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新型无机非金属材料之碳化硅陶瓷行业发展分析


【介绍】

  碳化硅陶瓷,即以碳化硅(SiC)为主要成分的陶瓷制品。碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能,如抗弯强度、抗氧化性、耐腐蚀性、抗磨损性以及较低的摩擦系数等,而且高温力学性能是已知陶瓷材料中最佳的,如热压烧结、无压烧结、热等静压烧结等工艺生产的碳化硅陶瓷制品,其高温强度可一直维持到1600℃,是所有陶瓷材料中高温强度最好的材料,广泛应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁、造纸、激光等工业领域。

  图片源于网络相关报告:北京普华有策信息咨询有限公司《2019-2026年全球及中国碳化硅陶瓷行业发展前景预测报告》(2)碳化硅陶瓷烧结工艺碳化硅陶瓷主要原材料为碳化硅微粉。碳化硅在地球上几乎不存在,仅在陨石中有所发现,因此,工业上应用的碳化硅微粉都为人工合成。目前,合成碳化硅微粉的主要方法有Acheson法、化合法、热分解法和气相反相法等。Acheson法是工业上采用最多的合成方法,即用电将石英砂和焦炭的混合物加热至2500℃左右高温反应制得。因石英砂和焦炭中通常含有铝和铁等杂质,在制成的SiC中都固溶有少量杂质,其中杂质少的呈绿色,杂质多的呈黑色。SiC是一种典型的共价键结合的稳定化合物,加上它的扩散系数低,很难用常规的烧结方法达到致密化,必须通过添加一些烧结助剂以降低表面能或增加表面积,以及采用特殊工艺处理来获得致密的碳化硅陶瓷。按烧结工艺来划分,碳化硅陶瓷可以分为重结晶碳化硅陶瓷、反应烧结碳化硅陶瓷、无压(常压)烧结碳化硅陶瓷、热压烧结碳化硅陶瓷、高温热等静压烧结碳化硅陶瓷等。①反应烧结碳化硅陶瓷碳化硅反应烧结的工艺过程为先将α-SiC粉和石墨粉按比例混匀,经干压、挤压或注浆等方法制成多孔坯体。在高温下与液态硅接触,坯体中的碳与渗入的硅反应,生成β-SiC,并与α-SiC相结合,过量的硅填充于气孔,从而得到无孔致密的反应烧结体。反应烧结SiC通常含有8%的游离硅。因此,为保证渗硅的完全,素坯应具有足够的孔隙度。一般通过调整最初混合料中α-SiC和碳的含量、α-SiC的粒度级配、碳的形状和粒度以及成型压力等手段来获得适当的素坯密度。②无压(常压)烧结碳化硅陶瓷碳化硅的无压(常压)烧结是美国科学家首先发明的,在亚微米级的β-SiC中添加少量的硼与碳,实现碳化硅无压烧结,制得接近理论密度95%的致密烧结体。随后科学家证实采用α-SiC为原料,添加硼、碳同样可以使碳化硅致密化。固相烧结的碳化硅,晶界较为“干净”,高温强度并不随温度的升高而变化,一般能用到1600℃,强度不发生变化。③重结晶碳化硅陶瓷经净化处理的碳化硅微粉和超微粉,混入一定量的结合剂,利用泥浆浇注法制成坯体密度很高的碳化硅成形件,坯体在隔绝空气的条件下用电炉于高达2500℃时烧成。在2100℃以上温度时产生蒸发和凝聚作用,碳化硅颗粒之间再结晶形成无收缩自结合结构,烧前和最终密度保持不变,碳化硅含量达99%。重结晶碳化硅制品,具有很高的热态机械强度、导热率、耐热震性及抗氧化性,是一种优质的碳化硅陶瓷。④热压烧结碳化硅陶瓷50年代中期,美国Norton公司就开始研究硼、镍、铬、铁、铝等金属添加物对SiC热压烧结的影响。实验表明:铝和铁是促进SiC热压致密化的最有效的添加剂。研究表明:烧结体的显微结构以及力学、热学等性能会因添加剂的种类不同而异。如:当采用硼或硼的化合物为添加剂,热压SiC的晶粒尺寸较小,但强度高。当选用铍作添加剂,热压SiC陶瓷具有较高的导热系数。热压烧结虽然能降低烧结温度,并且具有较高的烧结密度和抗弯强度,但是热压烧结工艺只能制备形状简单的SiC部件,而且一次热压烧结过程中所制备的产品数量很小,因此不利于工业化生产。⑤高温热等静压烧结碳化硅陶瓷传统的烧结工艺(无压烧结或热压烧结),如果不加入适当的添加剂,纯SiC很难烧结致密。为了获得致密的SiC烧结体,必须采用亚微米级SiC细粉,并加入少量合适的烧结添加剂。但是添加剂的引入,SiC陶瓷的许多性能必定受到影响。为了克服传统烧结工艺存在的缺陷,研究人员以硼和碳为添加剂,采用热等静压烧结工艺,在1900℃便获得了密度大于98%、室温抗弯强度高达600MPa左右的细晶SiC陶瓷。尽管热等静压烧结可获得形状复杂的致密SiC制品,并且制品具有较好的力学性能,但是该方法必须对素坯进行包封,所以很难实现工业化生产。(3)行业发展现状随着科技发展,特别是能源、空间技术的高度发展,经常要求所用材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能,才能在比较苛刻的工作环境中使用。由于碳化硅陶瓷材料具有抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性,已在各行业受到普遍重视,很快得到了开发应用,大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁、造纸、激光等领域,并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。碳化硅陶瓷在国内是近二十年才开始发展的新材料,一方面,从产品供应角度来看,近几年碳化硅制造企业如雨后春笋般冒出,并且都在快速增长,为各行业、领域提供了丰富的产品;另一方面,碳化硅陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道;在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件;在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件最有希望的候选材料。从市场需求角度来看,受国家政策和产业结构调整的影响,传统建筑卫生陶瓷行业对碳化硅陶瓷产品的需求有所减少,但环保、新能源等行业对碳化硅陶瓷产品的需求增加,同时在半导体行业、军工航天及其它新兴领域仍有较大的需求潜力。与其它结构陶瓷相比,碳化硅陶瓷原料来源丰富、制备工艺方法较多,可以适应各种不同使用工况的要求,世界各主要陶瓷生产厂家都十分重视碳化硅陶瓷的研究与应用开发。我国是碳化硅原料生产大国,又具有十分广泛的工业与高技术需求,此外由于碳化硅陶瓷产品的需求领域覆盖高、中、低档行业,有利于产业化规模的形成,因此作为推动结构陶瓷产业化的重要突破口,应积极做好碳化硅陶瓷的研制、开发与推广工作,以尽快形成我国碳化硅陶瓷产业,碳化硅陶瓷也将会有更广阔的发展和应用前景。我国碳化硅陶瓷行业规模不断扩大,生产企业由最初的华美有限、沈阳星光和唐山福赛特三家到后来的潍坊碳化硅生产基地,再到目前陕西、广东、湖北等地企业纷纷投产,行业发展迅速目前国内碳化硅陶瓷行业市场仍存在供不应求的状况。碳化硅陶瓷制品作为一种新型无机非金属材料,目前在窑炉、脱硫环保、化工、钢铁、航空航天等领域得到了广泛运用。但是,对于碳化硅陶瓷制品的应用还处于普通阶段,仍然有大量的应用领域未得到规模化开发,由此带来的市场规模也是十分巨大的。作为碳化硅陶瓷生产企业,应该继续加大市场开拓力度,合理提高产能,在新的碳化硅陶瓷应用领域中占得先机。3 3 、上下游产业链分析行业的上游主要是碳化硅的冶炼和微粉生产,行业的下游范围较广,几乎包括所有需要耐高温、耐磨、耐腐蚀材料的行业。(1)上业情况碳化硅微粉和金属硅粉是行业生产所需的主要原材料。我国碳化硅生产始于20世纪70年代,经过40多年的发展,行业取得了长足的进步,冶炼技术、生产装备、能耗指标都已经达到世界领先水平,生产能力、实际产量、国内消费量以及产品出口量均列世界第一位,全球近90%的碳化硅产于中国。近年来,碳化硅微粉价格没有大幅变动;金属硅粉主要产自我国云贵川等西南地区,夏季水电比较充足时,金属硅粉价格较便宜,而冬季则价格略高,有一定波动,但整体来看相对稳定。上业中的原材料价格变动对行业内企业的产品定价政策及成本水平有一定影响。(2)下业情况行业的下游是碳化硅陶瓷制品的应用行业。碳化硅陶瓷制品不仅种类繁多,而且本身性能极好,可以应用到建筑、卫生陶瓷、日用瓷、磁性材料、微晶玻璃、工业窑炉、汽车、水泵、锅炉、电站、环保、造纸、石油、冶金、化工、机械、航空航天等众多领域。伴随着碳化硅陶瓷制品的优越性能被越来越多行业认可,碳化硅陶瓷制品的应用范围也会越来越广,下业的健康、持续、快速发展将会为行业提供广阔的市场空间,促进整个行业的有序发展。1 、市场竞争状况随着碳化硅陶瓷制品应用范围越来越广,面临的市场需求也越来越大,引来相当一部分资金进入碳化硅陶瓷制造领域。一方面,碳化硅行业规模不断扩大,由原来的区域性生产逐步分散到全国各地。短短十几年时间,碳化硅行业由最初的华美有限、沈阳星光和唐山福赛特三家企业引进生产到后来的潍坊碳化硅生产基地,再到目前陕西、广东、湖北等地企业纷纷投产,行业发展迅速。另一方面,在行业规模不断扩大的同时,也面临着不良竞争的现象。由于行业准入门槛较低,生产企业数量众多,企业规模大小不一,产品质量参差不齐。部分规模较大的企业注重技术升级和新产品研发,规模持续扩大,企业知名度和影响力与日俱增;同时更多的小厂家则只能依靠低价策略抢拿订单,导致行业内存在恶性竞争的情况。行业内部竞争激烈,行业也将会呈现两极分化的发展态势。2 2 、行业内主要企业(1)国外企业目前,国外碳化硅制造商主要有法国圣戈班(Saint Gobain)和德国雄克集团陶瓷部门(Schunk Ingenieurkeramik Gmbh)。法国圣戈班是目前全世界实力最强、产品线最全的碳化硅陶瓷制造商,主要产品有反应烧结碳化硅、重结晶碳化硅、氮化硅结合碳化硅、常压烧结碳化硅以及碳化硅微粉等。圣戈班反应烧结碳化硅工厂设在德国,常压烧结碳化硅工厂设在中国上海。圣戈班通过收购方式获得碳化硅生产技术,在德国的工厂采用德国FCT 生产的真空烧结炉,其生产工艺与华美股份类似。德国雄克只生产反应烧结碳化硅产品,其反应烧结碳化硅产量在欧洲最大。德国雄克采用自己开发的生产设备,拥有线 台左右。上述两家公司在碳化硅行业年产值大约 3,000 万欧元。虽然欧洲产品工艺精良、外形美观、公差精确,但是欧洲产品成本较高,吨价比国内高 300%以上,目前无论是圣戈班还是雄克,在窑具行业已经彻底退出中国市场。(2)国内企业国内主要碳化硅制品制造企业有沈阳星光、洛阳鹏飞、山东金鸿、潍坊致达、潍坊永嘉、潍坊兆泰、潍坊华瑞、山东潍北等。沈阳星光主要生产重结晶碳化硅制品,反应烧结碳化硅制品生产能力较小;洛阳鹏飞产品主要应用于水泥行业;山东金鸿和潍坊致达生产能力有较快提高,形成了一定规模;潍坊华瑞、潍坊兆泰及其他生产厂家规模较小,市场份额较低。此外,在江浙地区还有部分常压烧结碳化硅厂家,但是与上述企业并不直接构成市场竞争。

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