氮化硅陶瓷在3D打印領(lǐng)域的技術(shù)與市場分析

來源 :中國復(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,，3D打印技術(shù)的發(fā)展為氮化硅陶瓷的制造和應(yīng)用開辟了新的道路,。本報告將詳細(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)到市場動態(tài),，再到行業(yè)前瞻,。

2.技術(shù)的原理與發(fā)展
3D打印，或稱增材制造,，是一種逐層構(gòu)造物體的過程,，它允許制造復(fù)雜形狀的零件，同時減少材料浪費(fèi),。在3D打印應(yīng)用中氮化硅陶瓷通過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，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年代開始流行,，當(dāng)時的熱點(diǎn)是熱電偶管,。致密燒結(jié)后形成的β-氮化硅細(xì)長晶粒帶來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)用對于制備氮化硅陶瓷的個性化精細(xì)構(gòu)件的要求越來越高。

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成分

制造流程：

應(yīng)用領(lǐng)域：

3.市場動態(tài)與挑戰(zhàn)
隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的升級，預(yù)計(jì)相關(guān)市場規(guī)模將增長至200億,。國內(nèi)方面,，例如，王子制陶在2020年取得了2.86億的銷售收入，同比增長了58.60%,。其高純氮化硅產(chǎn)品在市場上的份額快速上升,，利潤率在同行業(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。
在國際市場上,，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,。
價格方面，高純氮化硅的價格經(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”的策略,，這使得它們在市場上更具競爭力,。高純氮化硅的主要競爭優(yōu)勢在于其卓越的性能，可以滿足高端設(shè)備的需求,。目前國內(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%,，市場產(chǎn)能為941噸。   全球氮化硅陶瓷市場規(guī)模在2020年達(dá)到了2.1億美元,，同比增長了5.5%,，預(yù)計(jì)到2025年末，高純氮化硅市場的規(guī)模將達(dá)到3.1億美元,。同比上年增長了5.5%,，預(yù)計(jì)到2025年底高純氮化硅市場規(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，分別達(dá)到650億只/月,、400億只/月,，村田、太陽誘電,、三星電機(jī)等企業(yè)計(jì)劃年均擴(kuò)產(chǎn)10%-20%,。國內(nèi)企業(yè)的大幅擴(kuò)產(chǎn),，有望加快MLCC國產(chǎn)化替代進(jìn)程,，也將進(jìn)一步推動國內(nèi)MLCC上游關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖 全球及中國MLCC市場規(guī)模

全球外銷陶瓷粉體前7大廠商有5家來自日本,，前3大廠商日本堺化學(xué),、美國Ferro及日本化學(xué)市占率依次28%、20%,、14%,。國瓷材料是國內(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,，也是中國大陸規(guī)模最大的批量生產(chǎn)并外銷瓷粉的廠家,，市占率為10%。國內(nèi)廠商比如風(fēng)華高科正加快建設(shè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，BT01瓷粉性能達(dá)到國際先進(jìn)水平,。

圖 頭部企業(yè)占有率

4.行業(yè)前瞻
未來，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、汽車制造和生物醫(yī)學(xué)植入物等領(lǐng)域,，對高性能材料的需求不斷增長,，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,，對于高性能生物相容材料的需求將持續(xù)增長。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的發(fā)展，氮化硅陶瓷可能在高效能量轉(zhuǎn)換和儲能系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色,。

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

市場預(yù)測方面,，預(yù)計(jì)氮化硅陶瓷的全球市場將繼續(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,，而是逐步滲透到更廣泛的領(lǐng)域,。此外，隨著環(huán)保意識的提升和相關(guān)政策的實(shí)施,，對于高性能,、環(huán)保型材料的需求將進(jìn)一步增長,，這將為氮化硅陶瓷市場帶來新的增長點(diǎn)。

綜上所述,，氮化硅陶瓷的3D打印技術(shù)預(yù)計(jì)在未來將展現(xiàn)出更廣泛的應(yīng)用前景,，無論是在現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域還是新興的市場需求中，都將發(fā)揮重要作用,。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的擴(kuò)大,，氮化硅陶瓷將成為一個重要的材料類別，對多個行業(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,2023,37(S2):109-114.