评级（）国防军工深度报告：传世陶瓷，传奇再现

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报告名称 ：国防军工深度报告：传世陶瓷，传奇再现
评级 ：增持
行业：

国防军工

行业研究/深度报告

传世陶瓷，传奇再现

行业指数与沪深 300 走势比较

50%

先进陶瓷是新材料领域中最具潜力的赛道
按陶瓷的制备技术和应用领域分类，可分为传统陶瓷材料和先进陶瓷 材料，其中先进陶瓷应用最为广泛。

分析师：郑小霞
执业证书号：S0010520080007 电话：13391921291

陶瓷等，目前在电力电子、环保、能源和生物医药等领域得到广泛应 用，成为推动我国科技发展的重要功能性材料之一。

电子陶瓷领域，随着电子信息技术日益走向集成化、智能化和微型化，以半导体技术为基础的有源器件和集成电路迅速发展，无源电子元件 日益成为电子元器件技术的发展瓶颈，因此电子陶瓷材料及其制备加 工技术越来越成为制约电子信息技术发展的核心技术之一。在新能 源、5G 通讯及工业互联网推动下，电子元器件更新换代加速，用量 继续攀升，电子陶瓷行业上下游陶瓷粉料及瓷介器件的市场规模已突 破千亿。

生物医疗领域，活动义齿、固定义齿及种植牙被视为治疗牙缺失的常 见三种手段，氧化锆兼具优良的机械性能、生物相容性及美学效果，

断积累，氧化锆有望成为种植体一大选择，按照牙冠及种植体的价值 对比，预计陶瓷种植体的市场规模极有可能超过千亿。

环保领域，随着全球各国政府对环保问题的高度重视，移动源污染物 限排成为焦点。目前蜂窝陶瓷以其化学稳定性好、耐酸耐碱和有机溶 剂、优异的耐高低温性能、优良的抗菌性能等特性，被广泛选用为尾 气催化器件的载体。伴随着国内国六政策的执行，预计蜂窝陶瓷的年 需求量将突破万升，氧化铝涂层需求量将达万吨。

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陶瓷基板、锂电池陶瓷涂覆、陶瓷轴承球及纳米晶陶瓷蓄势待发 科技创新是推动产业高质量发展的源动力，技术升级对部分行业的材 料提出了更高的要求，陶瓷材料正以其优异的综合性能逐步切入，并 有望在未来推动更多新兴行业的诞生。

电子信息领域，随着近年来科技不断升级，芯片输入功率越来越高，对高功率产品来讲，其封装基板要求具有高电绝缘性、高导热性及与 芯片匹配的热膨胀系数，因而陶瓷基板逐渐走进大家的视野，GII 预 计陶瓷基板市场规模有望在 2027 年前突破百亿美金。

新能源领域，固体材料陶瓷涂覆逐渐成为锂电池隔膜涂覆的主流，EVTank 预计 2025 年无机涂覆材料用量将突破 40 亿平方米。此外，相较传统的金属轴承球，氮化硅陶瓷轴承球以其能耐高温腐蚀、强度 高等特点逐渐在风电及新能源汽车中大规模使用，前瞻产业研究院预 计其市场规模有望在 2025 年突破千亿。

玻璃领域，纳米微晶玻璃是微晶玻璃的升级版，是指玻璃内生长出来 的晶体尺寸只有纳米级别，具备强度高韧性好等特点。近年来华为逐 步推出纳米晶陶瓷材质手机及苹果渐次推出超瓷晶手机，我们预计随 着相关技术的进一步成熟，纳米晶陶瓷有望在千亿智能手机端玻璃盖 板市场占据一席之地。

陶瓷材料多领域海外公司处于优势地位，国内企业未来可期 在陶瓷行业中，多数领域海外公司占据着较大的优势，国内企业市 场份额较小。考虑到部分行业关系国家战略安全，同时下游终端产 品的技术也在革新，其产品正逐步迭代释放新的市场需求。我们预 计国内诸多拥有丰富产品体系及核心工艺的企业有望在短期内扩大 自身的市场份额，逐步成长为具有全球竞争力的企业。

投资建议
我们推荐关注“内生增长+外延并购”双轮驱动的陶瓷材料平台型企 业国瓷材料及高可靠电子元器件平台型企业鸿远电子，建议重点关注 振华科技、中瓷电子、火炬电子、宏达电子、三环集团、风华高科、奥福环保等。

风险提示
技术研发不及预期；疫情导致消费电子销量下滑；MLCC 下游需求不 及预期，生物陶瓷方面进展缓慢。

正文目录

1 先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分 ................................................................................................................... 11

1.1结构陶瓷：极端环境领域最具潜质的优质材料 ............................................................................................................. 13 1.1.1 氧化物陶瓷 ................................................................................................................................................................ 19 1.1.2 氮化物陶瓷 ................................................................................................................................................................ 29 1.1.3 碳化物陶瓷 ................................................................................................................................................................ 38 1.1.4 低膨胀陶瓷 ................................................................................................................................................................ 45 1.2功能陶瓷：现代科学技术先行领域的关键材料 ............................................................................................................. 53 1.2.1 电介质陶瓷 ................................................................................................................................................................ 55 1.2.2 敏感陶瓷 .................................................................................................................................................................... 61 1.2.3 光学陶瓷 .................................................................................................................................................................... 63 1.2.4 生物陶瓷 .................................................................................................................................................................... 64

2 粉体合成、成型、烧结及加工是主要的环节 ................................................................................................................... 70

2.1粉体制备：对最终结构和力学性能具有的重要作用 ..................................................................................................... 71 2.2成型工艺：得到内部均匀及高密度坯体的核心环节 ..................................................................................................... 75 2.3烧结工艺：坯体转变成高强度致密瓷体的必经之路 ..................................................................................................... 77 2.4加工工艺：改善表面光洁度及尺寸精度的关键工艺 ..................................................................................................... 82

3 先进陶瓷正逐步推动诸多高技术领域的发展 ................................................................................................................... 86

3.1电子陶瓷行业：推动电子信息业迅猛发展 ..................................................................................................................... 87 3.1.1 MLCC 行业 ................................................................................................................................................................... 88 3.1.2 片式电感器行业 ........................................................................................................................................................ 95 3.1.3 压电陶瓷行业 ............................................................................................................................................................ 98 3.1.4 陶瓷基板行业 ............................................................................................................................................................ 99 3.2光学陶瓷行业：纳米晶显示陶瓷爆发在即 ................................................................................................................... 105 3.2.1 齿科正畸行业 .......................................................................................................................................................... 106 3.2.2 纳米微晶陶瓷行业 .................................................................................................................................................. 110 3.2.3 光纤通讯行业 .......................................................................................................................................................... 116 3.3生物陶瓷行业：聚焦人体组织修复及植入 ................................................................................................................... 118 3.3.1 口腔修复行业 .......................................................................................................................................................... 119 3.3.2 骨修复行业 .............................................................................................................................................................. 123 3.3.3 人体植入体行业 ...................................................................................................................................................... 128 3.4高温陶瓷行业：发力发动机及新能源领域 ................................................................................................................... 134 3.4.1 航空发动机行业 ...................................................................................................................................................... 134 3.4.2 机械轴承行业 .......................................................................................................................................................... 137 3.4.3 新能源行业 .............................................................................................................................................................. 140 3.4.4 汽车尾气吸附行业 .................................................................................................................................................. 143

4 重点关注公司 .................................................................................................................................................................. 149

风险提示： .......................................................................................................................................................................... 149

敬请参阅末页重要声明及评级说明4 / 150 证券研究报告

图表目录

图表 1 陶瓷材料可分为传统陶瓷和先进陶瓷 ............................................................................................................................. 11 图表 2 先进陶瓷分类 ..................................................................................................................................................................... 11 图表 3 陶瓷耐高温特性：相比有机材料及金属材料，陶瓷材料具有更高的熔点 ................................................................. 13 图表 4 陶瓷耐高温特性：绝大多数金属使用温度低于 1000℃，但大部分陶瓷材料使用温度均在 1000℃以上 ............... 13 图表 5 陶瓷材料高强度特性：相同密度情况下，陶瓷材料强度最高 ..................................................................................... 14 图表 6 陶瓷材料高强度特性：陶瓷材料兼具高强度及高比刚度双重特性 ............................................................................. 14 图表 7 陶瓷材料高强度特性：相同成本情况下，陶瓷材料强度最高 ..................................................................................... 15 图表 8 陶瓷材料耐磨性能：耐磨性相当于锰钢的 266 倍，高铬铸铁的 171.5 倍 ................................................................. 15 图表 9 陶瓷材料耐磨特性：相比有机材料及金属材料，陶瓷材料具有更高的弹性模量 ..................................................... 16 图表 10 陶瓷材料热学特性：相比有机材料及金属材料，陶瓷材料具有更高的热导率 ....................................................... 16 图表 11 陶瓷材料热学特性：陶瓷材料拥有优异的热膨胀系数 ............................................................................................... 17 图表 12 陶瓷材料热学特性：陶瓷材料拥有优良的抗热冲击断裂性能 ................................................................................... 17 图表 13 陶瓷材料缺点：相较金属材料，陶瓷材料较脆 ........................................................................................................... 18 图表 14 陶瓷材料缺点：断裂韧性较其他材料小，表征为脆性 ............................................................................................... 18 图表 15 陶瓷材料增韧机理示意图 ............................................................................................................................................... 19 图表 16 氧化物陶瓷的主要物性 ................................................................................................................................................... 19 图表 17 日本生产的典型高纯超细氧化铝粉体特性 ................................................................................................................... 20 图表 18 常用氧化铝陶瓷的配方及物性 ....................................................................................................................................... 20 图表 19 氧化铝晶体结构及主要应用 ........................................................................................................................................... 21 图表 20 氧化锆三种晶型 ............................................................................................................................................................... 21 图表 21 添加氧化钇增韧效果 ....................................................................................................................................................... 22 图表 22添加氧化镁增韧机理 ...................................................................................................................................................... 22 图表 23 部分商用氧化锆的力学及热学性能 ............................................................................................................................... 23 图表 24 氧化锆的应用 ................................................................................................................................................................... 23 图表 25 国内外氧化铍陶瓷主要性能 ........................................................................................................................................... 24 图表 26 添加剂和温度对烧结后氧化铍陶瓷导热影响 ............................................................................................................... 24 图表 27添加氧化镁-三氧化二铁助烧剂后的氧化铍陶瓷 ........................................................................................................ 24 图表 28 氧化铍陶瓷应用 ............................................................................................................................................................... 25 图表 29 氧化镁坩埚相关参数 ....................................................................................................................................................... 25 图表 30 添加剂对氧化镁陶瓷晶粒尺寸和烧结性的影响 ........................................................................................................... 26 图表 31 氧化镁陶瓷应用 ............................................................................................................................................................... 26 图表 32 莫来石晶胞投影图 ........................................................................................................................................................... 27 图表 33 莫来石 AI2O3-SIO2元相图................................................................................................................................................. 27 图表 34 莫来石性能 ....................................................................................................................................................................... 28 图表 35 不同制备方式制备出的莫来石组成 ............................................................................................................................... 28 图表 36 莫来石应用 ....................................................................................................................................................................... 29 图表 37 典型氮化物陶瓷的主要性能 ........................................................................................................................................... 29 图表 38 氮化硅晶型 ....................................................................................................................................................................... 30 图表 39 氮化硅陶瓷制品的制造方法 ........................................................................................................................................... 31 图表 40 不同烧结方法得到氮化硅陶瓷的性能 ........................................................................................................................... 31

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图表 41 氮化硅应用 ....................................................................................................................................................................... 32 图表 42 氮化铝的主要性能 ........................................................................................................................................................... 32 图表 43 碳酸钙添加剂对氮化铝陶瓷致密度影响 ....................................................................................................................... 33 图表 44 氧化钇添加剂对氮化铝陶瓷致密度影响 ....................................................................................................................... 33 图表 45 氮化铝陶瓷应用 ............................................................................................................................................................... 33 图表 46 氮化硼陶瓷加工性能好 ................................................................................................................................................... 34 图表 47 不同烧结方法制备的氮化硼陶瓷性能 ........................................................................................................................... 35 图表 48 氮化硼陶瓷应用 ............................................................................................................................................................... 35 图表 49 赛隆陶瓷性能 ................................................................................................................................................................... 36 图表 50 赛隆陶瓷及其他陶瓷性能对比 ....................................................................................................................................... 36 图表 51 不同晶型赛隆陶瓷的物性 ............................................................................................................................................... 37 图表 52 稳定剂离子半径对赛隆陶瓷的性能影响 ....................................................................................................................... 37 图表 53 赛隆陶瓷的应用 ............................................................................................................................................................... 38 图表 54 碳化物陶瓷的基本物理特性 ........................................................................................................................................... 39 图表 55 碳化硅不同晶型 ............................................................................................................................................................... 40 图表 56 碳化硅合成路径 ............................................................................................................................................................... 40 图表 57 碳化硅陶瓷与其它高温结构陶瓷的物理性能比较 ....................................................................................................... 41 图表 58 碳化硅陶瓷的烧结方法及性能 ....................................................................................................................................... 41 图表 59 碳化硅陶瓷的应用 ........................................................................................................................................................... 42 图表 60 碳化硼陶瓷晶体结构 ....................................................................................................................................................... 42 图表 61 碳化硼物理性能与力学性能 ........................................................................................................................................... 43 图表 62 国外三家大公司制备的碳化硼陶瓷性能 ....................................................................................................................... 43 图表 63 氧化铝添加剂对碳化硼陶瓷的性能影响 ....................................................................................................................... 44 图表 64 碳化硼陶瓷应用 ............................................................................................................................................................... 44 图表 65 堇青石陶瓷的性能对比 ................................................................................................................................................... 45 图表 66 标堇青石成分对热膨胀系数有重要影响 ....................................................................................................................... 46 图表 67 杂质含量对堇青石陶瓷的热膨胀系数的影响 ............................................................................................................... 46 图表 68 康宁公司超低热膨胀系数堇青石配方及性能 ............................................................................................................... 47 图表 69 堇青石陶瓷应用 ............................................................................................................................................................... 48 图表 70 钛酸铝理论组成为 56.1%的氧化铝及 43.9%的氧化钛 ................................................................................................. 49 图表 71 国外工业用钛酸铝陶瓷相关参数 ................................................................................................................................... 49 图表 72 氧化铁添加剂加入量对钛酸铝陶瓷热解的抑制作用 ................................................................................................... 50 图表 73 钛酸铝陶瓷的应用 ........................................................................................................................................................... 50 图表 74 国内外石英陶瓷的相关性能 ........................................................................................................................................... 51 图表 75 不同温度和烧结条件下浇注熔融石英陶瓷的性能 ....................................................................................................... 51 图表 76 石英陶瓷的应用 ............................................................................................................................................................... 52 图表 77锂质陶瓷类型 .................................................................................................................................................................. 53 图表 78 锂辉石低膨胀陶瓷的配方与材料性能 ........................................................................................................................... 53 图表 79 陶瓷材料及其他材料室温电阻率对比 ........................................................................................................................... 54 图表 80 电介质材料（包括介电陶瓷）具有透明性 ................................................................................................................... 54 图表 81 陶瓷材料极化形式 ........................................................................................................................................................... 55 图表 82 电绝缘陶瓷材料的种类 ................................................................................................................................................... 55 图表 83 电绝缘陶瓷材料的应用 ................................................................................................................................................... 56 图表 84电容器介电陶瓷种类 ...................................................................................................................................................... 57

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图表 85 非铁电电容器陶瓷的密度、介电常数和介电常数温度 ............................................................................................... 57 图表 86 铁电电容器主要陶瓷-钛酸钡陶瓷的介电温度特性 ..................................................................................................... 58 图表 87 打火机内压电陶瓷的应用 ............................................................................................................................................... 59 图表 88 直接压电效应 ................................................................................................................................................................... 60 图表 89 间接压电效应 ................................................................................................................................................................... 60 图表 90 常用压电材料性能 ........................................................................................................................................................... 60 图表 91 半导体空气污染传感器 ................................................................................................................................................... 61 图表 92 敏感陶瓷分类 ................................................................................................................................................................... 61 图表 93 热敏陶瓷的电阻在不同温度下出现巨大差异 ............................................................................................................... 62 图表 94 光敏陶瓷太阳能电池 ....................................................................................................................................................... 62 图表 95 光学陶瓷种类及应用领域 ............................................................................................................................................... 63 图表 96 光学陶瓷透光率的影响因素及改进措施 ....................................................................................................................... 63 图表 97 光学陶瓷的应用 ............................................................................................................................................................... 64 图表 98 生物陶瓷分类 ................................................................................................................................................................... 64 图表 99 氧化铝基复合微晶陶瓷半成品臼杯部分 ....................................................................................................................... 65 图表 100不同材质间的界面磨损率 ............................................................................................................................................ 65 图表 101“三明治”陶瓷内衬(LIMA，ITALY）及BIOLOX FORTE 内衬（CERAM TEC AG，GERMANY) ............................................. 65 图表 102 氧化锆植入体的应用 ..................................................................................................................................................... 66 图表 103 多功能新型生物活性玻璃材料研究获进展 ................................................................................................................. 67 图表 104 生物玻璃软骨植入物 ..................................................................................................................................................... 68 图表 105LITHOZ 公司制备的可降解陶瓷骨骼植入体样品 ........................................................................................................... 68 图表 106 表面涂覆羟基磷灰石(HA)的人工关节 ......................................................................................................................... 69 图表 107 先进陶瓷制备的几大步骤 ............................................................................................................................................. 70 图表 108 粉体制备的工艺 ............................................................................................................................................................. 71 图表 109 自蔓延燃烧法流程图 ..................................................................................................................................................... 72 图表 110 自蔓延燃烧法装置图 ..................................................................................................................................................... 73 图表 111 气相反应法原理 ............................................................................................................................................................. 73 图表 112 化学气相沉积法生产碳化硅陶瓷粉末 ......................................................................................................................... 73 图表 113 等离子体法制备氮化铝粉末 ......................................................................................................................................... 73 图表 114 激光法制备陶瓷粉末 ..................................................................................................................................................... 73 图表 115 水热法的一般工艺 ......................................................................................................................................................... 74 图表 116 醇盐水解法生产氧化锆的流程 ..................................................................................................................................... 74 图表 117 陶瓷成型工艺的优缺点 ................................................................................................................................................. 75 图表 118 干法成型：干压成型陶瓷产品 ..................................................................................................................................... 76 图表 119 塑性成型：螺旋式注射成型机示意图 ......................................................................................................................... 76 图表 120 液态成型：不同类型的流延机 ..................................................................................................................................... 77 图表 121 热压烧结装置示意图 ..................................................................................................................................................... 78 图表 122 气氛烧结压力炉 ............................................................................................................................................................. 79 图表 123 热等静压炉典型结构 ..................................................................................................................................................... 80 图表 124 微波加热烧结系统 ......................................................................................................................................................... 81 图表 125 放电等离子加热烧结炉 ................................................................................................................................................. 81 图表 126 高压兹曼延燃烧烧结法 ................................................................................................................................................. 82 图表 127 陶瓷材料的主要加工方式 ............................................................................................................................................. 82 图表 128 典型的化学机械抛光原理 ............................................................................................................................................. 83

敬请参阅末页重要声明及评级说明7 / 150 证券研究报告

图表 129 电泳磨削原理 ................................................................................................................................................................. 83 图表 130 电火花线切割装置 ......................................................................................................................................................... 84 图表 131 激光加工装置的基本构造 ............................................................................................................................................. 84 图表 132 超声加工的装置示意图 ................................................................................................................................................. 85 图表 133 陶瓷打孔装置 ................................................................................................................................................................. 85 图表 134 先进陶瓷国内外公司简略 ............................................................................................................................................. 86 图表 135 先进陶瓷产业链 ............................................................................................................................................................. 86 图表 136 中国电子功能陶瓷发展路线图 ..................................................................................................................................... 87 图表 137MLCC 结构示意图 ............................................................................................................................................................. 88 图表 138MLCC 的应用 ..................................................................................................................................................................... 89 图表 139 不同手机对 MLCC 的需求量（颗） ............................................................................................................................... 90 图表 140 全球 5G 手机渗透拉动的 MLCC 需求预测 ..................................................................................................................... 90 图表 1412019-2023 年中国 5G 基站 MLCC 总需求量、增速及预测 ........................................................................................... 91 图表 142 不同汽车单车用 MLCC 量 ............................................................................................................................................... 91 图表 143 汽车领域 MLCC 增量测算 ............................................................................................................................................... 92 图表 1442016-2020 年全球新能源乘用车销量结构 ................................................................................................................... 92 图表 145MLCC 成本拆分 ................................................................................................................................................................. 93 图表 146MLCC 产业链 ..................................................................................................................................................................... 93 图表 1472019 年全球 MLCC 陶瓷粉末市场格局 ........................................................................................................................... 93 图表 148MLCC 产业链中陶瓷粉体及陶瓷电容器相关企业 ......................................................................................................... 94 图表 149 片式电感细分领域使用数量 ......................................................................................................................................... 95 图表 150 电感器产业链结构 ......................................................................................................................................................... 95 图表 151 全球电感终端应用市场占比分布情况 ......................................................................................................................... 96 图表 1522017-2026 年中国电感器件市场规模测算（亿元） ................................................................................................... 96 图表 1532019 年电感器市场竞争格局 ....................................................................................................................................... 97 图表 154 电感产业相关公司 ......................................................................................................................................................... 97 图表 155 压电陶瓷应用范围 ......................................................................................................................................................... 98 图表 156 压电陶瓷产业相关公司 ................................................................................................................................................. 99 图表 157 电子元器件温度与功率密度成正相关 ....................................................................................................................... 100 图表 158 电容器寿命与环境温度符合“十度法则”成反比 ................................................................................................... 100 图表 159 电子元器件可靠性与温度成反比 ............................................................................................................................... 101 图表 160 陶瓷基板种类及其性能 ............................................................................................................................................... 101 图表 161 几种常见陶瓷基板应用对比 ....................................................................................................................................... 103 图表 162 几种常见陶瓷基板性能对比 ....................................................................................................................................... 104 图表 163 各类陶瓷基板 2020 年市场规模及 2026 年预测市场规模（亿美元） ................................................................... 104 图表 164 陶瓷基板产业相关公司 ............................................................................................................................................... 105 图表 165 光在陶瓷内部的传输路径 ........................................................................................................................................... 106 图表 166 四类正畸治疗手段 ....................................................................................................................................................... 107 图表 1672015 年至 2030 年（估計）的全球正畸市场规模（单位：十亿美元） ................................................................. 107 图表 1682015 年至 2030 年（估計）的全球正畸病例 ............................................................................................................. 108 图表 1692015 年至 2030 年（估計）的全球传统正畸市场规模（单位：十亿美元） ......................................................... 108 图表 1702015 年至 2030 年（估計）的中国正畸市场规模（单位：十亿美元） ................................................................. 109 图表 171 陶瓷托槽相关公司 ....................................................................................................................................................... 109 图表 172 纳米微晶玻璃 ............................................................................................................................................................... 110

敬请参阅末页重要声明及评级说明8 / 150 证券研究报告

图表 173 重庆鑫景特种玻璃公司纳米微晶玻璃生产线 ........................................................................................................... 111 图表 174 华为 P 系列产品纳米微晶科技 ................................................................................................................................... 111 图表 175 国内纳米微晶玻璃与苹果超瓷晶玻璃对比 ............................................................................................................... 112 图表 176 苹果 IPHONE 12 使用的超瓷晶玻璃技术 ..................................................................................................................... 112 图表 177 华为纳米晶玻璃、第六代大猩猩玻璃与微晶玻璃、不锈钢、蓝宝石和钢化玻璃部分性能参数比较 ............... 113 图表 178 超瓷晶玻璃防摔能力强 ............................................................................................................................................... 113 图表 179 超瓷晶晶体结构展示 ................................................................................................................................................... 113 图表 180 重庆特玻专利号 CN110002760A 所列纳米晶陶瓷玻璃生产流程 ........................................................................ 114 图表 181 各品牌手机盖板材质演变 ........................................................................................................................................... 115 图表 182 全球 5G 手机渗透拉动的玻璃基板需求预测 ............................................................................................................. 115 图表 183 光纤适配器产品图 ....................................................................................................................................................... 116 图表 184 光通信陶瓷结构件行业产业链 ................................................................................................................................... 117 图表 1852014-2025E 中国光纤光缆市场规模预测（单位：亿元） ....................................................................................... 117 图表 1862015-2019 年中国陶瓷套管、导管、槽管及管子配件进出口金额统计图 ........................................................... 118 图表 1872015-2019 年中国陶瓷套管、导管、槽管及管子配件进出口数量 ....................................................................... 118 图表 188 牙缺失的危害 ............................................................................................................................................................... 119 图表 189 活动义齿、固定义齿及种植牙对比 ........................................................................................................................... 120 图表 190 不同牙冠材料的性能对比 ........................................................................................................................................... 120 图表 191 齿科修复陶瓷材料相关的标准 ................................................................................................................................... 121 图表 192 全国氧化锆义齿存量市场空间及增量市场测算 ....................................................................................................... 122 图表 193 全球义齿主要供应商 ................................................................................................................................................... 123 图表 194 各类骨修复材料的特点 ............................................................................................................................................... 124 图表 195 人工骨修复材料的不同种类的技术路线差异、应用情况等对比 ........................................................................... 125 图表 1962014-2023年我国骨修复材料行业市场规模（亿元） ............................................................................................ 126 图表 197 美国骨科临床获批使用的胶原/羟基磷灰石类人工骨修复材料情况 ..................................................................... 127 图表 198 骨修复领域相关公司 ................................................................................................................................................... 128 图表 199STRAUMANN SNOW 氧化锆陶瓷种植系统 ......................................................................................................................... 129 图表 200使用 STRAUMANN 氧化锆陶瓷种植系统的患者种植期间及种植一年后复诊效果对照图 ......................................... 129 图表 201 植入体领域陶瓷材料相关的标准 ............................................................................................................................... 130 图表 202 氧化铝基复合微晶陶瓷人工关节病例显示假体多年后周围均无骨溶解现象 ....................................................... 131 图表 203 全球骨科关节市场规模 ............................................................................................................................................... 132 图表 2042012-2021E 我国骨科关节植入物市场规模（百万元） ........................................................................................... 133 图表 205 生物陶瓷植入相关公司 ............................................................................................................................................... 133 图表 206 陶瓷材料最耐高温 ....................................................................................................................................................... 134 图表 207 航空发动机选材趋势（重量占比） ........................................................................................................................... 134 图表 208 陶瓷基复合材料之碳化硅纤维和高温合金性能对比 ............................................................................................... 134 图表209同一温度下，压力越大发动力效率越高 .................................................................................................................. 135 图表210效率相同情况该，发动机温度越高，推力越大 ...................................................................................................... 135 图表 211 陶瓷基复合材料在航空领域中的应用 ....................................................................................................................... 135 图表 212 各代航空发动机关键指标及叶片主要材料 ............................................................................................................... 136 图表 2132016-2026 年陶瓷基复合材料市场规模（亿美元） ................................................................................................. 136 图表 214 国外碳化硅陶瓷基复合材料主要厂商 ....................................................................................................................... 137 图表 215 国内碳化硅陶瓷纤维主要厂商及产能 ....................................................................................................................... 137 图表 216 氮化硅陶瓷轴承球 ....................................................................................................................................................... 138

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图表 217 氮化硅轴承和轴承钢性能对照表 ............................................................................................................................... 138 图表 218 新能源汽车轴承 ........................................................................................................................................................... 139 图表 219 氮化硅陶瓷球应用在风力发电轴承座中 ................................................................................................................... 139 图表 220 新能源汽车领域可创造数十亿市场空间 ................................................................................................................... 140 图表 221 国内外陶瓷球相关生产企业 ....................................................................................................................................... 140 图表 222 锂离子电池结构 ........................................................................................................................................................... 141 图表 223 不同涂覆材料的特点和主要应用领域 ....................................................................................................................... 141 图表 224 氧化铝/勃姆石涂覆的功能 ......................................................................................................................................... 142 图表 225 中国2016-2025年无机涂覆膜用量（亿平方米） .................................................................................................. 142 图表 2262019 年全球锂电池用勃姆石/氧化铝出货量分布 ..................................................................................................... 143 图表 227 美国、欧洲、日本及中国重型柴油机法规进程 ....................................................................................................... 143 图表 228 我国重型柴油车尾气限值 ........................................................................................................................................... 144 图表 229 柴油机尾气催化器净化作用及所用主要材料 ........................................................................................................... 144 图表 230 国六阶段蜂窝陶瓷应用情况 ....................................................................................................................................... 145 图表 231 蜂窝陶瓷市场空间测算 ............................................................................................................................................... 146 图表 232氧化铝市场空间测算 .................................................................................................................................................. 146 图表 233 尾气净化产业链 ........................................................................................................................................................... 147 图表 234 蜂窝陶瓷竞争格局 ....................................................................................................................................................... 148 图表 235 助剂及涂层主要企业及技术路线 ............................................................................................................................... 148

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1 先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分

陶瓷是以粘土为主要原料，并与其他天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得 的材料以及各种制品，是陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无 机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的各种制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物，因 此它与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属于“硅酸盐工业”的范畴。

广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料，即无机非金 属材料。陶瓷制品的品种繁多，它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质，以及制 造方法，常常互相接近交错，无明显的界限，而在应用上却有很大的区别。因此，很 难硬性地把它们归纳为几个系统，详细的分类法也说法不一，到现在国际上还没有 一个统一的分类方法。按陶瓷的制备技术和应用领域分类，可分为传统陶瓷材料和 先进陶瓷材料。

传统陶瓷：传统意义上的陶瓷是指以粘土及其天然矿物为原料，经过粉碎 混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品，通常会被称为"普通陶瓷 "或传统陶瓷，例如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷。

先进陶瓷：按化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化
物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分为功 能陶瓷和结构陶瓷两大类。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有电气 性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点，主要包括绝缘和介质陶 瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体及其敏感陶瓷等；结构陶瓷主要基于材料 的力学和结构用途，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点，主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。

图表 1 陶瓷材料可分为传统陶瓷和先进陶瓷

资料来源：CNKI，华安证券研究所

图表 2 先进陶瓷分类

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资料来源：华安证券研究所整理

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1.1 结构陶瓷：极端环境领域最具潜质的优质材料

结构陶瓷凭借其优异的力学性能及热学性能成为陶瓷材料的重要分支，约占整 个陶瓷市场的 30%左右。近二十年来，国家重大工程和尖端技术对陶瓷材料及其制备 技术也提出了更高的要求和挑战：例如航天工业火箭发射中液氢液氧涡轮泵用的氮 化硅陶瓷轴承在低温极端条件下无滑状态下高速运转，要求陶瓷抽承强度高、初性 好、耐磨损、表面加工精度高;核电站主泵用的大尺寸陶瓷密封环需要长寿命高可靠 性，特别是地球卫星拍摄地面目标的对地监测使用的碳化硅陶瓷反射镜，除了高弹 性模量、低热膨胀系数和轻量化，要求高精度超镜面和大尺寸，这对大尺寸结构陶 瓷材料的成型技术、烧结技术、加工技术都是一个挑战;而光通讯中的光纤连接器陶 瓷插芯，其内孔为 125 微米，并且要求极高的表面光洁度与尺寸精度及同心度。

力学性能方面，高熔点及使用温度范围广奠定了陶瓷材料在结构领域中的应用 基础。有机材料大多是分子键结合，金属材料则以金属键结合为主，陶瓷材料主要 以离子键及共价键结合，因而陶瓷材料熔点相较最高。同时陶瓷材料在承受载荷的 长期使用温度也均稳定在 1000℃以上，相较金属材料中，当前使用温度最高的为高 温合金，其使用温度为 1200℃以下，承受载荷情况时使用温度在 1000℃以上。

图表 3 陶瓷耐高温特性：相比有机材料及金属材料，陶瓷材料具有更高的熔点

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 4 陶瓷耐高温特性：绝大多数金属使用温度低于 1000℃，但大部分陶瓷材料使用温度均在 1000℃以上

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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此外，高强度及耐磨性能使得陶瓷材料在结构领域选材中脱颖而出。相较有机 材料及金属材料，在相同密度、比刚度及成本情况下，陶瓷材料的强度最强，因而决 定了陶瓷材料可以更好适用于更加苛刻的环境中，此外，经中南工大粉末冶金研究 所测定，陶瓷材料耐磨性相当于锰钢的 266 倍，高铬铸铁的 171.5 倍。

图表 5 陶瓷材料高强度特性：相同密度情况下，陶瓷材料强度最高

资料来源：世界先进制造技术论坛，华安证券研究所

图表 6 陶瓷材料高强度特性：陶瓷材料兼具高强度及高比刚度双重特性

资料来源：世界先进制造技术论坛，华安证券研究所

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图表 7 陶瓷材料高强度特性：相同成本情况下，陶瓷材料强度最高

资料来源：世界先进制造技术论坛，华安证券研究所

图表 8 陶瓷材料耐磨性能：耐磨性相当于锰钢的 266 倍，高铬铸铁的 171.5 倍

图表 9 陶瓷材料耐磨特性：相比有机材料及金属材料，陶瓷材料具有更高的弹性模量

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

热学性能方面，良好的导热性能、热膨胀性能及抗热震性使得陶瓷材料在许多 应用领域有着金属等其它材料不可替代的地位。相比于有机材料，陶瓷材料及金属 材料的导热性能更好，但在高温情况下，陶瓷材料的热膨胀系数及热应力断裂抵抗 因子低于金属材料，意味着陶瓷材料在高温情况下可以经受住较大的热冲击，是极 端环境中最佳材料。

图表 10 陶瓷材料热学特性：相比有机材料及金属材料，陶瓷材料具有更高的热导率

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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图表 11 陶瓷材料热学特性：陶瓷材料拥有优异的热膨胀系数

资料来源：《高温结构陶瓷研究浅论》，华安证券研究所

图表 12 陶瓷材料热学特性：陶瓷材料拥有优良的抗热冲击断裂性能

资料来源：《高温结构陶瓷研究浅论》，华安证券研究所

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图表 13 陶瓷材料缺点：相较金属材料，陶瓷材料较脆

资料来源：《高温结构陶瓷研究浅论》，华安证券研究所

结构陶瓷材料的致命弱点是脆性。目前结构陶瓷材料的研究及开发已从原先倾 向于单相和高纯度的特点向多相复合的发向发展，其中包括纤维（或者晶须）补强 的陶瓷基复合材料、自补强陶瓷材料及纳米复相陶瓷等等，使得结构陶瓷材料性能 得到了极大的改观。

图表 14 陶瓷材料缺点：断裂韧性较其他材料小，表征为脆性

资料来源：世界先进制造技术论坛，华安证券研究所

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图表 15 陶瓷材料增韧机理示意图

资料来源：《高温结构陶瓷研究浅论》，华安证券研究所

1.1.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主，存在部分共价键，因此具有许多优 良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点，良好的电绝缘性能，特别是具有优异的 化学稳定性和抗氧化性，在工程领域已得到了较广泛的应用。按组分可分为单一氧 化物陶瓷（如氧化铝、氧化铍、二氧化钛陶瓷等）及复合氧化物陶瓷（如尖晶石 MgO·Al2O3，莫来石 3Al2O3·2SiO2、锆钛酸铅 PZT 陶瓷等）。

图表 16 氧化物陶瓷的主要物性

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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氧化铝陶瓷制备方面，目前商用的方法有拜耳法、化学法、烧结片状刚玉法及电 熔刚玉法，其中拜耳法应用最为广泛。拜耳法可制备得到纯度为 99.5%的氧化铝粉 末，但主要含有氧化钠等杂质，后化学法出现，可制备出 99.99%纯度的氧化铝高纯 细粉。

图表 17 日本生产的典型高纯超细氧化铝粉体特性

注：SC-住友化学工业公司；TC-大明化学工业公司；IC-岩谷化学工业公司；BA-拜柯夫斯基公司

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 18 常用氧化铝陶瓷的配方及物性

资料来源：华安证券研究所整理

应用端，氧化铝陶瓷目前可应用于机械领域耐磨器件、电力领域耐高温绝缘结 构件、半导体领域陶瓷基板等。

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图表 19 氧化铝晶体结构及主要应用

资料来源：《现代陶瓷材料选用及设计》，华安证券研究所

图表 20 氧化锆三种晶型

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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氧化锆的传统应用主要是作为耐火材料、涂层和釉料等的原料，但是随着对氧 化锆陶瓷热力学和电学性能的深入了解，使它有可能作为高性能结构陶瓷和固体电 介质材料而获得广泛应用。特别是随着对氧化锆相变过程深入了解， 在 20 世纪 70 年代出现了氧化锆陶瓷增韧材料，使氧化锆陶瓷材料的力学性能获得了大幅度提高，尤其是室温韧性高居陶瓷材料榜首。

制备端，增韧是最核心的目标，最常见的方式就是添加稳定剂。二氧化锆都是 由锆砂和斜锆石矿制得。锆砂以硅酸锆(ZrO2·SiO2)为主要成分，斜锆石矿的主要成 分为 ZrO2，含有少量 SiO2、TiO2等杂质。氧化锆的制备以往全都以上述两种天然矿 物为原料，而工程陶瓷用的易烧结性二氧化锆微粉是以这两种天然矿物制备的锆盐 为原料而制造的。氧化铬有三种晶型：立方相(c)、四方相(t)和单斜相(m)。热力学 观点分析表明，纯氧化锆单斜相在 1170℃以下是稳定的，超过此温度转变为四方相，温度到达 2370℃则转变为立方相，直到 2680-2700℃发生熔化。整个相变过程可逆。当从高温冷却到四方相转变温度时，由于存在相变滞后现象，故大约要在 1050℃左 右，即偏低 100℃才由 t 相转变成 m 相，称之为马氏体相变，与此同时相变会产生 5％-9％的体积膨胀，这一体积变化足以超过 ZrO2晶粒的弹性限度，从而导致材料开 裂。因此从热力学和晶体相变过程来看制备纯 ZrO2 材料几乎是不可能的。为了避免 这一相变，可以来用二价氧化物(CaO，MgO，SrO)和稀土氧化物(Y2O3，CeO2)等的作为 稳定剂与 ZrO2 形成固溶体，生成稳定的立方相结构。不过，这些稳定剂氧化物金属

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图表 23 部分商用氧化锆的力学及热学性能

注：a 对应 2.8%MgO;b 对应 4%CaO;c 对应 5%Y2O3

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

应用端，氧化锆(特别是增韧的)陶瓷由于其优良的性能，已在各工业及技术领 域得到广泛的应用。最主要的是，其凭借优异的力学性能和耐高温性能作为结构材 料，应用于机械工程(做陶瓷刀具、量具、轴承、模具、密封件等)、冶金工业(坩埚、耐火材料、连铸注口、抗压支撑、导辊等)、军事工业(火箭隔热层、防弹装甲板)以 及化学工业、纺织工业、生物工程和日常生活等各方面。

图表 24 氧化锆的应用

资料来源：华安证券研究所整理

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BeO 是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构，由于 BeO 具有纤锌矿型和强 共价键结构，而且相对分子质量很低，因此，BeO 具有极高的热导率，是氧化铝的 10 倍左右，其室温热导率可达 250W/(m·K)，与金属的热导率相当，并且在高温、高频 下，其电气性能、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性俱佳。但 BeO 陶瓷的致命缺点是 其剧毒性，长期吸入 BeO 粉尘会引起中毒甚至危及生命，并会对环境造成污染，这 极大影响了 BeO 陶瓷基片的生产和应用。

图表 25 国内外氧化铍陶瓷主要性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

制备端，纯氧化锆粉料难以烧结，即使采用较低温度的活性氧化铍粉料，烧成 温度仍然很高（达到 1800℃），因此需要引入助烧剂以降低烧结温度，促进致密化。

注：1-纯氧化铍；2-氧化铍+2%氧化铝；3-氧化铍+2%氧化镁 资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

应用端，氧化铍陶瓷具有高的热导率、高的耐火度、良好的核性能以及优良的 电性能，因而可应用于高级耐火材料、原子能反应堆以及各种大功率电子器件和集 成电路等。然而，氧化铍的毒性是不可忽略的，随着世界各国对环境保护的日趋重 视，氧化铍陶瓷的使用今后可能会受到一定的限制和影响。

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图表 28 氧化铍陶瓷应用

资料来源：华安证券研究所整理

氧化镁陶瓷：现代冶金行业的关键材料
氧化镁陶瓷是典型的新型陶瓷，也属于传统的耐火材料。氧化镁本身对碱性金 属溶液有较强的抗侵蚀能力，制备的氧化镁陶瓷坩埚具有优异的化学性能和抵抗金 属侵蚀的稳定性，与镁、镍、铀、铝、钼等不起作用。在氧化气氛或氮气保护下氧化 镁陶瓷可稳定工作到 2400℃，因此氧化镁是现代冶金工业先进工艺中的关键材料。

图表 29 氧化镁坩埚相关参数

资料来源：北科新材官网，华安证券研究所

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图表 30 添加剂对氧化镁陶瓷晶粒尺寸和烧结性的影响

资料来源：瓷录 Ceramats，华安证券研究所

图表 31 氧化镁陶瓷应用

资料来源：华安证券研究所整理

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制备方面，原材料源于矿物或海水，烧结过程需加入添加剂调节性能。自然界 中含镁的化合物很丰富，它以多种矿物形式存在于地壳和海洋之中，如菱镁矿、白 云石、水镁石、滑石等。工业上主要从上述矿物中提取 MgO,近来发展从海水中提取。从矿物或海水中提取 MgO，大多先制成氢氧化镁或碳酸镁，然后经煅烧分解成 MgO，将这种 MgO 通过进一步化学处理或热处理可得到高纯 MgO。制备时对 MgO 原料进行 处理后，按组成进行配料。为了促进烧结以及能使晶粒稍微长大些，同时为了减少 制备的水化倾向，可加入一些添加剂，如 TiO2、Al2O3、V2O3等。如果要求具有高纯度 的 MgO 陶瓷，就不能采用加入添加剂的方法来促进烧结和晶粒长大，而是采用活化 烧结的方法，即将 Mg(OH)2 在适当温度下煅烧，得到具有很多晶格缺陷的活性 MgO，用以制造烧结氧化镁陶瓷。

应用端，氧化镁陶瓷理论使用温度高达 2200℃，可在 1600℃~1800℃长期使用。其高温稳定性及耐腐蚀性能均优于氧化铝陶瓷，且与 Fe、Ni、U、Th、Zn、Al、Mo、Mg、Cu、Pt 等都不起作用，所以其应用范围可包括：钢铁、玻璃等冶炼行业中腐蚀 性条件下的坩埚或者其他耐火材料。MgO 陶瓷可用作冶炼金属的坩埚，在原子能工业 中也适于冶炼高纯度的铀和钍；还可用作热电偶保护套管。利用它能使电磁波通过 的性质，作雷达罩及红外辐射的投射窗口材料等、冶炼金属、合金，如镍合金、放射 性金属铀、钍合金、铁及其合金等的坩埚。压电、超导材料等的原料，并且无污染、耐铅腐蚀等；亦可做陶瓷烧结载体，特别是β-Al2O3等高温下有腐蚀性、挥发性物质 的陶瓷产品的烧结保护。

莫来石：铝硅酸盐组成的矿物统称
莫来石是一种优质的耐火原料，这一类矿物比较稀少。莫来石是铝硅酸盐在高 温下生成的矿物，人工加热铝硅酸盐时会形成莫来石。天然的莫来石晶体为细长的 针状且呈放射簇状。莫来石矿被用来生产高温耐火材料。在 C/C 复合材料中多作为 热障涂层，应用广泛。莫来石 AI2O3-SiO2元系中常压下稳定的二元固溶体，化学式为 AI2O3-SiO2的天然莫来石非常少，通常烧结法或电熔法等人工合成。

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图表 34 莫来石性能

资料来源：CNKI，华安证券研究所

高温工业大规模使用的莫来石按其制备方法分为电熔莫来石和烧结莫来石两大 类。莫来石是一种优质的耐火材料。最早在苏格兰的莫尔岛被发现而被命名。莫来 石的铝和硅的成分是一个范围，其 在常温常压下能够稳定存在。天然的莫来石比较 稀少，通常是通过对铝硅系化合物进行热处理后制备莫来石。莫来石的合成可分为 固相合成(包括传统的溶胶-凝胶(SSG)工艺)，液态合成和气态合成。固态合成和液 态合成的莫来石根据加热处理的温度和铝硅的组成，可以被分为烧结莫来石和熔融 莫来石。烧结莫来石是指将合成莫来石的原料加热到生成少量液相的温度，促进烧 结又不影响其固相烧结，继而保温，使莫来石结晶并发育长大，形成所需要的莫来 石形貌和结构。而熔融莫来石则是将氧化铝和二氧化硅的混合物加热到莫来石熔点 以上，在冷却过程中结晶形成的莫来石。溶胶凝胶法制备莫来石也被称为化学莫来 石，是由化学反应、热分解和莫来石化得到的莫来石，这种方法所制备的莫来石其 性能高度依赖于化合物的纯度、均匀性、结晶温度以及致密度等条件。

图表 35 不同制备方式制备出的莫来石组成

资料来源：CNKI，华安证券研究所

应用端，莫来石制备的耐火新材料，目前广泛应用于马弗炉、煅烧炉、锅炉、回 转窑等高温设备中。由莫来石制备耐高温设备，不仅仅耐高温，而且使用寿命长、耐 腐蚀。莫来石与其他优质的材料进行优势互补，复合合成更加优良性能的耐火材料。如采用堇青石-莫来石复合合成陶瓷窑具材料，制备的材料具有热膨胀系数小、抗热 震性优异、耐火度高、高温稳定性好等优点。此外，莫来石在电性能领域的应用就体 现在其作为一种优秀的基片材料，它具有很低的介电常数，能承担高的线路密度，莫来石陶瓷和莫来石质玻璃-陶瓷复合材料被用作高性能集成电路的优良功能材料。

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图表 36 莫来石应用

资料来源：华安证券研究所整理

1.1.2 氮化物陶瓷

氮化物陶瓷是氮与金属或非金属元素造成的陶瓷，是一类重要的结构与功能材

料。

图表 37 典型氮化物陶瓷的主要性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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氮化物陶瓷具有良好的力学、化学、电学、热学及高温物理性能，在冶金、航空、化工、陶瓷、电子、机械及半导体等行业具有广泛的应用。但许多由氮元素和金属元 素构成的氮化物在高温下不稳定，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为氮化硼，氮化铝，氮化硅等共价结合型。

氮化硅陶瓷：先进陶瓷中综合性能最好的材料之一
随着当代科学技术的发展，航空、航天能源等技术领域对结构材料的要求越来 越高，耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、高强度、高硬度和综合力学性能好的结构材料的开 发和研究已经变得十分重要。Si3N4 陶瓷是先进陶瓷中综合性能最好的材料之一，它 的电学、热学和机械性质十分优良，在氧化气氛中可使用到 1400℃，在中性或还原 性气氛中可使用到 1850℃。它既突出了一般陶瓷材料的坚硬、耐热、耐磨、耐腐蚀 的优点，又具备了抗热震好、耐高温蠕变、自润滑好、化学稳定性能佳等优势，还具 有相对较低的密度以及低的介电常数、介电损耗等优良的介电性能。

氮化硅分子量 140.28，按重量百分比，其中硅占 60.28%，氮占 39.94%。两种元 素电负性相近，氮化硅晶体中 Si-N 之间以共价键结合为主 (其中离子键仅占 30%)，键合强度高。氮化硅没有熔点，在常压下于 1870°C 升华分解，具有高的蒸汽压和 很低的扩散系数。Si 原子与 N 原子以键强很强的共价键结合，导致氮化硅高强度、高硬度、耐高温、绝缘等性能。因为 Si 原子与 N 原子之间强共价键，高温下原子扩 散很慢，所以烧结过程中需加入高温形成液相的添加剂促进扩散，加快烧结致密。

图表 38 氮化硅晶型

资料来源：华安证券研究所整理

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氮化硅陶瓷的性能与烧结方法密切相关。氮化硅的高温力学性能在很大程度上 取决于晶界玻璃相。为了改善氮化硅的烧结性能在原料中加入烧结助剂，高温时烧 结助剂形成玻璃相，冷却后玻璃相存在于晶界处，必须经过晶界工程处理才能保持 和发挥氮化硅的这一高温特性，否则晶界玻璃相在高温下软化造成晶界滑移，对高 温强度、蠕变和静态疲劳中的缓慢裂纹扩展都有很大的影响，晶界滑移速度同玻璃 相的性质（如粘度等）、数量及分布有关。

图表 39 氮化硅陶瓷制品的制造方法

资料来源：CNKI，华安证券研究所

图表 40 不同烧结方法得到氮化硅陶瓷的性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

应用端，Si3N4 陶瓷是一种重要的结构材料，它是一种超硬物质，本身具有润滑 性，并且耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧 化. 而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到 1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂.正是由于 Si3N4陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。其中，利用 Si3N4 重量轻和刚度 大的特点，可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度，产生热量少，而且 能在较高的温度和腐蚀性介质中操作。用 Si3N4陶瓷制造的蒸汽喷嘴具有耐磨、耐热 等特性，用于 650℃锅炉几个月后无明显损坏，而其它耐热耐蚀合金钢喷嘴在同样条 件下只能使用 1-2 个月。

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图表 41 氮化硅应用

资料来源：华安证券研究所整理

氮化铝陶瓷：微电子工业电路基板及封装的理想结构材料
氮化铝(AlN)作为一种新型陶瓷材料，是近年来新材料领域的研究热点之一。虽 然早在一百多年前，AlN 粉末便被合成制得，但由于它固有的难于烧结的缺点，在随 后的几十年中，有关 AlN 的研究并不多，本世纪五十年代，AlN 陶瓷才被第一次制 得，但当时强度很低，限制了其工业应用。至七十年代，致密的氮化铝陶瓷得以制 备，其优良的热传导性、可靠的电绝缘性、耐高温、耐腐蚀、低的介电常数以及与硅 相匹配的热膨胀系数等一系列优良特点才显现出来。尤其是近些年来，随着微电子 技术的迅速发展，电子器件日趋多功能、小型化、高集成度大功率的电子器件工作 时产生大量热量，为了避免电子器件因过热而失效，需要采用具有高热导率的基片 将热量带带。AlN 具有优良的导热性能，是新一代基片的理想材料，在电子工业中的 应用前景十分广阔，其优良的高温耐蚀性、高温稳定性、较高的强度和硬度，使其在 高温结构材料方面的应用也很有潜力。

图表 42 氮化铝的主要性能

资料来源：CNKI，华安证券研究所

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资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 45 氮化铝陶瓷应用

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

资料来源：华安证券研究所整理

氮化铝作为共价键化合物，难以进行固相烧结，通常采用液相烧结机制，即向 氮化铝原料粉末中加入能够生成液相的烧结助剂，并通过溶解产生液相，促进烧结。

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作为一种人工合成的材料，氮化铝陶瓷的制备过程通常是先合成氮化铝粉体，再将 得到的粉体烧结制备成陶瓷。由于氮化铝中的铝-氮键（Al-N）具有较高的共价键成 分，所以氮化铝的熔点高，自扩散系数小，烧结活性低，因此是一种难烧结的陶瓷材 料。据中国粉体网编辑了解，当氮化铝粉体纯度较高时，非常难以通过烧结达到完 全致密，在陶瓷晶粒中或晶界处均有气孔存在，这极大地限制了氮化铝陶瓷的实际 应用。引入合适的烧结助剂，一方面可以与 AlN 表面氧化形成的 Al2O3反应生成较低 熔点的第二相，由于液相表面的张力作用，促进 AlN 晶粒的重排，加速烧结体致密 化进程。另一方面形成的第二相冷却后，淀析凝结在晶界上，减少了高温下氧进入 晶格的可能，起到净化晶格，提高热导率的作用。目前常用的烧结助剂主要为氧化 物和氟化物，氧化物主要为 Y2O3，Sm2O3，La2O3，Dy2O3，CaO；而氟化物有 CaF2，YF3等。其中 Y2O3驱氧能力强，稳定性好等综合性能优越，成为最常用的烧结助剂；而 CaO 由 于液相形成温度较低，在低温烧结中的作用比较明显。

应用端，氮化铝陶瓷室温比较强度高，且不易受温度变化影响，同时具有比较 高的热导系数和比较低的热膨胀系数，是一种优良的耐热冲材料及热交换材料，作 为热交换材料，可望应用于燃气轮机的热交换器上。此外，氮化铝陶瓷是一种高温 耐热材料，其热导率高，较氧化铝陶瓷高 5 倍以上，膨胀系数低，与硅性能一致。使用氮化铝陶瓷为主要原材料制造而成的基板，具有高热导率、低膨胀系数、高强 度、耐腐蚀、电性能优、光传输性好等优异特性，是理想的大规模集成电路散热基板 和封装材料。随着电子信息产业技术不断升级，PCB 基板小型化、功能集成化成为趋 势，市场对散热基板与封装材料的散热性与耐高温性要求不断提升，性能相对普通 的基板材料难以满足市场需求，氮化铝陶瓷基板行业发展迎来机遇。

氮化硼陶瓷：陶瓷材料中的软质陶瓷，机械加工性能好
氮化硼问世于 100 多年前，最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼，h—BN 不仅结构而且其性能也与石 墨极为相似，且自身洁白，所以俗称白石墨。氮化硼（BN）陶瓷是早在 1842 年被人 发现的化合物。国外对 BN 材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作，直到 1955 年解决了 BN 热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投 入了生产，1960 年已生产 10 吨以上。1957 年 R·H·Wentrof 率先试制成功 CBN，1969 年美国通用电气公司以商品 Borazon 销售，1973 年美国宣布制成 CBN 刀具。1975 年日本从美国引进技术也制备了 CBN 刀具。1979 年 Sokolowski 首次成功采用 脉冲等离子体技术在低温低压卜制备崩 c—BN 薄膜。20 世纪 90 年代末，人们已能够 运用多种物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的方法制备 c—BN 薄膜。它有良 好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度，是理想的散热材料和高温绝缘材 料。氮化硼的化学稳定性好，能抵抗大部分熔融金属的浸蚀。它也有很好的自润滑 性。氮化硼制品的硬度低，可进行机械加工，精度为 1/100mm。

图表 46 氮化硼陶瓷加工性能好

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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制备端，共价键化合物一般采取添加烧结助剂的办法，BN 常用的烧结助剂有 B2O3、 Si3N4、ZrO2、SiO2、BaCO3等。目前氮化硼粉体的制备方法有很多，根据其原理大致可 以分为两大类：其中一类是合成法，主要有高温合成法、溶剂热合成法、模板法和化 学气相沉积法(CVD)等；而另一类是剥离法，包括液相超声剥离法、激光蚀刻剥离法、机械球磨法等。随着对氮化硼的研究不断深入，一些纳米结构的氮化硼的性质逐渐 被发现。一方面纳米粉体比表面能高，烧结活性高，可以有效地促进 h-BN 陶瓷的致 密化；另一方面，以纳米粉体作为原料，可以降低烧结温度，减小陶瓷烧结体晶粒尺 寸，提高陶瓷的韧性，增强 h-BN 陶瓷的力学性能，为 h-BN 陶瓷工业化大规模应用 奠定基础。

图表 47 不同烧结方法制备的氮化硼陶瓷性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 48 氮化硼陶瓷应用

资料来源：华安证券研究所整理

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应用端，氮化硼可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热 绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成形模具等。通常制得的氮化硼是石墨型 结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨 型氮化硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼 中 B－N 键长（156pm）与金刚石在 C－C 键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用 于制作钻头、磨具和切割工具。

赛隆陶瓷：陶瓷材料中的软质陶瓷，机械加工性能好 
赛隆（sialon）是由 Si、Al、O、N 四种元素的合成词，音译为“赛隆”。赛隆陶 瓷是 Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2 系列化合物的总称，是在 Si3N4 陶瓷基础上开发出的一种 Si-N-O-Al 致密多晶氮化物陶瓷，由 Al2O3中的 Al 原子和 O 原子部分置换 Si3N4中的 Si 原子和 N 原子形成。赛隆陶瓷由日本的 Oyama 和 Kamigaito（1971 年）及英国的 Jack 和 Wilson（1972 年）发现，他们在对氮化硅陶瓷各种添加剂的研究中发现了金 属氮化物中的固溶体，即在 SiO2-Al2O3 系统中发现了 Si3N4 的固溶体，这能有效地促 进烧结，从而发现了 sialon（赛隆）。赛隆陶瓷的主要类别有β’-sialon、α’-sialon、O’-sialon 三种，尤其以前两种最为常见。

图表 49 赛隆陶瓷性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 50 赛隆陶瓷及其他陶瓷性能对比

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

制备端，在制备赛隆陶瓷时应选择超细、高α相的 Si3N4粉末，采用适当的工艺 措施控制其晶界相的组成和结构，才能获得性能优异的材料。由于赛隆陶瓷有很宽 的固溶范围，可通过调整固溶体的组分比例按预定性能对赛隆陶瓷进行组成设计，

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通过添加剂加入量的适当调节可以得到最佳α-sialon 和β-sialon 的比例，获得最 佳强度和硬度配合的材料。赛隆陶瓷通常采用无压烧结或热压烧结，在 1600-1800℃的惰性气氛中烧结，可获得接近理论密度的赛隆陶瓷烧结体，主要的添加剂为 MgO、Al2O3、AlN、SiO2等。同时，添加 Y2O3、Al2O3能获得强度很高的赛隆陶瓷。此外，加 入 Y2O3可降低赛隆陶瓷的烧结温度。常压烧结赛隆陶瓷的制造工艺是将 Si3N4粉与适 量的 Al2O3 粉及 AlN 粉共同混合，成型之后在 1700℃的 N2 气氛中烧结。固溶体的性 质随其组成和处理温度而异。

图表 51 不同晶型赛隆陶瓷的物性

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 52 稳定剂离子半径对赛隆陶瓷的性能影响

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

应用端，赛隆陶瓷作为一种性能优异的新型高温结构陶瓷，在军事工业、航空 航天工业、机械工业和电子工业等方面都有广阔的应用前景。赛隆陶瓷硬度高、耐

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磨性能好，已在机械工业上用于制造轴承、密封件、焊接套筒和定位销及磨损件等。赛隆陶瓷还可以用作连铸用的分流换、热电偶保护套管、晶体生长器、坩埚、高炉下 部内衬、铜铝合金管拉拔芯棒，以及滚轧、挤压和压铸用模具材料。赛隆陶瓷还可以 用来制作切削工具，其热硬性优于 WC-Co 硬质合金和氧化铝，刀尖温度大于 1000℃时仍可进行高速切削。塞隆陶瓷还可制作透明陶瓷（高压钠灯灯管、高温红外测温 仪窗口），以及用作生物陶瓷、制作人工关节等。

图表 53 赛隆陶瓷的应用

资料来源：华安证券研究所整理

1.1.3 碳化物陶瓷

碳化物陶瓷以其优良的高温力学性能、高温抗氧化性能、耐蚀耐磨性能和特殊 的电、热学等性能而倍受人们的青睐。作为一类新型工程陶瓷材料，碳化物陶瓷展 现了极为广阔的应用前景，并由此可能推动一些相关科技的进步, 具有重要的研究

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价值。然而，碳化物陶瓷的研究进展和应用并不如人们想象的那么顺利，存在的主 要问题：一是制造的成本高，二是制品性能的可靠性和重现性差。为了研制具有工 业应用价值的高性能和高可靠性产品，必须进一步提高它们的综合性能。从研究结 果看，碳化物复相陶瓷或其复合材料比单一材料具有更优异的性能。另外，以超细 粉末制备的纳米材料，同样具有很好的应用和研究价值，这些都有可能成为今后碳 化物陶瓷发展的主要方向。另外，为了获得组成和结构更均匀的复相陶瓷，已开始 了“组成－结构－性能”的计算机辅助设计。

目前，碳化物陶瓷的研究热点是纳米级复合材料合成和高温自蔓燃（SHS 法）纳 米复相陶瓷。在粉末的制备技术方面，溶胶－凝胶法（Sol－Gel 法）、化学气相法（CVD 法）和高温自蔓燃（SHS 法）合成三足鼎立；从低成本和实用化来看，无机溶 胶－凝胶法（Sol－Gel 法）和高温自蔓燃（SHS 法）合成较为优势；在成形技术方 面，胶态分散成形、注浆成形和等静压成形引人注目；在烧结技术方面，除刀具外，一般更倾向于常压烧结或气氛烧结。

图表 54 碳化物陶瓷的基本物理特性

资料来源：CNKI，华安证券研究所

碳化硅陶瓷：既古老又新型的陶瓷材料
碳化硅是一种人造材料，只是在人工合成碳化硅之后，才证实陨石中及地壳上 偶然存在碳化硅，碳化硅的分子式为 SiC，分子量为 40.07，质量百分组成为 70.045 的硅与 29.955 的碳，碳化硅的理论密度为 3.16-3.2g/cm 3。

SiC 是以共价键为主的共价化合物，由于碳和硅两元素在形成 SiC 晶体时，它的 基本单元是四面体，所有 SiC 均由 SiC 四面体堆积而成，所不同的只是平行结合和 反平行结合，从而形成具有金刚石结构的 SiC。SiC 共有 75 种变体，如 3C-SiC、4H-SiC、15R-SiC 等，其中α-SiC、β-SiC 最为常见。β-SiC 的晶体结构为立方晶系，Si 和 C 分别组成面心立方晶格；α-SiC 存在着 4H、15R 和 6H 等 100 余种多型体，其中，6H 多型体为工业应用上最为普遍的一种。在 SiC 的多种型体之间存在着一定 的热稳定性关系，在温度低于 1600℃时，SiC 以β-SiC 形式存在。当高于 1600℃时，β-SiC 缓慢转变成α-SiC 的各种多型体。4H-SiC 在 2000℃左右容易生成；15R 和 6H 多型体均需在 2100℃以上的高温才易生成；对于 6H-SiC，即使温度超过 2200℃，也是非常稳定的。SiC 中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶 也会引起多型体之间的热稳定关系变化。

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图表 55 碳化硅不同晶型

资料来源：中关村天合宽禁带联盟，华安证券研究所

图表 56 碳化硅合成路径

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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制备端，在工业生产中，用于合成 SiC 的石英砂和焦炭通常含有 Al 和 Fe 等金 属杂质。其中杂质含量少的呈绿色，被称为绿色碳化硅；杂质含量多的呈黑色，被称 为黑色碳化硅。一般碳化硅含量愈高、颜色愈浅，高纯碳化硅应为无色。SiC 是强 共价键结合的化合物， 烧结时的扩散速率相当低，即使在 2100 ℃的高温下，C 和 Si 的自扩散系数也仅为 1.5×10-10cm 2/s 和 2.5×10-13cm 2/s。所以，很难烧结 SiC，必须借助添加剂形成特殊的工艺手段促进烧结。目前制备高温 SiC 陶瓷的方法主要 有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等。

常压烧结被认为是 SiC 烧结最有前途的烧结方法，通过常压烧结工艺可以制备 出大尺寸和复杂形状的 SiC 陶瓷制品。

图表 57 碳化硅陶瓷与其它高温结构陶瓷的物理性能比较

资料来源：CNKI，华安证券研究所

图表 58 碳化硅陶瓷的烧结方法及性能

资料来源：CNKI，华安证券研究所

应用端，SiC 的最初应用是由于其超硬性能，可制备成各种磨削用的砂轮、砂布、砂纸以及各类磨料，因而广泛应用于机械加工行业。第二次世界大战中又发现它还 可以作为炼钢时的还原剂以及加热元件，从而促进了 SiC 的快速发展。SiC 陶瓷在石 油、化工、微电子、汽车、航天、航空、造纸、激光、矿业及原子能等工业领域获得 了广泛的应用，碳化硅已经广泛应用于高温轴承、防弹板、喷嘴、高温耐蚀部件以及 高温和高频范围的电子设备零部件等领域。

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图表 59 碳化硅陶瓷的应用

资料来源：华安证券研究所整理

碳化硼陶瓷：仅次于金刚石、立方氮化硼的超硬材料
碳化硼（B4C)是一种重要的工程陶瓷材料，其最突出的优点就是高硬度和低密度：常温下其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，高温下其恒定的硬度(>30GPa)甚至优于 金刚石和立方氮化硼；而密度仅有 2.52g/cm 3，远小于 Al2O3，SiC 等其他结构陶瓷。同时，碳化硼陶瓷还具有高模量、良好的耐磨性、优异的中子吸收性能、高熔点（2450℃）、良好的热电性、优越的抗化学侵蚀能力等特点。

图表 60 碳化硼陶瓷晶体结构

资料来源：耐火材料网，华安证券研究所

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图表 61 碳化硼物理性能与力学性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 62 国外三家大公司制备的碳化硼陶瓷性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

制备端，无压烧结碳化硼陶瓷材料是一种大批量生产形状复杂零件的工艺方法，但其对粉末存在过于苛刻的条件，烧结温度高且烧结温度范围窄，因此在大批量生 产中工艺参数难以控制，制品的性能也参差不齐。随着陶瓷烧结助剂的进一步研究，无压烧结技术仍将不断改善。热压烧结由于将外界施加的压力与表面能一同作为碳 化硼烧结的驱动力，因此具有降低烧结温度的作用，在其基础上利用惰性气体施加 压力的热等静压烧结应运而生，解决了其无法显著降低烧结温度以及难以制作复杂 零件的痛点。液相烧结作为较新的致密化烧结技术，使得碳化硼的相对密度甚至达 到 100％，但是其内在机理的研究仍亟待进行。

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图表 63 氧化铝添加剂对碳化硼陶瓷的性能影响

资料来源：华安证券研究所整理

图表 64 碳化硼陶瓷应用

资料来源：华安证券研究所整理

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应用端，碳化硼陶瓷具有优秀的性能，而且随着烧结技术的不断发展，其性能 还在不断提升，性能越来越突出，当前碳化硼陶瓷在高温、高速、强腐蚀介质等条件 下具有重要应用，已经被广泛的应用于国防、核能、耐磨技术和温差电偶等诸多领 域，具有较高的应用价值。但是当前碳化硼陶瓷还存在成本较高、烧结温度高、断裂 韧性低和对金属稳定性差等方面的问题，这些问题制约了碳化硼陶瓷的进一步应用，因此对碳化硼陶瓷的结构和性能进行调控，改进烧结技术，对其结构性提高其性能 的同时，降低成本，对扩大其应用范围非常重要。

1.1.4 低膨胀陶瓷

陶瓷材料有不一样的膨胀特性，根据材料热膨胀系数的大小，可将陶瓷材料分 为三类，分别是低膨胀类、中膨胀类和高膨胀类：高膨胀类热膨胀系数＞8×10-6/℃的 BeO、Al2O3、MgO、MgO·Al2O3、稳定 ZrO2等;中膨胀类热膨胀系数＝2×10-6/℃-8×10-

6/℃的 SiC、SnO2、3Al2O3·2SiO2、ZrSiO4 等;低膨胀类热膨胀系数＜2×10-6/℃的 2MgO·2Al2O3·5SiO2、Al2O3·TiO2、2ZrO2·P2O5、Nb2O5等。

堇青石陶瓷：仅次于金刚石、立方氮化硼的超硬材料
堇青石的化学式为 2MgO2·Al2O3·5SiO2（MgO2 13.7wt%，Al2O3 34.9wt%，SiO2 51.4wt%），其熔点为 1460℃。堇青石材料具有低膨胀特性（热膨胀系数为 210-6/℃左右）和低介电性能，还具有良好的耐高温性、化学稳定性等，因此被广泛应用在耐 火材料、火焰喷嘴、热交换器和耐热瓷等高温领域。工业上所使用的堇青石大多为 人工合成。

图表 65 堇青石陶瓷的性能对比

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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图表 66 标堇青石成分对热膨胀系数有重要影响

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

为了满足各种实际需求，人们通过各种途径合成堇青石。应用最广泛的是固相 合成法，此外还有玻璃反玻化法、溶胶-凝胶法、水解-沉淀法。通过这些方法均可以 制备出符合实际应用的堇青石相关产品，并不断从实际生产与应用中改善工艺、降 低成本、提高产量、开发新产品，以满足堇青石的市场需求。

图表 67 杂质含量对堇青石陶瓷的热膨胀系数的影响

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

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图表 68 康宁公司超低热膨胀系数堇青石配方及性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

堇青石具有较低的热膨胀系数，是优良的高温抗热震材料，被广泛用作陶瓷窑 棚板、匣钵、电子封装材料、催化剂载体、泡沫陶瓷、生物陶瓷和高温热辐射材料 等。由于堇青石的低热膨胀性，可以大大延长匣体(陶瓷烧成的封装材料)的寿命，因此，堇青石最初用于匣钵。随后又用于隧道窑的棚板和支架材料，从而可以使生 产周期大大缩短。轻质堇青石材料，导热系数低，使用温度高而直接用在火焰上面，达到高效节能的效果。此外，堇青石陶瓷可应用于汽车尾气净化方面，作为催化剂 载体。由于堇青石具有较低的膨胀系数和良好吸附性等特点，堇青石制成的催化剂 载体可使催化剂更好地吸附和分散到载体上，而且由于其热导率较低，可以使催化 剂能快速地达到活化温度，使用效果较佳。

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图表 69 堇青石陶瓷应用

资料来源：华安证券研究所整理

钛酸铝陶瓷：兼具高熔点及热膨胀系数的陶瓷材料
钛酸铝陶瓷是一种集高熔点 （1860±10℃） 和低热膨胀系数 （0～1.5×10-6/℃， RT～1000℃）于一身的优异材料，因此它具有极其优良的抗热震稳定性，耐火度高、隔热性能好，并且它还耐腐蚀、耐碱、抗渣，广泛应用于钢铁、化工、陶瓷等许多工 业领域。但该材料也存在着两大致命弱点：一是在 750～1300℃温度区间易分解成 金红石和刚玉相，失去其优良的低膨胀性能，限制了其应用；二是晶体冷却时内 部会产生大量微裂纹，造成机械强度低的缺陷。

钛酸铝为假板钛矿结构族化合物,属正交晶系,其晶体在不同方向上的热膨 胀系数显著不同, 因此在烧成冷却后,由于内部应力过大, 在内部产生大量的微 裂纹。在钛酸铝晶体结构中,每个铝离子和钛离子被形成八面体的六个氧原子所 包围而位于八面体的中心,这些 TiO6或 A1O6在 a 轴、b 轴方向上,以共用边相连。在 c 轴方向上,3 个八面体的顶点连接起来形成连续的链,各链条在空间无限延 伸,相互交叉联结,形成空间网状结构,这在宏观上表现出较低的热膨胀系数, 但 同时也使烧结体的强度大大降低。

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图表 70 钛酸铝理论组成为 56.1%的氧化铝及 43.9%的氧化钛

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 71 国外工业用钛酸铝陶瓷相关参数

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

制备端，粉体的合成方法可以归纳为固相法、金属或者金属醇盐水解物的液相 法和化学气相法。但由于钛酸铝材料的特点,为了对钛酸铝改性抑制它的热分解,改 善热稳定性和降低它的各向异性,减少微裂纹,改善其机械性能,烧结过程通常引入 添加剂。国内外钛酸铝改性用到的添加剂有 Li2O、B2O、Cr2O3、La2O3、CeO2、SiC、Si3N4、SiO2、MgO、F2O3、ZrO2以及 FeTiO3+Fe2O3等。

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图表 72 氧化铁添加剂加入量对钛酸铝陶瓷热解的抑制作用

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 73 钛酸铝陶瓷的应用

资料来源：华安证券研究所整理

应用端，钛酸铝陶瓷具有较高的熔点(1860℃±10℃)、较低的热膨胀系数(RT～

1000℃、α<2.0×10-6℃) ,且具有极其优良的抗热震稳定性ΔT≥1250℃;另外,还具

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有抗渣、耐蚀、耐碱与许多金属熔体及玻璃熔液不润湿的特性。所以,钛酸铝陶瓷可 作为功能陶瓷及高级耐火材料广泛应用于耐高温、抗热震、耐腐蚀等条件苛刻的环 境中。钛酸铝陶瓷及其耐火材料的应用范围比较广泛,如有色金属冶炼用熔液流槽、坩埚、测温保护管、过滤器,熔融有色金属容器内壁涂料及其不定形耐火材料衬里, 汽车尾气净化处理用蜂窝状催化剂载体,铝铸轧净化气用转子、升液管等。

石英陶瓷：玻璃相为主的陶瓷材料
熔融石英陶瓷也称作石英陶瓷, 最早由美国 Georgia 理工学院在 20 世纪 60 年 代研制成功并于 1963 年实现产业化,是一种以熔融石英或者石英玻璃为原料,经过 粉碎 、成型、烧结等工艺而制成的烧结体。熔融石英陶瓷具有热稳定性好、热膨胀 系数小、介电常数低、耐酸碱腐蚀性好、电绝缘性好、成本低等一系列优异性质。

图表 74 国内外石英陶瓷的相关性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 75 不同温度和烧结条件下浇注熔融石英陶瓷的性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

制备端，在国内外石英陶瓷的生产中,一般普遍采用注浆成型工艺, 也有离心浇 注成型、蜡浇注成型、等静压成型、捣打成型等工艺。然而采用上述工艺制备的制品 中普遍存在着显微结构不均匀、难以制作形状复杂的制品、生产周期长、成本高 、效率低等缺点。例如采用压制成型的石英陶瓷坯体存在强度不高、易破碎开裂、烧 成后的坯体变形大、致密度低等不足,难以适应大批量工业化生产的需要。目前石英 陶瓷比较成熟的成型工艺为振动压力注浆成型工艺和凝胶注模成型工艺。烧结方面，石英陶瓷普遍采用常压烧结, 即在常压下, 石英陶瓷坯体在高温的作用下通过介质 扩散形成致密体。石英陶瓷在烧结过程中关键要注意防止石英原料的非晶态遭到破 坏。例如当石英陶瓷采用振动压力注浆成型或凝胶注模成型工艺时,一般来说在低温

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阶段要缓慢升温,这样有利于硅胶的脱水及坯体中有机物的排除。而在高温阶段应当 快速升温,并在烧结完成后进行快速冷却, 以避免形成晶态方石英。此外，由于石英 陶瓷的烧结温度不能过高, 所以在烧结过程中石英陶瓷收缩不到 5%,通常存在 10% 左右的气孔率, 因此石英陶瓷存在密度低和强度差的问题,而引入少量的添加剂是 改善石英陶瓷的烧结性能、提高其密度和强度的常用方法。

应用端，石英陶瓷有着其它陶瓷制品诸多无法比拟的特性,因此具有广阔的应用 前景,是一种极具发展潜力的陶瓷材料。美国、法国、德国、日本等对熔融石英陶瓷 研究较早,在石英陶瓷生产和应用方面仍居世界领先水平。目前石英陶瓷主要作为耐 火材料及中等温度下的能抗拒温度剧变的结构材料使用,并可根据使用条件的不同, 生产出具有不同性能特点的石英陶瓷制品,既有高致密度、高强度的结构材料制品, 也有低密度、高气孔的隔热保温制品及泡沫石英制品。

图表 76 石英陶瓷的应用

资料来源：华安证券研究所整理

锂质陶瓷：无膨胀和低膨胀的陶瓷材料
锂辉石的化学组成 LiAl，其中 LiO2 的理论含量为 8.03%。熔点 1420℃，有α和β两种晶型。锂辉石的化学组成较稳定，常有少量 Fe 3+、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，部分溶于 HCl、H2SO4及 HNO3中，抗腐蚀性强。

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图表 77 锂质陶瓷类型

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

制备端，锂质低膨胀陶瓷可以是单一的β-锂辉石固溶体或者透锂长石固溶体为 晶相，也可以是β-锂辉石或者透锂长石与其他晶相构成的多项材料，通常根据相图，以锂辉石（或者碳酸锂）、高岭土（或黏土）、石英为原料进行配料，成型后于高温下 固熔烧结，使其生成β-锂辉石固溶体。

图表 78 锂辉石低膨胀陶瓷的配方与材料性能

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

应用端，在抗热震陶瓷材料体系中，锂质陶瓷材料因 β-锂辉石具有独特的螺 旋链状结构、稳定的结构、极低的膨胀系数，广泛应用于窑具、感应加热部件、耐热 微晶陶瓷面板、高温夹具、内燃机部件以及要求尺寸很稳定的高精度电子元部件等 使用环境严苛的众多领域。

1.2 功能陶瓷：现代科学技术先行领域的关键材料

功能陶瓷是利用光、热、力、声、磁、电等直接效应及耦合效应的一种先进材料。

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功能陶瓷经历了电介质陶瓷、压电铁电陶瓷、半导体陶瓷、高温超导陶瓷等一系列 的过程，目前在微电子技术、电子技术、激光技术、自动化技术、光电子技术、通信、环保、能源和生物医药等领域得到广泛应用，成为推动我国科技发展的重要功能性 材料。当前功能陶瓷正朝着智能化、小型化、复合化、多功能化和材料、设计、工艺 一体化的方向进一步的发展。

图表 79 陶瓷材料及其他材料室温电阻率对比

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

图表 80 电介质材料（包括介电陶瓷）具有透明性

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

小型化、低损耗化、复合化、多功能化、智能化将是未来新型功能陶瓷材料的发 展趋势。由于电子产品有向轻、薄、小发展的趋势，这就要求材料、损耗必须越来越

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小，当材料尺寸达到纳米级，表面、量子效应会显著加强，会产生独特的光、热、电 等特性，从而使材料产生一些新的功能。随着科技的发展，对材料的功能也要求越 来越高，单一材料往往难以满足，可以通过离子掺杂、材料复合等手段开发出综合 的功能材料。智能材料是功能陶瓷发展的更高阶段，它是人类社会的需求和现代科 学技术发展的必然结果。

1.2.1 电介质陶瓷

电介质陶瓷即是指电阻率大于 10 8Ω˙m 的陶瓷材料，能够承受较强的电场而不 被击穿。在静电场或者交变电场中使用时，通常用体积电阻率、介电常数和介电损 耗等参数来对其性能进行评价。根据参数的不同，可分为电绝缘陶瓷和电容器介质 陶瓷等两大类。

图表 81 陶瓷材料极化形式

资料来源：《结构陶瓷》，华安证券研究所

电绝缘陶瓷：在电子设备中作为安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及链 接各种无线电子元件及器件的陶瓷材料
电绝缘陶瓷也称之为绝缘装置瓷，具有优良的电绝缘性能，用于电子设备和器 件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨 架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。

图表 82 电绝缘陶瓷材料的种类

资料来源：《功能陶瓷材料及制备工艺》，华安证券研究所

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图表 83 电绝缘陶瓷材料的应用

资料来源：华安证券研究所整理

瓷介电容器陶瓷：电子设备中不可缺少的零部件
陶瓷电容器是目前飞速发展的电子技术的基础之一，今后随着集成电路、大规 模集成电路的发展，陶瓷电容器将迎来繁荣发展。陶瓷电容器的用途可以分为低频 高介电容器瓷、高频热补偿电容器瓷，高频热稳定电容器瓷和高压电容器瓷等，按 照结构及机理可分为单层和多层（即独石电容器）以及内边界电容器，按照电容器 的材料性质则可分为非铁电电容器陶瓷、铁电电容器陶瓷、反铁电电容器陶瓷及半 导体电容器陶瓷。1970 年，随着混合 IC、计算机、以及便携电子设备的进步，陶瓷 介质电容器也随之迅速的发展起来，成为电子设备中不可缺少的零部件。现在的陶 瓷介质电容器的全部数量约占电容器市场的 70%左右。

电容器陶瓷的主要应用领域是无源电子元件。MLCC 是目前用量最大的无源元件 之一，主要用于各类电子整机中的振荡、耦合、滤波旁路电路中，其应用领域涉及自 动仪表、数字家电、汽车电器、通信、计算机等行业。MLCC 的主流发展趋势是小型 化、大容量、薄层化、贱金属化、高可靠性，其中内电极贱金属化相关技术在近年来 发展最为迅速，采用贱金属内电极是降低 MLCC 成本的最有效途径，而实现贱金属 化的关键技术是发展高性能抗还原钛酸钡瓷料。未来的发展趋势是制备出颗粒尺寸≤ 150 nm 的钛酸钡材料作为 MLCC 介质层的主晶相材料。

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图表 84 电容器介电陶瓷种类

资料来源：《功能陶瓷及应用》，华安证券研究所

图表 85 非铁电电容器陶瓷的密度、介电常数和介电常数温度

资料来源：《功能陶瓷及应用》，华安证券研究所