可3D打印的功能陶瓷材料

南极熊导读：当我们提到陶瓷时，许多人首先想到的是陶器或瓷器，但功能陶瓷实际上是地球上最坚固和最坚韧的材料之一。功能陶瓷可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两类，它们之间的主要区别在于氧化物至少含有一个氧原子和另一种元素，从而赋予其不同的性质。值得注意的是，非氧化物陶瓷通常具有更好的导电性和更高的硬度，而氧化物陶瓷更容易熔化和烧结，从而更容易在制造中使用。

此外，上述功能陶瓷可以以多种形式（包括细丝、粉末和树脂）用于增材制造。在本期文章中，南极熊列举了可与 3D 打印技术兼容的功能陶瓷材料，其中不包括粘土等其他常用陶瓷材料。这些功能陶瓷材料越来越多地应用到从航空航天、国防到汽车等各个领域，甚至生物医学领域。

氧化物类陶瓷

氧化铝

氧化铝是与增材制造兼容的功能陶瓷之一，应用范围广泛，熔化温度高于2000°C，具有很强的耐高温和热冲击能力。氧化铝也因其卓越的硬度而经常被选择，使其成为仅次于金刚石的最硬的天然材料。它还因其耐腐蚀、耐高温、电绝缘、导热和生物相容性而受到赞赏。它用于电子（绝缘体）、生物医学假肢、切削工具和航空航天等主要应用。

△图片来源：优美科

氧化锆

氧化锆材料在低温和高温下都具有出色的机械性能。由于其在室温下导热率相对较低，这种材料在暴露于极端条件下时表现出卓越的品质。在超过 1000°C 的温度下，氧化锆成为优异的电导体。其高硬度、耐磨性、化学惰性和抵抗金属侵蚀的能力使其成为广泛应用的首选材料，包括珠宝、生物医学设备、生物医学植入物（特别是牙科植入物）和电子设备。

△照片来源：3DCeram

氧化硅类陶瓷

另一种用于增材制造的陶瓷材料是硅基（Silicone）陶瓷。硅基陶瓷专为铸造磁芯设计，其主要成分是二氧化硅。多孔性是氧化硅主要优点之一，极大地简化了从铸件中的取出流程，并便于清洗。此外，这种陶瓷在面对压力时具有出色的机械强度和坚固性。Silicone几乎可用于所有合金（含钴合金除外），并且即使在非常高的温度下也以其稳定性而著称。

△照片来源：3Dceram

堇青石

堇青石，也称为蓝晶石，是一种镁铁铝环硅酸盐（由二氧化硅组成的硅酸盐矿物）。堇青石功能陶瓷主要用于航空航天工业的光学零件，也用于电加热技术，包括采用增材制造的领域。例如，瞬时电热水器的绝缘体、燃气燃烧器的加热导体支架或插入件均由堇青石制成。它们的膨胀系数较低，因此对温度变化具有很强的抵抗力。堇青石还耐磨，具有良好的机械强度和低导热率。堇青石分为多孔堇青石和致密堇青石。与致密类型相比，多孔堇青石的抗弯强度较低，但抗热震性较高。

△照片来源：Keramikverband

羟基磷灰石

羟基磷灰石可以被认为是一种生物陶瓷材料。它是属于磷灰石家族的矿物质，也是骨骼的主要成分之一。它常被用于 3D 打印，并与其他技术一起用于生物医学领域的骨骼重建。羟基磷灰石也是一种生物活性材料，即它能够与生物体的骨骼和软组织形成直接化学键。这使得它特别有趣，因为羟基磷灰石植入物是可吸收的，这意味着它们在植入后不需要从体内移除。羟基磷灰石3D打印主要用于颅骨、脊柱和骨科植入物等的生产。

△照片来源：3DCeram

氧化铝复合氧化锆材料

氧化铝，也称为氧化铝，在粘土和搪瓷的组成中起着重要作用。另一方面，由于具有相似的特性，氧化锆通常被认为是钻石的同类，是一种特别耐用的宝石。因此，硬化氧化铝和氧化锆的组合创造了一种特殊的陶瓷材料，具有工业和生物医学应用。氧化铝增强氧化锆特别适合生物医学领域，尤其是牙科，因为它具有莫氏硬度和韧性。其高生物相容性以及耐热冲击性和耐磨性使其成为口腔种植体、牙科零件和其他组件等牙科应用的理想选择。

△图片来源：CHEMCO

非氧化物陶瓷

碳化硼

碳化硼 (B4C) 是一种以其硬度而闻名的材料；它是世界上最硬的材料之一，仅次于金刚石和立方氮化硼。这种陶瓷具有优异的耐磨性、抗压性和耐热性，密度低，导热系数低。它主要用于航空航天应用（喷嘴的制造）、核应用或防弹背心或坦克等装甲设备的生产。在增材制造中，它不是使用最广泛的陶瓷，但它可以作为细丝（碳化硼与聚合物的混合物）以及粉末形式存在。

△碳化硼是一种功能陶瓷，可以在增材制造中以细丝或粉末形式使用。照片来源：Fiven

氮化硅

氮化硅是增材制造最有趣的功能陶瓷之一。它是一种以矿物形式（聂长石，存在于某些陨石中）存在的天然陶瓷。也可通过将硅粉在氮气气氛中加热至1400℃而获得。在性能方面，氮化硅具有很强的耐磨、耐腐蚀、耐开裂性能。它不仅是制造轻质、尺寸稳定零件的理想材料，而且还是一种良好的电绝缘体，并且对熔融金属具有低润湿性（一种物理特性，表征液滴在固体表面上保持或扩散的能力）。这种功能陶瓷与增材制造结合使用，可在众多行业中实现广泛的用途。其最引人注目的应用是半导体、阀门和泵组件以及加热管的制造。

△照片来源：UBE公司

氮化铝

氮化铝（AlN）是铝和氮的化学物，其特性包括高导热性、高效的电绝缘性和显着的机械强度。这些特性使其成为电子行业，特别是微电子行业的首选。氮化铝经常用于半导体结构，并作为 LED 技术中的散热器。另一个优点是它耐等离子体，并且在加工过程中使用安全。

△照片来源：3DCeram

碳化硅

碳化硅是一种极其耐用的化合物，尽管其成分与金刚石相似（考虑到该化合物中碳 (C) 和硅 (Si) 的尺寸差异，这似乎不太可能），但碳化硅衍生物种类繁多。有些经过烧结或再结晶，但它们具有共同的特性，使它们成为卓越的功能陶瓷，包括用于增材制造。尽管导热率很高，但这些陶瓷的特点是具有出色的耐热冲击性和耐磨性。碳化硅具有卓越的耐腐蚀性、高硬度和高温机械性能，是汽车和能源行业的理想复合材料。主要应用包括加热系统、电动汽车和电动汽车充电站零件的制造，包括增材制造。

中国陶瓷3D打印厂商

中国已经出现一批陶瓷3D打印厂商，例如：北京十维、武汉三维陶瓷、浙江迅实、厦门斯玛特陶泥、厦门智创诚陶泥、佛山光垒、西安点云、江苏乾度、嘉兴饶稷、武汉因泰莱、深圳升华三维、昆山博力迈、醴陵九天、济南易造Eazao、上海数造、黑锆增材、上海魅湃、君璟科技等，不过，这些公司的年营收最多几千万元，还没有大体量的企业出现。

功能和传统陶瓷增材制造市场可达37亿美元，VoxelMatters 发布报告

2023年9月6日，南极熊获悉，经过过去几个月的广泛调查，专注于全球增材制造 (AM) 行业的领先市场分析公司 VoxelMatters Research 发布了对功能和传统陶瓷增材制造领域的最新综合研究结果。这两份报告的标题为《2023 年功能陶瓷增材制造市场》和《2023 年传统陶瓷和砂型增材制造市场》，收集了当今在这些领域运营的所有主要公司的销售和业务活动信息。

根据新报告，功能陶瓷增材制造领域的收入预计将从 2022 年的 1.13 亿美元增长到 2032 年的20 亿美元，复合年增长率为 33.5%。传统陶瓷和砂型增材制造领域的收入预计将从 1.37 亿美元增长到 17 亿美元，同期复合年增长率为 30.4%。

虽然功能陶瓷和传统陶瓷仍然代表着一个利基市场，但它们继续显示出强劲的增长迹象、快速的技术发展和工业应用的巨大潜力。出于这些原因，VoxelMatters 多年来一直跟踪这些细分市场，并建立了市场数据领域最准确、最完整的数据库。

△功能陶瓷增材制造市场复合年增长率 2022-2032（左）；传统陶瓷增材制造市场 2022-2032 年复合年增长率（右）

这些新研究基于 VoxelMatters 最新的核心增材制造技术和传统陶瓷公司（增材制造硬件、增材制造材料和增材制造服务）数据库，提供了对全球陶瓷增材制造市场最全面的分析和预测。

此外，首次将功能陶瓷增材制造领域和传统陶瓷增材制造领域划分为专门报告，以反映每个工业领域高度不同的特征，功能陶瓷的特点是（主要）直接生产小尺寸、先进的零件和传统陶瓷专注于大尺寸砂型和铸造应用。这两份报告也可以捆绑提供。

功能陶瓷增材制造报告

通过利用 VoxelMatters Directory（全球最大的经过验证的增材制造公司名录，目前包含 6,800 多家公司），研究团队确定了 108 家对功能陶瓷增材制造有投资兴趣的公司，几乎代表了整个市场及其关键细分市场：24 家硬件制造商、40家材料供应商、44家服务提供商。这项研究的数据集包含超过 15,000 个数据点，提供了全球市场最准确的快照之一。

这份长达 200 页的新报告包含超过128 个图表和数据表，重点关注增材制造中用于生产通常仅重几克的高性能零件的功能陶瓷。该市场由硬件收入推动，到2022 年，硬件收入将占核心功能陶瓷增材制造市场的 53%，特别是VAT光聚合（VPP）技术。2022 年收入最高的硬件公司是 Lithoz、3DCeram、DesktopMetal、iLaser 和 XJet。

△2022-2032年按细分市场划分的功能陶瓷增材制造市场收入预测（百万美元）

与硬件趋势相呼应，VPP 的浆料材料占材料收入的 54%，而增材制造服务行业的增长最为显着，预计 10 年预测期内（2022 年至 2032 年）复合年增长率为 35%。最后，该报告还包括深入的地理分析，其中欧洲、中东和非洲地区的公司在 2022 年产生的收入最大，总计 3429 万美元。

报告中涉及的一些领先和新兴公司包括：十维科技、3DCERAM、Admatec 和 Formatec（NanoDimension 的一部分）、AON、BMF、Bosch Advanced Ceramics、CERHUM、Desktop Metal 和 ExOne、Goodman Technologies、iLaser、KRAHN Ceramics、Kyocera精细陶瓷、Lithoz、Nanoe、nScrypt、Schunk Carbon Technology、Steinbach、Tethon 3D、voxeljet、WZRCeramic Solutions、XJet、Zipro。

△2022-2032年顶级垂直行业功能陶瓷增材制造市场收入预测（百万美元）

传统陶瓷和砂型增材制造报告

这份长达 120 页的新报告包含 80多个图表和数据表，重点关注增材制造中使用的传统陶瓷，主要用于生产砂型铸造的大型模具和型芯。在这个案例中，团队确定了 63 家在传统陶瓷增材制造领域广泛运营的公司，几乎代表了整个陶瓷增材制造市场及其关键细分市场：21 家硬件制造商、18 家材料供应商和46 家服务提供商。总的来说，本市场研究的数据集包含 9,000 多个数据点，提供了当前陶瓷增材制造全球市场最准确的快照之一。

在这一细分市场中，硬件（主要是粘合剂喷射）是收入的驱动力，预计到 2032 年收入将突破 10 亿美元。增材制造服务收入预计到 2032 年将以较低的复合年增长率 22.6% 增长，主要是因为我们预计最终用户公司（包括铸造厂）在铸造应用中内部采用砂粘合剂喷射技术。

△2022-2032年传统陶瓷增材制造市场收入（按细分市场划分）预测（百万美元）

2022 年收入最高的硬件公司是ExOne 和 voxeljet，而最大的采用领域是工业、汽车、能源和消费领域，占市场份额超过 60%。

报告中提到的领先和新兴公司包括：3D Potter、AFS、AMSKY、CeramicaCollet、Christenguss、CITELEGroup、Desktop Metal、Desamanera、EASYMFG、Eisengiesserei Mezger、Enable、FHZL、广东中利鼎智能科技、Hetitec、HumTown Additive、伊藤忠商事国际、KOCEL、Metang Novatech、voxeljet 和 WASP。

△2022-2032年传统陶瓷增材制造市场收入预测（按顶级垂直行业划分）