先進陶瓷材料：助力航空航天及新能源等領域

高性能特種陶瓷材料也被稱作先進陶瓷、新型陶瓷，主要是指以高純度人工合成的無機化合物為原料，采用現代材料工藝制備，具有獨特和優(yōu)異性能的陶瓷材料。因此，該材料被用于陶瓷基復合材料（CMC）的制備，具有低密度、高溫抗氧化、耐腐蝕、低熱膨脹系數、低蠕變等優(yōu)點，在航空/航天/兵器/船舶等高技術領域有著廣泛應用。其中碳化硅基陶瓷復合材料是目前研究*為深入、商業(yè)化*好的高性能特種陶瓷材料。

為了提高燃機輸出效率，航空航天發(fā)動機、燃氣輪機的熱端部件需承受600℃～1200℃的高溫以及復雜應力的交互作用，材料要求非常苛刻。相較于高溫合金，碳化硅不僅能夠承受高溫，其密度僅有高溫合金的1/4~1/3，這意味著發(fā)動機重量可以進一步降低，相同載油量情況下，飛機的航程及載彈量可大幅提升。

需求端，隨著高推重比航空發(fā)動機的定型、空間飛行器技術的迫切需求和快速發(fā)展，CMC作為新一代材料，已在軍用、民用領域已經展現出巨大的發(fā)展?jié)摿�。根據MarketsandMarkets預測，2016-2026年10年間，全球陶瓷基復合材料市場將以9.65%的CAGR迅速增長，在2026年前將達到75.1億美元。

國外碳化硅纖維起步早，技術儲備雄厚，由于技術壁壘極高價格一致居高不下，且一致對中國禁運。日本NipponCarbon和UbeIndustries是國際市場*主要的SiC纖維生產廠家，總產量占到全球的80%左右。國內上市企業(yè)中僅有火炬電子能夠量產第三代碳化硅纖維，其CASAS-300特種陶瓷材料含氧量則完全達到了第三代的標準。

陶瓷基復合材料

什么是陶瓷基復合材料？它是一種以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而致命的弱點是具有脆性，處于應力狀態(tài)時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而采用高強度、高彈性的纖維與基體復合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復合材料。

陶瓷基復合材料已用作液體火箭發(fā)動機噴管、導彈天線罩、航天飛機鼻錐、飛機剎車盤和*汽車剎車盤等，成為高技術新材料的一個重要分支。

由于陶瓷材料具備優(yōu)良的耐磨性，并且硬度高、耐蝕性好，因此獲得了非常廣泛應用。但是，陶瓷的*大缺點是脆性大，對裂紋、氣孔等很敏感。20世紀80年代以來，通過在陶瓷材料中加入顆粒、晶須及纖維等得到的陶瓷基復合材料，讓陶瓷的韌性大大提高。

陶瓷基復合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐磨耐蝕和良好的韌性，已用于高速切削工具和內燃機部件上。但這類材料發(fā)展較晚，其潛能尚待進一步發(fā)揮。研究重點是將其應用于高溫材料和耐磨、耐蝕材料，比如大功率內燃機的增強渦輪、航空航天器的熱部件以及代替金屬制造車輛發(fā)動機、石油化工容器、廢物垃圾焚燒處理設備等。

說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現在說到陶瓷復合材料，可能有些人不清楚，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結合后，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復合材料。

陶瓷基復合材料在航空工業(yè)領域是一種十分有發(fā)展前途的新型結構材料，尤其是在航空發(fā)動機制造應用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學性能和化學穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料。

全球各國針對下一代先進發(fā)動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了很大的進展，尤其應用在現代航空發(fā)動機中。比如美國驗證機的F120型發(fā)動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。再比如法國的M88-2型發(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料。

碳/碳復合材料

什么是碳/碳復合材料？ 它是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，尤其是在1650℃以上應用的少數備選材料，*高理論溫度更高達2600℃，因此被認為是全球*有發(fā)展前途的高溫材料之一。

雖然碳/碳復合材料有很多十分優(yōu)良的高溫性能, 但它在溫度高于400℃的有氧環(huán)境中發(fā)生氧化反應，從而導致材料的性能急劇下降。所以，碳/碳復合材料在高溫有氧環(huán)境下的應用必須有氧化防護措施。碳/碳復合材料的氧化防護主要通過以下兩種途徑，即在較低的溫度下可以采取基體改性和表面活性點的鈍化對碳/碳復合材料進行保護;隨著溫度的升高，則必須采用涂層的方法來隔絕碳/碳復合材料與氧的直接接觸，以達到氧化防護的目的。當前使用*多的是涂層的方法，隨著科技不斷進步，對碳/碳復合材料超高溫性能的依賴越來越多，而在超高溫條件下*可行的氧化防護方案只能是涂層防護。

值得一提的是，C/C基復合材料是近一些年來全球*受重視的一種更耐高溫的新材料。因為只有C/C復合材料是被認為*可做為推重比20以上，發(fā)動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉子葉片的后繼材料，曾經是美國21世紀重點發(fā)展的耐高溫材料，尤其是全球先進工業(yè)國家拼力追求的*高戰(zhàn)略目標。

所謂C/C基復合材料，就是碳纖維增強碳基本復合材料，它把碳的耐熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合于一體，使其呈現出非脆性破壞。由于C/C基復合材料具有重量輕、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導性，因此，是當今*理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強度不僅沒有下降，反而能夠提高。特別是在1650℃以下時仍然還保持著室溫環(huán)境下的強度和風度。因此C/C基復合材料在宇航制造業(yè)中具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?

值得一提的是， C/C基復合材料在航空發(fā)動機應用的一個主要問題是抗氧化性能較差，所以，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，讓這一問題獲得解決，并且逐步應用在新型發(fā)動機上。比如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管，F100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管，F120驗證機燃燒室的部分零件都已經采用了C/C基復合材料制造。再比如法國的M88-2發(fā)動機，幻影2000型發(fā)動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料。

機械軸承領域

軸承是機械設備中一種極其重要的零部件，使用十分普遍。其主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動時的摩擦系數，并保證其回轉精度。其作用與人體關節(jié)相似，素有“機械的關節(jié)”之稱，它是一切旋轉機械的靈魂，故又被稱為機械工業(yè)的“芯片”。

氮化硅(Si3N4)材料屬于高強度人工晶體，具有密度小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、不導磁、抗壓強度高、自潤滑性能好等諸多點。以氮化硅球作為滾動體、以合金鋼為套圈制成的混合陶瓷軸承，*充分利用了氮化硅材料抗壓強度高、合金鋼抗彎強度高、韌性好等優(yōu)點，與普通鋼球軸承相比，具有重量輕、極限轉速高、摩擦力矩小、運轉精度好、耐高溫使用壽命長等一系列優(yōu)點，各方面性能均衡、優(yōu)異、全面，堪稱軸承界的“六邊形戰(zhàn)士”。

氮化硅陶瓷球軸承是目前世界上研究*熱門、性能*優(yōu)異、應用*廣泛的高端陶瓷軸承。氮化硅陶瓷球軸承幾乎就是陶瓷軸承的代名詞。據前瞻產業(yè)研究院數據顯示，2020年氮化硅陶瓷軸承球市場零售規(guī)模達到701億元，預計2021年市場規(guī)模將達723億元，未來五年年均復合增長率為11.26%，2025年預計將達到1108億元，其中新能源汽車為主要增長點。

供給端，全球氮化硅球的主要生產商包括Toshiba、Tsubaki、Nakashima、CoorsTek、AKS和IndustrialTectonicsInc，這幾家生產商占到全球氮化硅球市場份額的45%。目前亞太地區(qū)是*大的氮化硅球市場，市場份額達到48%，再者是歐洲和北美地區(qū)。

新能源領域

伴隨著電子科技技術的快速發(fā)展和全球對新能源汽車的需求，鋰離子電池憑借容量高、重量輕、可反復充電、自放電小等優(yōu)勢在眾多應用領域中獨占市場鰲頭。目前，中國是世界上*大的鋰電池生產制造基地，中國鋰電池的發(fā)展?jié)摿�巨大；但是目前鋰離子電池還存在安全，循環(huán)壽命等問題，例如發(fā)生的眾多手機自燃、電動汽車火災、爆炸等事故給人們敲響了安全的警鐘。

陶瓷隔膜涂覆材料一般選擇氧化鋁及勃姆石。鋰離子電池是由電極（正負極）、隔離物（隔膜）、電解質和外殼四個部分組成，其中隔膜是關鍵的內層組件之一，它不僅能使鋰離子在正極和負極之間進行嵌入與脫嵌工作，保證電池的循環(huán)性能，而且還要在工作工程中，使得正極和負極處于隔離狀態(tài)，保證電池的安全性能。出于循環(huán)性能和安全性能的考慮，國內外隔膜生產商都瞄向了陶瓷隔膜，因為陶瓷隔膜耐有機溶劑，與電解液相容性好，吸收率高，拉伸強度、穿刺強度高，熱收縮率低，破膜溫度高，熱收縮率低。

根據比亞迪申請的鋰電池隔膜發(fā)明專利“一種電池隔膜及其制備方法”（CN201310750910.7），在無機涂覆漿料中，水的質量占比為76%，固體材料陶瓷涂覆顆粒與樹脂材料的質量占比分別為22%、2%。因此，以勃姆石為代表的陶瓷涂覆顆粒為鋰電池涂覆材料的*主要原材料。

需求端，根據研究機構EVTank聯合伊維經濟研究院共同發(fā)布的《中國鋰離子電池隔膜行業(yè)白皮書（2020年）》，2019年中國鋰電池涂覆材料出貨量為1.55萬噸，其中無機涂覆材料出貨1.4萬噸，占比達90.32%，有機涂覆材料、有機和無機結合的涂覆材料占比不到10%，無機涂覆材料為市場主流的涂覆材料。預計2025年無機涂覆材料用量將達到40.4億平方米。

供給端，隨著國瓷材料的擴產，國內陶瓷涂覆領域將呈現兩大多小的競爭格局。在鋰電池涂覆材料領域，據統(tǒng)計，2019年德國的NabaltecAG鋰電池用勃姆石出貨量為0.48萬噸，占比37%，位居全球*，壹石通鋰電池用勃姆石出貨量為0.47萬噸，占比36%，位居全球第二，國內*。

汽車尾氣吸附領域

近年來，隨著我國政府對環(huán)保問題的高度重視，重型柴油機排放法規(guī)不斷升級，限值愈加嚴格。即將實施的國六標準被認為是目前世界上*嚴格的排放標準之一。

● 蜂窩陶瓷方面

蜂窩陶瓷是內部擁有大量蜂窩狀貫通通道的陶瓷材料。蜂窩陶瓷具有孔密度大、比表面積大；熱膨脹系數低、熱穩(wěn)定性好；耐酸耐堿和有機溶劑，抗腐蝕性好；機械性能優(yōu)異；優(yōu)良的抗菌性能等優(yōu)勢，主要作為催化器件的載體進行活性催化劑及催化助劑的負載作業(yè)，是*為常見的尾氣處理催化器用催化劑載體。

國內蜂窩陶瓷市場仍然被國外企業(yè)壟斷，國內該業(yè)務領域具有廣闊的進口替代空間。NGK及康寧公司是*龍頭公司，二者合計占據了86.18%市場份額。國內廠商除國瓷材料和上市公司奧福環(huán)保以外，還有宜興化機和凱龍高科兩家蜂窩陶瓷生產企業(yè)。國內廠商整體產能相對較小，國瓷材料和奧福環(huán)保市場份額僅占0.84%和0.77%，未來增長空間較大。

● 氧化鋁方面

高純氧化鋁粉呈白色微粉，粒度均勻，易于分散，化學性能穩(wěn)定，高溫收縮性能適中，具有良好的燒結性能；廣泛應用于汽車尾氣的陶瓷涂層。汽車尾氣催化劑中的活性組分通常需要附著在涂層上，以保證一定的分散性、熱穩(wěn)定性和機械強度。在氧化鋁的各晶型中，γ-Al2O3具有較強吸附能力和大比表面積，是目前主要使用的涂層材料。

國六標準下，柴油車的DOC、DPF均將用到氧化鋁涂層，根據蜂窩陶瓷協會統(tǒng)計，其涂覆體積約為蜂窩陶瓷的體積的20%，可計算出柴油車中用量在120g/L左右。經測算，2022年國內氧化鋁需求量將達11171噸。高純納米氧化鋁的國外主要生產企業(yè)有住友、沙索等，其中住友化學是市場份額*大的企業(yè)，占據全球高端市場60%的份額。國內生產企業(yè)主要有國瓷材料、宣城晶瑞新材料、上海銥銘材料等。

此外，產品布局方面，國內外廠商均實現了全種類覆蓋。其中日本NGK運用HONEYCERAM陶瓷技術，開發(fā)出了收集柴油汽車發(fā)動機排出的微粒子收集濾清器，*多可除去99%的PM，是*一家將由堇青石與碳化硅（SiC）這兩種材料制成的柴油汽車尾氣微粒子陶瓷濾清器DPF量產的廠商。而國內的奧福環(huán)保、凱龍藍烽、宜興化機及國瓷材料均制造出直通式及壁流式蜂窩陶瓷，可滿足各類催化器使用。