自發(fā)凝固成型制備大尺寸高純氧化鋁部件產(chǎn)業(yè)化獲進展

    zui近,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員王士維帶領(lǐng)的科研團隊與企業(yè)合作,基于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的異丁烯和馬來酸酐的共聚物(PIBM)多官能團共聚物自發(fā)凝固成型體系(spontaneous gelation),突破大尺寸陶瓷濕坯在干燥過程中的變形和開裂等關(guān)鍵瓶頸問題,成功制備出直徑360mm至600mm的大尺寸高純氧化鋁陶瓷研磨盤.

    大尺寸結(jié)構(gòu)陶瓷部件在半導(dǎo)體制造裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,但大尺寸陶瓷部件的成型極具挑戰(zhàn)性.與經(jīng)典的冷等靜壓成型和注漿成型相比,注凝成型(gelcasting,或稱凝膠注模)具有突出的優(yōu)勢:素坯微結(jié)構(gòu)均勻,從根本上保證陶瓷部件的可靠性;素坯強度和密度高,方便搬運,能夠有效減小燒結(jié)收縮和開裂的風(fēng)險;近凈尺寸成型,可以大幅度減少機械加工成本.此外,注凝成型工藝裝備簡單,可以有效降低生產(chǎn)投入成本,在制備大尺寸陶瓷部件方面具有巨大的應(yīng)用潛力.然而,基于自由基聚合反應(yīng)的凝膠體系存在單體有毒、氧阻聚和添加劑種類多且添加量大等問題;另外,陶瓷凝膠的干燥機理也未闡釋清楚,嚴(yán)重阻礙了注凝技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)陶瓷部件制備和產(chǎn)業(yè)化方面的廣泛應(yīng)用.

    王士維團隊自2003年起就開始新型凝膠固化體系的探索研究.首先發(fā)展了基于親核加成聚合反應(yīng)的水溶性環(huán)氧樹脂-多胺凝膠體系(J. Am. Ceram. Soc.,2008),先后成功應(yīng)用于致密Al2O3、AlN和SiC,半透明Al2O3、透明Y2O3、YAG和AlON以及泡沫Al2O3等先進陶瓷的成型.2011年,該團隊在采用PIBM制備Al2O3陶瓷漿料的研究中,發(fā)現(xiàn)了自發(fā)凝固現(xiàn)象(J. Mater. Res.,2013).隨后,重點開展了PIBM自發(fā)凝固體系的普適性、陶瓷凝膠的干燥機理、預(yù)燒過程坯體內(nèi)應(yīng)力以及大尺寸陶瓷部件制備技術(shù)開發(fā)等工作.

    相比于其它凝膠體系,PIBM自發(fā)凝固體系具有添加劑種類少、添加量少以及操作簡便等顯著優(yōu)勢.在常溫大氣環(huán)境下,僅采用一種有機共聚物,就可以實現(xiàn)Al2O3的自發(fā)凝固成型,所制備的Al2O3陶瓷濕坯具有良好的柔韌性.同時,該凝固體系具有廣泛的普適性,已成功應(yīng)用于多種氧化物和非氧化物體系的多孔、致密和透明陶瓷的制備.通過比較環(huán)氧樹脂-多胺凝膠體系和PIBM自發(fā)凝固體系的干燥過程,該團隊發(fā)現(xiàn)有機網(wǎng)絡(luò)的疏密程度顯著地影響著陶瓷濕坯的干燥行為.PIBM自發(fā)凝固體系形成的有機網(wǎng)絡(luò)有利于水分輸運,干燥應(yīng)力更容易釋放,坯體干燥后不變形;而環(huán)氧樹脂-多胺凝膠體系形成的有機網(wǎng)絡(luò)阻礙水分輸運,干燥應(yīng)力大,坯體易干燥變形.

    近五年來,該研究團隊在材料及陶瓷類國際期刊上發(fā)表PIBM自發(fā)凝固成型相關(guān)的研究論文20余篇,核心技術(shù)獲得授權(quán)中國發(fā)明專利6項.自報道以來,PIBM自發(fā)凝固成型體系引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注.同時,該研究團隊一直致力于新型成型技術(shù)推廣應(yīng)用工作.2017年7月,以新型PIBM自發(fā)凝固體系為技術(shù)核心,上海硅酸鹽所與江西萍鄉(xiāng)企業(yè)聯(lián)合成立了江西中科特瓷新材料有限公司,開展大尺寸高純氧化鋁陶瓷部件的產(chǎn)業(yè)化工作.目前,該公司建成了中試生產(chǎn)線,掌握了自發(fā)凝固成型大尺寸氧化鋁研磨盤的干燥、脫粘和高溫?zé)Y(jié)等關(guān)鍵技術(shù),制備了直徑360mm-600mm多種規(guī)格的高純氧化鋁研磨盤,為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ).

    自發(fā)凝固成型制備大尺寸高純氧化鋁部件產(chǎn)業(yè)化無疑會在一定程度上促進我國半導(dǎo)體制造裝備的產(chǎn)業(yè)化,為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供零部件的支持.自發(fā)凝固成型制備大尺寸高純氧化鋁部件產(chǎn)業(yè)化還會進一步降低大型氧化鋁產(chǎn)品的制造成本,對鋁業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會有重大的利好影響.