氮化硅陶瓷在3D打印領(lǐng)域的技術(shù)與市場(chǎng)分析

來(lái)源 :中國(guó)復(fù)材

1. 概述
氮化硅陶瓷因其卓越的機(jī)械性能和耐高溫特性，在工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。近年來(lái)，3D打印技術(shù)的發(fā)展為氮化硅陶瓷的制造和應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。本報(bào)告將詳細(xì)探討氮化硅陶瓷在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用，從技術(shù)細(xì)節(jié)到市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，再到行業(yè)前瞻。

2.技術(shù)的原理與發(fā)展
3D打印，或稱(chēng)增材制造，是一種逐層構(gòu)造物體的過(guò)程，它允許制造復(fù)雜形狀的零件，同時(shí)減少材料浪費(fèi)。在3D打印應(yīng)用中氮化硅陶瓷通過(guò)被精確控制材料的沉積，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)方法難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。氮化硅（Si3N4）在1857年被DEVILLE和Ｗöhler首次合成出來(lái)，屬于一種人工合成陶瓷材料，其抗熱震性好，在高溫下具有高韌性和高強(qiáng)度。氮化硅陶瓷在20世紀(jì)50年代開(kāi)始流行，當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)是熱電偶管。致密燒結(jié)后形成的β-氮化硅細(xì)長(zhǎng)晶粒帶來(lái)的原位增韌效果突出，力學(xué)性能優(yōu)秀，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1GPa，斷裂韌性達(dá)到10-12MPa·m1/2，用3D打印方式可以制備如圖所示的氮化硅耐高溫葉輪等多種復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。此外，氮化硅陶瓷的生物相容性好，其長(zhǎng)期植入體內(nèi)極 少產(chǎn)生不良反應(yīng)，具有天然的表面抗菌性和良好的骨整合性能。采用氮化硅陶瓷制造的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）軸 承擁有極低的磨損率，在人工關(guān)節(jié)、顱骨植入物、牙科植入 物等骨種植體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。相應(yīng)地，上述領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)于制備氮化硅陶瓷的個(gè)性化精細(xì)構(gòu)件的要求越來(lái)越高。

圖 3D打印及燒結(jié)氮化硅陶瓷實(shí)例

基于粉體的光固化３Ｄ打印是直接將氮化硅陶瓷粉體， 配合一定比例的燒結(jié)助劑，然后將其分散于光固化樹(shù)脂中 形成穩(wěn)定分散的可打印漿料，待陶瓷打印成型，再進(jìn)行排膠 和燒結(jié)，得到具有特定結(jié)構(gòu)的致密氮化硅零件。常見(jiàn)的基 于氮化硅粉體的漿料液相成分如圖３所示，預(yù)聚體和單體 為交聯(lián)反應(yīng)的活性成分，分散劑的作用是保證粉體均勻分 散，光敏劑多為自由基引發(fā)劑，使?jié){料具有光反應(yīng)性，輔以 流平劑、稀釋劑、消泡劑等添加劑保證漿料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和使用性。

圖 氮化硅粉體的光固化打印漿料液相的常見(jiàn)成分

制造流程：

應(yīng)用領(lǐng)域：

3.市場(chǎng)動(dòng)態(tài)與挑戰(zhàn)
隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，預(yù)計(jì)相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至200億。國(guó)內(nèi)方面，例如，王子制陶在2020年取得了2.86億的銷(xiāo)售收入，同比增長(zhǎng)了58.60%。其高純氮化硅產(chǎn)品在市場(chǎng)上的份額快速上升，利潤(rùn)率在同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。王子制陶還與威孚高科、濰柴、重汽、玉柴等多家知名企業(yè)建立了穩(wěn)固的合作關(guān)系。北京中材人工晶體研究院研制了熱導(dǎo)率為80 W/(m·k)、抗彎強(qiáng)度為750MPa·m1/2的氮化硅陶瓷基片，其性能接近東芝的產(chǎn)品。高純氮化硅作為一種新興的特種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，因其出色的潤(rùn)滑性、耐磨性、耐熱性、抗震性和化學(xué)穩(wěn)定性而應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)內(nèi)高純氮化硅的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定。
在國(guó)際市場(chǎng)上，只有東芝、京瓷等少數(shù)企業(yè)能夠?qū)⒌�化硅陶瓷基板商業(yè)化。比如，東芝的氮化硅基片(TSN-90)具有90 W/(m·k)的熱導(dǎo)率。
價(jià)格方面，高純氮化硅的價(jià)格經(jīng)歷了從最初的兩千元/公斤到現(xiàn)在的一千多元/公斤的下降。與海外大型企業(yè)相比，國(guó)內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)上采用自主研發(fā)設(shè)備，并采取“薄利多銷(xiāo)”的策略，這使得它們?cè)谑袌?chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。高純氮化硅的主要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于其卓越的性能，可以滿足高端設(shè)備的需求。目前國(guó)內(nèi)高純氮化硅的生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，技術(shù)創(chuàng)新空間有限，行業(yè)已進(jìn)入成熟期，市場(chǎng)需求穩(wěn)定。然而，高純氮化硅行業(yè)的產(chǎn)量增速有所下降，從43.49%降至8.57%，市場(chǎng)產(chǎn)量為874噸。由于疫情的影響，2020年行業(yè)的產(chǎn)能增速也有所下滑，從2019年的57.46%降至10.76%，市場(chǎng)產(chǎn)能為941噸。   全球氮化硅陶瓷市場(chǎng)規(guī)模在2020年達(dá)到了2.1億美元，同比增長(zhǎng)了5.5%，預(yù)計(jì)到2025年末，高純氮化硅市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到3.1億美元。同比上年增長(zhǎng)了5.5%，預(yù)計(jì)到2025年底高純氮化硅市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.1億美元。
高端領(lǐng)域，MLCC制造商均積極擴(kuò)產(chǎn)，其中，國(guó)內(nèi)企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)幅度較大，風(fēng)華高科、三環(huán)集團(tuán)均計(jì)劃在2022年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能2-3倍增長(zhǎng)，分別達(dá)到650億只/月、400億只/月，村田、太陽(yáng)誘電、三星電機(jī)等企業(yè)計(jì)劃年均擴(kuò)產(chǎn)10%-20%。國(guó)內(nèi)企業(yè)的大幅擴(kuò)產(chǎn)，有望加快MLCC國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程，也將進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)MLCC上游關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖 全球及中國(guó)MLCC市場(chǎng)規(guī)模

全球外銷(xiāo)陶瓷粉體前7大廠商有5家來(lái)自日本，前3大廠商日本堺化學(xué)、美國(guó)Ferro及日本化學(xué)市占率依次28%、20%、14%。國(guó)瓷材料是國(guó)內(nèi)首家、全球第二家成功運(yùn)用水熱工藝批量生產(chǎn)納米鈦酸鋇粉體的廠家，也是中國(guó)大陸規(guī)模最大的批量生產(chǎn)并外銷(xiāo)瓷粉的廠家，市占率為10%。國(guó)內(nèi)廠商比如風(fēng)華高科正加快建設(shè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，BT01瓷粉性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖 頭部企業(yè)占有率

4.行業(yè)前瞻
未來(lái)，氮化硅陶瓷的3D打印技術(shù)預(yù)計(jì)將繼續(xù)發(fā)展和完善，特別是在精細(xì)度和制造效率方面。隨著技術(shù)的成熟和生產(chǎn)成本的降低，氮化硅陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展，尤其是在高端工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，在航空航天、汽車(chē)制造和生物醫(yī)學(xué)植入物等領(lǐng)域，對(duì)高性能材料的需求不斷增長(zhǎng)，氮化硅陶瓷因其卓越性能將成為這些領(lǐng)域的首選材料。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著人口老齡化和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于高性能生物相容材料的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。氮化硅陶瓷在骨植入、牙科植入和關(guān)節(jié)置換等方面的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大，特別是在個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備的制造上，3D打印技術(shù)將發(fā)揮重要作用。此外，氮化硅陶瓷在藥物遞送系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用也可能成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。
在工業(yè)應(yīng)用方面，氮化硅陶瓷的耐高溫和機(jī)械性能使其在極端環(huán)境下的應(yīng)用前景廣闊。例如，它可以用于高溫燃燒室、渦輪葉片和熱電偶保護(hù)套管等部件的制造。隨著可再生能源和新能源汽車(chē)的發(fā)展，氮化硅陶瓷可能在高效能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色。

技術(shù)進(jìn)步將推動(dòng)氮化硅陶瓷3D打印的精度和效率，同時(shí)降低成本。這將使得更加復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu)成為可能，進(jìn)而推動(dòng)新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的出現(xiàn)。例如，通過(guò)改進(jìn)打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，這對(duì)于提高材料的性能和功能將是至關(guān)重要的。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)方面，預(yù)計(jì)氮化硅陶瓷的全球市場(chǎng)將繼續(xù)擴(kuò)大。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，氮化硅陶瓷的應(yīng)用將不再局限于高端市場(chǎng)，而是逐步滲透到更廣泛的領(lǐng)域。此外，隨著環(huán)保意識(shí)的提升和相關(guān)政策的實(shí)施，對(duì)于高性能、環(huán)保型材料的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng)，這將為氮化硅陶瓷市場(chǎng)帶來(lái)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

綜上所述，氮化硅陶瓷的3D打印技術(shù)預(yù)計(jì)在未來(lái)將展現(xiàn)出更廣泛的應(yīng)用前景，無(wú)論是在現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域還是新興的市場(chǎng)需求中，都將發(fā)揮重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的擴(kuò)大，氮化硅陶瓷將成為一個(gè)重要的材料類(lèi)別，對(duì)多個(gè)行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

參考文獻(xiàn)：[1]馮相蓺,任桂瑩,王東等.光固化3D打印氮化硅陶瓷研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2023,37(S2):109-114.