高性能壓敏電阻納米復合瓷料可行性研究報告(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 前列，對保障和提高國民經濟各產業的穩定發展，有著重要意義。其必要性主要表現在以下三個方面： 將大幅度提高我國壓敏電阻的技術水平 我國目前的壓敏電阻技術水平，可以達到日本松 下公司 96/97 年樣本對壓敏元件通流能力、能量耐量、壓敏電壓等質量指標的要求，但 裕 量不大，和國外先進公司的高性能產品比較還有較大差距。如我們目前的器件高壓、高能不能兼顧，給過電壓防護造成?死區?。而采用納米復合瓷料將實現高壓、高能的兼顧，填補國內空白，滿足軍事防護的需要。 將減少高性能壓敏器件的進口 我國是普通型壓敏電阻生產的大國，但高性能器件仍不能生產。如我國電力工業發展中急需的 75萬伏超高壓輸變電避雷器，國內不能生產，全部依賴進口，每年要耗用大量外匯。用項目產品試生產的高性能避雷器，從初步數據 看，各 項 性能指標已超過了國外同類產品 。 它的投產，可抑制國外此類產品的進口。 有利于我國壓敏電阻參與國際競爭，擴大產品出口 本項目產品的產業化將大幅度提高國產壓敏電阻的質量，有利于我國壓敏行業在 WTO 的框架下積極參與國際競爭。從國際技術產品貿易的實踐看，如果與對手水平相差較大，對手就可以漫天要價，進行要挾與歧視；如果與對手水平一樣或高于對手，就能實現平等競爭 ； 同時還可擴大高技術產品的出口。壓敏電阻領域同樣如此。 國外技術研究現狀 9 國外氧化鋅壓敏電阻已有 30 多年的發展歷史。 ① 1967年 7月，日本松下電器公司無線電實驗室的松崗道雄在研究中發現氧化鋅壓敏電阻的配方和壓敏特性； ② 1972年美國通用電氣公司購買了日本松下電氣的大部分發明專利和技術決竅，開始了大規模的研究； ③ 80 年代前期，以解釋宏觀電性為目的的導電模型和微觀結構研究； ④ 80 年代后期，以材料和產品開發為目的的配方機理和燒結工藝研究； ⑤ 90 年代前期氧化鋅壓敏陶瓷材料非線性網絡拓樸模型的研究； ⑥ 90 年代中期氧化鋅壓敏陶瓷復合粉體的制備研究； ⑦ 90 年代后期納米材料在氧化鋅壓敏陶瓷中的應用研究； ⑧ 2021 年以來，納米復合粉體的制備及應用研究。 目前國外在該領域的研究上，一方面是在微米機械混合瓷料配方、工藝設備基礎上進一步尋求新的方法，以使瓷料更加均勻、一致，粒徑更小；另一方面是采用化學共沉淀法，走復合化、納米化 的路子， 從根本上解決瓷料的均勻 性和 一致性。 國內技術研究現狀 1970 年日本的氧化鋅壓敏電阻進入市場后，技術對我國封鎖。 1972 年國營 795 廠開始研究氧化鋅壓敏電阻。為解決南京長江大橋鐵路信號系統的防雷保護問題， 1974年國家組織 795 廠、鐵道部電化局和華中工學院三家，聯合開展氧化 鋅壓敏電阻研制會戰。 1975 年首批試制成功的氧化鋅避雷器安裝在南京長江大橋的移頻自動閉塞行車電路上，取得了很好的防雷效果 ， 這項成果 1978年獲全國科學大會獎 ， 之后這一技術在全國擴散到十幾個廠家。但水平低，與國外先進技術差距很大 ， 為此國家有關部門曾多 10 次與日本松下公司接觸，商談技術引進，但均未達成協議。直到現在，我國壓敏電阻配方和生產工藝技術，都是我國科技工作者參考國外文獻，獨立自主研究的成果。 90 年代后期到現在，我國在微米混合瓷料技術基礎上的壓敏電阻生產技術有了很大進步，但和發達國家比，仍有較大差距。 2021 年以來，在納米技術研究的推動下，國內采用濕化學法進行電壓敏納米復合粉體的研究取得了重大突破。 XXX科技有限公司聯合中科院固體物理所、中科院過程工程所、美國 Littdlfuse 公司、南京無線電 11廠承擔的國家? 863?計劃項目，在電壓敏納米復合瓷料的制備上，取得了中試成果，壓敏電阻各參數大幅度提高。 技術發展趨勢 壓敏瓷料的技術發展，從全球來看，主要有以下幾個趨勢： 一是在目前微米材料的基礎上，進一步在添加成份如稀土元素上做文章，改變配方組成，以求突破。 二是在微米材料基礎上，生產復合粉，以提高均 勻性。這方面，美國通用和德國西門子都已實現了工業化。 三是在微米材料的基礎上，添加納米成份元素，以改善器件性能。 四是采用納米技術，采用濕化學合成方法，實現材料的納米化、復合化。納米復合瓷料代表了當今世界壓敏電阻陶瓷材料發展的最高水平。 計算機、信息網絡、移動通訊等集成電路產業。 以集成電路為代表的小型化、數字化電子產品的發展，過去 20年和今 11 后 20 年，都將是電子產品發展的主流，是國民經濟的支柱，已涉及到人們生產、生活的所有方面。但隨著集成度的提高，內部線條越來越細，已達到納米 級，不大一點 的 沖擊能量就能將它燒壞，各種電磁脈沖造成的危害越來越嚴重。這種危害不僅表現在具有嚴重的直接經濟損失，而且伴有更嚴重的間接經濟損失 ， 如服務中斷和數據、資料丟失等。美國 IBM 公司曾對計算機電源故障原因作過統計，其中各種瞬變干擾占 %。美國工業每年因各種電磁瞬變過電壓造成的損失超過 100 億美元。國外有人把全球半導體器件和壓敏電阻的用量逐年發展增長畫在同一坐標上，結果兩條曲線幾乎完全吻合。這揭示出壓敏電阻對集成電路產業發展的重要性 ， 以使用集成電路為代表的計算機、信息網絡、移動電話等半導體產業的發展 離不開壓敏電阻的保護。 電力、鐵路行業 以發電、輸電、變電為主的電力行業以及鐵路電力機車、信號系統，由于處于野外，每年因雷電過電壓造成的損失巨大。 2021年夏季，美國、加拿大連片幾個州的大停電，造成幾百億美元的損失，經過幾個月的調查，原因就是過電壓造成的。在我國，上世紀 70年代，山東境內一次雷擊，從泰安打到袞州，京滬沿線十多個鐵路車站的信號設備產生誤操作，一路紅燈，造成京滬全線癱瘓。為了保護電力、鐵路系統的正常運行，在壓敏電阻器領域形成了一個重要分支 — 高壓避雷器，專門用于電力、鐵路系統的雷電過電壓 防護。可以說，離開壓敏電阻器的防護，電力、鐵路系統就不能正常運行。 汽車工業 隨著汽車工業的發展，汽車電子控制系統在汽車工業中的位置越來越 12 重要。現代汽車工業的每一次升級換代，基本都是電子控制技術進步的結果。而隨著電子系統的大量使用，對其進行電磁脈沖防護就顯得非常重要。汽車中的過電壓主要來自于以下幾個方面：一是發電機電流突然中斷產生的拋負荷 過電壓，其幅度可大于 100V，持續時間可達 ，雖然機率較小，但因能量大，極具破壞性。二是汽車中大量使用的小電機在關斷時所產生的沖擊電壓。由于電機的通斷操作十 分頻繁，這種沖擊電壓也頻繁出現。在汽車電子系統中，一處的沖擊電壓，會通過布線間的磁藕合、電容藕合或公共導體藕合，傳送到其它地點，造成多點的過電壓沖擊。三是點火開關通斷造成的沖擊。汽車中的上述沖擊過電壓，對汽車電子系統的破壞是頻繁的，在這些部位都配置有壓敏電阻進行保護。汽車工業離不開壓敏電阻。 國防工業 現代戰爭中，核爆炸引起的核電磁脈沖和專門用于推毀敵方信息傳輸中樞的電磁脈沖炸彈，把戰爭引到了破壞力更大的階段。由于核電磁脈沖具有電壓電流幅度大、作用時間短、頻譜寬、作用范圍廣的特點，要對其進行有效防 護，就需要有專門裝置。該裝置的響應時間必須小于 10 納秒，工作頻率應該在 0到 150兆赫頻段；尖峰抑制電壓應大于 100kA；電源線路和外置天線饋線線路脈沖瀉放能力應大于 100kV；信號傳輸線路脈沖電流瀉放能力應大于 10kA。這樣的參數，對以壓敏電阻為核心組件的 SPD 等浪涌吸收器的研制，提出了重大挑戰。如果不進行電磁防護，戰場上將無法對敵。現代戰爭離不開高性能壓敏電阻。 家電工業 彩電、冰箱、電扇、微波爐等工業、消費類電器的安全運行和使用， 13 都存在著各種過電壓造成損壞的可能，因此，也都需要壓敏電阻進行防護 。 醫療及其它精密電子設備 現代化醫療設備及其它精密儀器的核心部分都是由微電子芯片及精密電子線路構成。這些設備對于配電系統中的電壓波動非常敏感，耐過電壓的能力不斷下降，雷電過電壓和系統操作過電壓通過電源端進入整流電路擊毀線路板造成經濟損失的事件時有發生。 1998年 7 月，山東威海市醫院一臺核磁共振儀被雷電引起的過電壓擊毀，損失上百萬元； 2021年 8月，江蘇省泰州某醫院一臺 CT機因過電壓被擊毀，損失數十萬元。 其他 上述 6 個方面是壓敏電阻應用的主要方面，其余則列表如下： (一 )機器設備的電涌 防護 (1) 化工設備 —— 電集塵器 (2) 搬運機械 —— 起重機、升降機、卷揚機、電梯 (3) 金屬加工機床 —— 數控機床 (4) 辦公設備 —— 復印機、電腦 (5) 縫紉機械 —— 電動縫紉機（帶調速器） (6) 冷凍機 —— 冷凍機械 (7) 自動售貨機 —— 各種自動售貨機（軟飲料售票機、售食品機） (8) 煤氣和石油設備 —— 煤氣或石油加熱中心、煤氣空間加熱器 (9) 旋轉電機 —— 車輛用馬達、電動提升機械 (10) 工業電子產品 —— 可控硅變流器和逆變器、線路碰地故障斷路器、焊接、繼電器 (11) 消費類電子產品 —— 微波爐、電熱毯、電風扇、電冰箱、空調機、 14 洗衣機 (12) 配線和照明設備 —— 熒光照明系統、水銀燈照明系統 (13) 收音機、電視接收機 —— 電視機、立體聲設備和音響設備 (14) 電子管、半導體元件和集成電路 —— X射線管、整流管、整流元件、可控硅集成電路 (15) 電子應用技術設備 —— X射線設備、電子加速器、超聲設備、高頻加熱器、核融合設備 (16) 電氣測量儀器 —— 示波器、電度表 (17) 電池 —— 通訊設備用電源 (18) 汽車 —— 電子燃料控制器、晶體管點火器 (19) 自行車 —— 自行車發電機 (20) 測量設備 —— 工業測量和遙測設備 (21) 鐘表 —— 石英仲 (22) 宇宙觀測設備 —— 防止火箭因靜電引起誤動用 (23) 通信機器及無線電應用裝置 —— 電話機、交換機、電訊裝置轉接設備、發送設備 (二 )設施的電涌防護 (1) 廣播 設施 —— 衛星站 (2) 通信設施 —— 無線電中繼站、電話設施 (3) 電力設施 —— 配電設施 (高、低壓 )、變電所 (低壓 )電力通訊設施 (4) 鐵路設施 —— ATS、 CTC、 AFO裝置 (5) 一般電氣設施 —— 農業設施（果園家畜飼養、農作物）、高爾夫球場、水利工程等 。 15 第三章 產品市場可行性分析 過壓 敏感 保護器件和國民經濟各行業的產業關聯度非常之高，隨著全球計算機信息產業、汽車工業、移動通信、電力、鐵路以及各種電子、電器工業的蓬勃發展，作為壓敏器件生產核心技術的瓷料產品的市場前景將非常廣闊。項目產品將以三種形態進入市場：一是 高壓避雷器，主要用于電力和鐵路系統防雷；二是圓片或方片引線式壓敏電阻，主要用于信息網絡防雷和各種交流電源保護以及電子、電器產品的過壓保護；三是疊層片式表面貼裝壓敏電阻，主要用于計算機、移動通訊、汽車電子等集成電路產品。據無源器件專業市場調研公司 PAUMANOK 的預測，今后幾年全球市場的年增長率將保持在 15%。其中， 全球 MLV（疊層片式壓敏器件）產量將接近 120 億只，以每只耗用瓷料 計，耗用瓷料 1200 噸；引腳式壓敏電阻仍將是市場主流，占 疊層和引線式 壓敏電阻總量 55%60%的市場，到 2021年市場需求 量將突破 150億只，以每只耗用瓷料 1g計算，全球耗用瓷料將達 噸；高壓避雷器占總瓷料消耗的 80%，全球用量將達 萬噸。三者合計，到 2021年全球壓敏瓷料市場總需求量將達到 。以年均增長 10%計，到 2021年全球用量將達 13 萬噸。 下面就幾個主要行業市場分別分析如下： 汽車電子系統市場分析 汽車電子耗用壓敏電阻數量最大的是歐州和美國，平均每輛車使用 16 2530 只壓敏電阻。隨著我國汽車工業的發展，國內耗用量也將急驟增長。汽車電子系統配置壓敏電阻的典型情況如表 31 所示。 表 31 一輛轎車壓敏電阻的典型使用 序號 配 置 部 位 單位 數量 備注 1 多路數據線 只 每路 11 2 ABS 電路板 只 4— 6 3 EMU 只 3 4 油泵馬達 只 1 5 天線馬達 只 1 6 門 /窗馬達 只 4 7 座位馬達 只 1 8 Sunroof 馬達 只 1 9 風扇馬達 只 1 10 各種繼電器 只 不定 汽車電子是低壓壓敏電阻的重要市場。 2021 年占到壓敏電阻市場的28%。預計到 2021 年，每輛轎 車中壓敏電阻的數量將增加到 44 只。 2021年將增加到 50只以上。全球每年幾千萬輛汽車的產量，將是壓敏電阻的巨大市場。 移動電話市場分析 每部手機中平均使用 10— 15只壓敏電阻，主要用于保護 I/O端口、場效應管和揚聲器等。今后每部手機中壓敏電阻的用量隨著手機功能的不斷增加而增長，但增長幅度最大的仍是手機數量的增長。 2021 年全國手機產量 億部 ， MLV（疊層片式壓敏電阻）用量超過 18 億只。據臺灣工研院經資中心預測， 2021年全球手機產量將達 ，僅手機就要消耗 MLV90