文：《千人》雜誌記者 魯婷婷
原標題：《陶瓷材料：正加速向多個應用領域“進軍”》
注：本文原載於《千人》雜誌2017年總第61期， 轉載請注明來源， 未注明來源轉載將視為侵權。
劉先兵， 國家“千人計畫”入選者、 蘇州珂瑪材料技術有限公司董事長兼總經理
早在“石器時代”， 原始人用石頭做成工具進行生產， 可被認為是人類接觸陶瓷材料的初體驗。 如今， 陶瓷材料正以全新多用的形象滲透到實際生活中， 大到軍用裝甲， 小到手機電容、人工骨骼和火箭發動機隔熱瓦。 陶瓷材料正以前所未有的速度發展， 引起越來越多的重視。 借此， 《千人》雜誌專訪國家“千人計畫”入選者， 蘇州珂瑪材料技術有限公司董事長劉先兵， 闡述陶瓷材料的“過人之處”及應用領域， 並為破解陶瓷材料產業化困局建言獻策。
陶瓷材料的“致命傷”：脆
一般認知範圍內的陶瓷材料及產品， 都是採用天然原料如長石、粘土和石英等燒結而成，
劉先兵解釋， 主要有三大區別：第一， 從原料上講， 先進陶瓷一般採用高純、超細， 並經過提純或合成後的非天然原料， 對於原料中組分含量、雜質元素指標、原粉顆粒尺寸等指標有嚴格的要求；第二， 從工藝上講， 傳統陶瓷成型主要是澆注和幹壓， 燒結溫度一般在1300 ℃以下；而先進陶瓷的配方經過理論計算和嚴格的配比， 成型方式包括等靜壓成型、流延成型、注射成型等多種成型方法， 並且燒結溫度一般在1400℃以上， 有些達到2000℃左右；第三，
“陶瓷材料普遍比金屬、高分子材料要硬， 這使得它在抵抗變形的應用中有著得天獨厚的優勢。 憑藉這個特點， 陶瓷材料常被用來製造研磨件、耐損件等對硬度有較高要求的部件，
此外， 耐高溫也是陶瓷材料非常關鍵的性能。 耐高溫一方面要求材料熔點要高， 另一方面在溫度升高後， 材料的高溫性能不會出現大幅劣化。 劉先兵進一步解釋道：“陶瓷材料在高溫環境下的應用主要包括兩種形式， 一是以部件形式體現的， 如直接採用氮化矽(Si3N4)、氧化鋁（Al2O3）等陶瓷材料製造的純結構部件；二是在金屬或非金屬基體表面製備陶瓷塗層， 以塗層形式體現， 這種高溫陶瓷塗層在航空航太領域應用廣泛，
雖說陶瓷材料有如上很多的“閃光點”， 但它也有“致命傷”， 主要體現在材料的脆性上， 即受到衝擊後易碎， 它的脆性極大限制了應用場合。 劉先兵介紹， 陶瓷被破壞時沒有任何預警特徵， 陶瓷受力發生破壞時一般是直接開裂或者碎裂。 因此在工業上常見的陶瓷部件多數也是以不動件形式體現的， 如支撐件， 或者衝擊較小、轉速較低的一些應用場合， 如研磨件。
在機械製造和積體電路領域備受“歡迎”
儘管陶瓷材料面臨著脆性這一“致命傷”， 但它憑藉高硬度、耐腐蝕、耐高溫等優勢在新能源、機械製造、平板顯示等領域發揮獨特的作用， 逐步成為前沿先進技術領域發展的關鍵材料。
目前劉先兵的公司研發的陶瓷材料及部件主要應用在積體電路、新能源、精密儀器、機械等領域。具體來說，氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷產品主要以陶瓷結構部件的形式呈現，氧化鋯陶瓷，憑藉其優秀的耐磨性，一般被用作耐磨部件，廣泛應用於機械製造設備行業。高純氧化鋁陶瓷，憑藉其優秀的耐等離子腐蝕和絕緣性，被用來製造積體電路、平板顯示和新能源設備中的耐腐蝕件、絕緣件。氮化鋁陶瓷，憑藉其卓越的導熱性，在積體電路中被用來製造散熱件，以及加熱器（Heater）等高端陶瓷集成模組。氧化釔、氟化釔等材料，主要以陶瓷塗層或膜的形式存在於上述的陶瓷部件或其它金屬基材中。
由於積體電路製造產業鏈長，宏觀上分為前道和後道工藝，陶瓷材料憑藉它高強度、耐腐蝕、耐高溫以及良好的介電性能，在積體電路領域備受“歡迎”。據劉先兵介紹，在積體電路領域前道工藝的許多製造環節中，先進陶瓷發揮耐腐蝕的作用，實際上是一種耗材。只要機器一直運轉，裡面的陶瓷部件就要定期更換，否則容易出現顆粒導致設備停機。因此不僅要求陶瓷材料部件具有耐腐蝕、耐高溫等特性，還要求材料及部件的性能，不能隨材料批次、生產工藝出現較大的波動，必須具有穩定性，部件的尺寸公差具有高精性，表面狀態具有高度的一致性。另外，積體電路製造設備中靜電卡盤（ESC）、加熱器（Heater）等高精尖的核心部件，實現了結構功能一體化和模組化，這些是先進陶瓷材料應用更為高端的部分。
除前端外，後端工藝中先進陶瓷的應用也非常廣，後端主要是以封裝、測試為主，不過在後端用的先進陶瓷部件不再是一些大型結構件，而是集成了電學、通信等功能的功能性元件。積體電路領域的發展將先進陶瓷材料的應用推到一個更高端的境地，使先進陶瓷材料的應用更為精准、細緻。先進陶瓷材料的發展在積體電路領域發揮了功不可沒的推動作用。
未來，劉先兵看好陶瓷材料在電學領域的發展。雖然當前陶瓷材料在電學領域的應用還不是十分廣泛，但這並不意味著陶瓷材料不適合在電學領域中應用，恰恰相反，鈣鈦礦、鋇鈦礦晶體構型的陶瓷材料具有壓電、鐵電效應，在壓電和鐵電功能陶瓷製造方面具有很大應用潛力。
同時他也比較看好陶瓷材料在陶瓷的模組化（結構功能一體化）方面的發展。比如：陶瓷加熱器（Heater），它的外觀材料是氮化鋁陶瓷，但是部件中包含加熱絲材料、電極材料等金屬材料，通過各類的焊接和熱壓等複雜的工藝實現氮化鋁陶瓷和金屬材料的完美結合，在半導體設備中，起到支撐晶圓和精確加熱晶圓的雙重目標。劉先兵認為未來10—30年，將是陶瓷拓展電學領域和陶瓷的模組化應用極為關鍵的階段，並且將成為一個非常龐大的市場。
陶瓷材料產業化需跨過三道“坎”
先進陶瓷材料的應用起步較晚，真正起步實際上是在二戰後，相較之下，國內的先進陶瓷材料起步就更晚。目前國內高校中陶瓷材料學科所隸屬的“無機非金屬材料”，在很多學校還未開設該學科。同時，陶瓷材料行業偏小眾，關注度低，投入的資金、精力都偏少，所以陶瓷材料在產業化過程中有很多暫時難以逾越的“溝”和“坎”。
劉先兵表示，國內與國外先進陶瓷產業的最主要差距表現在三方面：第一、在粉體的製備技術方面，日本遙遙領先，其中住友、日本輕金屬、東曹、德山等企業均是業內的技術標杆，其次是法國、德國。目前劉先兵的公司使用的氧化鋁粉體全部來自於進口，國產粉末在粉末特性、批次穩定性和材料性能方面，與國外仍有非常大的差距，無法滿足基本使用要求。如何改進，縮短差距？劉先兵認為一方面在於製造工藝技術，另一方面在於生產設備，需齊頭並進。
第二、缺乏產業化的人才。雖然我國培養的學術人才和擁有的高校科研院所並不比其他國家少，但產業化人才很匱乏，導致一些學術成果並不能很好的應用於實際生產過程，實現產業化。
第三、產業鏈上中下游應該加強合作。有時並不是不想合作，而是缺乏有耐心、有恒心、有雄心並且坦誠合作的夥伴，由於受大環境影響，目前行業心態普遍比較浮躁。要想改變現狀，需上下游共同努力。日本之所以在陶瓷材料領域獨領風騷，最主要的原因是其專注的工匠精神，及它的上下游產業鏈的緊密合作。
劉先兵以自己創辦的公司（蘇州珂瑪材料技術有限公司）為例，詳細闡述陶瓷產業發展的概況。他的公司2009年註冊，2012年開始正式投產，目前北京、上海為公司產品的主要銷往地，以深圳為主的珠三角銷量最多。受國家政策導向，未來會向成都和重慶等西南地區和海外“進軍”。
近兩三年來，劉先兵的公司產值和銷售量基本保持高速增長，今年的產值就可以達到1億。除產值之外，公司同上游供應商、下游客戶也保持著良性溝通合作，比如今年上半年他的公司就被國內知名半導體設備製造商——北方華創評為其“核心供應商”，被授予“協同創新獎”。企業方面，劉先兵坦言：“潮州三環做得非常不錯，擁有較為優秀的科研團隊。”
總體而言，產業化是一個長期積累的過程，需要國家、高校、企業持之以恆的促進。劉先兵說：“要想實現陶瓷材料全面的產業化，一方面應用領域需要拓寬，研究人員一定要深入挖掘先進陶瓷更多的應用領域，使它大眾化；另一方面則需要技術研發的深入和累積。”
逐步成為前沿先進技術領域發展的關鍵材料。目前劉先兵的公司研發的陶瓷材料及部件主要應用在積體電路、新能源、精密儀器、機械等領域。具體來說，氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷產品主要以陶瓷結構部件的形式呈現，氧化鋯陶瓷，憑藉其優秀的耐磨性，一般被用作耐磨部件，廣泛應用於機械製造設備行業。高純氧化鋁陶瓷，憑藉其優秀的耐等離子腐蝕和絕緣性，被用來製造積體電路、平板顯示和新能源設備中的耐腐蝕件、絕緣件。氮化鋁陶瓷，憑藉其卓越的導熱性，在積體電路中被用來製造散熱件，以及加熱器（Heater）等高端陶瓷集成模組。氧化釔、氟化釔等材料，主要以陶瓷塗層或膜的形式存在於上述的陶瓷部件或其它金屬基材中。
由於積體電路製造產業鏈長，宏觀上分為前道和後道工藝，陶瓷材料憑藉它高強度、耐腐蝕、耐高溫以及良好的介電性能，在積體電路領域備受“歡迎”。據劉先兵介紹，在積體電路領域前道工藝的許多製造環節中，先進陶瓷發揮耐腐蝕的作用，實際上是一種耗材。只要機器一直運轉，裡面的陶瓷部件就要定期更換，否則容易出現顆粒導致設備停機。因此不僅要求陶瓷材料部件具有耐腐蝕、耐高溫等特性，還要求材料及部件的性能，不能隨材料批次、生產工藝出現較大的波動，必須具有穩定性，部件的尺寸公差具有高精性，表面狀態具有高度的一致性。另外，積體電路製造設備中靜電卡盤（ESC）、加熱器（Heater）等高精尖的核心部件，實現了結構功能一體化和模組化，這些是先進陶瓷材料應用更為高端的部分。
除前端外，後端工藝中先進陶瓷的應用也非常廣，後端主要是以封裝、測試為主，不過在後端用的先進陶瓷部件不再是一些大型結構件，而是集成了電學、通信等功能的功能性元件。積體電路領域的發展將先進陶瓷材料的應用推到一個更高端的境地，使先進陶瓷材料的應用更為精准、細緻。先進陶瓷材料的發展在積體電路領域發揮了功不可沒的推動作用。
未來，劉先兵看好陶瓷材料在電學領域的發展。雖然當前陶瓷材料在電學領域的應用還不是十分廣泛，但這並不意味著陶瓷材料不適合在電學領域中應用，恰恰相反，鈣鈦礦、鋇鈦礦晶體構型的陶瓷材料具有壓電、鐵電效應，在壓電和鐵電功能陶瓷製造方面具有很大應用潛力。
同時他也比較看好陶瓷材料在陶瓷的模組化（結構功能一體化）方面的發展。比如：陶瓷加熱器（Heater），它的外觀材料是氮化鋁陶瓷，但是部件中包含加熱絲材料、電極材料等金屬材料，通過各類的焊接和熱壓等複雜的工藝實現氮化鋁陶瓷和金屬材料的完美結合，在半導體設備中，起到支撐晶圓和精確加熱晶圓的雙重目標。劉先兵認為未來10—30年，將是陶瓷拓展電學領域和陶瓷的模組化應用極為關鍵的階段，並且將成為一個非常龐大的市場。
陶瓷材料產業化需跨過三道“坎”
先進陶瓷材料的應用起步較晚，真正起步實際上是在二戰後，相較之下，國內的先進陶瓷材料起步就更晚。目前國內高校中陶瓷材料學科所隸屬的“無機非金屬材料”，在很多學校還未開設該學科。同時，陶瓷材料行業偏小眾，關注度低，投入的資金、精力都偏少，所以陶瓷材料在產業化過程中有很多暫時難以逾越的“溝”和“坎”。
劉先兵表示，國內與國外先進陶瓷產業的最主要差距表現在三方面：第一、在粉體的製備技術方面，日本遙遙領先，其中住友、日本輕金屬、東曹、德山等企業均是業內的技術標杆，其次是法國、德國。目前劉先兵的公司使用的氧化鋁粉體全部來自於進口，國產粉末在粉末特性、批次穩定性和材料性能方面，與國外仍有非常大的差距，無法滿足基本使用要求。如何改進，縮短差距？劉先兵認為一方面在於製造工藝技術，另一方面在於生產設備，需齊頭並進。
第二、缺乏產業化的人才。雖然我國培養的學術人才和擁有的高校科研院所並不比其他國家少，但產業化人才很匱乏，導致一些學術成果並不能很好的應用於實際生產過程，實現產業化。
第三、產業鏈上中下游應該加強合作。有時並不是不想合作，而是缺乏有耐心、有恒心、有雄心並且坦誠合作的夥伴，由於受大環境影響，目前行業心態普遍比較浮躁。要想改變現狀，需上下游共同努力。日本之所以在陶瓷材料領域獨領風騷，最主要的原因是其專注的工匠精神，及它的上下游產業鏈的緊密合作。
劉先兵以自己創辦的公司（蘇州珂瑪材料技術有限公司）為例，詳細闡述陶瓷產業發展的概況。他的公司2009年註冊，2012年開始正式投產，目前北京、上海為公司產品的主要銷往地，以深圳為主的珠三角銷量最多。受國家政策導向，未來會向成都和重慶等西南地區和海外“進軍”。
近兩三年來，劉先兵的公司產值和銷售量基本保持高速增長，今年的產值就可以達到1億。除產值之外，公司同上游供應商、下游客戶也保持著良性溝通合作，比如今年上半年他的公司就被國內知名半導體設備製造商——北方華創評為其“核心供應商”，被授予“協同創新獎”。企業方面，劉先兵坦言：“潮州三環做得非常不錯，擁有較為優秀的科研團隊。”
總體而言，產業化是一個長期積累的過程，需要國家、高校、企業持之以恆的促進。劉先兵說：“要想實現陶瓷材料全面的產業化，一方面應用領域需要拓寬，研究人員一定要深入挖掘先進陶瓷更多的應用領域，使它大眾化；另一方面則需要技術研發的深入和累積。”