陶瓷型芯技术发展历程及趋势分析

陶瓷型芯技术发展历程及趋势分析陶瓷型芯技术发展历程及趋势1、陶瓷型芯技术发展历程提高涡轮燃气温度一直是航空发动机、燃气轮机研究的重点。现阶段，提高涡轮燃气温度主要通过三种手段：一是开发新的高温合金材料，以不断提升叶片的承温能力，二是研制新型的热障涂层，三是改善涡轮叶片的气冷结构，提高叶片的冷却效率。涡轮叶片的制造过程中，传统的锻造、机加等手段不能成形复杂的叶片内腔形状，只能采用熔模铸造工艺生产。熔模铸造中，形成空心铸件内腔形状的陶瓷型芯，其性能和质量对铸件生产的质量和合格率起到重要影响。我国对陶瓷型芯的研制，始于20世纪70年代中期。经有关研究院所、高等院校和企业的共同努力，自80年代以来，已研制成功XD-1硅基陶瓷型芯和AC-1、AC-2铝基陶瓷型芯等多种陶瓷型芯，满足了研制新型航空发动机的需要。进入21世纪以来，尽管研制陶瓷型芯的单位数量有所增加，但产品品类齐全、具备量产能力、稳定供应的陶瓷型芯生产企业相对较少。陶瓷型芯经过多年发展，产品种类不断丰富，行业内一般按化学组成、成型方法等的不同进行区分。（1）硅基陶瓷型芯发展历程硅基陶瓷型芯的主体材料为石英玻璃。石英玻璃是熔融石英经高温熔融、快速冷却而形成的无定形物质。石英玻璃具有各向同性、高粘度、热膨胀系数小等特征，长期以来一直是国内外陶瓷型芯的主要基体材料。硅基陶瓷型芯的最大特点在于：在1，100～1，250℃的温度范围内，部分石英玻璃会发生相变，析出方石英晶体。由于晶体比玻璃体的蠕变小几个数量级，所以当陶瓷型芯中含有一定量的方石英时，陶瓷型芯的高温抗变形能力较好。但是析晶过程的体积效应导致的内应力会使陶瓷型芯中出现网状裂纹，从而降低陶瓷型芯的强度。因此，方石英的析出规律及其对陶瓷型芯性能的影响是硅基陶瓷型芯的技术难点，合理控制陶瓷型芯在制备及使用过程中方石英的含量是硅基陶瓷型芯制备技术的关键。（2）铝基陶瓷型芯发展历程欧洲国家自20世纪70年代起就将铝基陶瓷型芯应用于生产单晶叶片，在铝基陶瓷型芯的研究和应用方面世界领先。我国铝基陶瓷型芯的研制起步于20世纪90年代后期，起步较晚。铝基陶瓷型芯的主体材料是α-Al2O3粉体。与硅基陶瓷型芯相比，α-Al2O3具有较好的热强性、较高的化学稳定性、优异的耐高温性能，且在焙烧和使用过程中无晶型转变，更适用于定向凝固柱晶及单晶叶片的铸造。随着单晶高温合金铸造的进一步发展，涡轮叶片的浇铸温度进一步提升，对陶瓷型芯的耐高温性能和高温化学稳定性的要求更高。铝基陶瓷型芯存在以下缺陷：一是其烧成通常在高于1，600℃的温度下进行，烧成性相对较差；二是α-Al2O3难溶于酸和碱，与硅基陶瓷型芯相比，铝基陶瓷型芯使用后脱芯相对困难。因此，解决烧成难和脱芯难的问题是铝基陶瓷型芯生产及使用过程中的两大技术难点。按成型方法和工艺特点，陶瓷型芯可分为热压注、传递成形、灌浆成形、凝胶注模成型、3D打印成型陶瓷型芯等。目前国内外仍以热压注陶瓷型芯为主。2、陶瓷型芯技术发展趋势随着现代熔模铸造朝着优质、精密、大型、薄壁、无余量方向的发展，对陶瓷型芯的性能及工程可靠性提出了新的需求，陶瓷型芯制备技术的发展也正面临着新的机遇。（1）陶瓷型芯承温性能不断提升随着高温合金由铁基合金、钴基合金和镍基合金向定向共晶合金及金属间化合物的发展，涡轮叶片由等轴晶向定向凝固柱晶及单晶的发展，高温合金浇铸温度不断提高，浇铸过程时间不断延长，进而对陶瓷型芯的承温能力要求不断提高。（2）陶瓷型芯形状结构复杂化、精细化涡轮叶片气冷结构由传统的对流、回流、气膜冷却向发散冷却、层板冷却方式的改进，要求陶瓷型芯的形状及结构更加复杂精细。日趋复杂的涡轮叶片要求用于形成叶片气冷空腔的陶瓷型芯的形状及结构也变得更加复杂。（3）陶瓷型芯组分多元化合金材质的改进及合金种类的增加，要求陶瓷型芯的化学稳定性更高，适用面更宽。陶瓷型芯组分已在常用的氧化硅、氧化铝的基础不断扩展。（4）陶瓷型芯材料复合化随着对陶瓷型芯使用要求的不断提高，单一材料已难以同时满足陶瓷型芯制备工艺与使用性能的要求，不同陶瓷型芯材料之间的复合，不同材质陶瓷型芯件之间的复合，已成为发展趋势之一。特种陶瓷行业现状特种陶瓷也是现代陶瓷中的重要品种上。为了改善陶瓷的脆性，在陶瓷基体中添加了金属纤维和无机纤维，特种陶瓷这样构成的纤维补强陶瓷复合材料，特种陶瓷建成投运后年平均每年可节约标煤767．44吨，特种陶瓷相应减少二氧化碳约2429吨特种陶瓷是陶瓷家族中最年轻但却是最有发展前途的一个分支。为了生产、特种陶瓷研究和学习上的方便，有时不按化学组成。我国的陶瓷行业发展历程我国的陶瓷行业具有悠久的历史，早在约五千年前中国就发明了陶器，并在商代中期出现了早期的瓷器，魏晋南北朝的南青北白，唐朝的唐三彩，宋代的官、哥、钧、汝、定五大名瓷，陶瓷的品种、颜色和工艺日趋丰富和完善；唐代，中国陶瓷即以新兴商品进入国际市场，远销日本、印度、波斯以及埃及，并间接销往欧洲；清朝时期，陶瓷的工艺技术、颜色釉料更加成熟，青花瓷、斗彩、五彩、素三彩继续发展，又创新了珐琅彩、粉彩和釉下五彩等新品种。明清时代开始，陶瓷产品伴随着中国文化开始远销世界各地，对中华民族传统文化的传播和弘扬起到了巨大作用。随着工业革命时代的持续发展，欧美国家的陶瓷行业逐渐采用机械进行工业化生产，提高了陶瓷的生产效率，优化了陶瓷的生产工艺，尤其在陶瓷产品的设计方面，强调艺术与工业的完美结合，讲究造型的单纯化、合理化，重视实用与美观，使得当时世界陶瓷出现全新的发展。在陶瓷工业从手工业向近代陶瓷工业迈进的转变时期，世界陶瓷生产的中心转移到欧洲和日本等国家。自改革开放以来，我国陶瓷业逐渐引进国外先进的陶瓷制造技术和设备，窑炉升级改造，烧成技术不断推陈出新，能源由天然气逐步替换燃煤，达到了环保，减排的效果。同时，在原有的传统陶瓷制造工艺和陶瓷文化的基础上，改进、创新和完善相关工艺技术，并在产品外观设计、色釉制造和文化创意等方面有了很大的进步，陶瓷行业迎来良好的发展机遇，目前我国已成为世界陶瓷生产第一大国，据统计，2021年全国陶瓷制品制造规模以上企业共计3174家，其中陶瓷砖企业1048家，占陶瓷制品制造规模以上企业总数的33．02%，占比最大；特种陶瓷企业630家，占陶瓷制品制造规模以上企业总数的19．85%；日用陶瓷企业555家，占陶瓷制品制造规模以上企业总数的17．49%；陈设艺术瓷制品制造企业452家，占陶瓷制品制造规模以上企业总数的14．24%；卫生陶瓷企业363家，占陶瓷制品制造规模以上企业总数的11．44%；园艺陶瓷企业63家，占陶瓷制品制造规模以上企业总数的1．98%。2021年全国陶瓷制品制造规模以上3174家企业完成主营业务收入6977．75亿元，比上年同期增长14．06%；利润完成488．4亿元，同比增长11．88%，亏损企业合计367家，亏损面11．56%。2021年末，全行业累计应收票据及应收款562．4亿元，比上年增长5．23%；产成品库存累计529．2亿元，比上年增长10．56%；流动资产平均余额累计2520．3亿元，比上年增长11．64%；全行业资产累计5505．4亿元，比上年增长5．22%，平均资产负债率47．23%；全行业累计主营业务成本5781．4亿元，比上年增长14．64%；累计营业费用235．2亿元，比上年增长8．05%；累计管理费用273．5亿元，增长11．38%；财务费用累计54．3亿元，比上年下降2．74%。装备趋向柔性化中国瓷砖产业的装备创新方向将会逐渐趋向柔性化，具体来说将分为三个方面：数字化、智能化和间歇化。未来现有的所有装备都将走向数字化，可以和互联网实现链接。第二就是逐渐智能化、自动化，可以减少人工的参与。还有一个非常重要的就是间歇化，即快速启动和停止。之前瓷砖的生产线设备，强调的是连续不停顿的生产，因此行业内普遍存在的是相应的一种规模化的、连续的、单一产品的生产方式。设备生产柔性化，就能够满足未来小批量、多品种的生产方式。这关乎到包括窑炉在内的整个生产线，如何实现快速启动和快速停止。这是未来需要解决的问题。陶瓷材料在汽车领域的应用汽车里面有很多的陶瓷部件，如钛酸铝主要是在汽车缸盖和排气管这个地方，主要为了隔热和保温，提高汽缸里燃烧温度。另外一个是氧化铝喷油器，喷油的时候需要耐腐蚀，同时它还需要绝缘，所以用氧化铝陶瓷来做。还有废气排气管的阀门一般是用氧化锆陶瓷做的。还有在汽车里用的电路板，为防止老化、破损，一般都是用氧化铝陶瓷做电路基板。此外，氧化铝、氧化硅、碳化硅陶瓷材料分别在汽车大灯、涡轮增压器、过滤器等器件上面也有应用。作为家居建材中最大的细分领域之一，陶瓷行业的价格变动一直备受市场关。尤其近几年越来越多行业龙头上市或筹备上市，高毛利的陶企更受资本市场青睐。不过，在今年房地产行业面临调整的大背景下，陶瓷行业也受到冲击。截止目前，今年已有超过40家陶企破产、清算或重整。同时，天然气价格的上涨也导致陶瓷生产成本增加，今年行业内已经掀起多轮涨价潮。伴随着房地产市场的阵阵雷声，头部陶企不得不重新审视工程与零售渠道，开始加大对经销商的扶持力度，将部分产能逐步转向零售渠道，由此进一步加剧终端市场的竞争。有行业人士分析，陶瓷行业集中度提升是大势所趋，那些头部陶企手握现金，有规模、有实力、有品牌、有产能，增长速度和抗风险能力远高于行业平均水平，但随着头部陶企工程渠道的变化，给予了腰部及腰部以下的陶瓷企业更充足的喘息与调整时间，行业集中度的提升速度或许将比曾经预料中的要慢。产品走向功能化早期的时候，瓷砖只是以建筑材料的角色被广泛地应用在建筑建设中。这些年逐渐转化为装饰材料。从本届中意设计大奖赛的参评产品来看，大部分都是模仿自然的纹理，充分发挥了瓷砖作为装饰材料的文化属性。这种文化的属性在未来会更加凸显。由建筑材料到装饰材料，再往前发展，瓷砖会逐渐倾向于成为功能性材料。瓷砖的功能性的发展会朝着三个方向走：第一是打造一个健康的环境;第二，是打造一个智能化的空间;第三，是关注人本身的健康。这是瓷砖产品未来的发展方向。特种陶瓷行业规模目前，湖南特种陶瓷企业众多，已达230余家，其中规模以上有86家，国家高新技术企业4家!已经形成了多位一体的先进陶瓷产业集群，特种陶瓷产品种类也很丰富，现在已经形成了结构陶瓷、电子陶瓷、功能陶瓷三大类，特种陶瓷从业人数已达3万余人。本世纪初特种陶瓷市场规模预计将达到500亿美元，因此许多科学家预言：特种陶瓷在二十一世纪的科学技术发展中，特种陶瓷必定会占据十分重要的地位。特种陶瓷报告有助于企业及投资者洞察中国特种陶瓷行业市场供需行为，评估中国特种陶瓷行业投资价值，为相关企业提供第三方的决策支持。报告内容有助于特种陶瓷行业企业、特种陶瓷投资者了解市场供需情况，并可以为特种陶瓷企业市场推广计划的制定提供第三方决策支持。特种陶瓷报告第一时间为客户提供中国行业年度供求数据分析，特种陶瓷报告具有内容翔实、模型准确、分析方法科学等特点。特种陶瓷行业发展特种陶瓷原料纯度很高、超细，是精制的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等化合物，这些化合物在自然界中很多。但是像传统陶瓷，就是以黏土或者瓷土作为原料，或者一些人工合成的化合物的混合，它相对来说比较复杂。从晶体结构上来看，特种陶瓷晶体结构沿用了各种矿物质的结构和表述。也就是说和这些天然陶瓷，如果用科学定义的话，它的名称是一样的。就像钙钛矿、锐钛矿、荧石、焦绿石、磷灰石等等，这些都是在进行材料结构分析时用的名词。这些名词应该说和传统陶瓷是一模一样的。从制造工艺方面，特种陶瓷借鉴了传统陶瓷的一些成型工艺，比如注浆成型、陈化等等。但也发展了很多特殊工艺，比如流延成型、等静压成型、干压成型、激光成型，包括3D打印、精密机加工等技术。像烧结工艺，传统陶瓷一般用普通窑炉，当然现在窑炉也希望能够精确控制它的氧化气氛或者还原气氛。但是对于特种陶瓷，它要严格控制气氛，一般有无压烧结、气体压力烧结、干热压烧结、热等静压烧结、真空烧结、等离子脉冲烧结等。最后能够制备出哪些产品出来呢？首先是信息功能陶瓷材料和器件，如手机里可以说将近80%以上的器件是陶瓷做的，还有电容器、滤波器、微波器件、传感器、声波原件、延迟器、驱动器。再如照相机，现在里面都是自动聚焦的，它驱动的是压电陶瓷马达，可以精确控制聚焦。又如笔记本电脑显示器后面的背光源需要一个升压装置，升压装置就是一种用压电陶瓷做的升压。还有陶瓷电路板。电路板过去一般是环氧树脂等树脂纤维混合的电路板。这种电路板在一些严苛环境下，比方说在汽车发动机附近装上的话，会老化得很快，这时候使用的电路板一般是陶瓷的。它实际上是有一些多层的电子器件，而且做得很薄，这是用流延法做出来的，大概都在1毫米以下，甚至0．5毫米厚，现在最薄到100个微米左右。在这上面做好电路，然后做成一些特别是在严苛环境下应用的器件。还有最新技术LTCC，即低温共烧技术，是把电路板通过流延出来以后，再通过丝网印刷把各种器件一次做到多层的，最后电路板烧出来以后，实际上把电容、电感、电阻都固化到里面去了，这样就一次性把一个电子元器件的模块就做出来了。刚才讲的是在信息功能电子领域中陶瓷材料的应用，还有一类陶瓷叫结构陶瓷，主要是利用它很好的机械性能以及耐高温、耐磨损、耐腐蚀的性能，所以把它称作高性能的结构陶瓷材料。在半导体装备里面就用了很多的陶瓷零部件，可以做到非常精密。因为半导体的一些装备，对精度要求很高，如果有一些部件用金属做比较容易变形，影响半导体设备的精度。像高马赫数空天飞行器，因为要和大气摩擦，产生很高