历时40载 从基础材料到完整产业链 高科技“材料黑金”是这样炼成的
来源:新材料在线发布时间:2021-12-26730浏览
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2018年12月19日至21日，中央经济工作会议在北京举行，会议重新定义了基础设施建设，把5G、人工智能、工业互联网、物联网定义为“新型基础设施建设”。
随着国内“新基建”项目的启动，高铁、5G通讯、新能源汽车等领域迎来了蓬勃发展，为材料的发展带来新的机会。先进陶瓷作为各项新兴领域材料中一个不可或缺的组成部分，在国民经济中发挥着愈来愈重的作用，也迎来了发展机遇。
与传统意义上的陶瓷如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷不同的是，先进陶瓷是采用高度精选或合成的原料，具有精确控制的化学组成，按照便于控制的制造技术加工、便于进行结构设计，并且有优异特性的陶瓷。
近年来，先进陶瓷材料应用在我国高新科技领域的应用层出不穷，由于它具有金属和塑料所不具备的耐高温、耐摩损、耐腐蚀、高硬度、高精密度等优点，又在电子、超导、光学、生物、磁性、储能等领域大显身手，成为众多高科技产业链上游的“材料黑金”。
数据显示，2021年全球先进陶瓷市场规模为1048.54亿美元。
先进陶瓷在国内也呈遍地开花之势，目前全国有超过2000家相关企业，主要集中在广东、山东、河南、福建等省市。其中山东省拥有超过1000家先进陶瓷相关企业，福建省有超过500家。
在自上世纪80年代起就与先进陶瓷材料结缘的孙亚光教授看来，先进陶瓷材料及产业能迎来自身发展的春天，其实是一种必然。
逐步从产业链微笑曲线的底部爬坡
“为了实现材料均匀的、可重复的无缺陷显微结构，提高材料性能的可靠性，陶瓷制备科学研究十分必要。”早在上世纪60年代，美国材料顾问委员会在对材料制备领域进行调研后，得出这一重要结论。
实际上，由于先进陶瓷在工业发展中的特殊地位，欧美日等国家和地区早已投入巨资铺开了研究计划。70年代的陶瓷发动机，就是其中一个切入点。
而我国的先进陶瓷研发、生产计划则始于上世纪80年代。
80年代初，从郑州大学化学系毕业后，孙亚光任职于河南焦作化工总厂，担任技术研发工作。一个偶然机会，孙亚光参与了公司与北京有色金属研究总院合作的研发项目。项目进行后，老师的一句“为什么不一边做合作做研发，一边读研究生呢？”的提醒，改变了孙亚光的人生轨迹，他选择攻读北京有色金属研究总院研究生，也自此踏入陶瓷材料行业，并坚守了几十年。
当时，先进陶瓷的重要材料之一——氧化锆在大家看来还是一个很陌生的东西，这种价格昂贵且应用的领域较少的材料并不吃香。此时孙亚光刚踏入先进陶瓷材料行业，他对《大国之材》谈到，当时其应用领域主要集中在三块：一是耐火材料，一般高档的耐火材料会用到它；二是陶瓷色釉，即日常陶瓷或者色彩陶瓷；三是电子陶瓷。
但从接触先进陶瓷材料起，孙亚光就始终坚信，先进陶瓷材料具备很好的前景。因此，从入行至今，孙亚光从没有离开过这个领域，他也见证了我国先进陶瓷材料行业从无到有、从小到大的变迁。
上世纪八十年代，国内的先进陶瓷产品严重依赖进口。国内生产1吨陶瓷原料，出口到日本的价格大约是1万块人民币，但从日本回购1吨先进陶瓷材料或器件，则需要数十万的价格。为了摆脱这一局面，我国在先进陶瓷材料领域也展开了研究、开发和生产。
以发动机用陶瓷零部件的研制为契机，我国研制成功了一系列新的陶瓷材料，并在先进陶瓷的应用方面也取得了令人瞩目的成绩。普通电子陶瓷和结构陶瓷如IC基板、电容、电阻、电感等压电陶瓷无线电频率元件，中铝瓷，高铝瓷，电真空瓷等，在我国已能够大批量生产，并占领一定的国际市场。
随着技术的进步，其应用范围也由最初的三个板块辐射至更多元的场景，由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温等一系列优良性能，现被广泛应用于国防、化工、冶金、航空航天、生物医学等国民经济的各个领域。
中国先进陶瓷材料正从产业链微笑曲线的底部开始了爬坡之旅。“它一直在不断地向不同的领域发展，不断进行开拓，然后它的产业也在逐渐的在扩大。”孙亚光兴奋地说道。
突破自身才可继续向前
据Research and Markets数据显示，2015年全球先进陶瓷市场规模约631.1亿美元，随着先进陶瓷各种功能的不断发掘，其在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位将日益显著，市场容量也将进一步提升。预计到2024年，全球先进陶瓷市场规模将达1346美元。
从材料产业上讲，先进陶瓷已形成一个巨大的高技术产业，目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总额超过500亿美元，年增长率达8%。
进入21世纪，我国的先进陶瓷产业也进入了快速发展期。精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧结技术、低成本规模化制备技术，陶瓷加工系统等领域不断打破国外垄断和技术封锁。许多先进陶瓷产品在我国已能大批量生产，产品质量较稳定，并能占领一定的国际市场。但在孙亚光看来，国内先进陶瓷材料行业还尚处于“别人有的我们也都有了，别人能做东西我们也都能做了，但是我们跟人家还是有一定的差别。我们经历了从无到有，现在是需要从有到精、从有到强。”的局面。
据相关资料表明，至今在先进陶瓷发展中处于领先地位的国家和地区主要是美国、日本、欧盟等。其中，美国先进陶瓷在航空航天、核能等领域的应用处于领先地位；日本在先进陶瓷材料的产业化、民用领域方面占据领先地位，并占有约一半的市场份额；欧盟在先进陶瓷细分应用领域和机械装备领域处于领先地位。
先进陶瓷材料的制备工艺共分为粉体制备、胚体成型、胚体烧结、精密加工、分析测试五个部分。粉体制备作为其最核心的技术，高纯、超细、高性能陶瓷粉体制造技术基本还掌握在日本、美国等少数发达国家。如今，国内不论是粉体合成技术中制造粉体的装备，还是在陶瓷后加工技术方面，尚且都依赖进口。
制备优质先进陶瓷材料的技术、装备和管理水平的缺乏也必然导致国内先进陶瓷材料行业发展的受限。数据表明，在全球数百亿美元的先进陶瓷年销售额中，中国销售额仅占1%—2%。特别是高端装备中大量的陶瓷元件，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器、风力发电机陶瓷绝缘轴承和高端超细纳米粉体等仍需进口。
国内先进陶瓷材料行业的发展，在近40年间实现从无到有的突破固然值得欣喜，但如何在这一基础上变强，缩小与国外发达市场的差距，孙亚光认为国内各大企业和科研人员还需要下功夫，突破自身往前走。
孙亚光对《大国之材》谈到，国内以往一些企业以赚快钱、上市为目的，看到哪个行业赚钱就往哪里投，最后导致行业被做死的现象屡有发生。氧化锆陶瓷刀就是一个很好的例子，以往刀具往往是由金属制成，而日本根据氧化锆的特性，打造出了具有高硬度、不生锈、无金属味残留、抗菌、抗氧化等优点的陶瓷刀。这原本是一个很好的产业方向，但部分国内企业看到后都认为这是一个能快速赚钱的方向，粗制滥造的加入导致了产品产能的过剩，最后把这个产业做死。
在孙亚光看来先进陶瓷材料行业跟其他行业是一样的，这个行业要想走得更远，多出一些尊重科学规律、遵守行业发展趋势、埋头于研究的良心企业与沉下心来、踏实学习国外优秀的技术与理论的人才是关键。
而被问到国内的先进陶瓷还需多久才能消除与跟国外的差距时，孙亚光肯定地说道：“10年，等到我们装备国产化，加工理论系统化，10年的时间基本能完成了。”
产学研融合助力产业全面发展
在全球上百亿美元的先进陶瓷年销售额中，中国的销售额占比较少。中国陶瓷工业协会分析认为，国内先进陶瓷实验室阶段的研究工作偏多，忽视了中试、工程化和产业化技术的研究，成果没有转化为现实生产力是重要的因素之一。
在企业与高校之间来回穿梭的孙亚光深有同感。
自毕业起，孙亚光就在河南焦作化工总厂负责技术研发工作，到中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所担任科技开发处副处长，再于2000年加盟广东东方锆业科技股份有限公司任副总经理。2005年在先进陶瓷材料行业中摸爬滚打了几十年后，孙亚光选择加入河南工业大学材料科学与工程学院担任教授。
从先进陶瓷材料行业的技术人员到企业管理者再到高校教师，在孙亚光看来是一条更为适合教导出行业人才的道路，“因为从企业出来，会更清楚企业需要什么，这才能去教会学生有用的知识”。相较于停留在实验室的研究方式，孙亚光教授更认同习总书记的观点“要把论文写在中国的大地上”。
在孙亚光看来，“产”是第一要位的。在产学研模式下，企业在实际生产应用中发现问题，以科研机构、高校的人才、研究成果输出作为企业发展的原动力，解决问题。在这个过程中，高校研究完的成果就能直接进行转化，而不会出现研究成果停留在实验室的现象。而这同时也为高校、研究机构提供了研究和人才开发的利用资源。
对于先进陶瓷材料行业今后的发展，孙亚光认为将精力瞄准在国际上，把行业目前没有解决的问题解决，是一件比写论文更有意义的事情。
中国陶瓷工业协会认为，进入21世纪，功能陶瓷的研究得到了国家和各科研院所的高度重视。目前我国从事先进陶瓷开发研制的高校、科研院所和生产企业已超过300家，其中研发生产功能陶瓷的单位占63.6%，研发生产结构陶瓷的单位占36.4%。
随着科学技术飞速发展，先进陶瓷正在打开更多的应用空间，汽车就是其中之一。越来越多的特种陶瓷、智能陶瓷制品被应用到汽车上，给汽车零部件加工制造带来了一场新的革命。
汽车用传感器要求能长久适用于特有的恶劣环境（高温、低温、振动、加速、潮湿、废气），并应当具有小型轻量、重复使用性好等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良电磁、光学机能，制成的传感器完全能够满足上述要求。
另外，在碳纤维制动器的基础上制造而成陶瓷制动器，其碳硅化合物表面的硬度接近钻石，碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击、耐腐蚀，让碟片极为耐磨。综合利用敏感陶瓷正压电等效应研制成功的智能减振器，由于采用高灵敏度陶瓷元件，从而具有识别路面且能做自我调节的功能，可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。
孙亚光谈到，随着国家“双碳”政策的提出，以及万物互联时代的来临，将为先进陶瓷材料行业带来更多的机会和挑战。
在孙亚光眼中，未来先进陶瓷将逐渐跟金属互相渗透，用陶瓷来弥补金属的缺点，将是先进陶瓷材料应用最广泛的一面。“如果20年后金属和陶瓷没有界限，你看不清这个部分是金属是陶瓷了，可能这个材料就做到最好了。”孙亚光说道。
【个人简介】
孙亚光、男、中国国籍、黑龙江省通河县、汉族、无境外永久居留权。1962年4月出生，中共党员、教授级高级工程师、博士学位。
1983年7月毕业于郑州大学化学系，分配到河南焦作化工总厂（现为上市公司龙蟒佰利联）；1989-1992年在北京有色金属研究总院研究生部攻读研究生，获有色金属冶金硕士学位；1998年12月调入中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所担任科技开发处副处长；2005 年12月调入河南工业大学材料科学与工程学院，从事科研与教学工作。期间在2012年在武汉理工大学获得矿物加工专业博士学位、2000-2015年期间兼任上市公司广东东方锆业股份有限公司副总经理、总工程师、2017年8月任三祥新材独立董事。
现担任全国化学标准化委员会无机化工分技术委员会委员、中国有色金属工业协会钛锆铪分会专家组专家、中国硅酸盐学会陶瓷分会常务理事、中国硅酸盐学会特种陶瓷委员会理事。
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