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粉末冶金的 “黑白双雄”:传统氧化铝遇冷,纳米氧化锆开启新纪元-行业新闻-2025粉末冶金展|3D打印展|2025先进陶瓷展|2025第十七届(上海)国际粉末冶金展览会
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粉末冶金的 “黑白双雄”:传统氧化铝遇冷,纳米氧化锆开启新纪元

导读
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氧化锆以生物相容性和超高强度领跑医疗与航天:全瓷牙冠成种植首选,2025年全球牙科市场将达120亿美元;航空涂层助发动机寿命延长30%,热障性能突破1600℃极限。工业级氧化锆粉体粒度精密至微米级,光纤插芯外径公差≤±5μm,半导体载具市场规模剑指50亿美元,全球需求2025年破200亿大关。
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  人类对粉末冶金技术的探索可追溯至古埃及文明,当时工匠通过碳还原法制备海绵铁,经锻打制成工具,这一工艺与陶瓷烧结原理异曲同工。19世纪初,俄、英等国将铂粉冷压烧结后热锻制成钱币和器物,印证了陶瓷与金属工艺的早期交融。

  1923年,德国克虏伯公司发明的硬质合金(WC-Co),将陶瓷材料带入工业制造的核心领域,其高硬度特性革新了切削工具行业。二战期间,美国曼哈顿计划催生了高纯度氧化铝(Al₂O₃)的规模化应用,为核工业提供了关键材料。1960年代,NASA的阿波罗计划推动氮化硅(Si₃N₄)陶瓷发展,其热压烧结涡轮叶片使航空发动机性能跃升。1980年代,日本京都陶瓷公司的碳化硅(SiC)密封环创下5年使用寿命纪录,成为高温密封领域的标杆。2018年,中国科学院上海硅酸盐研究所研发的纳米氧化锆(ZrO₂)人工关节,标志着陶瓷材料在生物医学领域的重大突破。

  如今,陶瓷材料在粉末冶金中凭借其耐高温、耐磨、耐腐蚀等特性,广泛应用于工业、电子、航空航天、医疗等领域。其中,氧化铝凭借成本优势与综合性能占据粉末冶金陶瓷市场的60%-70%,是应用最广泛的材料。然而2025年国内氧化铝总产量预计达8850万吨,消费量约8444万吨,过剩306万吨,市场从紧平衡转向过剩。值得注意的是,冶金级氧化铝(用于电解铝)占比超90%,陶瓷级产品因技术门槛低、投资回报快,导致低端耐磨部件、基板等产能严重过剩。

  与氧化铝形成鲜明对比的是,氧化锆凭借高强度(抗弯强度1200-2000MPa)、高韧性(断裂韧性5-15MPa・m¹/²)、耐高温(1800℃)及生物相容性,在高端医疗和工业领域展现独特优势,市场规模增速显著。国内"十四五"规划将氧化锆列为关键战略材料。

  在医疗领域,氧化锆全瓷牙冠因高强度、生物相容性及美观性,成为种植牙冠、桥体的首选材料。2025年全球牙科氧化锆市场规模预计达120亿美元,年复合增长率超8%。尽管高端产品仍依赖德国VITA、日本Noritake等品牌,但国产市占率正逐步提升。

  在工业领域,氧化锆也不失为一颗冉冉升起的新星。比如,在航天航空行业,氧化锆热障涂层(TBCs)用于航空发动机叶片,可承受1600℃高温,延长部件寿命30%以上。全球航空航天氧化锆涂层市场规模预计2026年达28亿美元;在电子与精密制造中,氧化锆陶瓷用于光纤连接器插芯(占全球市场70%)、MEMS传感器,以及半导体晶圆载具,2025年相关市场规模超50亿美元;在新能源领域,固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质层采用氧化锆,全球SOFC市场预计2030年达150亿美元……

  工业级氧化锆的性能与其粉体粒度直接相关,粒度决定烧结后陶瓷的晶粒尺寸(如亚微米级粉体可形成致密均匀的细晶结构),进而影响强度、韧性和耐磨性。而不同成型工艺(如干压、注塑)对粉体流动性要求不同,需通过粒度分布优化填充密度和烧结收缩率。在电子、能源等领域,粒度直接影响材料的电学、热学性能(如介电常数、热导率)。

  例如,航空航天涂层(热障涂层TBCs)对粒度要求亚微米级(D50=0.5~1μm)。因为过粗颗粒会导致涂层孔隙率增加,降低热障效果;过细颗粒易团聚,影响喷涂均匀性。

  而电子元件(光纤插芯、MEMS传感器)对粒度要求在微米级(D50=0.8~1.4μm),光纤插芯要求严格控制粒径偏差在D50±0.1μm。粒度不均会导致烧结后尺寸精度超差(如插芯外径公差需≤±5μm),影响光信号传输。

  随着氧化锆在高端医疗和工业领域的应用规模持续扩大,2025年全球市场规模预计突破200亿美元。其性能优势(高韧性、耐高温)与严格的粒度控制(纳米至微米级)是核心竞争力。未来需突破粉体制备技术,降低成本,并加强产业链协同以实现高端市场主导权。


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