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高技术陶瓷产业发展评价及战略研究

作者:郑四华,孙思达 更新时间:2022-05-18 15:20 来源:合作经济与科技 点击数:491

前言:

2016年发布的《新材料产业发展指南》突出高技术陶瓷的战略地位。但是,我国高技术陶瓷产业依旧存在短板,国家扶持芯片产业发展的各项优惠政策并未全面地延伸至高技术陶瓷产业。本文通过对日本、美国和欧盟的高技术陶瓷产业发展进行评价,同时对高技术陶瓷产业国内的发展作出评价,对比分析国内外发展存在的差距。并以此为依据,试图给出适合于我国高技术陶瓷产业的发展战略。

一、高技术陶瓷产业国外发展评价

(一)日本:

在高韧性陶瓷领域和电子陶瓷位于领先地位。目前,全球高技术陶瓷元件市场主要由日本制造商占据。各类高技术陶瓷产品,包括热传感器、压力传感器、磁传感器、气体传感器、光传感器等,日本占据了大部分市场。在新型超塑陶瓷、塑料陶瓷、高技术陶瓷发动机、高技术陶瓷电池等研发领域,处于领先地位。日本曾进行过实验,测试功能强大的陶瓷电池,用固体陶瓷代替酸性电解质。与传统电池相比,它重量轻2/3,污染少,特别适用于汽车和航空工业。

日本在发展高技术陶瓷和精密陶瓷元素的基础上,通过研发制造陶瓷剪刀、陶瓷手术刀、陶瓷秤、陶瓷加热器、人造陶瓷粘结剂、陶瓷圆 珠笔等发热元件以及日常产品,积累了一些特殊陶瓷生产方法。例如,京瓷在全球的事业涉及原料、零件、设备、机器,以及服务、网络等各个领域。京瓷最初为一家技术陶瓷生产厂商。如今,京瓷公司的大多数产品与电信有关,生产制造与高性能陶瓷材料相关的下游产品,包括无线手机和网络设备、半导体元件、射频和微波产品套装、无源电子元件、水晶振荡器和连接器、使用在光电通讯网络中的光电产品。NGK SPARK PLUG主要生产汽车发动机电机陶瓷火花塞、高品质陶瓷,包括耐磨部件、超声换能器和传感器、半导体制造设备产品、电气设备产品以及其他陶瓷产品等,一直致力于开发拥有优秀环境效率的产品,为世界追求的新汽车社会做出贡献。从结构陶瓷产品的开发和生产方面来看,东芝公司处于领先地位,其半导体生产中的敏感元件主要采用氧化铝、氮化硅、氧化锆、碳化硅等材料。

(二)美国:

在结构陶瓷领域处于领先地位。在美国,结构陶瓷额产量增长速度最快,每年增长约15%。其中,医疗设备、汽车、飞机、核工程、航天技术、医疗设备、机械动力等领域是目前美国结构陶瓷广泛分布领域。Si3N4、SiC和ZrO2是目前主要的结构陶瓷精密材料。其中,结构陶瓷产品的生产占世界总产量份额的绝大多数。而且,在美国制造的耐高温陶瓷,其工作温度高达1300℃,其工作强度达到普通高温金属的6倍以上。美国国防部和国家自然科学基金会负责美国高技术陶瓷的研发,特别是在军事、航空航天、环保等领域。为适应空间技术发展的需要,美国宇航局在结构陶瓷的研究、应用和加工等领域开展了重大研发项目。高技术陶瓷发展计划是由美国高技术陶瓷协会和美国能源部共同资助开展。由于其优异的高温性能、可靠性等独特性能,将成为经济实用材料的首选,广泛应用于节能环保、新一代信息技术、生物医药、高端器件生产等领域,以及新能源汽车等战略性新兴产业的使用。客户可根据不同的应用要求,选择性价比高的优质陶瓷产品。其中,环保陶瓷、核能陶瓷、透明陶瓷、透波陶瓷、纳米陶瓷等新型陶瓷材料取得了长足的进步。

虽然美国是生产结构陶瓷的产量大国,但其同时相对应也是结构陶瓷最大的消费市场。因此,许多陶瓷产品不得不从欧洲和日本进口。在美国,结构陶瓷制造商包括Costek Technologies和Corning。作为美国市场高技术陶瓷的领先供应商,库斯泰克主要业务为生产各类半导体工业用陶瓷基板、电真空陶瓷、精密陶瓷零件、半导体设备用陶瓷零件。一些产品如图1所示。Corning公司创立于1851年,是晶圆陶瓷、光电材料、高性能特种玻璃、玻璃纤维、光缆、汽车尾气过滤器的主要供应商,见图2、图3,其蜂窝陶瓷技术和生产处于世界领先地位。(图1、图2、图3)

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(三)欧盟:

在功能陶瓷领域优势明显。主要研究的是发电设备领域的新材料技术,如排气管内衬、涡轮增压器转子结构、陶瓷活塞、燃气轮机转子等。德国发明了一种陶瓷电容器,用于无安全措施的应用。在这些应用中,电容器通常与正极永久连接,电容器的串联可以减少开关的风险,而无需采取进一步的安全措施,因此适合于现有用户产品的设计。圣戈班是世界上高技术陶瓷前列公司之一,圣戈班涵盖三大主要业务:研磨工具、陶瓷材料和玻璃纤维。这三大业务在中国乃至整个亚洲蓬勃发展,它们支持并分享创新、技术和市场。这三大业务专注于同一个部门,员工可以更好地为客户服务,与客户合作,共创美好未来。圣戈班年销售收入超过300亿美元,其中高性能陶瓷占15%。卡博伦和诺顿陶瓷从圣戈班采购。Caramtec是德国最大的技术陶瓷公司,主要生产用于现代工业、生物医药等领域的先进陶瓷材料。第六个欧盟框架计划提出要广泛扶持各个高技术陶瓷领域的研究项目,其中的一些项目专注于功能陶瓷及其复合材料的先进制备技术。特别是英、法、德三国,加强了针对航空航天的复合陶瓷材料和功能陶瓷制备技术的研究。其中,德国研制的脉冲式电流结设备,可以完成连续烧结大型耐高温陶瓷的任务。同时,在实施自动化和机械化方面,欧洲建筑卫生陶瓷行业在管材和釉料生产方面具有相当的技术实力和发展能力。

二、高技术陶瓷产业国内发展评价

(一)北京:

在CIM技术陶瓷领域优势明显。以清华大学材料研究所和“新陶瓷与精细技术”国家重点实验室为依托的中德汇,拥有多年来得到国家自然科学基金、国家863计划和973计划大力支持的专有权,是技术部评选的50个重点高新技术孵化项目之一。紫光方达是一家致力于高技术陶瓷研发和生产的高技术公司,是国家技术部重点支持的科研生产园区,国家防弹陶瓷产业化示范工程,其高技术陶瓷材料在国内外处于最高水平。公司原材料制备、成型、烧结、加工及检测设备是国内最齐全的,部分关键设备具有世界水平。除了先进陶瓷材料的研发外,紫光方达高技术陶瓷产品的先进应用和销售策略也走在国内外前列,拥有一批国内结构陶瓷行业及相关专业的知名专家和经验丰富的工程技术人员,具有较强的技术开发能力。

(二)上海:

在精密陶瓷方面处于优势地位。上海卡贝尼功能陶瓷研究院、精密陶瓷生产基地以及研磨中心为卡贝尼公司提供具有国内外竞争优势的精密陶瓷产品。其中,在高技术领域得到广泛应用,特别是半导体光伏太阳能、机械设备、医疗器械、石化等行业的精密仪器。作为一家精密陶瓷生产企业,卡贝尼以优质的原材料为基础,以科学的原材料、辅料使用和回收体系为保障,从生产到最终产品储存,确保每个生产环节都具有环保的特点,提高资源利用效率。此外,上海施密尔精密陶瓷、鑫茂精密陶瓷等公司都致力于高技术精密陶瓷的开发和制造。上海施密尔精密陶瓷有限公司主要生产微薄陶瓷、无感电阻、陶瓷轴承、LED相关精密陶瓷产品。上海鑫茂精密陶瓷有限公司主要生产紫外灯头、陶瓷螺帽、陶瓷棒、蜂窝陶瓷、陶瓷焊接保护管等精密陶瓷产品。不仅具有相当客观的生产效益,更重要的是其新材料多功能、低能耗、低污染,集现代科学技术、材料工程于一体的产品特点。高新技术的精密陶瓷产品成为上海的特色,这些企业在稳定、可持续地发展。

(三)佛山:

在防弹陶瓷领域拥有优势。由表1可以看出,作为“中国瓷都”的广东省佛山市,以长城集团股份有限公司为代表的新材料高技术陶瓷制造企业,以其完善的陶瓷制造链、齐全的陶瓷产品、优越的陶瓷技术、畅通的销售渠道、众多的生产基地为支撑,为佛山生产多种性能特点的防弹陶瓷产品提供了产业基础。佛山市三水工业园区中众多高技术陶瓷企业大力引进深圳爱尔创技术有限公司等企业研发的多种防弹陶瓷生产技术,致力于氧化铝、碳化硼等防弹陶瓷的生产和销售,不仅提升了佛山市整体陶瓷产业结构的优化升级,更有利于充分利用佛山市的国际贸易优势资源,提升特色的高技术陶瓷防弹材料品牌效应。(表1)

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三、高技术陶瓷产业国内外发展存在的差距

(一)生产工艺缺乏技术更新

我国到目前为止,高端型陶瓷材料以及相关元器件依旧只能以进口为主。由于技术升级较快,技术难以进入国内市场,导致规模化生产难以领先于世界。国内的相关陶瓷元件公司有顺络电子、风华高科、宇阳控股等。虽然这些公司在国内是生产芯片元件的大型规模公司,但就其高端型产品生产技术水平来看,相比较TDK株式会社、太阳油电等国际知名企业还有较大差距。虽然我国通过引进国外的高技术生产设备,如注塑机、热等静压机、气压烧结机、铸造机等,对设备进行了改进,但由于相关投资成本高,加大了企业的经济压力,从而限制了相关高技术陶瓷技术的发展。同时,由于加工水平的差距,暂时形成不了可靠的国产替换。

(二)研发链条缺乏相关配套

我国的主要研究工作往往只存在于材料体系、准备过程或一些关键技术上,忽视了相关技术和生产设备的基础研究,而他们在研发上的突破并不代表整个行业的技术进步。这些现象阻碍了许多优秀成果的产业化和应用。比如,我国目前对陶瓷粉体的制备重视依旧不够。各种陶瓷粉体仍然没有专门的生产企业,导致企业只能自己设立部门生产。如日本企业生产的9999%氧化铝粉末的烧结温度只有1300℃,但是我国目前烧结最低温度需要维持在1700℃以上。

(三)成果转化缺乏整合机制

虽然我国目前已经可以生产出性能优良的陶瓷材料,但大部分仍处于实验室样品的状态中。一些产品由于成本高、可靠性差而不能被市场所接受,产品销量从发达国家来看相差甚远。我国电子陶瓷材料的研发分散在少数高校、科研院所和少数大型产品进行小规模试验和量产验证。同时,高校和科研院所属于不同的材料和零部件领域,侧重点不同,它们彼此脱节,缺乏对材料、工艺和组件集成的系统研究。高校、科研院所和企业在体制上相互分离,沟通与合作不够。大学和研究机构的研究成果往往停留在实验室阶段,缺乏及时有效转化成果、实现产学研结合的有效机制。

四、高技术陶瓷产业发展战略

(一)优化顶层路线设计

要优化相关顶层路线设计,在重点、难点领域设立专项基金,将高技术陶瓷材料纳入到相关半导体产业发展战略规划中整体布局。国家扶持微电子产业的规划和国家扶持芯片产业发展的各项优惠政策,应当向高技术陶瓷产业延伸。2016年发布的《新材料产业发展指南》也突出了高技术陶瓷的地位,实施高性能纤维及复合材料、高技术稀土材料等技术产业化项目。推进新材料制备加工、安全服务、高效利用、高性价比回收利用等关键技术创新。确保关键材料的交货能力,快速有效地在高端制造业中处于领先地位。同时,完善高技术陶瓷在新能源、电子信息、环保、高端机械制造等主要应用领域方面的规划,进一步推动高技术陶瓷向高端进发。

(二)完善产业人才支撑体系。

产业技术创新、产品研发、生产资源综合利用和产业可持续发展都离不开高技术陶瓷产业专业人才的支撑。重视研发人员、高技术陶瓷企业的制造和管理人才的引进和培训,并把积累各类高技术陶瓷专业技术人才作为重点战略任务,不断优化人才培养管理环境,注重人才培养,坚持和吸引区外人才。同时,要不断建立健全政府引进和鼓励人才的相关政策法规,与企业合作,制定各种人才优惠政策,吸引各类高层次人才。

(三)推动研发制造平台化发展

加强科研单位之间的直接联系与合作,打造全面的基于新材料研究的三维实体以及具有较强的器件应用研究能力。打造多元化、多功能的精细陶瓷材料研发平台,联合开发精细微结构陶瓷零件、高端制造设施、大小尺寸陶瓷零件的结构陶瓷材料和性能控制技术。同时,要依托相关 IC 生产的龙头企业,建立芯片生产和封装测试设备的材料测试平台。尽快实现各类光学陶瓷、集成电路封装、制造装备、航天光纤绝缘复合材料等共性关键技术的突破与共享。

(四)强化技术成果转化

要加大科研人员投入和经费投入,加强科研工作;从整体上推动建立及时有效的成果转化机制。目前,国内工程不应只停留在物质生产,而应加强相关技术装备的理论基础。要突出调整产业结构、构建新的产业体系、建设循环型节能城市、组织创业的基础、优势和现实条件。战略联盟使高校和科研机构能够尽快攻克一批难点技术,尽快将科研相关成果转化为现实生产技术。统筹规划高技术陶瓷材料及元器件产业链上下游企业,加强原料供应链建设,确保高纯度、高稳定性高技术陶瓷原材料供应,大力开展高端工艺装备研发,积极推进中小企业技术创新。要在总结经验教训的基础上,转变机制,提高水平,努力营造更加宽松的技术创新环境。

来源:《合作经济与科技》No.10x 2021

作者:郑四华,孙思达