陶瓷行業深度報告：先進陶瓷是新材料領域最具潛力賽道（上）

作者：由未來智庫發表于攝影時間：2022-10-25

（報告出品方/作者：華安證券，鄭小霞、鄧承佯）

1 先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分

陶瓷是以粘土為主要原料，並與其他天然礦物經過粉碎混煉、成型和煅燒製得的材料以及各種製品，是陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統概念是指所有以粘土等無機非金屬礦物為原料的人工工業產品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經混煉、成形、煅燒而製成的各種製品。陶瓷的主要原料是取之於自然界的矽酸鹽礦物，因此它與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業同屬於“矽酸鹽工業”的範疇。

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。陶瓷製品的品種繁多，它們之間的化學成分、礦物組成、物理性質，以及制造方法，常常互相接近交錯，無明顯的界限，而在應用上卻有很大的區別。因此，很難硬性地把它們歸納為幾個系統，詳細的分類法也說法不一，到現在國際上還沒有一個統一的分類方法。按陶瓷的製備技術和應用領域分類，可分為傳統陶瓷材料和先進陶瓷材料。

傳統陶瓷：傳統意義上的陶瓷是指以粘土及其天然礦物為原料，經過粉碎混合、成型、焙燒等工藝過程所製得的各種製品，通常會被稱為“普通陶瓷 ”或傳統陶瓷，例如日用陶瓷、建築衛生陶瓷。

先進陶瓷：按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、矽化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按效能和用途可分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基於材料的特殊功能，具有電氣效能、磁性、生物特性、熱敏性和光學特性等特點，主要包括絕緣和介質陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、半導體及其敏感陶瓷等；結構陶瓷主要基於材料的力學和結構用途，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點。

1.1 結構陶瓷：極端環境領域最具潛質的優質材料

結構陶瓷憑藉其優異的力學效能及熱學效能成為陶瓷材料的重要分支，約佔整個陶瓷市場的 30%左右。近二十年來，國家重大工程和尖端技術對陶瓷材料及其製備技術也提出了更高的要求和挑戰：例如航天工業火箭發射中液氫液氧渦輪泵用的氮化矽陶瓷軸承在低溫極端條件下無滑狀態下高速運轉，要求陶瓷抽承強度高、初性好、耐磨損、表面加工精度高；核電站主泵用的大尺寸陶瓷密封環需要長壽命高可靠性，特別是地球衛星拍攝地面目標的對地監測使用的碳化矽陶瓷反射鏡，除了高彈性模量、低熱膨脹係數和輕量化，要求高精度超鏡面和大尺寸，這對大尺寸結構陶瓷材料的成型技術、燒結技術、加工技術都是一個挑戰；而光通訊中的光纖聯結器陶瓷插芯，其內孔為 125 微米，並且要求極高的表面光潔度與尺寸精度及同心度。

力學效能方面，高熔點及使用溫度範圍廣奠定了陶瓷材料在結構領域中的應用基礎。有機材料大多是分子鍵結合，金屬材料則以金屬鍵結合為主，陶瓷材料主要以離子鍵及共價鍵結合，因而陶瓷材料熔點相較最高。同時陶瓷材料在承受載荷的長期使用溫度也均穩定在 1000℃以上，相較金屬材料中，當前使用溫度最高的為高溫合金，其使用溫度為 1200℃以下，承受載荷情況時使用溫度在 1000℃以上。

此外，高強度及耐磨效能使得陶瓷材料在結構領域選材中脫穎而出。相較有機材料及金屬材料，在相同密度、比剛度及成本情況下，陶瓷材料的強度最強，因而決定了陶瓷材料可以更好適用於更加苛刻的環境中，此外，經中南工大粉末冶金研究所測定，陶瓷材料耐磨性相當於錳鋼的 266 倍，高鉻鑄鐵的 171。5 倍。

熱學效能方面，良好的導熱效能、熱膨脹效能及抗熱震性使得陶瓷材料在許多應用領域有著金屬等其它材料不可替代的地位。相比於有機材料，陶瓷材料及金屬材料的導熱效能更好，但在高溫情況下，陶瓷材料的熱膨脹係數及熱應力斷裂抵抗因子低於金屬材料，意味著陶瓷材料在高溫情況下可以經受住較大的熱衝擊，是極端環境中最佳材料。

結構陶瓷材料的致命弱點是脆性。目前結構陶瓷材料的研究及開發已從原先傾向於單相和高純度的特點向多相複合的發向發展，其中包括纖維（或者晶須）補強的陶瓷基複合材料、自補強陶瓷材料及奈米復相陶瓷等等，使得結構陶瓷材料效能得到了極大的改觀。

1.1.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子結合以離子鍵為主，存在部分共價鍵，因此具有許多優良的效能。大部分氧化物具有很高的熔點，良好的電絕緣效能，特別是具有優異的化學穩定性和抗氧化性，在工程領域已得到了較廣泛的應用。按組分可分為單一氧化物陶瓷（如氧化鋁、氧化鈹、二氧化鈦陶瓷等）及複合氧化物陶瓷（如尖晶石 MgO·Al2O3，莫來石 3Al2O3·2SiO2、鋯鈦酸鉛 PZT 陶瓷等）。

氧化鋁陶瓷：發展最早及應用範圍最廣的結構陶瓷

氧化鋁陶瓷製備方面，目前商用的方法有拜耳法、化學法、燒結片狀剛玉法及電熔剛玉法，其中拜耳法應用最為廣泛。拜耳法可製備得到純度為 99。5%的氧化鋁粉末，但主要含有氧化鈉等雜質，後化學法出現，可製備出 99。99%純度的氧化鋁高純細粉。

應用端，氧化鋁陶瓷目前可應用於機械領域耐磨器件、電力領域耐高溫絕緣結構件、半導體領域陶瓷基板等。

氧化鋯陶瓷：高效能結構陶瓷，增韌是製備的關鍵

氧化鋯的傳統應用主要是作為耐火材料、塗層和釉料等的原料，但是隨著對氧化鋯陶瓷熱力學和電學效能的深入瞭解，使它有可能作為高效能結構陶瓷和固體電介質材料而獲得廣泛應用。特別是隨著對氧化鋯相變過程深入瞭解，在 20 世紀 70 年代出現了氧化鋯陶瓷增韌材料，使氧化鋯陶瓷材料的力學效能獲得了大幅度提高，尤其是室溫韌性高居陶瓷材料榜首。

製備端，增韌是最核心的目標，最常見的方式就是新增穩定劑。二氧化鋯都是由鋯砂和斜鋯石礦製得。鋯砂以矽酸鋯（ZrO2·SiO2）為主要成分，斜鋯石礦的主要成分為 ZrO2，含有少量 SiO2、TiO2等雜質。氧化鋯的製備以往全都以上述兩種天然礦物為原料，而工程陶瓷用的易燒結性二氧化鋯微粉是以這兩種天然礦物製備的鋯鹽為原料而製造的。氧化鉻有三種晶型：立方相（c）、四方相（t）和單斜相（m）。熱力學觀點分析表明，純氧化鋯單斜相在 1170℃以下是穩定的，超過此溫度轉變為四方相，溫度到達 2370℃則轉變為立方相，直到 2680-2700℃發生熔化。整個相變過程可逆。當從高溫冷卻到四方相轉變溫度時，由於存在相變滯後現象，故大約要在 1050℃左右，即偏低 100℃才由 t 相轉變成 m 相，稱之為馬氏體相變，與此同時相變會產生 5％-9％的體積膨脹，這一體積變化足以超過 ZrO2晶粒的彈性限度，從而導致材料開裂。因此從熱力學和晶體相變過程來看製備純 ZrO2 材料幾乎是不可能的。為了避免這一相變，可以來用二價氧化物（CaO，MgO，SrO）和稀土氧化物（Y2O3，CeO2）等的作為穩定劑與 ZrO2 形成固溶體，生成穩定的立方相結構。不過，這些穩定劑氧化物金屬離子的半徑與 Zr4+離子半徑相差小於 40％時，才能起到穩定作用。

應用端，氧化鋯（特別是增韌的）陶瓷由於其優良的效能，已在各工業及技術領域得到廣泛的應用。最主要的是，其憑藉優異的力學效能和耐高溫效能作為結構材料，應用於機械工程（做陶瓷刀具、量具、軸承、模具、密封件等）、冶金工業（坩堝、耐火材料、連鑄注口、抗壓支撐、導輥等）、軍事工業（火箭隔熱層、防彈裝甲板）以及化學工業、紡織工業、生物工程和日常生活等各方面。

氧化鈹陶瓷：導熱係數最大的氧化物陶瓷，但粉末毒性限制了其應用

BeO 是鹼土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結構，由於 BeO 具有纖鋅礦型和強共價鍵結構，而且相對分子質量很低，因此，BeO 具有極高的熱導率，是氧化鋁的 10 倍左右，其室溫熱導率可達 250W/（m·K），與金屬的熱導率相當，並且在高溫、高頻下，其電氣效能、耐熱性、耐熱衝擊性、化學穩定性俱佳。但 BeO 陶瓷的致命缺點是其劇毒性，長期吸入 BeO 粉塵會引起中毒甚至危及生命，並會對環境造成汙染，這極大影響了 BeO 陶瓷基片的生產和應用。

應用端，氧化鈹陶瓷具有高的熱導率、高的耐火度、良好的核效能以及優良的電效能，因而可應用於高階耐火材料、原子能反應堆以及各種大功率電子器件和集成電路等。然而，氧化鈹的毒性是不可忽略的，隨著世界各國對環境保護的日趨重視，氧化鈹陶瓷的使用今後可能會受到一定的限制和影響。

氧化鎂陶瓷：現代冶金行業的關鍵材料

氧化鎂陶瓷是典型的新型陶瓷，也屬於傳統的耐火材料。氧化鎂本身對鹼性金屬溶液有較強的抗侵蝕能力，製備的氧化鎂陶瓷坩堝具有優異的化學效能和抵抗金屬侵蝕的穩定性，與鎂、鎳、鈾、鋁、鉬等不起作用。在氧化氣氛或氮氣保護下氧化鎂陶瓷可穩定工作到 2400℃，因此氧化鎂是現代冶金工業先進工藝中的關鍵材料。

製備方面，原材料源於礦物或海水，燒結過程需加入新增劑調節效能。自然界中含鎂的化合物很豐富，它以多種礦物形式存在於地殼和海洋之中，如菱鎂礦、白雲石、水鎂石、滑石等。工業上主要從上述礦物中提取 MgO，近來發展從海水中提取。從礦物或海水中提取 MgO，大多先製成氫氧化鎂或碳酸鎂，然後經煅燒分解成 MgO，將這種 MgO 透過進一步化學處理或熱處理可得到高純 MgO。製備時對 MgO 原料進行處理後，按組成進行配料。為了促進燒結以及能使晶粒稍微長大些，同時為了減少製備的水化傾向，可加入一些新增劑，如 TiO2、Al2O3、V2O3等。如果要求具有高純度的 MgO 陶瓷，就不能採用加入新增劑的方法來促進燒結和晶粒長大，而是採用活化燒結的方法，即將 Mg（OH）2 在適當溫度下煅燒，得到具有很多晶格缺陷的活性 MgO，用以製造燒結氧化鎂陶瓷。

應用端，氧化鎂陶瓷理論使用溫度高達 2200℃，可在 1600℃~1800℃長期使用。其高溫穩定性及耐腐蝕效能均優於氧化鋁陶瓷，且與 Fe、Ni、U、Th、Zn、Al、Mo、 Mg、Cu、Pt 等都不起作用，所以其應用範圍可包括：鋼鐵、玻璃等冶煉行業中腐蝕性條件下的坩堝或者其他耐火材料。MgO 陶瓷可用作冶煉金屬的坩堝，在原子能工業中也適於冶煉高純度的鈾和釷；還可用作熱電偶保護套管。利用它能使電磁波透過的性質，作雷達罩及紅外輻射的投射視窗材料等、冶煉金屬、合金，如鎳合金、放射性金屬鈾、釷合金、鐵及其合金等的坩堝。壓電、超導材料等的原料，並且無汙染、耐鉛腐蝕等；亦可做陶瓷燒結載體，特別是β-Al2O3等高溫下有腐蝕性、揮發性物質的陶瓷產品的燒結保護。（報告來源：未來智庫）

莫來石：鋁矽酸鹽組成的礦物統稱

莫來石是一種優質的耐火原料，這一類礦物比較稀少。莫來石是鋁矽酸鹽在高溫下生成的礦物，人工加熱鋁矽酸鹽時會形成莫來石。天然的莫來石晶體為細長的針狀且呈放射簇狀。莫來石礦被用來生產高溫耐火材料。在 C/C 複合材料中多作為熱障塗層，應用廣泛。莫來石 AI2O3-SiO2元系中常壓下穩定的二元固溶體，化學式為 AI2O3-SiO2的天然莫來石非常少，通常燒結法或電熔法等人工合成。

高溫工業大規模使用的莫來石按其製備方法分為電熔莫來石和燒結莫來石兩大類。莫來石是一種優質的耐火材料。最早在蘇格蘭的莫爾島被發現而被命名。莫來石的鋁和矽的成分是一個範圍，其在常溫常壓下能夠穩定存在。天然的莫來石比較稀少，通常是透過對鋁矽系化合物進行熱處理後製備莫來石。莫來石的合成可分為固相合成（包括傳統的溶膠-凝膠（SSG）工藝），液態合成和氣態合成。固態合成和液態合成的莫來石根據加熱處理的溫度和鋁矽的組成，可以被分為燒結莫來石和熔融莫來石。燒結莫來石是指將合成莫來石的原料加熱到生成少量液相的溫度，促進燒結又不影響其固相燒結，繼而保溫，使莫來石結晶併發育長大，形成所需要的莫來石形貌和結構。而熔融莫來石則是將氧化鋁和二氧化矽的混合物加熱到莫來石熔點以上，在冷卻過程中結晶形成的莫來石。溶膠凝膠法制備莫來石也被稱為化學莫來石，是由化學反應、熱分解和莫來石化得到的莫來石，這種方法所製備的莫來石其效能高度依賴於化合物的純度、均勻性、結晶溫度以及緻密度等條件。

應用端，莫來石製備的耐火新材料，目前廣泛應用於馬弗爐、煅燒爐、鍋爐、回轉窯等高溫裝置中。由莫來石製備耐高溫裝置，不僅僅耐高溫，而且使用壽命長、耐腐蝕。莫來石與其他優質的材料進行優勢互補，複合合成更加優良效能的耐火材料。如採用堇青石-莫來石複合合成陶瓷窯具材料，製備的材料具有熱膨脹係數小、抗熱震性優異、耐火度高、高溫穩定性好等優點。此外，莫來石在電效能領域的應用就體現在其作為一種優秀的基片材料，它具有很低的介電常數，能承擔高的線路密度，莫來石陶瓷和莫來石質玻璃-陶瓷複合材料被用作高效能積體電路的優良功能材料。

1.1.2 氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮與金屬或非金屬元素造成的陶瓷，是一類重要的結構與功能材料。

氮化物陶瓷具有良好的力學、化學、電學、熱學及高溫物理效能，在冶金、航空、化工、陶瓷、電子、機械及半導體等行業具有廣泛的應用。但許多由氮元素和金屬元素構成的氮化物在高溫下不穩定，易氧化，因而在自然界不能自由存在，只能靠人工合成。目前主要合成氮化物可分為氮化硼，氮化鋁，氮化矽等共價結合型。

氮化矽陶瓷：先進陶瓷中綜合性能最好的材料之一

隨著當代科學技術的發展，航空、航天能源等技術領域對結構材料的要求越來越高，耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、高強度、高硬度和綜合力學效能好的結構材料的開發和研究已經變得十分重要。Si3N4 陶瓷是先進陶瓷中綜合性能最好的材料之一，它的電學、熱學和機械性質十分優良，在氧化氣氛中可使用到 1400℃，在中性或還原性氣氛中可使用到 1850℃。它既突出了一般陶瓷材料的堅硬、耐熱、耐磨、耐腐蝕的優點，又具備了抗熱震好、耐高溫蠕變、自潤滑好、化學穩定效能佳等優勢，還具有相對較低的密度以及低的介電常數、介電損耗等優良的介電效能。

氮化矽分子量 140。28，按重量百分比，其中矽佔 60。28%，氮佔 39。94%。兩種元素電負性相近，氮化矽晶體中 Si-N 之間以共價鍵結合為主（其中離子鍵僅佔 30%），鍵合強度高。氮化矽沒有熔點，在常壓下於 1870°C 昇華分解，具有高的蒸汽壓和很低的擴散係數。Si 原子與 N 原子以鍵強很強的共價鍵結合，導致氮化矽高強度、高硬度、耐高溫、絕緣等效能。因為 Si 原子與 N 原子之間強共價鍵，高溫下原子擴散很慢，所以燒結過程中需加入高溫形成液相的新增劑促進擴散，加快燒結緻密。

氮化矽陶瓷的效能與燒結方法密切相關。氮化矽的高溫力學效能在很大程度上取決於晶界玻璃相。為了改善氮化矽的燒結效能在原料中加入燒結助劑，高溫時燒結助劑形成玻璃相，冷卻後玻璃相存在於晶界處，必須經過晶界工程處理才能保持和發揮氮化矽的這一高溫特性，否則晶界玻璃相在高溫下軟化造成晶界滑移，對高溫強度、蠕變和靜態疲勞中的緩慢裂紋擴充套件都有很大的影響，晶界滑移速度同玻璃相的性質（如粘度等）、數量及分佈有關。

應用端，Si3N4 陶瓷是一種重要的結構材料，它是一種超硬物質，本身具有潤滑性，並且耐磨損；除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應，抗腐蝕能力強，高溫時抗氧化。而且它還能抵抗冷熱衝擊，在空氣中加熱到 1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。正是由於Si3N4陶瓷具有如此優異的特性，人們常常利用它來製造軸承、氣輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件。其中，利用 Si3N4 重量輕和剛度大的特點，可用來製造滾珠軸承、它比金屬軸承具有更高的精度，產生熱量少，而且能在較高的溫度和腐蝕性介質中操作。用 Si3N4陶瓷製造的蒸汽噴嘴具有耐磨、耐熱等特性，用於 650℃鍋爐幾個月後無明顯損壞，而其它耐熱耐蝕合金鋼噴嘴在同樣條件下只能使用 1-2 個月。

氮化鋁陶瓷：微電子工業電路基板及封裝的理想結構材料

氮化鋁（AlN）作為一種新型陶瓷材料，是近年來新材料領域的研究熱點之一。雖然早在一百多年前，AlN 粉末便被合成製得，但由於它固有的難於燒結的缺點，在隨後的幾十年中，有關 AlN 的研究並不多，本世紀五十年代，AlN 陶瓷才被第一次制得，但當時強度很低，限制了其工業應用。至七十年代，緻密的氮化鋁陶瓷得以制備，其優良的熱傳導性、可靠的電絕緣性、耐高溫、耐腐蝕、低的介電常數以及與矽相匹配的熱膨脹係數等一系列優良特點才顯現出來。尤其是近些年來，隨著微電子技術的迅速發展，電子器件日趨多功能、小型化、高整合度大功率的電子器件工作時產生大量熱量，為了避免電子器件因過熱而失效，需要採用具有高熱導率的基片將熱量帶帶。AlN 具有優良的導熱效能，是新一代基片的理想材料，在電子工業中的應用前景十分廣闊，其優良的高溫耐蝕性、高溫穩定性、較高的強度和硬度，使其在高溫結構材料方面的應用也很有潛力。

氮化鋁作為共價鍵化合物，難以進行固相燒結，通常採用液相燒結機制，即向氮化鋁原料粉末中加入能夠生成液相的燒結助劑，並透過溶解產生液相，促進燒結。

作為一種人工合成的材料，氮化鋁陶瓷的製備過程通常是先合成氮化鋁粉體，再將得到的粉體燒結制備成陶瓷。由於氮化鋁中的鋁-氮鍵（Al-N）具有較高的共價鍵成分，所以氮化鋁的熔點高，自擴散係數小，燒結活性低，因此是一種難燒結的陶瓷材料。據中國粉體網編輯瞭解，當氮化鋁粉體純度較高時，非常難以透過燒結達到完全緻密，在陶瓷晶粒中或晶界處均有氣孔存在，這極大地限制了氮化鋁陶瓷的實際應用。引入合適的燒結助劑，一方面可以與 AlN 表面氧化形成的 Al2O3反應生成較低熔點的第二相，由於液相表面的張力作用，促進 AlN 晶粒的重排，加速燒結體緻密化程序。另一方面形成的第二相冷卻後，澱析凝結在晶界上，減少了高溫下氧進入晶格的可能，起到淨化晶格，提高熱導率的作用。目前常用的燒結助劑主要為氧化物和氟化物，氧化物主要為 Y2O3，Sm2O3，La2O3，Dy2O3，CaO；而氟化物有 CaF2，YF3等。其中 Y2O3驅氧能力強，穩定性好等綜合性能優越，成為最常用的燒結助劑；而 CaO 由於液相形成溫度較低，在低溫燒結中的作用比較明顯。

應用端，氮化鋁陶瓷室溫比較強度高，且不易受溫度變化影響，同時具有比較高的熱導係數和比較低的熱膨脹係數，是一種優良的耐熱衝材料及熱交換材料，作為熱交換材料，可望應用於燃氣輪機的熱交換器上。此外，氮化鋁陶瓷是一種高溫耐熱材料，其熱導率高，較氧化鋁陶瓷高 5 倍以上，膨脹係數低，與矽效能一致。使用氮化鋁陶瓷為主要原材料製造而成的基板，具有高熱導率、低膨脹係數、高強度、耐腐蝕、電效能優、光傳輸性好等優異特性，是理想的大規模積體電路散熱基板和封裝材料。隨著電子資訊產業技術不斷升級，PCB 基板小型化、功能整合化成為趨勢，市場對散熱基板與封裝材料的散熱性與耐高溫性要求不斷提升，效能相對普通的基板材料難以滿足市場需求，氮化鋁陶瓷基板行業發展迎來機遇。

氮化硼陶瓷：陶瓷材料中的軟質陶瓷，機械加工效能好

氮化硼問世於 100 多年前，最早的應用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼［簡稱： h—BN，或 a—BN，或 g—BN（即石墨型氮化硼）］，h—BN 不僅結構而且其效能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱白石墨。氮化硼（BN）陶瓷是早在 1842 年被人發現的化合物。國外對 BN 材料從第二次世界大戰後進行了大量的研究工作，直到 1955 年解決了 BN 熱壓方法後才發展起來的。美國金剛石公司和聯合碳公司首先投入了生產，1960 年已生產 10 噸以上。1957 年 R·H·Wentrof 率先試製成功 CBN， 1969 年美國通用電氣公司以商品 Borazon 銷售，1973 年美國宣佈製成 CBN 刀具。 1975 年日本從美國引進技術也製備了 CBN 刀具。1979 年 Sokolowski 首次成功採用脈衝等離子體技術在低溫低壓卜製備崩 c—BN 薄膜。20 世紀 90 年代末，人們已能夠運用多種物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）的方法制備 c—BN 薄膜。它有良好的耐熱性、熱穩定性、導熱性、高溫介電強度，是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。氮化硼的化學穩定性好，能抵抗大部分熔融金屬的浸蝕。它也有很好的自潤滑性。氮化硼製品的硬度低，可進行機械加工，精度為 1/100mm。

製備端，共價鍵化合物一般採取新增燒結助劑的辦法，BN 常用的燒結助劑有 B2O3、 Si3N4、ZrO2、SiO2、BaCO3等。目前氮化硼粉體的製備方法有很多，根據其原理大致可以分為兩大類：其中一類是合成法，主要有高溫合成法、溶劑熱合成法、模板法和化學氣相沉積法（CVD）等；而另一類是剝離法，包括液相超聲剝離法、鐳射蝕刻剝離法、機械球磨法等。隨著對氮化硼的研究不斷深入，一些奈米結構的氮化硼的性質逐漸被發現。一方面奈米粉體比表面能高，燒結活性高，可以有效地促進 h-BN 陶瓷的致密化；另一方面，以奈米粉體作為原料，可以降低燒結溫度，減小陶瓷燒結體晶粒尺寸，提高陶瓷的韌性，增強 h-BN 陶瓷的力學效能，為 h-BN 陶瓷工業化大規模應用奠定基礎。

應用端，氮化硼可用於製造熔鍊半導體的坩堝及冶金用高溫容器、半導體散熱絕緣零件、高溫軸承、熱電偶套管及玻璃成形模具等。通常製得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（800Mpa）下可轉變為金剛型氮化硼。這種氮化硼中 B－N 鍵長（156pm）與金剛石在 C－C 鍵長（154pm）相似，密度也和金剛石相近，它的硬度和金剛石不相上下，而耐熱性比金剛石好，是新型耐高溫的超硬材料，用於製作鑽頭、磨具和切割工具。

賽隆陶瓷：陶瓷材料中的軟質陶瓷，機械加工效能好

賽隆（sialon）是由 Si、Al、O、N 四種元素的合成詞，音譯為“賽隆”。賽隆陶瓷是 Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2 系列化合物的總稱，是在 Si3N4 陶瓷基礎上開發出的一種 Si-N-O-Al 緻密多晶氮化物陶瓷，由 Al2O3中的 Al 原子和 O 原子部分置換 Si3N4中的 Si 原子和 N 原子形成。賽隆陶瓷由日本的 Oyama 和 Kamigaito（1971 年）及英國的 Jack 和 Wilson（1972 年）發現，他們在對氮化矽陶瓷各種新增劑的研究中發現了金屬氮化物中的固溶體，即在 SiO2-Al2O3系統中發現了 Si3N4的固溶體，這能有效地促進燒結，從而發現了 sialon（賽隆）。賽隆陶瓷的主要類別有β’-sialon、α’- sialon、O’-sialon 三種，尤其以前兩種最為常見。

製備端，在製備賽隆陶瓷時應選擇超細、高α相的 Si3N4粉末，採用適當的工藝措施控制其晶界相的組成和結構，才能獲得性能優異的材料。由於賽隆陶瓷有很寬的固溶範圍，可透過調整固溶體的組分比例按預定效能對賽隆陶瓷進行組成設計，透過新增劑加入量的適當調節可以得到最佳α-sialon 和β-sialon 的比例，獲得最佳強度和硬度配合的材料。賽隆陶瓷通常採用無壓燒結或熱壓燒結，在 1600-1800℃ 的惰性氣氛中燒結，可獲得接近理論密度的賽隆陶瓷燒結體，主要的新增劑為 MgO、 Al2O3、AlN、SiO2等。同時，新增 Y2O3、Al2O3能獲得強度很高的賽隆陶瓷。此外，加入 Y2O3可降低賽隆陶瓷的燒結溫度。常壓燒結賽隆陶瓷的製造工藝是將 Si3N4粉與適量的 Al2O3粉及 AlN 粉共同混合，成型之後在 1700℃的 N2氣氛中燒結。固溶體的性質隨其組成和處理溫度而異。

應用端，賽隆陶瓷作為一種效能優異的新型高溫結構陶瓷，在軍事工業、航空航天工業、機械工業和電子工業等方面都有廣闊的應用前景。賽隆陶瓷硬度高、耐磨效能好，已在機械工業上用於製造軸承、密封件、焊接套筒和定位銷及磨損件等。賽隆陶瓷還可以用作連鑄用的分流換、熱電偶保護套管、晶體生長器、坩堝、高爐下部內襯、銅鋁合金管拉拔芯棒，以及滾軋、擠壓和壓鑄用模具材料。賽隆陶瓷還可以用來製作切削工具，其熱硬性優於 WC-Co 硬質合金和氧化鋁，刀尖溫度大於 1000℃ 時仍可進行高速切削。塞隆陶瓷還可製作透明陶瓷（高壓鈉燈燈管、高溫紅外測溫儀視窗），以及用作生物陶瓷、製作人工關節等。

1.1.3 碳化物陶瓷

碳化物陶瓷以其優良的高溫力學效能、高溫抗氧化效能、耐蝕耐磨效能和特殊的電、熱學等效能而倍受人們的青睞。作為一類新型工程陶瓷材料，碳化物陶瓷展現了極為廣闊的應用前景，並由此可能推動一些相關科技的進步，具有重要的研究價值。然而，碳化物陶瓷的研究進展和應用並不如人們想象的那麼順利，存在的主要問題：一是製造的成本高，二是製品效能的可靠性和重現性差。為了研製具有工業應用價值的高效能和高可靠性產品，必須進一步提高它們的綜合性能。從研究結果看，碳化物復相陶瓷或其複合材料比單一材料具有更優異的效能。另外，以超細粉末製備的奈米材料，同樣具有很好的應用和研究價值，這些都有可能成為今後碳化物陶瓷發展的主要方向。另外，為了獲得組成和結構更均勻的復相陶瓷，已開始了“組成－結構－效能”的計算機輔助設計。

目前，碳化物陶瓷的研究熱點是奈米級複合材料合成和高溫自蔓燃（SHS 法）納米復相陶瓷。在粉末的製備技術方面，溶膠－凝膠法（Sol－Gel 法）、化學氣相法（CVD 法）和高溫自蔓燃（SHS 法）合成三足鼎立；從低成本和實用化來看，無機溶膠－凝膠法（Sol－Gel 法）和高溫自蔓燃（SHS 法）合成較為優勢；在成形技術方面，膠態分散成形、注漿成形和等靜壓成形引人注目；在燒結技術方面，除刀具外，一般更傾向於常壓燒結或氣氛燒結。

碳化矽陶瓷：既古老又新型的陶瓷材料

碳化矽是一種人造材料，只是在人工合成碳化矽之後，才證實隕石中及地殼上偶然存在碳化矽，碳化矽的分子式為 SiC，分子量為 40。07，質量百分組成為 70。045 的矽與 29。955 的碳，碳化矽的理論密度為 3。16-3。2g/cm3。

SiC 是以共價鍵為主的共價化合物，由於碳和矽兩元素在形成 SiC 晶體時，它的基本單元是四面體，所有 SiC 均由 SiC 四面體堆積而成，所不同的只是平行結合和反平行結合，從而形成具有金剛石結構的 SiC。SiC 共有 75 種變體，如 3C-SiC、4HSiC、15R-SiC 等，其中α-SiC、β-SiC 最為常見。β-SiC 的晶體結構為立方晶系， Si 和 C 分別組成面心立方晶格；α-SiC 存在著 4H、15R 和 6H 等 100 餘種多型體，其中，6H 多型體為工業應用上最為普遍的一種。在 SiC 的多種型體之間存在著一定的熱穩定性關係，在溫度低於 1600℃時，SiC 以β-SiC 形式存在。當高於 1600℃時， β-SiC 緩慢轉變成α-SiC 的各種多型體。4H-SiC 在 2000℃左右容易生成；15R 和 6H 多型體均需在 2100℃以上的高溫才易生成；對於 6H-SiC，即使溫度超過 2200℃，也是非常穩定的。SiC 中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質的固溶也會引起多型體之間的熱穩定關係變化。

製備端，在工業生產中，用於合成 SiC 的石英砂和焦炭通常含有 Al 和 Fe 等金屬雜質。其中雜質含量少的呈綠色，被稱為綠色碳化矽；雜質含量多的呈黑色，被稱為黑色碳化矽。一般碳化矽含量愈高、顏色愈淺，高純碳化矽應為無色。SiC 是強共價鍵結合的化合物，燒結時的擴散速率相當低，即使在 2100 ℃的高溫下，C 和 Si 的自擴散係數也僅為 1。5×10-10 cm 2 /s 和 2。5×10-13 cm 2 /s。所以，很難燒結 SiC，必須藉助新增劑形成特殊的工藝手段促進燒結。目前製備高溫 SiC 陶瓷的方法主要有無壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、反應燒結等。

應用端，SiC 的最初應用是由於其超硬效能，可製備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料，因而廣泛應用於機械加工行業。第二次世界大戰中又發現它還可以作為鍊鋼時的還原劑以及加熱元件，從而促進了 SiC 的快速發展。SiC 陶瓷在石油、化工、微電子、汽車、航天、航空、造紙、鐳射、礦業及原子能等工業領域獲得了廣泛的應用，碳化矽已經廣泛應用於高溫軸承、防彈板、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻範圍的電子裝置零部件等領域。

碳化硼陶瓷：僅次於金剛石、立方氮化硼的超硬材料

碳化硼（B4C）是一種重要的工程陶瓷材料，其最突出的優點就是高硬度和低密度：常溫下其硬度僅次於金剛石和立方氮化硼，高溫下其恆定的硬度（>30GPa）甚至優於金剛石和立方氮化硼；而密度僅有 2。52g/cm3，遠小於 Al2O3，SiC 等其他結構陶瓷。同時，碳化硼陶瓷還具有高模量、良好的耐磨性、優異的中子吸收效能、高熔點（2450℃）、良好的熱電性、優越的抗化學侵蝕能力等特點。

製備端，無壓燒結碳化硼陶瓷材料是一種大批次生產形狀複雜零件的工藝方法，但其對粉末存在過於苛刻的條件，燒結溫度高且燒結溫度範圍窄，因此在大批次生產中工藝引數難以控制，製品的效能也參差不齊。隨著陶瓷燒結助劑的進一步研究，無壓燒結技術仍將不斷改善。熱壓燒結由於將外界施加的壓力與表面能一同作為碳化硼燒結的驅動力，因此具有降低燒結溫度的作用，在其基礎上利用惰性氣體施加壓力的熱等靜壓燒結應運而生，解決了其無法顯著降低燒結溫度以及難以製作複雜零件的痛點。液相燒結作為較新的緻密化燒結技術，使得碳化硼的相對密度甚至達到 100％，但是其內在機理的研究仍亟待進行。

應用端，碳化硼陶瓷具有優秀的效能，而且隨著燒結技術的不斷髮展，其效能還在不斷提升，效能越來越突出，當前碳化硼陶瓷在高溫、高速、強腐蝕介質等條件下具有重要應用，已經被廣泛的應用於國防、核能、耐磨技術和溫差電偶等諸多領域，具有較高的應用價值。但是當前碳化硼陶瓷還存在成本較高、燒結溫度高、斷裂韌性低和對金屬穩定性差等方面的問題，這些問題制約了碳化硼陶瓷的進一步應用，因此對碳化硼陶瓷的結構和效能進行調控，改進燒結技術，對其結構性提高其效能的同時，降低成本，對擴大其應用範圍非常重要。（報告來源：未來智庫）

1.1.4 低膨脹陶瓷

陶瓷材料有不一樣的膨脹特性，根據材料熱膨脹係數的大小，可將陶瓷材料分為三類，分別是低膨脹類、中膨脹類和高膨脹類：高膨脹類熱膨脹係數＞8×10-6 /℃ 的 BeO、Al2O3、MgO、MgO·Al2O3、穩定 ZrO2等；中膨脹類熱膨脹係數＝2×10-6 /℃-8×10- 6 /℃的 SiC、SnO2、3Al2O3·2SiO2、ZrSiO4 等；低膨脹類熱膨脹係數＜2×10-6 /℃的 2MgO·2Al2O3·5SiO2、Al2O3·TiO2、2ZrO2·P2O5、Nb2O5等。

堇青石陶瓷：僅次於金剛石、立方氮化硼的超硬材料

堇青石的化學式為 2MgO2·Al2O3·5SiO2（MgO2 13。7wt%，Al2O3 34。9wt%，SiO2 51。4wt%），其熔點為 1460℃。堇青石材料具有低膨脹特性（熱膨脹係數為 210-6 /℃ 左右）和低介電效能，還具有良好的耐高溫性、化學穩定性等，因此被廣泛應用在耐火材料、火焰噴嘴、熱交換器和耐熱瓷等高溫領域。工業上所使用的堇青石大多為人工合成。

為了滿足各種實際需求，人們透過各種途徑合成堇青石。應用最廣泛的是固相合成法，此外還有玻璃反玻化法、溶膠-凝膠法、水解-沉澱法。透過這些方法均可以製備出符合實際應用的堇青石相關產品，並不斷從實際生產與應用中改善工藝、降低成本、提高產量、開發新產品，以滿足堇青石的市場需求。

堇青石具有較低的熱膨脹係數，是優良的高溫抗熱震材料，被廣泛用作陶瓷窯棚板、匣缽、電子封裝材料、催化劑載體、泡沫陶瓷、生物陶瓷和高溫熱輻射材料等。由於堇青石的低熱膨脹性，可以大大延長匣體（陶瓷燒成的封裝材料）的壽命，因此，堇青石最初用於匣缽。隨後又用於隧道窯的棚板和支架材料，從而可以使生產週期大大縮短。輕質堇青石材料，導熱係數低，使用溫度高而直接用在火焰上面，達到高效節能的效果。此外，堇青石陶瓷可應用於汽車尾氣淨化方面，作為催化劑載體。由於堇青石具有較低的膨脹係數和良好吸附性等特點，堇青石製成的催化劑載體可使催化劑更好地吸附和分散到載體上，而且由於其熱導率較低，可以使催化劑能快速地達到活化溫度，使用效果較佳。

鈦酸鋁陶瓷：兼具高熔點及熱膨脹係數的陶瓷材料

鈦酸鋁陶瓷是一種集高熔點（1860±10℃）和低熱膨脹係數（0～1。5×10-6 /℃， RT～1000℃）於一身的優異材料，因此它具有極其優良的抗熱震穩定性，耐火度高、隔熱效能好，並且它還耐腐蝕、耐鹼、抗渣，廣泛應用於鋼鐵、化工、陶瓷等許多工業領域。但該材料也存在著兩大致命弱點：一是在 750～1300℃溫度區間易分解成金紅石和剛玉相，失去其優良的低膨脹效能，限制了其應用；二是晶體冷卻時內部會產生大量微裂紋，造成機械強度低的缺陷。

製備端，粉體的合成方法可以歸納為固相法、金屬或者金屬醇鹽水解物的液相法和化學氣相法。但由於鈦酸鋁材料的特點，為了對鈦酸鋁改性抑制它的熱分解，改善熱穩定性和降低它的各向異性，減少微裂紋，改善其機械效能，燒結過程通常引入新增劑。國內外鈦酸鋁改性用到的新增劑有 Li2O、B2O、Cr2O3、La2O3、CeO2、SiC、Si3N4、 SiO2、MgO、F2O3、ZrO2以及 FeTiO3+Fe2O3等。

石英陶瓷：玻璃相為主的陶瓷材料

熔融石英陶瓷也稱作石英陶瓷，最早由美國 Georgia 理工學院在 20 世紀 60 年代研製成功並於 1963 年實現產業化，是一種以熔融石英或者石英玻璃為原料，經過粉碎、成型、燒結等工藝而製成的燒結體。熔融石英陶瓷具有熱穩定性好、熱膨脹係數小、介電常數低、耐酸鹼腐蝕性好、電絕緣性好、成本低等一系列優異性質。

製備端，在國內外石英陶瓷的生產中，一般普遍採用注漿成型工藝，也有離心澆注成型、蠟澆注成型、等靜壓成型、搗打成型等工藝。然而採用上述工藝製備的製品中普遍存在著顯微結構不均勻、難以製作形狀複雜的製品、生產週期長、成本高、效率低等缺點。例如採用壓制成型的石英陶瓷坯體存在強度不高、易破碎開裂、燒成後的坯體變形大、緻密度低等不足，難以適應大批次工業化生產的需要。目前石英陶瓷比較成熟的成型工藝為振動壓力注漿成型工藝和凝膠注模成型工藝。燒結方面，石英陶瓷普遍採用常壓燒結，即在常壓下，石英陶瓷坯體在高溫的作用下透過介質擴散形成緻密體。石英陶瓷在燒結過程中關鍵要注意防止石英原料的非晶態遭到破壞。例如當石英陶瓷採用振動壓力注漿成型或凝膠注模成型工藝時，一般來說在低溫階段要緩慢升溫，這樣有利於矽膠的脫水及坯體中有機物的排除。而在高溫階段應當快速升溫，並在燒結完成後進行快速冷卻，以避免形成晶態方石英。此外，由於石英陶瓷的燒結溫度不能過高，所以在燒結過程中石英陶瓷收縮不到 5%，通常存在 10% 左右的氣孔率，因此石英陶瓷存在密度低和強度差的問題，而引入少量的新增劑是改善石英陶瓷的燒結效能、提高其密度和強度的常用方法。

鋰質陶瓷：無膨脹和低膨脹的陶瓷材料

鋰輝石的化學組成 LiAl［Si2O6］，其中 LiO2 的理論含量為 8。03%。熔點 1420℃，有α和β兩種晶型。鋰輝石的化學組成較穩定，常有少量 Fe3+、Mn 代替 6 次配位的 Al，Na 代替 Li。可含有稀有元素、稀土元素和 Cs 的混入物。以及 Ga、Cr、V、Co、 Ni、Cu、Sn 等微量元素，部分溶於 HCl、H2SO4及 HNO3中，抗腐蝕性強。

製備端，鋰質低膨脹陶瓷可以是單一的β-鋰輝石固溶體或者透鋰長石固溶體為晶相，也可以是β-鋰輝石或者透鋰長石與其他晶相構成的多項材料，通常根據相圖，以鋰輝石（或者碳酸鋰）、高嶺土（或黏土）、石英為原料進行配料，成型後於高溫下固熔燒結，使其生成β-鋰輝石固溶體。

應用端，在抗熱震陶瓷材料體系中，鋰質陶瓷材料因 β-鋰輝石具有獨特的螺旋鏈狀結構、穩定的結構、極低的膨脹係數，廣泛應用於窯具、感應加熱部件、耐熱微晶陶瓷面板、高溫夾具、內燃機部件以及要求尺寸很穩定的高精度電子元部件等使用環境嚴苛的眾多領域。

1.2 功能陶瓷：現代科學技術先行領域的關鍵材料

功能陶瓷是利用光、熱、力、聲、磁、電等直接效應及耦合效應的一種先進材料。功能陶瓷經歷了電介質陶瓷、壓電鐵電陶瓷、半導體陶瓷、高溫超導陶瓷等一系列的過程，目前在微電子技術、電子技術、鐳射技術、自動化技術、光電子技術、通訊、環保、能源和生物醫藥等領域得到廣泛應用，成為推動我國科技發展的重要功能性材料。當前功能陶瓷正朝著智慧化、小型化、複合化、多功能化和材料、設計、工藝一體化的方向進一步的發展。

1.2.1 電介質陶瓷

電介質陶瓷即是指電阻率大於 10 8Ω˙m 的陶瓷材料，能夠承受較強的電場而不被擊穿。在靜電場或者交變電場中使用時，通常用體積電阻率、介電常數和介電損耗等引數來對其效能進行評價。根據引數的不同，可分為電絕緣陶瓷和電容器介質陶瓷等兩大類。

電絕緣陶瓷：在電子裝置中作為安裝、固定、支撐、保護、絕緣、隔離及鏈接各種無線電子元件及器件的陶瓷材料

電絕緣陶瓷也稱之為絕緣裝置瓷，具有優良的電絕緣效能，用於電子裝置和器件中的結構件、基片和外殼等的電子陶瓷。絕緣裝置瓷件包括各種絕緣子、線圈骨架、電子管座、波段開關、電容器支柱支架、積體電路基片和封裝外殼等。

瓷介電容器陶瓷：電子裝置中不可缺少的零部件

陶瓷電容器是目前飛速發展的電子技術的基礎之一，今後隨著積體電路、大規模積體電路的發展，陶瓷電容器將迎來繁榮發展。陶瓷電容器的用途可以分為低頻高介電容器瓷、高頻熱補償電容器瓷，高頻熱穩定電容器瓷和高壓電容器瓷等，按照結構及機理可分為單層和多層（即獨石電容器）以及內邊界電容器，按照電容器的材料性質則可分為非鐵電電容器陶瓷、鐵電電容器陶瓷、反鐵電電容器陶瓷及半導體電容器陶瓷。1970 年，隨著混合 IC、計算機、以及便攜電子裝置的進步，陶瓷介質電容器也隨之迅速的發展起來，成為電子裝置中不可缺少的零部件。現在的陶瓷介質電容器的全部數量約佔電容器市場的 70%左右。

電容器陶瓷的主要應用領域是無源電子元件。MLCC 是目前用量最大的無源元件之一，主要用於各類電子整機中的振盪、耦合、濾波旁路電路中，其應用領域涉及自動儀表、數字家電、汽車電器、通訊、計算機等行業。MLCC 的主流發展趨勢是小型化、大容量、薄層化、賤金屬化、高可靠性，其中內電極賤金屬化相關技術在近年來發展最為迅速，採用賤金屬內電極是降低 MLCC 成本的最有效途徑，而實現賤金屬化的關鍵技術是發展高效能抗還原鈦酸鋇瓷料。未來的發展趨勢是製備出顆粒尺寸 ≤ 150 nm 的鈦酸鋇材料作為 MLCC 介質層的主晶相材料。

壓電陶瓷：被廣泛應用於感測器等

任何無對稱中心的材料，都或多或少具有壓電效應。有些電介質材料透過純粹的機械作用而發生極化，並導致介質兩端表面出現符號相反的束縛電荷，這種效應稱壓電效應，具有壓電效應的陶瓷稱為壓電陶瓷。1943 年間發現 BaCO3 具有壓電效應，並於 1947 年製成器件，這對壓電材料的發展有很重要的意義。50 年代初發現了鋯鈦酸鉛系列，其效能遠優於鈦酸鋇。60 年代發展了鈮酸鹽壓電陶瓷，70 年代發展了鋯鈦酸鉛鑭透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的品種和系列進一步擴大，目前應用最多的是 PT 和 PZT2 大系列。壓電陶瓷是一種極為重要的、世界各國競相研究開發的功能材料，其應用已遍及日常生活及生產的不同角落。近年來，隨著宇航、電子、計算機、鐳射、微聲和能源等新技術的發展，對各類材料器件提出了更高的效能要求，壓電陶瓷作為一種新型功能材料，在日常生活中，作為壓電元件廣泛應用於感測器、氣體點火器、報警器、音響裝置、超聲清洗、醫療診斷及通訊等裝置中。它的重要應用大致分為壓電振子和壓電換能器 2 大類。前者主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等效能穩定，機械品質因數高。後者主要是將一種能量形式轉換成另一種能量形式，現在所用的壓電陶瓷材料，主要是 Pb（Ti，Zr）O（3 PZT）、PbTiO3- PbTiO3-ABO3（ABO3為複合鈣鈦礦型鐵電體）等鉛基壓電陶瓷。

1.2.2 敏感陶瓷

敏感陶瓷指某些效能隨外界條件（溫度、電壓、溼度、氣氛）的變化而發生改變的陶瓷。當某一個外界條件，如溫度、壓力、溼度、氣氛、電場、光及射線等改變時，能引起該材料某種物理效能的變化，從而能從這種元件上準確迅速地獲得某種有用的訊號。

敏感陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統，透過人為摻雜，造成晶粒表面的組分偏離，在晶粒表面產生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界處產生異質相的析出、雜質的聚集、晶格缺陷及晶格各種異性等。這種晶粒邊界層的組成、結構變化，顯著改變了晶界的電效能，從而導致整個陶瓷電氣效能的顯著變化（產生敏感特性的機理）。

敏感陶瓷用於製造敏感元件，是根據某些陶瓷的電阻率、電動勢等物理量對熱、溼、光、電壓及某種氣體、某種離子的變化特別敏感這一特性，按其相應的特性，可把這些材料分別稱作熱敏、溼敏、光敏、壓敏、氣敏及離子敏感陶瓷。此外，還有具有壓電效應的壓力、位置、速度、聲波敏感陶瓷，具有鐵氧體性質的磁敏感陶瓷及具有多種敏感特性的多功能敏感陶瓷等。這些陶瓷已廣泛應用於工業檢測、控制儀器、交通運輸系統、汽車、機器人、防止公害、防災、公安及家用電器等領域。

1.2.3 光學陶瓷

所謂透明陶瓷就是能透過光線的陶瓷。通常陶瓷是不透明的，其原因是陶瓷材料內部含有的微氣孔等缺陷對光纖產生折射和散射作用，使得光線幾乎無法透過陶瓷體。1959 年通用電氣公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性，隨後 1962 年 R。L。Coble 首次製備了半透明的 Al2O3陶瓷證實了這一點，同時也為陶瓷材料開闢了新的應用領域。

透明陶瓷不僅有良好的透明性和光學特性，而且耐腐蝕、耐高溫、電絕緣好、熱導率高及良好的介電效能，因此在新型照明技術、高溫高壓及腐蝕環境下的觀測窗口、紅外探測用窗、導彈用防護整流罩、軍事用透明裝甲等領域得到愈來愈多的應用。此外，與單晶相比，透明陶瓷製造成本低、易於大批次生產，可以製成尺寸較大、形狀複雜的製品；而與玻璃相比，透明陶瓷具有強度和硬度高、光學透過範圍大、導熱性好、耐腐蝕、可以實現活性離子的高濃度均勻摻雜等特點，所以對於許多特殊要求的光學零部件及鐳射材料，透明陶瓷具有無可比擬的優勢。

1.2.4 生物陶瓷

生物陶瓷，是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用於人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。生物陶瓷不僅具有不鏽鋼、塑料等所具有的特性，而且具有親水性，能與細胞等生物組織表現出良好的親和性，它是材料工業發展的一個新領域，受到世界各國的重視。

生物吸收陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內能夠誘發新生骨的生長。

生物活性玻璃主要是由 SiO2、P2O5、CaO、Na2O 構成，可以鍵合到現有的骨組織中，可降解，並透過它們的溶解產物對細胞的作用刺激新骨生長。它具有區別於其他生物材料的獨特屬性，能在植入部位迅速發生一系列表面反應，最終導致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物活性陶瓷中應用最多的是羥基磷灰石，簡稱 HAp，屬表面活性材料，由於生物體硬組織（牙齒、骨）的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料。

2 粉體制備、成型、燒結及加工是主要的環節

一般地，可以把陶瓷工藝過程分為粉體合成、粉體處理、材料製備、坯體成型、乾燥、脫脂、燒結和後加工等幾個階段，其中粉體合成主要包括固固反應、固相熔融鹽法、液相沉澱法、溶膠-凝膠、燃燒合成、化學共沉澱和水熱合成等多種方法；粉體處理包括煅燒、研磨、粉碎、混合等；材料製備過程中的處理包括懸浮、混合、除氣、噴霧乾燥等；關鍵的成型工藝包括幹壓成型、等靜壓成型、擠出成型、注射成型、注漿成型、壓濾成型、流延成型等；陶瓷燒結包括熱壓燒結、常壓燒結、等離子燒結等。

粉體的特性對後續的成型和燒結具有顯著的影響，特別是對陶瓷最終纖維結構和力學效能具有重要的作用。通常純度高、粒徑細小均勻且燒結活性好的粉體有利於製備出結構均勻緻密和力學效能優異的陶瓷材料。先進的陶瓷粉體特徵主要包括顆粒大小、粒徑分佈、顆粒形狀、團聚度、化學純度及相組成，此外，粉體表面的結構以及化學狀態對燒結活性也具有重要的影響。

成型作為聯絡粉體與製品的中間環節，對陶瓷材料的可靠性有著至關重要的影響。因為儘管陶瓷製品中的各種缺陷大都表現於乾燥、燒結、後加工乃至使用過程中，但這些缺陷基本上都起源於成型。成型坯體中組分分佈和密度分佈的不均勻在乾燥和燒成過程中引起坯體的不一致收縮，形成裂紋，即使不出現裂紋，也會留下相當的內應力，給後續工藝和使用階段留下隱患，所以成型工藝對於保證陶瓷製品微觀結構的均勻性，從而保證陶瓷製品的可靠性有著至關重要的作用。

2.1 粉體制備：對最終結構和力學效能具有的重要作用

粉末體簡稱粉末或粉體，通常是指由大量的固體顆粒及顆粒間的空隙所構成的集合體。而組成粉末體的最小單位或個體稱為粉末顆粒，簡稱顆粒，其大小一般小於 1000μm。粉體在陶瓷工業生產中可以是原料、半成品或成品。粉末顆粒的大小、形狀、表面性質、堆積特性，各種物理性質、化學性質不僅關係到粉體的應用，也直接取決於並影響生產粉體的單元操作過程。因此，研究粉體的效能及表徵、製備技術及表面處理也變得尤為重要。

粉料團聚會導致成型坯體的不均勻性，這又會在燒結過程中因各部位收縮速率不同而導致“差異燒結”，從而在燒結體中形成大的不規則孔洞或類似裂紋的孔洞。這些孔洞成為潛在的裂紋源，從而大大降低材料的力學效能和可靠性。可見，粉末的團聚會嚴重影響到燒結後陶瓷的緻密度和顯微結構的均勻性。通常團聚可分為兩類，即顆粒之間以弱的範德華力連線的軟團聚和顆粒之間以強化學鍵連線的硬團聚。對於陶瓷粉體最理想的 27 狀態是避免團聚，但在大多數情況下是不可能的，此時，可允許軟團聚而儘可能透過機械方法避免硬團聚。另外，粉體中的雜質對粉體效能有重要影響，一方面雜質可能對顆粒在液體中的分散不利，因為雜質離子會減小雙電層厚度和 Zeta 電位，增大陶瓷懸浮體的粘度；另一方面，雜質有可能在燒結過程中產生少量液相，導致少數晶粒的異常長大，難以獲得晶粒均勻細小的顯微結構。現代高技術陶瓷材料對粉體的基本要求是高純、超細、粒度分佈均勻、團聚程度低、燒結活性好。這裡所說的超細，通常是指顆粒的平均直徑小於 1μm 的微粉，其極小的粒徑、巨大的比表面積使其具有很高的表面活性，可以顯著降低材料的燒結緻密化溫度，節約能源；使陶瓷材料的組成分佈緻密均勻，改善陶瓷材料的效能，提高其使用可靠性；甚至可以在奈米尺度（l~100nm）上控制材料的成分和結構，有利於充分發揮陶瓷材料的潛在效能。（報告來源：未來智庫）

2.2 成型工藝：得到內部均勻及高密度坯體的核心環節

陶瓷製品的主要製備流程包括：粉體造粒，成型、乾燥、燒結。其傳統的成型工藝包括：幹壓成型、等靜壓成型、擠出成型、注射成型、注漿成型、流延成型、熱壓鑄成型等，後來又發展起來凝膠注模成型、直接凝固成型等新型膠態成型工藝和固體無模成型工藝。這些成型方法，成型原理及過程不同，因此其優缺點也不盡相同。幹壓成型和冷等靜壓成型已經在實驗室和實際生產中獲得廣泛的應用。儘管幹壓成型可能存在密度梯度和不夠均勻等缺陷，但由於其成型效率高、尺寸精確、成本低，成為一般結構陶瓷產品首選的成型工藝。冷等靜壓成型因可獲得高密度、高均勻性及高強度的陶瓷坯體，從而成為高效能結構陶瓷部件的主要成型方法，例如高壓鈉燈用透明陶瓷管、陶瓷軸承球等。粘塑性成型工藝中的擠壓成型特別適合製造截面尺寸一致的陶瓷產品，特別是對長寬比大的管狀或棒狀產品具有更大的優勢，並且成型的陶瓷坯體可大可小，容易實現連續化和機械化的批次生產。呈粘塑特性的熱壓鑄成型（國際上稱之為低壓注射成型）和注射成型是製備小型複雜形狀精密陶瓷零部件的有效方法，特別是注射壓力大、成型密度高的陶瓷注射成型工藝近 10 多年在國內外先進陶瓷產業中發展迅速；例如光纖聯結器用氧化鋯陶瓷插芯和套筒、發動機用增壓器渦輪轉子、金滷燈中球形陶瓷發光管等都是採用陶瓷注射成型製備的。陶瓷成型中的傳統注漿成型因工藝簡單，可製備形狀相當複雜、尺寸較大的制品且成型坯體密度高，仍是結構陶瓷產品製造中不可或缺的一種主要成型方法。以漿料形態進行的流延成型除了廣泛用於氧化鋁、氮化鋁等基板材料的製備，也用於燃料電池介質薄膜、仿生疊層複合材料薄層的成型，並由傳統的有機溶劑流延成型發展出環保的水基流延及凝膠流延多種方法。

作為新型漿料成型的凝膠注模成型和直接凝固成型，其成型機理不同於傳統的石膏模注漿成型，它們是透過漿料內部化學反應使漿料產生原位固化成型得到坯體，因此，具有更好的均勻性，特別是可製備大尺寸和厚截面的陶瓷製品，如熔融石英陶瓷匣板和多晶矽熔鍊用石英坩堝。因此，各種不同成型機理的凝膠注模成型方法在近十幾年來得到了廣泛的研究和關注。20 世紀 90 年代初出現了固體無模成型的陶瓷成型新方法，該方法也被譯為固體自由成型製造或快速自動成型技術。陶瓷製品分為塊狀製品、基片和層狀製品兩大類。傳統的陶瓷成型方法包括幹法成型、塑性成型和流態成型。

2.3 燒結工藝：坯體轉變成高強度緻密瓷體的必經之路

燒結是陶瓷製備過程中的一個最重要環節。所謂燒結，是指陶瓷坯體在一定的高溫過程中，內部透過一系列的物理化學過程，使材料獲得一定密度、微結構、強度和其他物理效能的一個過程。它對材料的微觀結構、最終性質起著重要作用。傳統陶瓷的燒結過程相當複雜，包括諸如相變、化學反應、溶解沉澱、晶粒生長並相互結合、緻密化等過程。燒結的目的是：使坯體在高溫下發生一系列的物理化學反應，形成預期的礦物組成的顯微結構，透過物質傳遞變成緻密的具有一定強度和固定外形的陶瓷。燒結的驅動力是粉體的表面能降低和系統自由能降低，燒結過程由低能量晶界取代高能量晶粒表面和坯體體積收縮引起的總介面積減少來驅動；而促使坯體緻密化的燒結機理包括蒸發-凝聚、晶格擴散、晶界擴散、粘滯流動等。

對於緻密陶瓷材料，相對密度一般可達到 98%以上，而對於透明陶瓷要求燒結後陶瓷內部氣孔率趨近於零。燒結過程按照壓力大小可分為常壓燒結和壓力燒結，按照反應可分為固相、液相、氣相、活化以及反應燒結，按照是否產生液相又可分為固相燒結和液相燒結。常壓燒結是在大氣壓條件下進行陶瓷燒結，氣氛通常是空氣，也可以是其他還原性或惰性氣氛，具有成本低，適合規模化生產和製備複雜形狀制品的特點。大多數氧化物結構陶瓷都是採用這種燒結工藝。真空燒結因不易氧化適合金屬陶瓷和碳化物陶瓷燒結。而對於共價鍵結合、自擴散係數小的非氧化物陶瓷，如 SiC、AlN、BN、B4C 等高溫陶瓷或者 ZrB2、HfB2等超高溫陶瓷，常採用熱壓或熱等靜壓燒結。此外，採用特殊加熱原理實現快速燒結的一些新工藝，如微波燒結、放電等離子燒結、自蔓延合成與緻密化燒結等，近些年也得到廣泛關注與研究。陶瓷燒結涉及到溫度、氣氛、壓力等因素及調控，因而可以分為常壓燒結、真空燒結、氣氛燒結及各種壓力燒結。

熱壓燒結：技術成熟且重要的燒結工藝

熱壓燒結包括一般熱壓燒結和等靜壓燒結。熱壓燒結指在燒成過程中施加一定的壓力（在 10～40MPa），促使材料加速流動、重排與緻密化。連續熱壓燒結生產效率高，但裝置與模具費用較高，又不利於過高過厚製品的燒製。熱壓燒結是一種機械加壓的燒結方法，此法是把陶瓷粉末裝在模腔內，在加壓的同時將粉末加熱到燒成溫度，由於從外部施加壓力而補充了驅動力，因此可在較短時間內達到緻密化，並且可獲得具有細小均勻晶粒的顯微結構。因此，對於共價鍵難燒結的高溫陶瓷材料（如 Si3N4、B4C、SiC、TiB2、ZrB2等），熱壓燒結是一種有效的緻密化技術。熱壓燒結可在低於常壓燒結溫度 100-200℃的稍低溫度下得到接近理論密度的陶瓷產品，熱壓燒結還可以提高製品的效能，例如透明性、電導率、力學效能以及使用可靠性。但熱壓燒結通

氣氛燒結：促進陶瓷材料緻密化的重要手段

氣氛燒結是指陶瓷坯體在通入一定氣體的爐膛內進行燒結的方法。不同的材料選擇適宜的氣氛燒結，有助於燒結過程，提高製品緻密化程度、獲得良好的效能的製品。氣氛燒結中常用的氣體有真空、氫、氧、氮和惰性氣體（如氬氣）等。例如透明氧化鋁陶瓷可用氫氣氣氛燒結，透明鐵電陶瓷宜用氧氣氣氛燒結，氮化物陶瓷如氮化鋁等宜用氮氣氣氛燒結。

熱等靜壓燒結：較為以來裝置的燒結方式

熱等靜壓是一種集高溫、高壓於一體的工藝生產技術，是工程陶瓷快速緻密化燒結最有效的一種方法，其基本原理是：以高壓氣體作為壓力介質作用於陶瓷材料（包封的粉末和素坯，或者燒結體），使其在加壓過程中經受各向均衡的壓力，藉助於高溫和高壓的共同作用達到材料緻密化。熱等靜壓最早是在 1955 年由美國 Battelle Columbus 實驗室研製成功，隨後瑞典的 ASEA 公司，美國的 ABB 公司生產出商業用熱等靜壓裝置。從 20 世紀 60 年代開始，熱等靜壓技術已經在粉末冶金領域（硬質合金產品的燒結）得到廣泛應用。隨著裝置所能達到的溫度和壓力不斷提高，也引起了陶瓷工作者的極大興趣。70 年代後熱等靜壓技術現代陶瓷燒結領域，成為許多高效能陶瓷產品製備的一種關鍵技術。

微波燒結：快速、均勻、能效高且無熱原汙染的燒結方式

微波是一種電磁波，它遵循光的有關定律，可以被物質傳遞、吸收或反射，同時還能透過各種氣體，很方便地實現在各種氣氛保護下的微波加熱及有氣相參與的合成反應。微波燒結就是利用微波加熱原理來對材料進行的燒結。作為一種新型的陶瓷加工技術，微波燒結的應用時間並不長。加拿大的 W。R。Tinga 等人在 60 年代末期最早嘗試了用微波加熱及燒結陶瓷材料，並獲得了初步成功。進入 80 年代以後，人們對微波燒結技術進行了廣泛而深入的研究，併成功的製備出了 Al2O3、B4C、Y2O3-ZrO2、 SiO2、TiO2、ZnO 等陶瓷材料。

放電等離子燒結：快速低溫且高效的燒結方式

放電等離子燒結又稱等離子活化燒結或等離子輔助燒結，是近年來發展起來的一種新型的快速燒結技術。放電等離子燒結技術融等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體，具有升溫速度快、燒結時間短、冷卻迅速、外加壓力和燒結氣氛可控、節能環保等特點，可廣泛用於磁性材料、梯度功能材料、奈米陶瓷、纖維增強陶瓷和金屬間複合材料等一系列新型材料的燒結，並在奈米材料、複合材料等的製備中顯示了極大的優越性，是一項有重要使用價值和廣泛前景的燒結新技術。

自蔓延高溫合成及燒結：製備塊體陶瓷材料的極佳工藝

自蔓延高溫合成技術，是利用化學反應自身放熱，依靠燃燒波自我維持，並透過控制自維持反應速度、燃燒溫度、反應轉化率等條件，進而獲得具有指定成分和結構產物的一種新型材料製備技術。自 1967 年前蘇聯的 Merzhanov 等發明後，經其國家保密 20 餘年後，現已受到國際物理、化工、冶金、材料與機械工程等領域界的日益重視和廣泛應用，已成為合成、製造和加工處理材料的新技術。生產效率提高，產品成本降低，是目前 SHS 技術研究與開發的主要方向。（報告來源：未來智庫）

2.4 加工工藝：改善表面光潔度及尺寸精度的關鍵工藝

陶瓷經成型和燒結，雖然具有一定的形狀和尺寸，但較大的燒結收縮，使得燒結體尺寸偏差通常在毫米數量級以上，必需要加工之後才能應用。

機械加工：陶瓷部件的機械加工主要包括磨削、研磨、拋光，是目前陶瓷工業上廣泛使用的機械加工方式。