——威海圓環(huán)氮化硅陶瓷系列高新技術產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)的創(chuàng)新之路Ⅱ

 

2022年10月，威海圓環(huán)批量化生產(chǎn)性能完備的0.1～1mm規(guī)格的氮化硅陶瓷微珠各項理化指標達到了國際上行業(yè)領軍的質量水平，突破了西方先進國家在氮化硅陶瓷微珠的技術保護和應用產(chǎn)品對我國“卡脖子”難題。

 

▲ 威海圓環(huán)批量生產(chǎn)性能完備的 0. 1 mm規(guī)格的氮化硅陶瓷微珠

氮化硅陶瓷微珠不僅是圓珠筆尖筆珠、高轉速微型軸承理想的升級換代產(chǎn)品，0.1mm規(guī)格氮化硅陶瓷微珠作為磨介是生產(chǎn)成微米級漿料、納米級漿料的關鍵耗材，將推動我國金屬粉體、非金屬粉體原材料超細磨，生物醫(yī)藥領域孢壁破壁等高科技新材料產(chǎn)品質量升級迭代，有望引發(fā)新一輪材料產(chǎn)業(yè)革命。

 

Si3N4氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨、抗氧化性、抗熱沖擊及低比重等綜合性能，可以承受金屬或高分子材料難以勝任的嚴酷工作環(huán)境，被廣泛應用于航空航天工業(yè)、機械工程、通信、電子、汽車、能源、化學生物等領域。以氮化硅材料制造氮化硅陶瓷球同樣具有優(yōu)異的綜合性能，氮化硅陶瓷球應用領域前景廣闊。

 

▲耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、韌性好、高硬度的氮化硅陶瓷球

氮化硅陶瓷球在機械工程領域性 能特點 和用途

 

在機械工程領域氮化硅陶瓷球強度大，密度小，密度僅為鋼軸承的41%，擦系數(shù)小，有自潤滑性，熱膨脹系數(shù)小，體積受溫度影響變化小，用于軸承制造，可承受嚴酷的工作環(huán)境，工作壽命也高于一般軸承。在航空航天行業(yè)，氮化硅陶瓷球用于軸承制造，由于氮化硅陶瓷球自潤滑性和密度小，不僅能有效防止軸承卡死，還能有效降低飛機發(fā)動機重量，減低油耗。

 

氮化硅陶瓷球 做為 研磨介質在超細研磨領域性 能特點 和用途

 

氮化硅陶瓷球硬度高，硬度僅次于金剛石和立方氮化硼。 氮化硅研磨球24小時的磨耗只有百萬分之一，氮化硅陶瓷球因研磨消耗非常低，降低了研磨介質的磨損及對研磨材料的污染，有利于獲取更高純度的超細粉體。

 

氮化硅陶瓷球替代氧化鋯陶瓷珠 做為 研磨介質可大幅提升高科技粉體產(chǎn)品質量

 

氧化鋯陶瓷球做為研磨介質具有高抗彎強度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，高韌性等優(yōu)點，作為超細研磨介質氧化鋯陶瓷球是研磨介質中的理想產(chǎn)品，在我國粉體制備工業(yè)中做為研磨介質廣泛應用。但是氧化鋯陶瓷球作為研磨介質具有高韌性，是原因有穩(wěn)定劑的存在，氧化鋯陶瓷球的這種高韌性是有時效性的，比如氧化鋯陶瓷球放置空氣一段時間后，失穩(wěn)，其性能就會嚴重下降，甚至出現(xiàn)開裂，而且高溫時候氧化鋯陶瓷球是沒有亞穩(wěn)相即失去高韌性的特點，因此氧化鋯陶瓷球無法在高溫情況下使用，和室溫情況下長時間使用，不能高溫使用和時效性差這2項缺點嚴重制約氧化鋯陶瓷球做為研磨介質發(fā)展。

 

▲氧化鋯陶瓷球與氮化硅陶瓷球常見性能對比表

氮化硅陶瓷球作為替代氧化鋯陶瓷珠作為研磨介質的升級換代產(chǎn)品，氮化硅陶瓷球在一進入粉體工業(yè)研磨應用領域，憑借著極低的磨損率及優(yōu)異的力學性能等，就備受關注，盡管受限于氮化硅陶瓷球的成本及制備工藝等原因，氮化硅陶瓷球的應用并沒有那么廣泛，但是作為高科技粉體產(chǎn)品或高附加值粉體產(chǎn)品研磨介質的使用要求來說，氮化硅陶瓷球還是一種極具潛力的研磨材料。

 

例如，我國在研磨鋰電池隔膜用的高純氧化鋁粉體時，常用的是氧化鋯陶瓷球來研磨，一噸的氧化鋁粉體磨耗大約五至六公斤左右的氧化鋯磨介，損耗的氧化鋯磨介粉末以雜質混合在氧化鋁粉體中，導致原先純度為99.99的氧化鋁粉的純度會降到到99.47。雖然說雜質氧化鋯磨介粉末對鋰電池隔膜的危害性不是特別大，但是也給氧化鋁粉體提純帶來難度，這也是我國造出來的鋰電池，與日本制造的鋰電池性能相差較大的原因之一。有試驗表明，氮化硅陶瓷球作為研磨介質24小時的磨耗只百萬分之一，氮化硅陶瓷球作為替代氧化鋯陶瓷珠作為研磨介質可大幅提升高附加值粉體和高科技粉體產(chǎn)品純度、質量和成本，有望為我國科技產(chǎn)品質量升級迭代提供新路徑。

 

在威海圓環(huán)先進陶瓷股份有限公司，筆者見到工作近十年的氮化硅研磨球、氮化硅研磨圈2種氮化硅磨介，將2個氮化硅研磨球、氮化硅研磨圈對比(如下圖)，我們發(fā)現(xiàn)工作近十年的氮化硅研磨球、氮化硅研磨圈除了變得光滑一些，還有棱角沒那么分明以外，氮化硅研磨球、氮化硅研磨圈的大小并沒有太大明顯的變化。氮化硅陶瓷球雖然生產(chǎn)制造成本較氧化鋯陶瓷珠高一些，但是從氮化硅陶瓷球使用全壽命周期相對與升級換代對象氧化鋯陶瓷球的生產(chǎn)成本優(yōu)勢來計算，氮化硅陶瓷球也是具有相當?shù)膬?yōu)勢。從研磨介質角度來看，氮化硅陶瓷球是作為替代氧化鋯陶瓷珠的理想的升級換代產(chǎn)品。

 

▲氧化鋯陶瓷球升級換代產(chǎn)品氮化硅磨 介 10年使用前后狀態(tài)對比

氮化硅陶瓷球制備成型工藝對其性能影響

 

氮化硅陶瓷球的成型工藝對其性能影響非常重要，不同使用要求的氮化硅陶瓷球制備工藝是不一樣的。熱壓燒結的氮化硅陶瓷球的機械性能比氣壓燒結的氮化硅陶瓷球要優(yōu)異，熱壓燒結的氮化硅陶瓷球強度高、密度大，但制造成本高、燒結設備復雜。作為磨介用的這種熱壓燒結的氮化硅陶瓷球采用的是熱壓成型工藝，以特殊的原料配方，在機械外力作用下，邊壓邊燒結熱壓成型出來的產(chǎn)品，它極耐高溫，強度可以一直維持到1200℃的高溫而不下降，受熱以后也不會熔成融體，是世界上最堅硬的物質材質之一，有著極佳耐磨性能，作為氧化鋯陶瓷球磨介的升級換代高檔研磨介質使用，可連續(xù)工作很多年，且磨損率極低。

 

從氮化硅陶瓷球到氮化硅微珠 ,中國氮化硅新材料技術獲突破

 

我國工業(yè)粉體材料產(chǎn)品質量長期落后西方先進國家，尤其是重要的納米級粉料領域更是如此，究其原因就是我國工業(yè)粉體材料磨不細，提不純。而磨細、提純除了機器設備的制約外，磨介的作用不能低估。正因為沒有納米級的原料粉，導致的化妝品、油墨、涂料、油漆等的產(chǎn)品質量遠不如人;正因為沒有納米級的原料粉，中國工業(yè)的發(fā)展長期受制于人;正是由于在復合材料上的落后，中國的飛機設計師們不敢也不愿意多用國產(chǎn)材料，以免造成飛機設備減重困難，中國的高鐵等高科技產(chǎn)品的關鍵設備及及重要部件材料長期受制于人。從國家戰(zhàn)略而言，氮化硅陶瓷微珠作為各種納米級工業(yè)粉料研磨的關鍵材料，突破西方先進國家對我國實施產(chǎn)品封鎖、技術封鎖，氮化硅陶瓷微珠的國產(chǎn)化就具有重要的意義。

 

在氮化硅陶瓷的系列產(chǎn)品中，制作氮化硅陶瓷球，工藝相對簡單。配方造粒粉、壓球、冷等靜壓和燒結三道基本工藝就可以完成一般氮化硅陶瓷球的制造。氮化硅陶瓷球公認的有兩大難點：第一是4.5厘米以上大規(guī)格陶瓷球，難點在于球體內(nèi)部的微小密度梯度都會使球體在冷卻過程中產(chǎn)生裂痕，需要“雙兩千”的熱等靜壓燒結設備;第二是0.1厘米以下的氮化硅微珠，一致性和高致密性是難以解決的問題。

 

▲ 威海圓環(huán)批量生產(chǎn)性能完備的 0. 5 mm規(guī)格的氮化硅陶瓷微珠

威海圓環(huán)先進陶瓷股份有限公司在這里首先選擇了氮化硅陶瓷微珠的制造。氮化硅陶瓷微珠的燒結特點是粒徑小，不容易燒結均勻，而氮化硅陶瓷基板的特點也是薄卻不容易燒結均勻，這兩種產(chǎn)品有相似的燒結共性。

 

4厘米厚度的氮化硅陶瓷微珠一起燒結，基本就燒不透，1/3成為廢品;100片氮化硅陶瓷基板燒結，同樣也燒不透，廢品率會極高，所以，兩者的填爐、裝爐技術堪稱絕妙。

 

陶瓷制作工匠們都知道，冷等靜壓是干法制造陶瓷產(chǎn)品的通用工藝，這個工藝能夠使產(chǎn)品各個方向受力均勻，密度更趨一致，非常有利于生產(chǎn)出一致性好的高質量產(chǎn)品。冷等靜壓工藝對于批量制造陶瓷產(chǎn)品簡單高效，但是對于氮化硅陶瓷微珠來講，單件對產(chǎn)品進行冷等靜壓工藝，幾乎成了永遠完不成的任務。

 

歷經(jīng)多年，在威海圓環(huán)專業(yè)技術人員和員工的不斷努力下，他們逐步改造陶瓷微珠的冷等工裝和填裝工藝，還是利用原來的冷等裝備，還是利用壓力傳遞的基本原理，最終完成了對批量氮化硅微珠冷等靜壓工藝的完善，成功批量生產(chǎn)出性能完備的0.1～1mm規(guī)格的氮化硅陶瓷微珠。在高導熱氮化硅陶瓷基板研制碰到各種工藝技術難題和專業(yè)設備缺陷，威海圓環(huán)專業(yè)技術人員和員工知難而上，不斷調(diào)整工藝技術，改造專業(yè)設備，終于在2022年9月，威海圓環(huán)先進陶瓷股份有限公司生產(chǎn)的行業(yè)標準規(guī)格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導熱氮化硅陶瓷基板已經(jīng)達到量產(chǎn)規(guī)模。

 

威海圓環(huán)批量生產(chǎn)的氮化硅陶瓷微珠和高導熱氮化硅陶瓷基板各項理化指標達到了國際上行業(yè)領軍的質量水平，突破了西方先進國家在高導熱氮化硅陶瓷基板的技術保護和應用產(chǎn)品對我國“卡脖子”難題，憑借過硬的氮化硅陶瓷微珠技術、高導熱氮化硅陶瓷基板技術威海圓環(huán)成為世界氮化硅新材料新領軍生產(chǎn)企業(yè)。

 

世界陶瓷科學院院士、美國橡樹嶺國家實驗室副主任、中國科學院上海硅酸鹽研究所客座教授林華泰博士等一批專家對此感觸很深：“微、納米級顆粒的制備與產(chǎn)業(yè)化應用，一直是制約我國新材料發(fā)展的瓶頸。而高性能研磨介質則是技術破題關鍵。由于國外技術壁壘，國內(nèi)很少接觸此類高科技產(chǎn)品，導致我國連筆珠都依賴進口，做磨珠就更無從談起。氮化硅陶瓷微珠不但能實現(xiàn)高檔圓珠筆珠產(chǎn)業(yè)化制備，還能應用于高轉速微型軸承，更重要的是，這是生產(chǎn)成微、納米級漿料的關鍵耗材，或將推動納米級原料產(chǎn)業(yè)化應用：包括金屬、非金屬原材料粉末超細磨，生物醫(yī)藥領域孢壁破壁等。能對國內(nèi)新材料領域全方位覆蓋，有望引發(fā)新一輪新材料產(chǎn)業(yè)革命。”

 

可以這樣說：從氮化硅陶瓷球到氮化硅微珠再到高導熱氮化硅陶瓷基板，威海圓環(huán)氮化硅陶瓷系列高新技術產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)的技術創(chuàng)新突破,有望為我國高附加值工業(yè)粉體產(chǎn)品及高科技產(chǎn)品質量升級迭代提供新路徑。(顏輝)

(新媒體責編：wan123)