目前我国先进功能陶瓷产业主要集中在多孔陶瓷、高温防热陶瓷、核用陶瓷、陶瓷基板、电子陶瓷、透明陶瓷、生物陶瓷和装甲陶瓷等方面。
国内发展了以 99 氧化铝陶瓷为支 撑体,以氧化铝、氧化锆、氧化钛等为分离层的管式陶瓷膜,通过错流过滤在过程工业(如 氯碱化工盐水精制、氨基酸 / 有机酸分离纯化、中药提取、醋 / 料酒 / 酱油提标生产等)、油 水分离、废水处理等领域广泛应用。我国发泡陶瓷近两年发展迅速,尤其是应用到建筑隔墙材料上,因其大型轻质、保温、高强、隔声、无渗透的性能,代替传统墙体材料,是装配式 建筑的极佳选择,未来有过千亿的市场空间,并且可以极大消纳工业废渣尾矿及江河湖泥, 是陶瓷领域消纳固废的一大突破。在制造技术上,行业企业已经完成不同原料制备工艺、配 方、烧成、加工工艺的研究,配套的整线设备在广西、广东、辽宁、江苏、河北、内蒙古等完成建设。
我国于 20 世纪 70 年代开始进行高温防热陶瓷技术研究,在国家政策的支持下,相关研机构不断增多,研究成果日益丰富。在国内市场中,高温防热陶瓷研究机构主要有中国科学技术大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、航天科技集团、中国科学院(中科院)金属研究所、清华大学、武汉理工大学、湖南大学等,产业季度主要分布在京津、山东、长三角、江西、广东等地。我国高温防热陶瓷研究发展至今,取得了一系列创新性成果。从 20 世纪 80 年代开始,以高效发动机和汽轮机中高温陶瓷关键零部件开发为导向的陶瓷材料的组成设计、晶界工程、净尺寸成型、烧结技术研发,为高温结构陶瓷的研究与发展培育了人才队伍、奠定了基础。进入 21 世纪,高温防热陶瓷的研究得到了国家和各科研院所的高度重视。但现阶段,超高温陶瓷仍存在技术瓶颈,脆性大等缺陷限制了其应用范围,未来,在原材料选择以及烧结工艺等方面,超高温陶瓷行业还有较大进步空间。另外, 国内高温防热结构陶瓷产业分布与区域特色已经形成。伴随着我国先进结构陶瓷材料制备技 术的进步和市场的强劲需求,高温防热结构陶瓷产业呈现出良好的发展态势,产品应用涵盖各个领域,在国民经济和工业现代化进程中发挥重要的作用。目前,我国在某些尖端陶瓷的 理论研究和实验水平已经达到国际先进水平。通过对材料组成结构和性能的研究,开发出一系列具有我国自己特色的新材料,主要性能处于国内领先水平,许多方面接近或超过国际先 进水平。
我国先进核用陶瓷材料的生产体系基本完整,产业规模逐步扩大。我国是世界碳化硅原材料的最大生产国,总产量 60 万吨,占世界产量的 50% 以上,从粉体到烧结体的产业技术链较为完善。已有一批相关企业与高校、科研院所长期从事相关领域生产与研发,掌握部分核心技术,但对于碳化硅材料在核能技术中的应用这一新领域涉足较浅,尚处于对国际先进 水平的跟跑阶段。碳化硅纤维是未来核工业的战略性新材料之一,我国早期主要在高校实验 室进行跟踪研发,产业化起步较晚。虽然近年来我国碳化硅纤维研制单位逐步增加,技术发展速度逐步加快,但是碳化硅纤维总体与国际先进水平仍然存在差距,尤其是第三代碳化硅纤维工程化关键技术还没有完全突破,产业化能力稍弱。氮化硅作为重要的工程陶瓷,国内产业化发展迅速,已有中材高新、山东国瓷等龙头企业。国内碳化硼陶瓷产业主要集中在工 业磨料、军事装甲等应用领域,核工业领域的核级粉体及块体的研发和产业化规模相对较小, 特别是高丰度、高品质碳化硼粉体和块体陶瓷材料的国产化亟待完善和提高。核电池用陶瓷基选择发射体材料,尚未有明确的市场化前景,国内外均处于实验室研发阶段,在工作机理、 体系设计、制备技术、结构优化等方面还有较多基础性与工程性问题需要解决,国内研究主要集中在少数高校与科研院所。
氧化铝基板经过 40 多年的发展,已经有较为完善的产业链条,也是目前我国的主要陶瓷基板产品之一,产业地域分布较广,但受限于原料粉体和配套工艺,高端产品(如纯度高于 99.6% 的氧化铝基板)仍然依赖进口;氧化铍基板方面,经过几十年的发展,也是较为成熟的产品, 但由于其成本和综合性能的问题,适用的场合较高端,市场容量相对有限,且存在毒性问题, 生产厂家较少;氮化铝基板方面也经历了接近 20 年的发展,相应的技术也较为成熟,在国内市场中占有一定的份额,产业主要分布在台湾、沿海区域和北方地区,近几年,随着资本的进入,国内有较多的企业开始进入该行业,呈现多地开花的局面,产业链也逐渐完善,但受限于核心技术,高端装备领域所采用的氮化铝陶瓷基板仍然主要是进口产品;对于氮化硅基板而言,属于近 10 年内开发的技术,成熟度较低,目前,国内市场采用的主要是进口产品,近几年少数国内企业也进行技术引进和自主研发,并且有一定 的成效,但总体而言,与国际主流厂商尚有明显的差距。
20 世纪 70 年代,国内的许多高校和研究院开始着手研究先进电子陶瓷材料,我国已经成功研制出了一大批具有自主知识产权的新型电子陶瓷和元器件,在制备技术方面也有所突破,例如制备高纯度高活性纳米粉体,纳米 / 亚微米晶陶瓷和微观结构的研究及控制,成功研制出具有高性能的多层陶瓷电容器(MLCC)陶瓷材料,已经开发出性能指标达到国际先进水平的新型高性能多层陶瓷电容器。对于电子陶瓷来说,其发展的整体趋势是小型化、高频化、频率系列化、集成化、多功 能化,此外还需要具有较高的稳定性,以确保陶瓷材料在不同的外场环境下都能稳定地工作。044 中国新材料产业 发展报告对于铁电压电陶瓷材料来说,压电器件逐渐会向小型化、薄膜化和集成化方面发展,研究出能在太空等较为严格的环境中工作的器件。随着技术的进步,电子陶瓷材料的研究成果和新产品不断涌现,拥有良好的产业化应用前景,在新兴产业中也发挥着越来越重要的作用,其应用范围也在不断地扩大。
当前,国内透明陶瓷相关企业较少,与国外相比,我国在此方面的研究起步较晚,一些透明陶瓷企业尚处于初级阶段。目前对透明陶瓷有一定深入研究的单位有上海硅酸盐研究所、 北京人工晶体研究院、四川大学、上海大学、大连海事大学、武汉理工大学等。在我国,已经初步形成了门类齐全的透明陶瓷体系,广泛开展研究的包括氧化铝透明陶瓷、AlON 透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、尖晶石体系透明陶瓷、石榴石体系透明陶瓷、钙钛矿体系透明陶瓷以及烧绿石体系透明陶瓷,其研究成果也得到了国际同行的高度认可。已经培养了一批具有较高水平的专家团队,对透明陶瓷技术的攻关以及产业化发展具有重要的指导意义。透明陶瓷材料的大尺寸、低光学散射损耗研究具有很强的前瞻性、关键性与基础性,不仅对材料科 学发展意义重大,也为我国国防军事、航空航天、能源交通、工程建设等领域一系列国家重 大工程的实施提供了不可或缺的物质基础和保障。
我国近几年对生物陶瓷的研究主要集中在激光熔覆生物陶瓷涂层,以及抗菌生物陶瓷功能方面、稀土在生物陶瓷领域的应用。2014 年度的生物陶瓷大会关注研究热点如组织再生的生物陶瓷及复合材料、用于疾病诊断 / 治疗的纳米无机材料、生物陶瓷涂层材料、用于药物释放的纳米无机材料等。中国涉及生物陶瓷的国家重点实验室有:新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室(清华大学)、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室(中国科学院上海硅酸盐研究所)、无机合成与制备化学国家重点实验室(吉林大学)、材料复合新技术国家重点实验 室(武汉理工大学)、有机无机复合材料国家重点实验室(北京化工大学)等。这些高校和 研究机构对生物陶瓷一直在进行相关的研究。例如:中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究小组首次提出将骨组织工程与光热治疗相结合的思想,在制备用于治疗与修复骨肿瘤缺损的光热功能化的生物活性陶瓷支架的研究中取得了新进展 。该研究通过 3D 打印技术制备出生物陶瓷与氧化石墨烯复合支架,在超低功率近红外光下可使支架温度迅速升高,且其光热性能可控。中国科学院宁波材料研究所李华团队近期开发了一种新型 的羟基磷灰石-石墨烯纳米复合生物块材,解决了长期以来存在的陶瓷生物材料的增韧问题[11]。材料表面改性,例如纳米结构以及石墨烯新材料的添加,极大地提高了羟基磷灰石生物陶瓷的生物特性,该材料具备的优化的力学性能以及生物特性意味着该复合生物材料有望在生物 医学领域得到应用。
装甲陶瓷主要应用于装甲车辆,在实际应用中常以复合装甲的形式出现,如英国“挑 战者”坦克、EE-T1 奥索里约主战坦克等。陶瓷作为装甲防护材料的主要优势是强度和硬度高、耐磨、密度小等,而易破碎、抗多发打击性能弱的劣势在一定程度上限制了其应用。目 前,防弹陶瓷主要朝着提高抗多发打击性能、减轻质量及降低成本这 3 个方面进行。国内外 现阶段主要使用的特种防弹陶瓷有 B4C、Al2O3、SiC、TiB2、AlN、Si3N4、Sialon 等 。相对 于国外直升机而言,国内对于直升机用轻质装甲材料的研究起步较晚,针对我国军用直升机 用防弹装甲与发达国家差距较大这一情况,我国曾专门开展包括“轻质高效防弹复合装甲材料”“轻质陶瓷 / 混杂复合材料防弹装甲技术”等预研项目,对 B4C 陶瓷复合装甲材料的制备 技术进行了系统研究,并对复合装甲材料的性能进行了大量的测试分析。目前国内型号上普遍采用 B4C 防弹复合材料装甲板作为直升机驾驶员座椅防护设计,具有防 12.7mm 穿甲燃烧 弹的能力,面密度为 45kg/m2 左右,可抵御 1 次打击,后续的直升机驾驶员座椅采用的装甲基本沿袭这一技术。