英冠高技术陶瓷

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2022

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先进陶瓷行业研究


  一 陶瓷的分类
  广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料,即无机非金属材料。主要分为传统陶瓷材料和先进陶瓷材料。
  (一)传统陶瓷
  传统意义上的陶瓷是指由粘土及其天然矿物通过破碎、混合、成型和焙烧等过程制成的各种产品。它们通常被称为“普通陶瓷”或传统陶瓷,如家用陶瓷、建筑卫生陶瓷。
  (二)先进陶瓷
  按照化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等,按性能和用途可分为两类:功能陶瓷和结构陶瓷。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能,具有电学性能、磁性、生物特性、热敏性和光学性能。主要包括绝缘介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体及其敏感陶瓷等;结构陶瓷主要基于材料的力学和结构用途,具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐氧化等特点。主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和硼化物陶瓷。
  功能陶瓷中的电子陶瓷主要用于芯片、电容器、集成电路、传感器、绝缘体、铁磁体、压电陶瓷、半导体、超导体等的封装。
  结构陶瓷主要包括刀具、模具、耐磨件、泵阀件、发动机件、换热器、生物件、装甲等。主要材料有:氮化硅、碳化硅、氧化锆和碳化硼、二硼化钛、氧化铝等,其典型特点是:强度高、密度低、耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好。其中,氮化硅优异的综合性能备受关注。目前,商用氮化硅陶瓷主要用于大功率风力发电的刀具和轴承材料。另外,氮化硅衬底也是一个备受关注的应用方向。
  结构陶瓷面临着成本高、可靠性低、重复性差的问题。成本高与制造工艺和高废品率有关。可靠性与比韧性低的再现性有关。陶瓷作为一种典型的脆性材料,在低温下不能通过变形吸收能量。裂纹尺寸一旦达到临界值,就会发生破坏,目前常用的增韧方法有颗粒增韧、晶须和纤维增韧、应力诱导相变增韧等。
  先进陶瓷在电子行业的应用如下:
  二.陶瓷行业的主要工艺流程
  陶瓷原料→粉体制备→浆料→成型→烧结→精加工
  (一)原料粉体制备工艺
  物理粉碎:粉末材料通过机械粉碎和电火花爆炸获得。操作简单,成本低,但产品纯度较低,颗粒分布不均匀。物理粉碎也可用于化学法制备粉末材料的后处理,使粉末材料更细。在适当的控制手段下,还可以制备出粒径分布均匀、颗粒细小的粉末材料。物理粉碎法涉及的设备有球磨机、砂磨机、气流粉碎等。
  真空冷凝法:采用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体,然后淬火。它具有纯度高、晶体结构好、粒径可控等特点,但对工艺设备要求较高。
  气相沉积:通过金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点是纯度高,粒径分布窄。
  沉淀法:将沉淀剂加入盐溶液中进行反应,然后对沉淀进行热处理,得到纳米材料。该方法简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合于氧化物的制备。
  水热合成:纳米颗粒在水溶液或水蒸气中高温高压合成,然后分离和热处理。它具有纯度高、分散性好、粒径易于控制等特点。
  溶胶-凝胶法:通过溶液、溶胶和凝胶固化金属化合物,然后通过低温热处理形成纳米颗粒。适用于制备氧化物和金属氧化物Ⅱ - Ⅵ 化合物。
  微乳液法:在表面活性剂的作用下形成两种不溶性溶剂,在微泡中成核、聚结、团聚、热处理后得到纳米粒子。特征粒子是单分散的,具有良好的界面性质。这个Ⅱ ~ Ⅵ 族半导体纳米粒子的制备主要采用这种方法。强硬等。
  (二)成型工艺
  干法压制成形:干压成形、冷等静压成形;
  塑性成形:挤压成形、注射成形、热蜡铸成形、扎膜成形;
  浆料成形:注浆成形、流延成形、凝胶注模成形和原位凝固成形;
  固体无模成形:熔融沉积成形、三维打印成形、分层实体成形、立体光刻成形和激光选取烧结成形。
  浆料成型,例如注浆成型和流延成型的对象是浆料,液体占比一般在30%以上,具有较好的流动性,可填充模具的各个角落;塑性成型,例如挤压成型、轧膜成型的对象是坯料,液体占比一般在10%-30%之间,塑性较好,成型后几乎不变形;干法压制成型,例如干压成型和等静压成型的对象是造粒粉,液体占比一般低于10%,依靠压力提高造粒粉的堆积密度,烧结收缩小。至于固体无模成型则可以理解成为3D打印陶瓷范畴。
  部分成型工艺特点
  (三)烧结工艺
  从根本上讲,烧结是粉末扩散和传质的过程,使陶瓷材料致密化,使陶瓷材料具有均匀的微观结构、稳定的形状和优异的性能。
  其主要目的是降低烧结温度,缩短烧结时间,细化晶粒,消除残余气孔
  常用的烧结工艺有:常压烧结、无压烧结、真空烧结、热压烧结、热等静压烧结、常压烧结、微波烧结、燃烧烧结、自蔓延高温烧结、智能烧结、喷涂烧结、低温烧结和无压烧结。
  影响烧结的主要因素是高温下陶瓷料液相的产生和作用,陶瓷料中少量添加剂的影响及机理,原料的细度和活性对烧结的影响。烧结过程可分为三个阶段:从室温到最高烧结温度的加热阶段;高温保温阶段;从最高温度到室温的冷却阶段;有些陶瓷材料烧结后需要进行热处理。
  (四)精密加工
  先进陶瓷材料常用的后续加工方法有表面施釉、机械加工和表面金属化。施釉:① 提高陶瓷的机械强度和耐热冲击性能;② 防止工件表面低压放电;③ 提高了瓷件的防潮性能。机加工:可使陶瓷制品达到尺寸公差要求,提高表面光洁度或去除表面缺陷。方法包括磨削、激光和超声加工。
  金属化:为了满足电性能的需要或实现陶瓷与金属的密封,应在陶瓷表面牢固地涂上一层金属膜。陶瓷金属化的常用方法有镀银和电镀。陶瓷与金属的封接形式有玻璃釉封接、金属焊接、活性金层封接、激光焊接、固相封接等。
  三.先进陶瓷产品热点应用方向
  1、电子雾化器
  2018年,国内电子烟产业进入产品开发、品牌建设和消费者培育的重要阶段。初步测算,2018年我国电子烟产量将达到22.29亿支左右,预计2019年我国电子烟产量将达到28.98亿支,2022年将达到47.53亿支,其中雾化器约占电子烟成本的35%。
  与活性炭类似,多孔陶瓷材料具有很强的吸附性和良好的生物相容性。这也是选择陶瓷作为载体的关键因素之一。类似的材料在日常生活中有很多应用,如滤芯、冰箱除臭剂、面膜、牙膏等日用化学品。
  事实上,雾化技术早已应用于医疗等领域,如哮喘的治疗。在传统的雾化过程中,颗粒的粒径分布很宽。其中,2.5 μ 米  上述微粒会沉积在人体呼吸道和口腔中,1 μ M及以下的颗粒会被吸入人体肺部,有效成分能被人体迅速吸收。目前,feelm陶瓷雾化芯产生的雾化颗粒一般小于1μ m。它能带来更好的品味和更多的满足感。
  2、滤波器
  5g滤波器有望采用新技术,主要是能够实现小型化的介质滤波器。本实用新型产品性能好,体积小,功耗低。凭借成熟的产业链和性价比优势,介质滤波器有望成为5g时期的主流选择。
  5g时代,大规模MIMO技术将得到广泛应用,介质滤波器有望取代金属腔滤波器成为基站的主流应用;此外,随着5g智能手机在轻量化、高频化、低功耗等方面的要求,媒体滤波器在手机领域也有很大的应用空间。
  在四个基站终端中,华为和爱立信倾向于陶瓷介质过滤器。中兴和诺基亚主要还是小型化的金属腔体滤波器。未来,他们将向陶瓷介质过滤器过渡,陶瓷过滤器的市场份额将继续增加。中国  5克  促进建设 + 随着微波介质陶瓷滤波器技术的成熟,微波介质陶瓷滤波器的空间不断增大。据测算,2019-2023年,中国5g基站介质滤波器市场容量将超过336亿元,复合年增长率  为80.32%。
  3、MLCC
  根据村田官方网站的预测,2019-2024年  全球MLCC  市场  复合年增长率  由  占陶瓷电容器市场的90%。
  MLCC产业链的上游主要是陶瓷粉体原料和内外电极用金属材料。陶瓷粉体的细度、均匀性和可靠性直接决定了MLCC产品的尺寸、电容和性能稳定性。钛酸钡是MLCC陶瓷粉体的主要原料,其成本分别占大容量MLCC和小容量MLCC成本结构的35-45%和20-25%。早期作为MLCC内电极原材料的钯,由于价格上涨,最终被贱金属(镍、铜等)取代,降低了内电极的成本。
  4、手机背板
  5g时代要求信号传输速度更快,是4G的1~100倍。5g通信将使用3GHz以上的频谱,其毫米波波长较短。与金属背板相比,陶瓷背板对信号没有干扰,与其他材料相比具有无可比拟的优越性能,因此受到手机厂商的青睐。
  在所有陶瓷材料中,氧化锆陶瓷不仅具有强度高、硬度高、耐酸碱、耐腐蚀、化学稳定性高等优点,而且具有耐划伤、耐磨损、无信号屏蔽、散热性能优异、外观效果好等特点。因此,氧化锆陶瓷已成为继塑料、金属、玻璃之后的新型手机机身材料。目前,氧化锆陶瓷在手机上的应用主要是背板和指纹识别盖板。
  5g时代手机后盖材料将主要采用塑料、玻璃和陶瓷。其中,塑料的外观和手感最差,成本最低,因此将成为低端手机的首选。与玻璃相比,陶瓷具有更高的手感和外观,更好的散热性和硬度,其在高端车型中的渗透率有望大幅提高。据Ovi云预测,到2020年陶瓷封底渗透率约为2%,预计到2023年陶瓷封底市场规模将达到150亿-300亿。
  5、陶瓷插芯
  陶瓷芯广泛应用于光网络连接点、分支点和终端。其中约72%用于制造光纤连接器。其中约25%用于分光器、收发器和其他光无源器件。其中约3%用于光学有源器件。陶瓷芯是光纤连接器的核心部件,其成本约占连接器总成本的50%。使用5g  基站投资高峰的到来将带来大量陶瓷插头的增量需求。此外,5g的发展将进一步扩大IDC的需求,光纤连接器在IDC中得到广泛应用  目前也有大量的应用,陶瓷嵌件仍面临着巨大的发展机遇。
  四.陶瓷产业主要分布及未来趋势
  目前,国外先进陶瓷的发展领先的国家有美国、日本、欧盟、俄罗斯等。其中,美国在先进陶瓷在航空航天、核能等领域的应用处于领先地位,日本在先进陶瓷材料的工业化和民用领域处于领先地位,占据世界先进陶瓷市场份额的一半左右;欧盟在先进陶瓷和机械设备应用领域处于领先地位;俄罗斯和乌克兰在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面有很强的实力。国内先进陶瓷产业主要集中在山东、江西、广东、江苏、浙江、河北、福建等省。
  国内先进陶瓷系统的应用领域从单一的军用航空到环保、新能源、电子信息,从结构陶瓷、功能陶瓷到结构功能一体化。它来源于陶瓷体系的不断发展和制备技术的不断丰富。同时,研发的要求也越来越高、更新:陶瓷粉体技术的研究和产业化将满足更多陶瓷材料发展的基本需求。通过大批量生产制备技术、生产设备精密制造技术、陶瓷精密加工技术和增韧技术的发展,低成本将达到降低成本、提高效率的目的。在成型技术中,注射成型、凝胶成型和无模固态成型将成为批量应用最多的成型技术。Si3N4是结构陶瓷的代表,alon透明陶瓷是综合性能优异的光电陶瓷的代表。基础理论研究和结构设计需要与先进陶瓷在应用领域的发展要求相匹配,为新体系、新产品、新应用和批量转化提供技术支持。