先进陶瓷材料：擅长航空航天和新能源等领域

航空航天领域

高性能特种陶瓷材料，又称先进陶瓷，主要是指以高纯度合成无机化合物为原料，采用现代材料工艺制备而成的具有独特、优异性能的陶瓷材料。因此，该材料用于制备陶瓷基复合材料（CMC），具有密度低、高温抗氧化、耐腐蚀、热膨胀系数低、蠕变小等优点，在航空/航天/兵器/海洋等高科技领域。其中碳化硅基陶瓷复合材料是研究最深入、商品化最好的高性能特种陶瓷材料。

带有陶瓷基复合材料叶片的涡轮转子

为了提高内燃机、航空发动机、燃气轮机热端部件的输出效率，需要承受600℃~1200℃的高温和复杂应力的相互作用，对材料的要求非常苛刻。与高温合金相比，碳化硅不仅能承受高温，其密度仅为高温合金的1/4~1/3，这意味着发动机的重量可以进一步减轻，相同的燃油负荷，飞机的航程和载弹量都可以显着增加。

需求方面，随着高推重比航空发动机的定型、航天飞行器技术的迫切需求和快速发展，CMC作为新一代材料，在军用和民用领域已经展现出巨大的发展潜力。据MarketsandMarkets预测，2016-2026年10年间，全球陶瓷基复合材料市场将以9.65%的复合年增长率快速增长，到2026年将达到75.1亿美元。

国外碳化硅纤维起步早，技术储备雄厚。由于技术壁垒极高，价格持续居高不下，并且持续对中国实施禁运。

陶瓷基复合材料

什么是陶瓷基复合材料？它是一种以陶瓷为基体和各种纤维的复合材料。陶瓷基体可以是氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、重量较轻、耐腐蚀等优异性能，但其致命弱点是脆性大，在应力状态下会开裂甚至断裂，导致材料失效。采用高强度、高弹性纤维复合材料作为基体是提高陶瓷韧性和可靠性的有效途径。采用高强度、高弹性纤维复合材料与基体是提高陶瓷韧性和可靠性的有效途径。纤维可以阻止裂纹的扩展，从而获得具有优异韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料已应用于液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机头锥、飞机制动盘和高档汽车制动盘等，成为高技术新材料的重要分支。

由于陶瓷材料具有优异的耐磨性、高硬度和良好的耐腐蚀性，因此获得了非常广泛的应用。然而，陶瓷的最大缺点是脆性大，对裂纹和孔隙等敏感。20世纪80年代以来，通过在陶瓷材料中添加颗粒、晶须和纤维而获得的陶瓷基复合材料，大大提高了陶瓷的韧性。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐腐蚀、韧性好的特点，已用于高速切削刀具和内燃机部件。然而，这些材料的发展较晚，其潜力还有待进一步开发。研究重点是其在高温材料和耐磨腐蚀材料方面的应用，如大功率内燃机的增强型涡轮、航空航天飞行器的热工元件，以及替代金属用于汽车发动机、石化容器、废旧垃圾焚烧处理设备等。 ， ETC。

说到陶瓷，人们自然而然地想到它的脆性特性。大约十年前，如果将其用作工程领域的承重部件，任何人都无法接受。直到现在，说到陶瓷复合材料，可能有些人还没有意识到，陶瓷和材料原本是两种毫不相关的基础材料，但自从人们将陶瓷和金属巧妙地结合在一起后，这种材料的概念就发生了根本性的改变，即陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料是航空航天工业中一种很有前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出其独特性。陶瓷基复合材料除了具有重量轻、硬度高的优点外，还具有优异的耐高硬度性能，陶瓷基复合材料还具有优异的耐高温和耐高温腐蚀性能。目前，陶瓷基复合材料在耐高温方面已超越金属耐热材料，并具有优异的机械性能和化学稳定性，使其成为高性能涡轮发动机高温区的理想材料。

世界各国针对下一代先进发动机的材料要求，重点研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了很大进展，特别是在现代航空发动机中的应用。例如，美国验证机的F120发动机，其高压涡轮密封件、燃烧室部分高温部件均采用陶瓷材料制成。例如，法国M88-2发动机的燃烧室和喷嘴也采用陶瓷基复合材料制成。

碳/碳复合材料

什么是碳/碳复合材料？是以碳纤维及其织物为增强体的碳基复合材料。它具有密度低（＜2.0g/cm3）、强度高、比模量高、导热系数高、膨胀系数低、摩擦性能好，以及良好的抗热震性和高尺寸稳定性等优点，尤其是是目前应用在1650℃以上的少数替代材料，最高理论温度甚至高于2600℃，被认为是国际上最有前途的高温材料之一。

碳/碳复合材料虽然具有许多优异的高温性能，但在400℃以上的有氧环境中会发生氧化，导致材料性能急剧下降。因此，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须具备氧化防护措施。碳/碳复合材料的氧化防护主要通过两种方式，即在较低温度下，采取基体改性和表面活性位点钝化，以保护碳/碳复合材料不与氧直接接触，从而达到氧化防护的目的。目前使用最多的方法是涂层法，随着技术的不断进步，人们越来越依赖碳/碳复合材料的超高温性能，超高温条件下唯一可行的氧化防护解决方案只能是涂层保护。

值得一提的是，C/C基复合材料是近年来国际上最有价值的耐高温新材料之一。 因为只有C/C复合材料被认为是唯一可以作为推重比在20以上、发动机入口温度高达1930-2227℃的涡轮转子叶片的后继材料。曾是美国21世纪重点发展的耐高温材料，尤其是世界先进工业国家努力追求的最高战略目标。

所谓C/C基复合材料是碳纤维增强的碳基复合材料，它将碳的可熔性与碳纤维的高强度、高刚性结合于一体，使其表现出非脆性破坏。由于C/C基复合材料具有轻质、高强、优越的热稳定性和优良的导热性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，其强度不仅不减少，但可以增加。特别是在1650℃以下仍能保持常温环境下的强度和风度。因此，C/C基复合材料在航空航天制造行业具有很大的发展潜力。

值得一提的是，C/C基复合材料在航空发动机应用中的一个主要问题是抗氧化性差，因此近年来美国采取了一系列工艺措施来解决这一问题并逐步应用于航空发动机新引擎。例如，F119发动机的尾喷管、喷管和燃烧室也采用C/C基复合材料制成。

机械轴承领域

轴承是机械设备中极其重要的零部件，使用非常普遍。它的主要作用是支撑机械旋转体，降低其运动时的摩擦系数，保证其旋转精度。它的作用类似于人体的关节，被誉为“机械的关节”，是所有旋转机械的灵魂，因此又被称为机械工业的芯片。

氮化硅材料是一种高强度人造晶体，具有密度小、硬度高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、不渗透、抗压强度高、自润滑性能好等诸多优点。混合陶瓷轴承综合了氮化硅材料抗压强度高和合金钢抗弯强度高、韧性好的优点，具有重量轻、极限转速高、摩擦力矩小、运转精度好等一系列优点。与普通钢球轴承相比，高温下使用寿命长。

氮化硅陶瓷球轴承是目前世界上研究最多、性能最高、应用最广泛的高端陶瓷轴承。氮化硅陶瓷球轴承几乎是陶瓷轴承的代名词。据前瞻产业研究院数据显示，2020年氮化硅陶瓷轴承球市场零售规模达到701亿元，预计2021年市场规模将达到723亿元，年均复合增长率为11.26%未来5年，预计2025年将达到1108亿元，以新能源汽车为主要增长点。

供应方面，全球主要氮化硅球生产商包括东芝、Tsubaki、Nakashima、CoorsTek、AKS、IndustrialTectonicsInc等，占据全球氮化硅球市场45%的份额。亚太地区目前是氮化硅球最大的市场，市场份额为48%，其次是欧洲和北美。

新能源领域

随着电子技术的快速发展和全球新能源汽车的需求，锂离子电池凭借高容量、轻重量、可充电和低自放电等优点在许多应用领域占据市场主导地位。目前，中国是全球最大的锂电池生产基地，中国锂电池发展潜力巨大。然而，锂离子电池的安全性和循环寿命仍然存在问题，诸如多起手机自燃、电动车起火、爆炸等事故的发生敲响了安全警钟。

AlOOH陶瓷复合隔膜的SEM及结构示意图

陶瓷隔膜涂层材料一般选自氧化铝和勃姆石。锂离子电池由电极（正负极）、隔离膜（隔膜）、电解液和外壳四部分组成，其中隔膜是内部关键部件之一，它不仅能够实现锂离子的嵌入和脱嵌， -嵌入正负极之间，保证了电池的循环性能，同时也使得正负极在工作工程过程中处于隔离状态，保证了电池的安全性能。出于循环性能和安全性能考虑，国内外隔膜厂商都瞄准了陶瓷隔膜，因为陶瓷隔膜耐有机溶剂、与电解液相容性好、吸收率高、拉伸强度高、穿刺强度高、热收缩率低、破膜率高温度高，热收缩率低。

根据比亚迪锂电池隔膜发明专利“一种电池隔膜及其制备方法”（CN201310750910.7），无机涂层浆料中水的质量比为76%，固体材料陶瓷涂层颗粒与树脂的质量比材料分别为22%和2%。因此，以硼镁石为代表的陶瓷涂层颗粒是锂电池涂层材料最重要的原材料。

需求方面，根据研究机构EVTank和艾维经济研究所联合发布的《中国锂离子电池隔膜行业白皮书（2020）》显示，2019年中国锂电池涂层材料出货量为1.55万吨，其中无机涂料出货量1.4万吨，占比90.32%，有机涂料、有机无机组合涂料占比不足10%，无机涂料为市场涂料主流。预计2025年无机涂料用量将达到40.4亿平方米。

供给方面，随着国瓷材料扩产，国内陶瓷涂料领域将呈现大、小两大竞争格局。在锂电池涂层材料领域，据统计，2019年德国NabaltecAG锂电池Bumite出货量48万吨，占比37%，排名全球第一，One Stone通锂电池Bumite出货量47万吨吨，占比36%，居世界第二，国内第一。

汽车尾气吸附领域

近年来，随着中国政府对环保问题的高度重视，重型柴油机排放法规不断升级，限制也越来越严格。即将出台的国六标准被认为是全球最严格的排放标准之一。

• 多孔陶瓷

蜂窝陶瓷是内部具有大量蜂窝通道的陶瓷材料。多孔陶瓷具有孔隙密度高、比表面积大的优点；热膨胀系数低，热稳定性好；耐酸碱及有机溶剂，耐腐蚀性能好；优良的机械性能；主要用作活性催化剂和催化添加剂装载作业的催化装置的载体，是废气处理催化剂最常见的催化剂载体。

国内蜂窝陶瓷市场仍被国外企业垄断，国内业务领域进口替代空间广阔。

• 氧化铝

高纯氧化铝粉为白色微粉，粒度均匀，易于分散，化学性质稳定，高温收缩性能适中，具有良好的烧结性能；广泛应用于汽车尾气陶瓷涂层。汽车尾气催化剂中的活性组分通常需要附着在涂层上，以保证一定的分散性、热稳定性和机械强度。在氧化铝的各种晶型中，γ-Al2O3具有较强的吸附能力和较大的比表面积，是目前使用的主要涂层材料。

国六标准下，柴油车的DOC和DPF将采用氧化铝涂层，根据多孔陶瓷协会的统计，涂层量约为多孔陶瓷体积的20%，可计算为柴油车用量约为120g/L。预计2022年国内氧化铝需求量将达到11171吨。

本文摘自iacechina.com