智能手機、液晶電視、電腦、汽車這些產品中都應用了眾多尖端的先進技術,而陶瓷在其中同樣不可或缺。例如,一部智能手機中使用的微型電子元器件——陶瓷電容器,就有數百上千個之多。但這類陶瓷并不是人們生活中常見的“瓷磚”“瓷碗”,它們是使用高精工藝生產出來的先進陶瓷。那么,先進陶瓷是什么?有哪些特點和應用?讓我們一同來看。
陶瓷制品分為普通陶瓷與先進陶瓷兩大類,其中的先進陶瓷,又稱新型陶瓷、特種陶瓷、精細陶瓷、高技術陶瓷等,它是指采用高純度、超細人工合成或精選的無機化合物為原料,具有精確的化學組成、精密的制造加工技術和結構設計,并具有優異的力學、聲、光、熱、電、生物等特性的陶瓷,在航空航天、電子信息、生物醫藥、高端裝備制造等高端科技領域隨處可見。
它們的主要區別如下:
先進陶瓷分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。結構陶瓷是指能作為工程結構材料使用的陶瓷,具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。功能陶瓷是具有電、磁、光、熱、化學、生物等特性,且具有相互轉換功能的一類陶瓷。功能陶瓷在先進陶瓷中約占70%的市場份額,其余為結構陶瓷。
先進陶瓷部分應用如下:
1、電子陶瓷
隨著信息化產業、電子消費產業的快速發展,工業用電子產品、消費電子產品將保持快速發展趨勢,對電子陶瓷的需求巨大,預計到2020年全球電子陶瓷需求將突破400億美元。電子陶瓷是先進陶瓷中最成熟的技術產品,占先進陶瓷市場份額的65%。主要用于芯片、電容、集成電路封裝、傳感器、絕緣體、鐵磁體、壓電陶瓷、半導體、超導等。主要材料有鈦酸鋇、氧化鋅、鈦鋯酸鉛、鈮酸鋰、氮化鋁、二氧化鋯和氧化鋁等。
2、生物陶瓷
生物陶瓷是指直接作用于人體或者與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料,廣義講,凡屬于生物工程的陶瓷材料統稱為生物陶瓷。作為生物陶瓷材料應具備以下功能:代替人體內有病的或損傷的部分,作為人體先天性缺損部分的代用品,有助于人體內組織的恢復。
生物醫用材料目前已成為各國科學家競相研究和開發的熱點,國內生物醫學材料和制品70%-80%依賴進口,并基本屬于仿制,我國的生物醫用材料在全球的市場份額僅占2%,產品技術水平大多處于初級階段。伴隨社會人口的老齡化,到2020年,我國將需要人工關節80萬套/年、血管支架160萬個/年、眼內人工晶體140萬個/年,對生物陶瓷材料需求將會大幅增加。
生物陶瓷除用于測量、診斷、治療外, 主要是作為生物硬組織的代用材料, 可應用在骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科、耳喉鼻科及普通外科等各個方面。
3、納米陶瓷
近年來納米陶瓷倍受人們關注。當所選用的原料以及成材后晶粒達到納米量級時,將為陶瓷材料的制備科學、陶瓷學、陶瓷工藝以及最終的材料性能帶來突變,從而開辟陶瓷材料更廣泛的用途。
目前納米陶瓷制備方法有三大類:物理制備法、氣相法、濕化學法。制備的納米陶瓷粉體有:Al?O?、ZrO?、SiO?、Si?N、SiC、BaTiO?、TiO?等。納米陶瓷的研制,帶動了一些新的快速燒結設備的開發,如真空燒結工藝、微波燒結工藝和等離子燒結技術(SPS)等。
4、低膨脹陶瓷
熱膨脹系數絕對值小于2 ×10?? /℃的材料稱為低膨脹材料,膨脹系數接近于零的材料為超低膨脹材料。低膨脹陶瓷,特別是零膨脹陶瓷或負膨脹陶瓷,可作為發動機主要部件,航空材料葉片,爐具墊片,電路基片,天文鏡坯及天線罩,高溫觀察窗,精密計量等器件,載體及過濾器,核廢料固定化,封接材料等高技術材料。
5、節能環保和新能源領域使用的先進陶瓷
隨著經濟高速發展、能源需求迅速增加,工業及生活廢棄物巨量產生,能源節約和環境保護已經成為國際社會日益關心的重大問題。在能源匱乏和環境惡化日益嚴重的情況下,先進、高效節能環保技術得以實現的節能蓄熱式熱力垃圾焚燒爐(RT0)和冶煉行業節能蓄熱室用蜂窩陶瓷、熱氣體凈化領域和水處理領域用的陶瓷膜及裝備、特高壓交流輸電技術與裝備用的系列超/特高壓懸式瓷絕緣子、蓄熱換熱用的碳化硅陶瓷部件、光伏產業用系列陶瓷制品都將會獲得難得的發展契機。
6、航空航天陶瓷
應用主要涉及直升機用防彈裝甲陶瓷、飛機剎車盤材料、衛星電池用陶瓷隔膜材料、紅外隱身(偽裝)涂料、陶瓷軸承、導彈用陶瓷天線罩材料等。目前在航空航天中的應用研究主要集中在火箭噴嘴的耐熱材料,太空飛船的隔熱瓦,復合工程陶瓷材料以及宇宙飛船的觀察窗涂層等,尤其是對具有輕質耐熱、耐燒蝕、高熔點高強度的陶瓷纖維的研發極為關注。
2014年,《國家集成電路產業發展推進綱要》《關于印發2014-2016年新型顯示產業創新發展行動計劃的通知》等政策頒布,大力推進了集成電路制造企業和顯示面板企業自主發展,并引導上下游產業鏈企業加強協作,全面提高供應鏈本地化水平。
“十三五”時期,先進陶瓷作為新材料領域重要組成部分,先后進入《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》《工業“四基”發展目錄》《產業關鍵共性技術發展指南》《戰略性新興產業分類》《產業結構調整指導目錄》,成為國家新興產業發展規劃的重要一環。先進陶瓷等新材料為我國發展壯大新一代信息技術、高端裝備、新材料、生物、新能源汽車、新能源、節能環保、數字創意等戰略性新興產業提供了基礎支撐能力。
“十四五”時期,我國繼續推動先進陶瓷等新材料產業技術向國際領先水平發展?!吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出,至2025年,重點新材料總體技術和應用與國際水平同步,部分達到國際領先水平;全面提升新材料產品質量水平與穩定性,中高端產品所占比重大幅提升,整體水平進入全球價值鏈中高端環節;關鍵高端材料和高端裝備自主研發水平和自主保障能力顯著提升,關鍵短板材料受制于人的問題得到有效緩解。先進陶瓷未來將作為國家戰略規劃之一將繼續得到政策大力支持,并加快向關鍵技術領域突破,助力我國多類戰略性新興產業發展。
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