【原创】攻克这块“豆腐”,为生产大尺寸陶瓷打开了大门——访上海硅酸盐研究所王士维研究员


来源:   山川

[导读]  在“第一届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会”期间,我们邀请到上海硅酸盐研究所的王士维研究员做客“ 对话”栏目。

中国粉体网讯  2022年7月13日,由中国粉体网主办的“第一届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会”于山东济南隆重举行。期间,我们邀请到多位与会专家学者做客“ 对话”栏目,本期为您分享的人物专访是来自上海硅酸盐研究所的王士维研究员。

 


王士维研究员


王士维研究员长期从事结构陶瓷和透明陶瓷研究,主持(完成)国家自然科学基金、“863”计划、重点研发计划子课题和中科院重点部署项目等20余项。发表SCI论文230余篇,获授权发明专利49项,制定国家建材行标1项和上海市企标5项。带领团队组织研制和生产的碳-石英复合材料和中红外透明陶瓷等材料和器件已在近十种特种装备中得到实际应用。前不久,王士维研究员带领的科研团队突破大尺寸陶瓷素坯在干燥和烧结过程中的变形及开裂等关键瓶颈,成功制备出直径达1010mm的超大尺寸高纯氧化铝陶瓷圆盘和外径为200mm的双层同心高纯氧化铝圆筒,材料主要性能指标优于国外同类产品水平。


粉体网:请问王老师,大尺寸、复杂形状氧化铝陶瓷部件的应用领域有哪些?我国在这方面有哪些落后之处?


王士维研究员:大尺寸、复杂形状氧化铝陶瓷主要是应用于半导体制造的众多环节中,比如单晶硅的研磨抛光,LCD载运板等。不得不承认,我国在大尺寸、复杂形状氧化铝陶瓷方面的研究应用还是落后很多的,我们国内的设备基本都是整套从国外引进的,很多大尺寸部件材料也依赖于进口。这些年我们加快了追赶的步伐,首先平板形状的部件制备已实现国产化,国外可以做到1m尺寸,我们目前也能做到,但在复杂形状陶瓷部件方面,我们仍处于追赶状态。



直径1010mm高纯氧化铝盘和外径200mm双层同心高纯氧化铝圆筒


粉体网:目前在大尺寸陶瓷件方面,传统的成型方式有哪些?这些传统的成型方式有哪些不足之处?


王士维研究员:最经典的一个传统成型方式是冷等静压成型,但是在制备大尺寸陶瓷部件时,冷等静压成型对设备的要求非常高,并且制备大尺寸部件也就意味着冷等静压设备的尺寸也需同步提升,这导致它的购买成本和维护成本支出会很高。另外一种方法就是注凝成型,注凝成型原有工艺中有机物的添加量较高,它的干燥环节会变得异常困难,容易导致开裂变形。以上是两个主要的传统成型方法以及它们的不同之处。


粉体网:自发凝固成型技术是一种怎样的成型技术?相比传统成型方式,它的独特之处体现在什么地方?


王士维研究员:这是一项非常有意思的技术,类似于“做豆腐”的过程,在豆浆中加入γ-葡糖酸内酯,形成网络结构,便能让豆浆凝固成豆腐。自发凝固成型技术采用类似的原理,即在陶瓷浆料中加入添加剂形成网络结构,从而形成类似于豆腐的陶瓷坯体。这种技术的最大优势在于工艺简单,不需要复杂且昂贵的设备,大幅降低整个生产成本。另一个优势在于添加的有机物比较少,能够降低原料成本,同时在烧结时易于排放,既解决干燥和脱粘过程中的变形和开裂等关键技术问题,又能最大限度的减少环境污染。


粉体网:据粉体网了解,您在开发自发凝固成型技术过程中付出了极大地精力与时间,请您给我们分享一下该技术的研发历程。


王士维研究员:这个就说来话长了,在研发之初我们也曾开发过一种传统的注凝体系,加了三种添加剂,采用的也是做豆腐原理。我们也曾将该体系转化到企业进行生产,但是企业在生产过程中提出能否减少有机物的加入,因为有机物的价格是比较昂贵的,而且它的作用是辅助成型,最终还是要烧掉的,加入量越少对后续制备环节越有好处。在企业的迫切需求下,我们也在思考开发一套新的注凝体系。


在后续的开发中,我们分为两步,第一步是在新体系开发出来之后,我们需要将产品尺寸“放大”,这是一个艰难的过程,后来经过和企业的共同攻关,充分发挥出企业人员的聪明才智,终于做出了大尺寸部件,这是一个非常漫长的过程,花费了我们大约七、八年的时间。


第二步是设计不同有机试剂体系。因为不同种类的粉体甚至是不同厂家同类粉体都是有差异的,我们不可能用一种试剂去匹配所有的粉体,所以我们需要设计出不同的分散/固化剂,来满足不同粉体颗粒的成型,这样的话,我们可以更自由的应付不同陶瓷材料的成型制备。


粉体网:除了氧化铝陶瓷,自发凝固成型技术在其它陶瓷材料制备方面的应用进展如何?


王士维研究员:我们当初是在做氧化铝陶瓷时开发出这套技术的,所以我们采用该方法在氧化铝陶瓷制备方面做了很多尝试,如致密氧化铝陶瓷、透明氧化铝陶瓷、多孔氧化铝陶瓷等等。然后我们又将这项技术成功应用于氧化锆陶瓷、氮化铝陶瓷、莫来石陶瓷的制备中,国内外研究机构也采用这种方法制备出了氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等等,甚至很多电子陶瓷产品目前都采用我们这种方法。



自发凝固成型获得的透明陶瓷,来源:上海硅酸盐研究所


粉体网:王老师,您在成果转化方面做了哪些工作?


王士维研究员:这方面主要体现在我们和企业之间的合作,这不仅仅是技术合作,而且还是人与人之间的合作。产品尺寸由小到大是一个漫长又艰难的过程,不可避免的是大家有时会失去信心,这就需要我们和企业之间互相沟通理解,所以除了在技术攻关之外,还需要把各方面协调好,齐心协力把事情做好,所以我认为,除了技术,多方面、充分的沟通是技术成果顺利落地的重要保证。与我们合作的这家企业叫江西中科特瓷新材料有限公司,目前发展还是挺不错的,这家企业同我们一起艰苦奋斗了好多年,我个人也是非常的钦佩这位企业家。


粉体网:好的,非常感谢王老师接受我们的采访,谢谢!


(中国粉体网编辑整理/山川)

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