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高性能氧化铝陶瓷发展现状及应用解析

一、氧化铝陶瓷简介

氧化铝陶瓷(alumina ceramics)是一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料——研究最早之一、应用最广、产量最大。

主要分为高纯型:Al2O3含量>99.9%,烧结T高达1650-1900;和普通型(75-99%):75瓷、85瓷、90瓷、99瓷等。

晶型——12种同质异晶变体, α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、κ、λ、ρ及无定型氧化铝等12种,最为常见的有α-Al2O3、β-Al2O3和γ-Al2O3

二、氧化铝陶瓷的制备工艺技术

工艺流程

原料处理:用绿色高效处理技术及高能装备,包括高纯、超细、分布、形貌几个方面。

烧结,包括烧成制度——在最低烧成温度下获得最佳性能的最简短的烧成曲线(升温、保温、降温)、气氛:惰性、氧化、还原、真空、空气;压力;烧成方式(热压、热等静压、微波加热、放电等离子、自蔓燃)成型技术工艺包括,干法、塑性、湿法、增材制造(3D打印)精密加工环节出现新技术——塑性加工工艺技术:磨削+激光,磨削+超声波。陶瓷的增材制造(3D打印)3D打印技术,又称为增材制造、快速成型、无模成型等。基于3D 数字模型,采用分层制造,逐层叠加的方式形成三维实体的技术(积层造形法)

全球3D打印市场分析

根据Grand View Research的最新报告,全球陶瓷3D打印市场到2025年预计将逼近1.6亿美元,预计到2025年,航空航天终端用途的陶瓷3D打印市场将达到2610万美元,医疗领域相关需求的年增长率约为35.4%

三、氧化铝陶瓷的性能及应用

机械强度高、电绝缘性好、硬度和熔点高、抗腐蚀性好、化学稳定性优良等,而且在一定条件下具有良好的光学性和离子导电性。

应用范围广,主要应用于机械方面、电子、电力方面、化工方面、医疗方面。机械方面(高强、高硬、耐磨)—刀具、球阀、磨料磨具、轴承、拉丝喷丝部件,氧化铝陶瓷刀具:硬切割、高速干切割、超高速切割。高的耐热性、高硬度与耐磨性和优良的化学稳定性等优点,是切削加工中重要的刀具之一,其加工效率比传统刀具提高3—10倍。

氧化铝陶瓷工业用阀(密封),旋塞阀:石油开采、输送和精练设备中,也广泛用于石油化工、煤化工、天然气等其它工业领域,闸阀、截止阀:自来水、污水、建筑、石油、化工、食品、医药、轻纺、电力、船舶、冶金、能源系统等,球阀:尤其适用于如氧气、过氧化氢、甲烷、乙烯、强酸等工况恶劣的介质

电子、电力方面(高强、绝缘性好)—基片、透明陶瓷、电绝缘瓷、火花塞等

氧化铝陶瓷基片(耐高温、电绝缘性能高、介电常数和介质损耗低、热导率大、化学稳定性好)

超特高压支柱绝缘子(高强、高电阻、高介电强度、介电常数和介质损耗低、化学稳定性好)

化工方面(耐高温、化学稳定性好、耐强酸碱和有机溶剂腐蚀)—化工填料、泡沫、蜂窝、微孔、介孔陶瓷(膜)、耐腐蚀涂层等—填充、支撑和净化分离材料

化工填料(耐高温、耐腐蚀、高比表面)

不同的结构和形状:拉西环、鲍尔环、十字隔板环、阶梯环、矩鞍环、异鞍环等。应用于化工、冶金、煤气、制氧等行业的干燥塔、吸收塔、冷却塔、洗涤塔、再生塔等

陶瓷膜(高比表面积、耐高温、耐腐蚀)—环保、生物化学、食品医药、催化反应、化工、冶金、水处理、海水淡化等

医疗方面(高强、高硬、化学稳定性好、生物惰性)—人造骨骼、人工关节、人工牙齿等

Al2O3—HAP复材—良好的生物特性,稳定的物化性能,其硬度、抗弯强度、断裂韧性均已接近人体骨——有望成为最理想的骨移植材料

四、透明氧化铝陶瓷

透明陶瓷的定义:能够通过光线并能够成像的陶瓷。光线包括紫外线、可见光和红外线等。

陶瓷透光的基本条件

致密度>理论密度的99.5%

晶界无空隙或空隙大小<

晶界无杂质及玻璃相,或其与微晶体的光学性质相似

晶粒较小且均匀,其中无空隙

晶体对入射光的选择吸收很小

表面光洁

透明陶瓷分类

透光陶瓷

半透明氧化铝–透明氧化铝–亚微米晶透明氧化铝

中红外透明陶瓷形成系列化,材料种类全

包括:YAG, Y2O3, 亚微米晶Al2O3, AlON, MgAl2O4等

五、面临的机遇和挑战

高质量发展阶段:转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期

我国新材料产业现状:整体表现为“大而不强”,体现在以下几点

产品结构不合理

高端材料供给严重不足

低水平重复建设多,低端品种产能过剩

工信部:130多种关键材料的调研显示,32%处于国内空白,52%依赖进口——“2018国家制造强国专家论坛”

核心技术受制于人,成果转化缓慢

原始创新能力不足,共性技术研发与支撑能力不强

部分领域的核心技术被美国、日本、德国掌控,关键零部件及设备仍大量依赖进口

国际市场竞争力偏弱

企业之间、区域之间协作不充分

除部分骨干企业技术装备接近或达到国际先进水平,大部分中小企业技术装备落后

重视新材料产业发展:目前通过纲领性文件、指导性文件、规划发展目标与任务等构筑起了新材料发展的政策金字塔

新材料,包括氧化铝粉体和高性能氧化铝陶瓷是关键基础原材料!是节能环保、新一代信息技术、航空航天等等不可或缺的重要支撑,高端氧化铝粉体,以及产业链延伸包括高性能陶瓷在内的新材料大有可为。



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