，碳化硅多孔過濾材料，高導(dǎo)熱3D打印碳化硅散熱片等碳化硅高技術(shù)陶瓷的研發(fā)生產(chǎn)。同時(shí)密切關(guān)注碳化硅單晶在半導(dǎo)體、電子器件中的應(yīng)用，尋找機(jī)會(huì)，參與國際市場競爭。

（1）碳化硅換熱器。碳化硅材料具有良好的導(dǎo)熱性和耐腐蝕、耐高溫性能。碳化硅薄壁管制造的管束換熱器可以突破化工行業(yè)熱交換介質(zhì)有腐蝕性，且溫度超過聚四氟乙烯可以承受的200 ℃左右的限制。寧東煤制油和烯烴有大量的換熱器在嚴(yán)酷工況下運(yùn)行，鋼制換熱器不能應(yīng)付腐蝕性液體，聚四氟乙烯襯層無法適應(yīng)高溫，石墨換熱器無法應(yīng)對高速流體夾雜顆粒物的沖刷和磨損。碳化硅換熱器可以解決以上問題，但成本太高。成本問題的根源在于長期以來碳化硅換熱器被外國公司壟斷，價(jià)格虛高。目前，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所已經(jīng)首先成功開發(fā)出碳化硅薄壁管的批量制備技術(shù)，并且和換熱器廠家合作并開始應(yīng)用推廣。隨著產(chǎn)量的增加，工藝技術(shù)改善，碳化硅換熱器的成本將很快降低。碳化硅換熱管批量生產(chǎn)，工藝不復(fù)雜，燒制后不用后加工，適合寧夏生產(chǎn)。

（2）閥門、泵等耐磨耐腐蝕配件。寧夏的吳忠儀表有限責(zé)任公司是中國控制閥門行業(yè)的龍頭企業(yè)，許多大型工業(yè)閥門都出自吳忠儀表有限責(zé)任公司。接下來，可將該應(yīng)用領(lǐng)域與區(qū)內(nèi)碳化硅陶瓷制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)合，利用碳化硅陶瓷關(guān)鍵部件解決閥芯閥座的防腐、耐磨、耐高溫、抗沖刷問題。

（3）碳化硅過濾材料。多孔碳化硅蜂窩陶瓷，在鋼水過濾、汽車尾氣過濾方面表現(xiàn)出耐高溫、耐沖刷、可以反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，且加工工藝簡單。

6 結(jié)語

碳化硅產(chǎn)業(yè)在寧夏既有優(yōu)勢，又迫切需要轉(zhuǎn)型。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，未來碳化硅產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用將集中在半導(dǎo)體電子信息材料領(lǐng)域。寧夏的碳化硅產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住這一契機(jī)，依托自身的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和體量優(yōu)勢，加快研發(fā)碳化硅高端技術(shù)陶瓷、半導(dǎo)體材料產(chǎn)品等，促使我國早日從世界制造大國走向世界制造強(qiáng)國。