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    先進陶瓷行業研究
     陶瓷的分類
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    廣義上的陶瓷材料指的是除有機和金屬材料以外的其他所有材料,即無機非金屬材料。主要分為傳統陶瓷材料和先進陶瓷材料。
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    (一)傳統陶瓷
    傳統意義上的陶瓷是指由粘土及其天然礦物通過破碎、混合、成型和焙燒等過程制成的各種產品。它們通常被稱為“普通陶瓷”或傳統陶瓷,如家用陶瓷、建筑衛生陶瓷。
    (二)先進陶瓷
    按照化學成分可分為氧化物陶瓷、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,按性能和用途可分為兩類:功能陶瓷和結構陶瓷。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能,具有電學性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學性能。主要包括絕緣介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導體及其敏感陶瓷等;結構陶瓷主要基于材料的力學和結構用途,具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐氧化等特點。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。
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    功能陶瓷中的電子陶瓷主要用于芯片、電容器、集成電路、傳感器、絕緣體、鐵磁體、壓電陶瓷、半導體、超導體等的封裝。
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    結構陶瓷主要包括刀具、模具、耐磨件、泵閥件、發動機件、換熱器、生物件、裝甲等。主要材料有:氮化硅、碳化硅、氧化鋯和碳化硼、二硼化鈦、氧化鋁等,其典型特點是:強度高、密度低、耐高溫、抗蠕變、耐磨損、耐腐蝕、化學穩定性好。其中,氮化硅優異的綜合性能備受關注。目前,商用氮化硅陶瓷主要用于大功率風力發電的刀具和軸承材料。另外,氮化硅襯底也是一個備受關注的應用方向。
    結構陶瓷面臨著成本高、可靠性低、重復性差的問題。成本高與制造工藝和高廢品率有關??煽啃耘c比韌性低的再現性有關。陶瓷作為一種典型的脆性材料,在低溫下不能通過變形吸收能量。裂紋尺寸一旦達到臨界值,就會發生破壞,目前常用的增韌方法有顆粒增韌、晶須和纖維增韌、應力誘導相變增韌等。
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    先進陶瓷在電子行業的應用如下:
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    二.陶瓷行業的主要工藝流程
    陶瓷原料→粉體制備→漿料→成型→燒結→精加工
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    (一)原料粉體制備工藝
    物理粉碎:粉末材料通過機械粉碎和電火花爆炸獲得。操作簡單,成本低,但產品純度較低,顆粒分布不均勻。物理粉碎也可用于化學法制備粉末材料的后處理,使粉末材料更細。在適當的控制手段下,還可以制備出粒徑分布均勻、顆粒細小的粉末材料。物理粉碎法涉及的設備有球磨機、砂磨機、氣流粉碎等。
    真空冷凝法:采用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等離子體,然后淬火。它具有純度高、晶體結構好、粒徑可控等特點,但對工藝設備要求較高。
    氣相沉積:通過金屬化合物蒸氣的化學反應合成納米材料。其特點是純度高,粒徑分布窄。
    沉淀法:將沉淀劑加入鹽溶液中進行反應,然后對沉淀進行熱處理,得到納米材料。該方法簡單易行,但純度低,顆粒半徑大,適合于氧化物的制備。
    水熱合成:納米顆粒在水溶液或水蒸氣中高溫高壓合成,然后分離和熱處理。它具有純度高、分散性好、粒徑易于控制等特點。
    溶膠-凝膠法:通過溶液、溶膠和凝膠固化金屬化合物,然后通過低溫熱處理形成納米顆粒。適用于制備氧化物和金屬氧化物Ⅱ - Ⅵ 化合物。
    微乳液法:在表面活性劑的作用下形成兩種不溶性溶劑,在微泡中成核、聚結、團聚、熱處理后得到納米粒子。特征粒子是單分散的,具有良好的界面性質。這個Ⅱ ~ Ⅵ 族半導體納米粒子的制備主要采用這種方法。強硬等。
    (二)成型工藝
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    干法壓制成形:干壓成形、冷等靜壓成形;
    塑性成形:擠壓成形、注射成形、熱蠟鑄成形、扎膜成形;
    漿料成形:注漿成形、流延成形、凝膠注模成形和原位凝固成形;
    固體無模成形:熔融沉積成形、三維打印成形、分層實體成形、立體光刻成形和激光選取燒結成形。
    漿料成型,例如注漿成型和流延成型的對象是漿料,液體占比一般在30%以上,具有較好的流動性,可填充模具的各個角落;塑性成型,例如擠壓成型、軋膜成型的對象是坯料,液體占比一般在10%-30%之間,塑性較好,成型后幾乎不變形;干法壓制成型,例如干壓成型和等靜壓成型的對象是造粒粉,液體占比一般低于10%,依靠壓力提高造粒粉的堆積密度,燒結收縮小。至于固體無模成型則可以理解成為3D打印陶瓷范疇。
    部分成型工藝特點
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    (三)燒結工藝
    從根本上講,燒結是粉末擴散和傳質的過程,使陶瓷材料致密化,使陶瓷材料具有均勻的微觀結構、穩定的形狀和優異的性能。
    其主要目的是降低燒結溫度,縮短燒結時間,細化晶粒,消除殘余氣孔
    常用的燒結工藝有:常壓燒結、無壓燒結、真空燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、常壓燒結、微波燒結、燃燒燒結、自蔓延高溫燒結、智能燒結、噴涂燒結、低溫燒結和無壓燒結。
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    影響燒結的主要因素是高溫下陶瓷料液相的產生和作用,陶瓷料中少量添加劑的影響及機理,原料的細度和活性對燒結的影響。燒結過程可分為三個階段:從室溫到最高燒結溫度的加熱階段;高溫保溫階段;從最高溫度到室溫的冷卻階段;有些陶瓷材料燒結后需要進行熱處理。
    (四)精密加工
    先進陶瓷材料常用的后續加工方法有表面施釉、機械加工和表面金屬化。施釉:① 提高陶瓷的機械強度和耐熱沖擊性能;② 防止工件表面低壓放電;③ 提高了瓷件的防潮性能。機加工:可使陶瓷制品達到尺寸公差要求,提高表面光潔度或去除表面缺陷。方法包括磨削、激光和超聲加工。
    金屬化:為了滿足電性能的需要或實現陶瓷與金屬的密封,應在陶瓷表面牢固地涂上一層金屬膜。陶瓷金屬化的常用方法有鍍銀和電鍍。陶瓷與金屬的封接形式有玻璃釉封接、金屬焊接、活性金層封接、激光焊接、固相封接等。
     
     
    三.先進陶瓷產品熱點應用方向
     
    1、電子霧化器
    2018年,國內電子煙產業進入產品開發、品牌建設和消費者培育的重要階段。初步測算,2018年我國電子煙產量將達到22.29億支左右,預計2019年我國電子煙產量將達到28.98億支,2022年將達到47.53億支,其中霧化器約占電子煙成本的35%。
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    與活性炭類似,多孔陶瓷材料具有很強的吸附性和良好的生物相容性。這也是選擇陶瓷作為載體的關鍵因素之一。類似的材料在日常生活中有很多應用,如濾芯、冰箱除臭劑、面膜、牙膏等日用化學品。
    事實上,霧化技術早已應用于醫療等領域,如哮喘的治療。在傳統的霧化過程中,顆粒的粒徑分布很寬。其中,2.5 μ 米  上述微粒會沉積在人體呼吸道和口腔中,1 μ M及以下的顆粒會被吸入人體肺部,有效成分能被人體迅速吸收。目前,feelm陶瓷霧化芯產生的霧化顆粒一般小于1μ m。它能帶來更好的品味和更多的滿足感。
    2、濾波器
    5g濾波器有望采用新技術,主要是能夠實現小型化的介質濾波器。本實用新型產品性能好,體積小,功耗低。憑借成熟的產業鏈和性價比優勢,介質濾波器有望成為5g時期的主流選擇。
    5g時代,大規模MIMO技術將得到廣泛應用,介質濾波器有望取代金屬腔濾波器成為基站的主流應用;此外,隨著5g智能手機在輕量化、高頻化、低功耗等方面的要求,媒體濾波器在手機領域也有很大的應用空間。
    在四個基站終端中,華為和愛立信傾向于陶瓷介質過濾器。中興和諾基亞主要還是小型化的金屬腔體濾波器。未來,他們將向陶瓷介質過濾器過渡,陶瓷過濾器的市場份額將繼續增加。中國  5克  促進建設 + 隨著微波介質陶瓷濾波器技術的成熟,微波介質陶瓷濾波器的空間不斷增大。據測算,2019-2023年,中國5g基站介質濾波器市場容量將超過336億元,復合年增長率  為80.32%。
    3、MLCC
    根據村田官方網站的預測,2019-2024年  全球MLCC  市場  復合年增長率  由  占陶瓷電容器市場的90%。
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    MLCC產業鏈的上游主要是陶瓷粉體原料和內外電極用金屬材料。陶瓷粉體的細度、均勻性和可靠性直接決定了MLCC產品的尺寸、電容和性能穩定性。鈦酸鋇是MLCC陶瓷粉體的主要原料,其成本分別占大容量MLCC和小容量MLCC成本結構的35-45%和20-25%。早期作為MLCC內電極原材料的鈀,由于價格上漲,最終被賤金屬(鎳、銅等)取代,降低了內電極的成本。
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     4、手機背板
    5g時代要求信號傳輸速度更快,是4G的1~100倍。5g通信將使用3GHz以上的頻譜,其毫米波波長較短。與金屬背板相比,陶瓷背板對信號沒有干擾,與其他材料相比具有無可比擬的優越性能,因此受到手機廠商的青睞。
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    在所有陶瓷材料中,氧化鋯陶瓷不僅具有強度高、硬度高、耐酸堿、耐腐蝕、化學穩定性高等優點,而且具有耐劃傷、耐磨損、無信號屏蔽、散熱性能優異、外觀效果好等特點。因此,氧化鋯陶瓷已成為繼塑料、金屬、玻璃之后的新型手機機身材料。目前,氧化鋯陶瓷在手機上的應用主要是背板和指紋識別蓋板。
    5g時代手機后蓋材料將主要采用塑料、玻璃和陶瓷。其中,塑料的外觀和手感最差,成本最低,因此將成為低端手機的首選。與玻璃相比,陶瓷具有更高的手感和外觀,更好的散熱性和硬度,其在高端車型中的滲透率有望大幅提高。據Ovi云預測,到2020年陶瓷封底滲透率約為2%,預計到2023年陶瓷封底市場規模將達到150億-300億。
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    5、陶瓷插芯
    陶瓷芯廣泛應用于光網絡連接點、分支點和終端。其中約72%用于制造光纖連接器。其中約25%用于分光器、收發器和其他光無源器件。其中約3%用于光學有源器件。陶瓷芯是光纖連接器的核心部件,其成本約占連接器總成本的50%。使用5g  基站投資高峰的到來將帶來大量陶瓷插頭的增量需求。此外,5g的發展將進一步擴大IDC的需求,光纖連接器在IDC中得到廣泛應用  目前也有大量的應用,陶瓷嵌件仍面臨著巨大的發展機遇。
    四..陶瓷產業主要分布及未來趨勢
    目前,國外先進陶瓷的發展領先的國家有美國、日本、歐盟、俄羅斯等。其中,美國在先進陶瓷在航空航天、核能等領域的應用處于領先地位,日本在先進陶瓷材料的工業化和民用領域處于領先地位,占據世界先進陶瓷市場份額的一半左右;歐盟在先進陶瓷和機械設備應用領域處于領先地位;俄羅斯和烏克蘭在結構陶瓷和陶瓷基復合材料方面有很強的實力。國內先進陶瓷產業主要集中在山東、江西、廣東、江蘇、浙江、河北、福建等省。
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    國內先進陶瓷系統的應用領域從單一的軍用航空到環保、新能源、電子信息,從結構陶瓷、功能陶瓷到結構功能一體化。它來源于陶瓷體系的不斷發展和制備技術的不斷豐富。同時,研發的要求也越來越高、更新:陶瓷粉體技術的研究和產業化將滿足更多陶瓷材料發展的基本需求。通過大批量生產制備技術、生產設備精密制造技術、陶瓷精密加工技術和增韌技術的發展,低成本將達到降低成本、提高效率的目的。在成型技術中,注射成型、凝膠成型和無模固態成型將成為批量應用最多的成型技術。Si3N4是結構陶瓷的代表,alon透明陶瓷是綜合性能優異的光電陶瓷的代表?;A理論研究和結構設計需要與先進陶瓷在應用領域的發展要求相匹配,為新體系、新產品、新應用和批量轉化提供技術支持。
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