陶瓷型芯技術發(fā)展歷程及趨勢分析

陶瓷型芯技術發(fā)展歷程及趨勢分析陶瓷型芯技術發(fā)展歷程及趨勢1、陶瓷型芯技術發(fā)展歷程提高渦輪燃氣溫度一直是航空發(fā)動機、燃氣輪機研究的重點?，F(xiàn)階段，提高渦輪燃氣溫度主要通過三種手段：一是開發(fā)新的高溫合金材料，以不斷提升葉片的承溫能力，二是研制新型的熱障涂層，三是改善渦輪葉片的氣冷結構，提高葉片的冷卻效率。渦輪葉片的制造過程中，傳統(tǒng)的鍛造、機加等手段不能成形復雜的葉片內腔形狀，只能采用熔模鑄造工藝生產。熔模鑄造中，形成空心鑄件內腔形狀的陶瓷型芯，其性能和質量對鑄件生產的質量和合格率起到重要影響。我國對陶瓷型芯的研制，始于20世紀70年代中期。經有關研究院所、高等院校和企業(yè)的共同努力，自80年代以來，已研制成功XD-1硅基陶瓷型芯和AC-1、AC-2鋁基陶瓷型芯等多種陶瓷型芯，滿足了研制新型航空發(fā)動機的需要。進入21世紀以來，盡管研制陶瓷型芯的單位數量有所增加，但產品品類齊全、具備量產能力、穩(wěn)定供應的陶瓷型芯生產企業(yè)相對較少。陶瓷型芯經過多年發(fā)展，產品種類不斷豐富，行業(yè)內一般按化學組成、成型方法等的不同進行區(qū)分。（1）硅基陶瓷型芯發(fā)展歷程硅基陶瓷型芯的主體材料為石英玻璃。石英玻璃是熔融石英經高溫熔融、快速冷卻而形成的無定形物質。石英玻璃具有各向同性、高粘度、熱膨脹系數小等特征，長期以來一直是國內外陶瓷型芯的主要基體材料。硅基陶瓷型芯的最大特點在于：在1，100～1，250℃的溫度范圍內，部分石英玻璃會發(fā)生相變，析出方石英晶體。由于晶體比玻璃體的蠕變小幾個數量級，所以當陶瓷型芯中含有一定量的方石英時，陶瓷型芯的高溫抗變形能力較好。但是析晶過程的體積效應導致的內應力會使陶瓷型芯中出現(xiàn)網狀裂紋，從而降低陶瓷型芯的強度。因此，方石英的析出規(guī)律及其對陶瓷型芯性能的影響是硅基陶瓷型芯的技術難點，合理控制陶瓷型芯在制備及使用過程中方石英的含量是硅基陶瓷型芯制備技術的關鍵。（2）鋁基陶瓷型芯發(fā)展歷程歐洲國家自20世紀70年代起就將鋁基陶瓷型芯應用于生產單晶葉片，在鋁基陶瓷型芯的研究和應用方面世界領先。我國鋁基陶瓷型芯的研制起步于20世紀90年代后期，起步較晚。鋁基陶瓷型芯的主體材料是α-Al2O3粉體。與硅基陶瓷型芯相比，α-Al2O3具有較好的熱強性、較高的化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐高溫性能，且在焙燒和使用過程中無晶型轉變，更適用于定向凝固柱晶及單晶葉片的鑄造。隨著單晶高溫合金鑄造的進一步發(fā)展，渦輪葉片的澆鑄溫度進一步提升，對陶瓷型芯的耐高溫性能和高溫化學穩(wěn)定性的要求更高。鋁基陶瓷型芯存在以下缺陷：一是其燒成通常在高于1，600℃的溫度下進行，燒成性相對較差；二是α-Al2O3難溶于酸和堿，與硅基陶瓷型芯相比，鋁基陶瓷型芯使用后脫芯相對困難。因此，解決燒成難和脫芯難的問題是鋁基陶瓷型芯生產及使用過程中的兩大技術難點。按成型方法和工藝特點，陶瓷型芯可分為熱壓注、傳遞成形、灌漿成形、凝膠注模成型、3D打印成型陶瓷型芯等。目前國內外仍以熱壓注陶瓷型芯為主。2、陶瓷型芯技術發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代熔模鑄造朝著優(yōu)質、精密、大型、薄壁、無余量方向的發(fā)展，對陶瓷型芯的性能及工程可靠性提出了新的需求，陶瓷型芯制備技術的發(fā)展也正面臨著新的機遇。（1）陶瓷型芯承溫性能不斷提升隨著高溫合金由鐵基合金、鈷基合金和鎳基合金向定向共晶合金及金屬間化合物的發(fā)展，渦輪葉片由等軸晶向定向凝固柱晶及單晶的發(fā)展，高溫合金澆鑄溫度不斷提高，澆鑄過程時間不斷延長，進而對陶瓷型芯的承溫能力要求不斷提高。（2）陶瓷型芯形狀結構復雜化、精細化渦輪葉片氣冷結構由傳統(tǒng)的對流、回流、氣膜冷卻向發(fā)散冷卻、層板冷卻方式的改進，要求陶瓷型芯的形狀及結構更加復雜精細。日趨復雜的渦輪葉片要求用于形成葉片氣冷空腔的陶瓷型芯的形狀及結構也變得更加復雜。（3）陶瓷型芯組分多元化合金材質的改進及合金種類的增加，要求陶瓷型芯的化學穩(wěn)定性更高，適用面更寬。陶瓷型芯組分已在常用的氧化硅、氧化鋁的基礎不斷擴展。（4）陶瓷型芯材料復合化隨著對陶瓷型芯使用要求的不斷提高，單一材料已難以同時滿足陶瓷型芯制備工藝與使用性能的要求，不同陶瓷型芯材料之間的復合，不同材質陶瓷型芯件之間的復合，已成為發(fā)展趨勢之一。特種陶瓷行業(yè)現(xiàn)狀特種陶瓷也是現(xiàn)代陶瓷中的重要品種上。為了改善陶瓷的脆性，在陶瓷基體中添加了金屬纖維和無機纖維，特種陶瓷這樣構成的纖維補強陶瓷復合材料，特種陶瓷建成投運后年平均每年可節(jié)約標煤767．44噸，特種陶瓷相應減少二氧化碳約2429噸特種陶瓷是陶瓷家族中最年輕但卻是最有發(fā)展前途的一個分支。為了生產、特種陶瓷研究和學習上的方便，有時不按化學組成。我國的陶瓷行業(yè)發(fā)展歷程我國的陶瓷行業(yè)具有悠久的歷史，早在約五千年前中國就發(fā)明了陶器，并在商代中期出現(xiàn)了早期的瓷器，魏晉南北朝的南青北白，唐朝的唐三彩，宋代的官、哥、鈞、汝、定五大名瓷，陶瓷的品種、顏色和工藝日趨豐富和完善；唐代，中國陶瓷即以新興商品進入國際市場，遠銷日本、印度、波斯以及埃及，并間接銷往歐洲；清朝時期，陶瓷的工藝技術、顏色釉料更加成熟，青花瓷、斗彩、五彩、素三彩繼續(xù)發(fā)展，又創(chuàng)新了琺瑯彩、粉彩和釉下五彩等新品種。明清時代開始，陶瓷產品伴隨著中國文化開始遠銷世界各地，對中華民族傳統(tǒng)文化的傳播和弘揚起到了巨大作用。隨著工業(yè)革命時代的持續(xù)發(fā)展，歐美國家的陶瓷行業(yè)逐漸采用機械進行工業(yè)化生產，提高了陶瓷的生產效率，優(yōu)化了陶瓷的生產工藝，尤其在陶瓷產品的設計方面，強調藝術與工業(yè)的完美結合，講究造型的單純化、合理化，重視實用與美觀，使得當時世界陶瓷出現(xiàn)全新的發(fā)展。在陶瓷工業(yè)從手工業(yè)向近代陶瓷工業(yè)邁進的轉變時期，世界陶瓷生產的中心轉移到歐洲和日本等國家。自改革開放以來，我國陶瓷業(yè)逐漸引進國外先進的陶瓷制造技術和設備，窯爐升級改造，燒成技術不斷推陳出新，能源由天然氣逐步替換燃煤，達到了環(huán)保，減排的效果。同時，在原有的傳統(tǒng)陶瓷制造工藝和陶瓷文化的基礎上，改進、創(chuàng)新和完善相關工藝技術，并在產品外觀設計、色釉制造和文化創(chuàng)意等方面有了很大的進步，陶瓷行業(yè)迎來良好的發(fā)展機遇，目前我國已成為世界陶瓷生產第一大國，據統(tǒng)計，2021年全國陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)共計3174家，其中陶瓷磚企業(yè)1048家，占陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)總數的33．02%，占比最大；特種陶瓷企業(yè)630家，占陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)總數的19．85%；日用陶瓷企業(yè)555家，占陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)總數的17．49%；陳設藝術瓷制品制造企業(yè)452家，占陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)總數的14．24%；衛(wèi)生陶瓷企業(yè)363家，占陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)總數的11．44%；園藝陶瓷企業(yè)63家，占陶瓷制品制造規(guī)模以上企業(yè)總數的1．98%。2021年全國陶瓷制品制造規(guī)模以上3174家企業(yè)完成主營業(yè)務收入6977．75億元，比上年同期增長14．06%；利潤完成488．4億元，同比增長11．88%，虧損企業(yè)合計367家，虧損面11．56%。2021年末，全行業(yè)累計應收票據及應收款562．4億元，比上年增長5．23%；產成品庫存累計529．2億元，比上年增長10．56%；流動資產平均余額累計2520．3億元，比上年增長11．64%；全行業(yè)資產累計5505．4億元，比上年增長5．22%，平均資產負債率47．23%；全行業(yè)累計主營業(yè)務成本5781．4億元，比上年增長14．64%；累計營業(yè)費用235．2億元，比上年增長8．05%；累計管理費用273．5億元，增長11．38%；財務費用累計54．3億元，比上年下降2．74%。裝備趨向柔性化中國瓷磚產業(yè)的裝備創(chuàng)新方向將會逐漸趨向柔性化，具體來說將分為三個方面：數字化、智能化和間歇化。未來現(xiàn)有的所有裝備都將走向數字化，可以和互聯(lián)網實現(xiàn)鏈接。第二就是逐漸智能化、自動化，可以減少人工的參與。還有一個非常重要的就是間歇化，即快速啟動和停止。之前瓷磚的生產線設備，強調的是連續(xù)不停頓的生產，因此行業(yè)內普遍存在的是相應的一種規(guī)?；?、連續(xù)的、單一產品的生產方式。設備生產柔性化，就能夠滿足未來小批量、多品種的生產方式。這關乎到包括窯爐在內的整個生產線，如何實現(xiàn)快速啟動和快速停止。這是未來需要解決的問題。陶瓷材料在汽車領域的應用汽車里面有很多的陶瓷部件，如鈦酸鋁主要是在汽車缸蓋和排氣管這個地方，主要為了隔熱和保溫，提高汽缸里燃燒溫度。另外一個是氧化鋁噴油器，噴油的時候需要耐腐蝕，同時它還需要絕緣，所以用氧化鋁陶瓷來做。還有廢氣排氣管的閥門一般是用氧化鋯陶瓷做的。還有在汽車里用的電路板，為防止老化、破損，一般都是用氧化鋁陶瓷做電路基板。此外，氧化鋁、氧化硅、碳化硅陶瓷材料分別在汽車大燈、渦輪增壓器、過濾器等器件上面也有應用。作為家居建材中最大的細分領域之一，陶瓷行業(yè)的價格變動一直備受市場關。尤其近幾年越來越多行業(yè)龍頭上市或籌備上市，高毛利的陶企更受資本市場青睞。不過，在今年房地產行業(yè)面臨調整的大背景下，陶瓷行業(yè)也受到沖擊。截止目前，今年已有超過40家陶企破產、清算或重整。同時，天然氣價格的上漲也導致陶瓷生產成本增加，今年行業(yè)內已經掀起多輪漲價潮。伴隨著房地產市場的陣陣雷聲，頭部陶企不得不重新審視工程與零售渠道，開始加大對經銷商的扶持力度，將部分產能逐步轉向零售渠道，由此進一步加劇終端市場的競爭。有行業(yè)人士分析，陶瓷行業(yè)集中度提升是大勢所趨，那些頭部陶企手握現(xiàn)金，有規(guī)模、有實力、有品牌、有產能，增長速度和抗風險能力遠高于行業(yè)平均水平，但隨著頭部陶企工程渠道的變化，給予了腰部及腰部以下的陶瓷企業(yè)更充足的喘息與調整時間，行業(yè)集中度的提升速度或許將比曾經預料中的要慢。產品走向功能化早期的時候，瓷磚只是以建筑材料的角色被廣泛地應用在建筑建設中。這些年逐漸轉化為裝飾材料。從本屆中意設計大獎賽的參評產品來看，大部分都是模仿自然的紋理，充分發(fā)揮了瓷磚作為裝飾材料的文化屬性。這種文化的屬性在未來會更加凸顯。由建筑材料到裝飾材料，再往前發(fā)展，瓷磚會逐漸傾向于成為功能性材料。瓷磚的功能性的發(fā)展會朝著三個方向走：第一是打造一個健康的環(huán)境;第二，是打造一個智能化的空間;第三，是關注人本身的健康。這是瓷磚產品未來的發(fā)展方向。特種陶瓷行業(yè)規(guī)模目前，湖南特種陶瓷企業(yè)眾多，已達230余家，其中規(guī)模以上有86家，國家高新技術企業(yè)4家!已經形成了多位一體的先進陶瓷產業(yè)集群，特種陶瓷產品種類也很豐富，現(xiàn)在已經形成了結構陶瓷、電子陶瓷、功能陶瓷三大類，特種陶瓷從業(yè)人數已達3萬余人。本世紀初特種陶瓷市場規(guī)模預計將達到500億美元，因此許多科學家預言：特種陶瓷在二十一世紀的科學技術發(fā)展中，特種陶瓷必定會占據十分重要的地位。特種陶瓷報告有助于企業(yè)及投資者洞察中國特種陶瓷行業(yè)市場供需行為，評估中國特種陶瓷行業(yè)投資價值，為相關企業(yè)提供第三方的決策支持。報告內容有助于特種陶瓷行業(yè)企業(yè)、特種陶瓷投資者了解市場供需情況，并可以為特種陶瓷企業(yè)市場推廣計劃的制定提供第三方決策支持。特種陶瓷報告第一時間為客戶提供中國行業(yè)年度供求數據分析，特種陶瓷報告具有內容翔實、模型準確、分析方法科學等特點。特種陶瓷行業(yè)發(fā)展特種陶瓷原料純度很高、超細，是精制的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等化合物，這些化合物在自然界中很多。但是像傳統(tǒng)陶瓷，就是以黏土或者瓷土作為原料，或者一些人工合成的化合物的混合，它相對來說比較復雜。從晶體結構上來看，特種陶瓷晶體結構沿用了各種礦物質的結構和表述。也就是說和這些天然陶瓷，如果用科學定義的話，它的名稱是一樣的。就像鈣鈦礦、銳鈦礦、熒石、焦綠石、磷灰石等等，這些都是在進行材料結構分析時用的名詞。這些名詞應該說和傳統(tǒng)陶瓷是一模一樣的。從制造工藝方面，特種陶瓷借鑒了傳統(tǒng)陶瓷的一些成型工藝，比如注漿成型、陳化等等。但也發(fā)展了很多特殊工藝，比如流延成型、等靜壓成型、干壓成型、激光成型，包括3D打印、精密機加工等技術。像燒結工藝，傳統(tǒng)陶瓷一般用普通窯爐，當然現(xiàn)在窯爐也希望能夠精確控制它的氧化氣氛或者還原氣氛。但是對于特種陶瓷，它要嚴格控制氣氛，一般有無壓燒結、氣體壓力燒結、干熱壓燒結、熱等靜壓燒結、真空燒結、等離子脈沖燒結等。最后能夠制備出哪些產品出來呢？首先是信息功能陶瓷材料和器件，如手機里可以說將近80%以上的器件是陶瓷做的，還有電容器、濾波器、微波器件、傳感器、聲波原件、延遲器、驅動器。再如照相機，現(xiàn)在里面都是自動聚焦的，它驅動的是壓電陶瓷馬達，可以精確控制聚焦。又如筆記本電腦顯示器后面的背光源需要一個升壓裝置，升壓裝置就是一種用壓電陶瓷做的升壓。還有陶瓷電路板。電路板過去一般是環(huán)氧樹脂等樹脂纖維混合的電路板。這種電路板在一些嚴苛環(huán)境下，比方說在汽車發(fā)動機附近裝上的話，會老化得很快，這時候使用的電路板一般是陶瓷的。它實際上是有一些多層的電子器件，而且做得很薄，這是用流延法做出來的，大概都在1毫米以下，甚至0．5毫米厚，現(xiàn)在最薄到100個微米左右。在這上面做好電路，然后做成一些特別是在嚴苛環(huán)境下應用的器件。還有最新技術LTCC，即低溫共燒技術，是把電路板通過流延出來以后，再通過絲網印刷把各種器件一次做到多層的，最后電路板燒出來以后，實際上把電容、電感、電阻都固化到里面去了，這樣就一次性把一個電子元器件的模塊就做出來了。剛才講的是在信息功能電子領域中陶瓷材料的應用，還有一類陶瓷叫結構陶瓷，主要是利用它很好的機械性能以及耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的性能，所以把它稱作高性能的結構陶瓷材料。在半導體裝備里面就用了很多的陶瓷零部件，可以做到非常精密。因為半導體的一些裝備，對精度要求很高，如果有一些部件用金屬做比較容易變形，影響半導體設備的精度。像高馬赫數空天飛行器，因為要和大氣摩擦，產生很高