先进陶瓷材料研究现状及发展趋势

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,先进陶瓷材料,研究现状及发展趋势,发展科,2016.05.27,目录,先进陶瓷材料概念及分类,国内外研究现状及发展趋势,先进陶瓷制备技术发展情况,宜兴先进陶瓷产业发展现状,一、先进陶瓷材料概念及分类,传统上，陶瓷的概念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。亦称为,“,普通陶瓷,”,。,先进陶瓷,是,“,采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷。,”,透明陶瓷灯,功能陶瓷：,功能陶瓷是具有电、磁、光、热、化学、生物等特性，且具有相互转化功能的一类陶瓷。功能陶瓷在先进陶瓷中约占,70%,的市场份额，其余为结构陶瓷。,结构陶瓷：,是指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。,陶瓷球阀,先进陶瓷,可分为,结构陶瓷,和,功能陶瓷,两大类。,一、先进陶瓷材料概念及分类,种 类,性 能,应 用,结构陶瓷,高温陶瓷,800,以上长期使用，超高温短期使用,窑炉器件、柴油机等发动机、航空航天、空间技术等,高强陶瓷,高韧性、高强度、良好的抗冲击性,机床主轴轴承、密封环、模具等,超硬陶瓷,热稳定性、化学稳定性、弹性模量优良,高速磨削道具、防弹装备等,耐腐蚀陶瓷,优良的化学稳定性和耐冲刷性能,化工设备、舰船潜艇密封、金属液体防护、过滤陶瓷等,功能陶瓷,电子陶瓷,压电、光电、热释电、铁电、绝缘性,电子元器件、超高压绝缘子等,超导陶瓷,超导特性、耐低温,超导光缆、空间、电子、生物等,光学陶瓷,透波性能、透明性、荧光性,基板、天线罩、发光器、陶瓷传感器、激光器件等,生物陶瓷,与血液、器官良好的生物相容性,陶瓷关节、骨骼、牙齿等,磁性陶瓷,磁导率、矫顽力大、硬度高,微波器件、量子无线电等,储能陶瓷,能量转换与存储特性,热、电、光、氢储能等,先 进 陶 瓷 应 用 性 能 分 析,一、先进陶瓷材料概念及分类,力学性能,物理、化学性能,一、先进陶瓷材料概念及分类,先进,陶瓷材料,国防,冶金,电子,化工,机械,航空,航天,生物医学,国民经济新的增长点,国家经济实力的重要标志之一,二、国内外研究现状及发展趋势,美国,日本,欧盟,全球第二大先进陶瓷材料生产基地，占全球市场份额,20%,以上；,国家航空和宇航局对结构陶瓷的大规模研究与开发；,“,脆性材料设计,”,等十大计划；,业内知名企业：格鲁曼、杜邦、赛瑞丹,全球最大先进陶瓷材料生产基地，占全球市场份额,50%,以上；,功能陶瓷领域垄断国际市场；,“,月光计划,”,、,300kW陶瓷燃气轮机研制计划,等；,业内知名企业：京瓷、东芝、旭硝子、住友、村田、东陶,市场份额仅次于日本和美国；,德国、法国在结构陶瓷领域重点研发；,“,尤里卡,”,等研发计划,1.,国外研究发展情况,二、国内外研究现状及发展趋势,12%,15 18%,9.9%,7.2%,先进陶瓷市场总产值年平均增长率,日本,美国,欧盟,总平均值,功能陶瓷的研究得到了国家和各科研院所的高度重视,进入快速发展期，不断打破国外垄断和技术封锁,现代,工艺,推动了,特种纤维、连续纤维复合材料制备技术快速发展,纳米技术,的,应用使,某些陶瓷,材料性能发生根本性变化,学科交叉,大幅提高,了,材料的性能,1980-1990,1980-1990,1980-1990,进入,21,世纪,现在,2.,国内研究发展情况,二、国内外研究现状及发展趋势,二、国内外研究现状及发展趋势,太阳能熔融石英方坩埚,1101100mm,系列产品,应用领域：太阳能光伏行业的多晶硅铸锭环节,形状要求：大件、壁薄,性能要求：,密度均匀、,强度高、热传导性强、热膨胀系数低,二、国内外研究现状及发展趋势,1,）,技术及新产品工程转化极度匮乏,虽然我国同样能制备出性能良好的陶瓷材料，但绝大部分仍停留在实验室样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。,2,）,高端粉体制备及分散技术远远落后,我国对陶瓷粉料的制备仍未引起足够的重视，多种陶瓷粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不,“,自产自销,”,。受部分发达国家限制，国内企业在粉料质量上仍存在较大的波动；同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。,3,）制造装备加工技术落后,虽然我国引进了国外先进的工艺装备，像气压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的技术装备水平，但因投资大，在经济上给企业造成了很大压力，从而限制了先进陶瓷的发展。而国内仿制设备因加工水平差距，可靠性和稳定性暂时无法与国外产品相比。,存在问题：,二、国内外研究现状及发展趋势,产业发展的技术保障,打破国际垄断，满足产业发展的基本需求,注模成型、注凝成型、固体无模成型、,微波烧结、放电等离子烧结,储能陶瓷、环保过滤陶瓷、光电陶瓷、功能,-,结构一体化陶瓷等,降低,生产成本,批量化生产的新型成型技术、新型环保烧结技术,符合,“,十,三五,”,和工,业发展的要求,基础理论研究,和结构设计,粉体技术,的研发及产业化,增韧技术,重点,研发方向,突破应用局限性的关键因素,三、先进陶瓷的制备技术发展情况,先进陶瓷材料的制备工艺,坯体成型,坯体烧结,精密加工,粉体制备,三、先进陶瓷的制备发展情况,1.,陶瓷粉体的制备方法,固相反应法,液相反应法,气相反应法,粉体制备方法,活性高,纯度高,粒径小,后续成型,烧 结,机械性能,显微结构,三、先进陶瓷的制备发展情况,粉体制备方法,优点,缺点,细分类,固相反应法,成本低、便于批量生产,反应过程中能量利用率低；,粉体粒径大且分布宽，杂质多,碳热还原法,高温固相合成法,自蔓延合成法,盐类分解法,液相反应法,粉料粒径小、活性高；,精确控制化学组成；,化学掺杂方便，能够合成复合粉体,化学沉淀法,溶胶,-,凝胶法,醇盐水解法,水热法,溶剂蒸发法,气相反应法,粉体纯度高、粉料分散性好、粒度均匀,设备投资较大、能耗大、成本高,物理气相沉积法,化学气相沉积法,目前实验室和工业上应用最广泛的粉体制备方法,三、先进陶瓷的制备发展情况,2.,先进陶瓷的成型技术,成型技术,干法压制成型,塑性成型,干压成型,冷等静压成型,挤压成型,注射成型,热蜡铸成型,扎膜成型,浆料成型,固体无模成型,注浆成型,流延成型,凝胶注模成型,原位凝固成型,熔融沉积成型,三维打印成型,分层实体成型,立体光刻成型,激光选取烧结成型,三、先进陶瓷的制备发展情况,（,1,）,冷等静压成型,冷等静压成型,分类,工艺,缺点,优点,三、先进陶瓷的制备发展情况,将粉体放入柔性模具或包套中，通过对其施加各项均匀的压力成型,干袋式等静压,湿袋式等静压,成本低、模具简单；,生坯强度高；,制品密度高,不易变形,制品尺寸不精确；,复杂形状成型较困难；,自动化生产率低,（目前国内应用最为广泛、最为成熟的工艺）,冷等静压成型超特高压绝缘子,三、先进陶瓷的制备发展情况,流延成型法制备的,Al,2,O,3,陶瓷基片,三、先进陶瓷的制备发展情况,（,2,）,流延成型,坯体制备,加工处理,料浆制备,步骤：,料浆,薄膜,基带,刮刀,流延成型薄膜制备过程,优点：工艺稳定，生产效率高，自动化程度高，坯体韧性高、强度高，可制备厚度为10-1000m的高质量陶瓷薄膜。,缺点：坯体粘结剂含量高，密度小，烧成收缩率高达20-21%。,（广泛应用在电容器瓷片、Al,2,O,3,基片和压电陶瓷膜片中）,三、先进陶瓷的制备发展情况,（,3,）,其他成型方法,成型方法,主要应用领域,主要产品,注射成型,小尺寸、高精度、复杂形状陶瓷,部件,的大批量生产,领域,发动机转子叶片、滑动轴承、陶瓷轴承球、光纤连接器用陶瓷插芯、陶瓷牙、陶瓷手表,凝胶注模成型,大尺寸薄壁陶瓷或形状复杂产品,的,大规模批量化生产,领域,大尺寸熔融石英坩埚、薄片Al,2,O,3,基片、二氧化锆（ZrO,2,）陶瓷微珠,固体无模成型,目前看来，设备昂贵、技术封锁、材料性能不理想，但结合现代智能技术，,是,该领域,未来,发展的主要方向。,CAD,设计、,3D,打印的三维立体构件,三、先进陶瓷的制备发展情况,3.,先进陶瓷的烧结技术,宏观变化：体积收缩、致密度提高、强度增加。,微观变化：晶粒迁移，尺寸长大，气孔减少。,坯体烧结,是指把成型坯体转变为致密体的工艺过程。,三、先进陶瓷的制备发展情况,烧结状态,烧结压力,特殊加热原理,固态烧结,液相烧结,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,放电等离子烧结,自蔓延烧结,坯 体 烧 结 技 术,热压烧结的透明陶瓷,三、先进陶瓷的制备发展情况,（,1,）,热压烧结（,HP,）,热压烧结,指在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。,全进口热压烧结设备,价格：31万欧元（￥260万）,烧结温度低、时间短,制品密度高、性能强,优点,产品形状单一、生产率低,设备价格成本高,缺点,100200,国产化气压烧结氮化硅陶瓷轴承球,三、先进陶瓷的制备发展情况,（,2,）,气压烧结（,GPS,）,气压烧结,指在高温烧结过程中对坯料施加,1-10Mpa,气体压力，抑制了高温下陶瓷材料的分解和失重，从而可以提高烧结温度，促进材料的致密化。,最大,优势,较低成本制备性能优良、形状复杂的共价键陶瓷，并可实现批量化生产。,三、先进陶瓷的制备发展情况,（,3,）,新型烧结技术,烧结技术,优点,主要应用领域,放电等离子烧结,烧结温度低，烧结时间短,，晶粒细小，致密度高；,装置相对简单，能量利用率高，运行费用低，易实现工艺的一体化和自动化。,磁性材料、透明陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物,等,微波烧结,升温速率快，能源利用率高；,加热效率高，,产品整体均匀加热,；,提高产品的均匀性和成品率，可对材料进行加热修复或缺陷愈合；,安全卫生无污染。,工程陶瓷、纳米陶瓷、,梯度功能材料,、,金属陶瓷复合材料,三、先进陶瓷的制备发展情况,4.,陶瓷精密加工技术,导致,先进陶瓷的精密加工技术,已经成为国内外陶瓷领域的热点,陶瓷材料属于硬脆材料，其特点是：硬度高，脆性大，不变形。,加工难度大，稍有不慎就会产生裂纹或者破坏,三、先进陶瓷的制备发展情况,力学的,化学的,光化学的 光刻,电化学的 电解抛光,电学的 ,光学的 激光加工,磨料加工：磨削、研磨、抛光等,刀具加工：切割,蚀刻：磨削、研磨、抛光等,化学抛光,电火花加工,电子束加工,离子束加工,等离子束加工,陶瓷精加工种类,传统加工技术,陶瓷球阀磨削加工,激光切割机 激光打孔机 超声波打孔机,四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状,山东,淄博,江苏,宜兴,江西,萍乡,广东,深圳,湖南,新化,河北,唐山,国家火炬计划,宜兴非金属产业基地,四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状,全市,陶瓷材料,产业,相关企业,500,多家,规模以上企业,30,多家,总应税销售额,30,多亿元,丁蜀镇地区,1.,产业总体发展情况,其,它,地,区,结构陶瓷,化机厂、王子制陶、杜塞拉姆、海登皇格,功能陶瓷,电子器件总厂、陶瓷研究所,先进陶瓷材料门类齐全,四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状,四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状,企业技术包容性强,传统技术：热压铸、注浆和干压技术等,先进技术：流延、等静压、自动压铸和高压注射等,先进企业引领高端技术,四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状,2.,创新体系建设情况,江苏省宜兴陶瓷产业园,江苏省宜兴工业陶瓷科技产业园,江苏省宜兴新材料高新技术创业服务中心,江苏省宜兴新型陶瓷材料公共技术服务中心,江苏省陶瓷耐火产品检测中心,国家火炬计划非金属材料特色,产业基地,产业集聚平台,创新服务平台,四、宜兴市先进陶瓷产业发展现状,全市先进陶瓷材料产业累计认定各级企业研发机构,80,多家，其中省级工程技术研究中心,13,家。,国家高新技术企业,40,多家，获批省级以上高新技术产品近,60,只。,承担省级以上科技