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陶瓷型芯行业概括

陶瓷型芯是一种在制造金属零件时使用的模具，通常由陶瓷材料制成。它们可以用于铸造、锻造和压铸等工艺，以在零件表面形成复杂的形状或内部空腔。这些陶瓷型芯可以耐高温和化学腐蚀，使其在高温和腐蚀环境中也能保持稳定。在航空航天、汽车、能源等领域中，陶瓷型芯都有广泛的应用。

图表：陶瓷型芯行业分类

资料来源：智研瞻产业研究院整理

在熔模铸造流程之中，陶瓷型芯扮演着至关重要的角色，其与模壳相互配合，从根本上确保了铸件的整体形态和精确尺寸。适用于航空涡轮发动机空心叶片制作的陶瓷型芯，其品质要求极其严苛，包括构造的严密精准、复杂多变的几何形状、高度密集的孔隙结构，以及卓越的常温与高温下的力学特性。这类陶瓷型芯展示了当前陶瓷型芯制备工艺方面的最高水品，可以说是航空航天领域精密陶瓷制品的代表性组件。要想研发制造出高性能且复杂结构的精密陶瓷型芯，对于推动航空业的快速成长并增强国防装备实力具有深远影响。近几年来，由于3D打印技术具有无须依赖模具、高效运作、柔性生产等显著优势，因此引起了广泛的关注。现阶段，应用于陶瓷材料的3D打印技术主要有选择性激光熔化（SLM）、直接墨水书写法、光固化3D打印技术、选择性激光烧结（SLS）等。尤其引人注目的是光固化3D打印技术，它具备极高的精确度以及出色的表面质量，在众多的陶瓷3D打印技术中独树一帜，为生产制造复杂结构空心叶片提供了全新的思考模式。

陶瓷型芯技术发展历程

增强涡轮燃气温度始终被视为航空引擎与燃气轮机设计领域中的核心课题之一。在当前阶段，实现涡轮燃气温度的有效提升主要依赖以下三种策略：首先，研发新一代高温耐热合金材质，以此来稳步提升叶片承受高温运作的能力；其次，是研发新型高效热障涂层技术；最后，通过改良涡轮叶片的气体冷却构造，从而进一步增进叶片的冷却效果。

在涡轮叶片的制程方面，传统的锻造与机械加工技术无法精确地获得复杂的叶片内部形状，因此只能运用精密铸造工艺进行生产。在新兴的精密铸造流程中，产生空心铸件内部形状的陶瓷型芯发挥着至关重要的作用，其优良的性能以及高品质将决定铸件生产的质量及合格率。

我国陶瓷型芯的研发历程可追溯至上世纪七十年代中期。经过相关科研院所、高校以及企业的紧密协作，自八十年代以来，我们已经成功研制出AC-1、AC-2铝基陶瓷型芯、XD-1硅基陶瓷型芯等各种类型的陶瓷型芯，完全能够满足新型航空引擎设计的需求。然而，值得注意的是，虽然自21世纪初开始，从事陶瓷型芯研发的单位数目有所增长，但是具有全面产品线、大规模产能且能长期稳定供应的陶瓷型芯制造商仍然较为稀缺。

经过数年不懈的发展，陶瓷型芯产品种类愈发丰富多样。在行业内部，通常依据化学成分、成型方式等差异将其分为多个类别。

I、硅基陶瓷型芯

硅基陶瓷型芯的核心原材料选用了熔融石英玻璃这一优质原料。这种以高温熔融后迅速冷却制造出来的非结晶态物质具有极为明显的各向同性、较高的黏稠度以及极小的热膨胀系数等特性。长久以来，石英玻璃已经成为了国内外陶瓷型芯研发领域里，无可争议的最重要基本原料之一。然而，值得特别提到的是，在1,100到1,250摄氏度的温度区间内，部分石英玻璃会产生重要变化，即是向晶相形态转化，形成方石英晶体。

由于在陶瓷型芯中的方石英晶体表现出比玻璃体更低的蠕变性质，因此当陶瓷型芯中含有一定量的方石英时，其在高温环境下抵抗变形的能力将得到显著提高。然而，晶体晶转变过程所带来的体积效应引发的内部应力可能会导致陶瓷型芯出现网状裂缝，进而削弱其整体强度。因此，研究方石英的析出规律及其对陶瓷型芯各类性能如强度等方面的影响无疑成为硅基陶瓷型芯开发与研制工作中的巨大挑战。如何做到合理地调控陶瓷型芯在制备和投入实际使用过程中所包含的方石英成分，这无疑是硅基陶瓷型芯制备工艺技术水平高低的最为关键的衡量标志。

II、铝基陶瓷型芯

从20世纪70年代起，欧洲各国已经开始广泛地运用铝合金基复合陶瓷型芯来制作单晶叶片，并在这一领域处于全球领先地位。然而，我国对于这种产品的研发则始于20世纪90年代晚期，相比之下稍显滞后者。

这款铝合金基复合陶瓷型芯主要采用的是由α-Al2O3粉体制备而成。相较于硅基陶瓷型芯，α-Al2O3展现出了更好的热强度、高度的化学稳定性以及卓越的抗高温能力，并且在烧制和使用过程中无需担心晶型发生变化，非常适合定向凝固柱晶以及单晶叶片的铸造过程。伴随着单晶高温合金铸造技术的持续发展，涡轮叶片的熔炼温度逐步提高，这也使得对陶瓷型芯的耐高温表现以及高温化学稳定性提出了更为严苛的要求。

然而，铝合金基复合陶瓷型芯仍然面临着两个重要挑战：首先，由于烧制过程往往需要在超过1600℃的高温环境下进行，因此烧结效果相对较差；其次，α-Al2O3难溶于酸或碱，这意味着在使用效果上对比硅基陶瓷型芯来说相对困难，尤其是在脱芯处理环节。因此，如何解决高温烧结和脱芯难题，已成为铝合金基复合陶瓷型芯在生产制造和实际应用时必须掌握的两大关键技术瓶颈。

根据型芯制成的方法和工艺特点，我们可以将陶瓷型芯划分为热压注入成型、传递成型、灌浆成型、凝胶注模成型以及3D打印成型等多个种类。虽然多种不同类型的陶瓷型芯都有各自的优点和适用范围，但目前国内外市场仍然以热压注入成型的陶瓷型芯占据主导地位。

图表：铝基陶瓷型芯

资料来源：智研瞻产业研究院整理

陶瓷型芯行业面临的挑战

（1）由于航空发动机和燃气轮机在设计上存在极为复杂的结构与工作原理，以及苛刻的运行环境，这些因素使得其研发工作显得极其艰巨。对于科研团队来说，他们必须要在实验室进行长达数十年的殚精竭虑研究，才能取得研发成果并且具备生产条件。更为重要的是，为了确保其稳定性，还需经历多次严格的测试和评估才能够正式进入量产阶段。因此，陶瓷型芯等配件制造企业在配合下游研发活动时，面临着不断调整制作参数、持续改进设计方案以应对下游产品所需的技术指标检测，这便对这些企业的技术积累、研发投入以及生产能力提出了非常高的要求。

（2）与此同时，在目前陶瓷型芯产业领域，大部分企业的规模相对较小，缺乏足够的市场竞争力。大多数参与航空发动机与燃气轮机用特种陶瓷产品业务的业内企业，由于在技术工艺积累、与下游厂商协作经验、资金实力等诸多方面存在局限性，使得他们难以真正满足下游行业的全部需求，甚至出现普遍性的经营业绩和生产规模偏小的情况。这种情况导致其自身的抗风险能力相对薄弱，市场竞争力亦有待提高。

图表：陶瓷型芯行业面临的挑战

资料来源：智研瞻产业研究院整理

陶瓷型芯行业产业链分析

陶瓷型芯行业上游主要是陶瓷粉体、有机物和溶剂等，陶瓷型芯行业主要应用于航空航天、汽车、能源、医疗等。这些领域将陶瓷型芯集成到其产品中，以实现所需的性能和功能。

图表：陶瓷型芯行业产业链结构

资料来源：智研瞻产业研究院整理

陶瓷型芯行业市场规模

统计数据显示，2018年中国陶瓷型芯行业市场规模3.23亿元，2022年中国陶瓷型芯行业市场规模11.81亿元。2018-2023年中国陶瓷型芯行业市场规模如下：

图表：2018-2023年中国陶瓷型芯行业市场规模

数据来源：智研瞻产业研究院整理

陶瓷型芯行业发展趋势

①专科领域内，陶瓷型芯制品市场具有丰富的潜力与多样性

熔模铸造技术作为一种专门针对标准化大规模生产的成熟铸造工艺，其低廉的成本使之在20世纪40年代首次进入工业领域后，迅速得到普及并成功运用于航空航天、能源化工、汽车制造等诸多行业的铸件生产过程中。而其中，陶瓷型芯便是完成熔模铸造铸件空腔制作不可或缺的重要原材料。这就使得陶瓷型芯无论是在军事还是民用的各个市场都蕴藏着巨大的潜力。

②在航空器与核能发电机领域，陶瓷型芯的应用领域广泛且多元

现阶段，我们主要致力于航空发动机与核能发电机这两大关键部分涡轮叶片所需要的陶瓷型芯的研发工作。但除了涡轮叶片之外，在航空器与核能发电机领域内，陶瓷型芯的应用趋势已经多样化且日益普及化。

③在航空器与核能发电机领域，陶瓷型芯的未来前景极其可观

当前，陶瓷型芯的主要运用领域在于航空器与核能发电机的涡轮叶片制造环节。伴随着发动机对于推重比等各项性能参数需求的逐步提高，涡轮表面温度逐步攀升，从而使得涡轮叶片的空心气冷结构日渐复杂繁琐。在我国国防投资不断增长、军用飞机的更新换代需求日益强烈以及训练强度逐步扩大这样的大背景之下，军用航空发动机市场呈现出整体稳步增长的趋势。

随着大量新型战斗机的投入使用，以及新型发动机的逐步定型、批量生产，这些都为陶瓷型芯行业市场规模的稳定增长提供了有力支撑。同时，中国自主研发的C919、C929和ARJ21等商业客机型号的测试与验证工作正逐步加快推进，对于CJ-1000、CJ-500及CJ-2000等长江系国产航空发动机品牌亦设定了明确且具体的生产节点。在这些引擎型号正式定型并开始批量生产之后，毫无疑问，这将会极大地拓展陶瓷型芯部件的潜在应用与市场空间。

对于燃气轮机领域而言，因国内各类军用舰船生产及更新换代需求不断增长，以及在“双碳”战略背景下燃气发电比例有望进一步提升，由此显著促进了军用及民用市场对各种功率级别的国产燃气轮机需求，为陶瓷型芯行业的发展与市场规模增长注入新的活力来源。而且，除了航空器与核能发电机领域，其他熔模铸造领域的进展也将会对陶瓷型芯产业起到推动作用。

图表：陶瓷型芯行业发展趋势

资料来源：智研瞻产业研究院整理