氮化硅陶瓷在3D打印領域的技術與市場分析

來源 :中國復材

1. 概述
氮化硅陶瓷因其卓越的機械性能和耐高溫特性，在工業(yè)和生物醫(yī)學領域備受關注。近年來，3D打印技術的發(fā)展為氮化硅陶瓷的制造和應用開辟了新的道路。本報告將詳細探討氮化硅陶瓷在3D打印技術中的應用，從技術細節(jié)到市場動態(tài)，再到行業(yè)前瞻。

2.技術的原理與發(fā)展
3D打印，或稱增材制造，是一種逐層構造物體的過程，它允許制造復雜形狀的零件，同時減少材料浪費。在3D打印應用中氮化硅陶瓷通過被精確控制材料的沉積，實現了傳統方法難以制造的復雜結構。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度。氮化硅陶瓷在20世紀50年代開始流行，當時的熱點是熱電偶管。致密燒結后形成的β-氮化硅細長晶粒帶來的原位增韌效果突出，力學性能優(yōu)秀，抗彎強度可達1GPa，斷裂韌性達到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雜曲面結構。此外，氮化硅陶瓷的生物相容性好，其長期植入體內極 少產生不良反應，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節(jié)置換術（THA）軸 承擁有極低的磨損率，在人工關節(jié)、顱骨植入物、牙科植入 物等骨種植體方面具有廣闊的應用前景。相應地，上述領域的應用對于制備氮化硅陶瓷的個性化精細構件的要求越來越高。

圖 3D打印及燒結氮化硅陶瓷實例

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，再進行排膠 和燒結，得到具有特定結構的致密氮化硅零件。常見的基 于氮化硅粉體的漿料液相成分如圖３所示，預聚體和單體 為交聯反應的活性成分，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：

應用領域：

3.市場動態(tài)與挑戰(zhàn)
隨著環(huán)保標準的升級，預計相關市場規(guī)模將增長至200億。國內方面，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%。其高純氮化硅產品在市場上的份額快速上升，利潤率在同行業(yè)中處于領先地位。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)固的合作關系。北京中材人工晶體研究院研制了熱導率為80 W/(m·k)、抗彎強度為750MPa·m1/2的氮化硅陶瓷基片，其性能接近東芝的產品。高純氮化硅作為一種新興的特種高溫結構陶瓷材料，因其出色的潤滑性、耐磨性、耐熱性、抗震性和化學穩(wěn)定性而應用廣泛。目前，國內高純氮化硅的生產技術已經成熟，行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定。
在國際市場上，只有東芝、京瓷等少數企業(yè)能夠將氮化硅陶瓷基板商業(yè)化。比如，東芝的氮化硅基片(TSN-90)具有90 W/(m·k)的熱導率。
價格方面，高純氮化硅的價格經歷了從最初的兩千元/公斤到現在的一千多元/公斤的下降。與海外大型企業(yè)相比，國內企業(yè)在生產上采用自主研發(fā)設備，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，可以滿足高端設備的需求。目前國內高純氮化硅的生產技術較為成熟，技術創(chuàng)新空間有限，行業(yè)已進入成熟期，市場需求穩(wěn)定。然而，高純氮化硅行業(yè)的產量增速有所下降，從43.49%降至8.57%，市場產量為874噸。由于疫情的影響，2020年行業(yè)的產能增速也有所下滑，從2019年的57.46%降至10.76%，市場產能為941噸。   全球氮化硅陶瓷市場規(guī)模在2020年達到了2.1億美元，同比增長了5.5%，預計到2025年末，高純氮化硅市場的規(guī)模將達到3.1億美元。同比上年增長了5.5%，預計到2025年底高純氮化硅市場規(guī)模將達到3.1億美元。
高端領域，MLCC制造商均積極擴產，其中，國內企業(yè)擴產幅度較大，風華高科、三環(huán)集團均計劃在2022年實現產能2-3倍增長，分別達到650億只/月、400億只/月，村田、太陽誘電、三星電機等企業(yè)計劃年均擴產10%-20%。國內企業(yè)的大幅擴產，有望加快MLCC國產化替代進程，也將進一步推動國內MLCC上游關聯產業(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、美國Ferro及日本化學市占率依次28%、20%、14%。國瓷材料是國內首家、全球第二家成功運用水熱工藝批量生產納米鈦酸鋇粉體的廠家，也是中國大陸規(guī)模最大的批量生產并外銷瓷粉的廠家，市占率為10%。國內廠商比如風華高科正加快建設國家重點實驗室，BT01瓷粉性能達到國際先進水平。

圖 頭部企業(yè)占有率

4.行業(yè)前瞻
未來，氮化硅陶瓷的3D打印技術預計將繼續(xù)發(fā)展和完善，特別是在精細度和制造效率方面。隨著技術的成熟和生產成本的降低，氮化硅陶瓷的應用領域將進一步擴展，尤其是在高端工業(yè)和生物醫(yī)學領域。例如，在航空航天、汽車制造和生物醫(yī)學植入物等領域，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域的首選材料。

在生物醫(yī)學領域，隨著人口老齡化和醫(yī)療技術的進步，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、牙科植入和關節(jié)置換等方面的應用將進一步擴大，特別是在個性化醫(yī)療設備的制造上，3D打印技術將發(fā)揮重要作用。此外，氮化硅陶瓷在藥物遞送系統中的潛在應用也可能成為未來的研究熱點。
在工業(yè)應用方面，氮化硅陶瓷的耐高溫和機械性能使其在極端環(huán)境下的應用前景廣闊。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換和儲能系統中扮演關鍵角色。

技術進步將推動氮化硅陶瓷3D打印的精度和效率，同時降低成本。這將使得更加復雜和精細的結構成為可能，進而推動新的設計和應用的出現。例如，通過改進打印技術，可以實現更精細的微觀結構，這對于提高材料的性能和功能將是至關重要的。

市場預測方面，預計氮化硅陶瓷的全球市場將繼續(xù)擴大。隨著技術的進步和成本的降低，氮化硅陶瓷的應用將不再局限于高端市場，而是逐步滲透到更廣泛的領域。此外，隨著環(huán)保意識的提升和相關政策的實施，對于高性能、環(huán)保型材料的需求將進一步增長，這將為氮化硅陶瓷市場帶來新的增長點。

綜上所述，氮化硅陶瓷的3D打印技術預計在未來將展現出更廣泛的應用前景，無論是在現有的應用領域還是新興的市場需求中，都將發(fā)揮重要作用。隨著技術的不斷進步和市場的擴大，氮化硅陶瓷將成為一個重要的材料類別，對多個行業(yè)產生深遠影響。

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