“产(chan)业链、供应(ying)链在(zai)关键时(shi)刻不能掉(diao)链子,这是大国经济必须具备(bei)的重要特(te)征(zheng)。”在(zai)疫情和外部制裁双重考验下(xia),我国“十四(si)五”计划(hua)毅然(ran)开局(ju),国产(chan)替代(dai)更是在(zai)众(zhong)多行业被提上(shang)日程(cheng),风头最(zui)盛的正是新能源汽车和集成电(dian)路两大产(chan)业。
氮化铝(lv)、氮化硅陶(tao)瓷(ci)基板以及其他(ta)陶(tao)瓷(ci)功能结构件的优(you)良性能与原材(cai)(cai)料粉(fen)体(ti)的性能有(you)着直(zhi)接(jie)的关(guan)系,就好(hao)(hao)(hao)比想要烘(hong)焙出好(hao)(hao)(hao)吃的面(mian)包,首先面(mian)包粉(fen)一定要好(hao)(hao)(hao),面(mian)包粉(fen)质量不好(hao)(hao)(hao),烘(hong)焙技术再强(qiang),也做不出最好(hao)(hao)(hao)吃的面(mian)包。但现状是(shi)优(you)质稳定的原材(cai)(cai)料粉(fen)体(ti)依然(ran)以进口为(wei)主,攻克关(guan)键产业链中的“上游原材料”供应就成为解决“卡脖子”问题的首要任务。
2019年成(cheng)立(li)的(de)北京矽瓷(ci)新能(neng)科(ke)技(ji)有限(xian)公(gong)司,以清华大(da)学研(yan)究生(sheng)团(tuan)队(dui)为骨干,基于团(tuan)队(dui)成(cheng)员(yuan)在化工行(xing)业的(de)技(ji)术积累,以关键材料领域(yu)的(de)国产(chan)替代为使命和目标,围绕特种陶(tao)瓷(ci)粉体领域(yu)开展了(le)系列(lie)技(ji)术攻关和市(shi)场布局,迅速(su)成(cheng)长为掌握多种产(chan)品工艺(yi)、设备的(de),具有完整自主知识产(chan)权的(de)科(ke)技(ji)型企业。
氮(dan)化硅
“氮化(hua)硅陶瓷(ci)”由(you)于各方面性(xing)能较平衡,被誉(yu)为是结构陶瓷(ci)家族中综合性(xing)能最(zui)为优良(liang)的一类,具(ju)有极其广泛(fan)的应用。
比如,在xEV(混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车等电动汽车的总称)驱动电机控制功率模块中,绝缘基板不仅需要绝缘导热能力好,还需要抵抗温度循环产生的应用。因此需要可靠,抗热震性能好的陶瓷基板,其中氮化硅以其综合性能优越被丰田为首的全球领先车企率先采用,并且正在不断扩大规模。
另(ling)外,我国(guo)早(zao)在(zai)“八五计划”就开始将氮化硅轴承列入攻关项目,近年来制备技术和产品性能已经有大幅提升,但是如高端热压烧结氮化硅轴承用氮化硅粉体国内依然依赖从海外进口。据业内的资深技术人员所说,“国(guo)内没(mei)有量产的(de)(de)符合(he)我们(men)要求的(de)(de)氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)(gui)粉体(ti),我们(men)试了(le)好多家都没(mei)有可(ke)(ke)用于高品(pin)质氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)(gui)轴承的(de)(de)粉体(ti)材料,而国(guo)外(wai)的(de)(de)高品(pin)质氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)(gui)粉体(ti)(例如日本宇(yu)部化(hua)工的(de)(de))往往是(shi)(shi)贵的(de)(de)不可(ke)(ke)思(si)议(yi),整点做实验室可(ke)(ke)以的(de)(de),但(dan)是(shi)(shi)工业化(hua)使用就(jiu)有点困难了(le)。”
风力发(fa)电机用(yong)“氮化硅陶瓷滚珠”混合轴承
还(hai)如(ru),控制卫星(xing)轨道(dao)的(de)火箭燃(ran)烧(shao)(shao)室(shi)推进器,对材(cai)料要求(qiu)(qiu)(qiu)很苛刻。由于(yu)高(gao)(gao)温(wen)燃(ran)烧(shao)(shao)能够获得更大(da)的(de)推进力,所以不但要求(qiu)(qiu)(qiu)其材(cai)料质(zhi)轻,且(qie)能够承受高(gao)(gao)温(wen)。与此相(xiang)似(si)用途的(de)还(hai)有汽车(che)发动(dong)机(ji)高(gao)(gao)温(wen)部件(jian)如(ru)增压器涡轮转(zhuan)子,预热(re)燃(ran)烧(shao)(shao)室(shi),摇臂(bei)镶(xiang)块(kuai),喷射器连杆(gan),气门导(dao)管(guan),陶瓷活塞(sai)顶(ding),电热(re)塞(sai)等(deng)。其他还(hai)有对耐腐(fu)蚀要求(qiu)(qiu)(qiu)较高(gao)(gao)的(de)化工(gong)、生(sheng)物医药、国防军(jun)工(gong)等(deng)领域。
京瓷开发的航空(kong)航天用氮化(hua)硅陶瓷尾喷管
氮(dan)化硅粉体(ti)的制备方法众多,比如直(zhi)接氮(dan)化法,在高温条(tiao)件(jian)(≥1300℃)下,利用氮气、氨气等含氮气氛直接与硅粉反应形成氮化硅。虽然成本低,且工艺简单易于规模生产,但却会因为气氛和粉碎时的杂质到导致纯度不足,容易导致相类似问题的还有碳热还原法;再比如气相法是利用硅的卤化物或氢化物在一定条件下与氮气或氨气发生气相化学反应,生成高纯氮化硅粉体,一方面它得到的α相较少,另一方面成本非常高,相类似的问题溶胶凝胶法也存在;自蔓延法理论上没有问题,但最致命的是过程不可控,当反应物一旦引燃,便会自动向未反应的区域传播,直至反应完全......
氨解(jie)法(fa)也被称(cheng)为热分解(jie)法(fa),原理是在干燥(zao)乙烷环境下,使四氯(lv)化(hua)硅与(yu)过量无(wu)水氨气反应,生成亚(ya)氨基硅、氨基硅和(he)氯(lv)化(hua)铵沉淀;真空环境加(jia)热除去氯(lv)化(hua)铵,之后在高(gao)温惰性(xing)气体中加(jia)热可获得高(gao)纯、超细(xi)的氮(dan)化(hua)硅粉体,但一(yi)直(zhi)以来囿于设备和(he)工(gong)(gong)艺的复杂,难以在工(gong)(gong)业(ye)生产中突破。
矽瓷新能技(ji)(ji)术(shu)团(tuan)队对氨(an)解(jie)法工(gong)(gong)艺(yi)进(jin)行了(le)(le)(le)多项重要改进(jin),结合化工(gong)(gong)行业前沿的(de)微反应器技(ji)(ji)术(shu),实现了(le)(le)(le)对粉体(ti)粒径、比表(biao)面积等参数(shu)的(de)精准(zhun)调(diao)控,开发出的(de)连续化的(de)氨(an)解(jie)法氮(dan)化硅生产(chan)技(ji)(ji)术(shu),极大降低了(le)(le)(le)生产(chan)成本(ben),并使得产(chan)品一致性显著提升。氨(an)解(jie)法氮(dan)化硅粉体(ti)具(ju)有高α相(>97%)、低氧含量(<1.1%)、粒径分布窄、无游离硅等多项优势,具有良好的烧结性能和导热性能。可用于精密机床主轴轴承、半导体导热基板等高端领域。
氮化铝(lv)
氮(dan)化(hua)铝(AlN)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数、与硅匹配好等特性,不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相,尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域,其性能远超氧化铝。
比如,集成(cheng)电路随(sui)着小型化(hua)、精(jing)密化(hua)趋势能(neng)耗密度急剧增长,因此对电路基板、封(feng)装材料的散热等,都提出了(le)更高(gao)要求,氮(dan)化(hua)铝以其优异的导热性能(neng)和接近(jin)硅的热膨(peng)胀系数等特性冠绝同侪。
氮化(hua)铝导热填料广泛应用(yong)于热界面材料
氮化(hua)铝陶瓷(ci)LED基片
更(geng)高端(duan)的(de)应用随(sui)着氮(dan)化铝(lv)晶体材料的(de)开发(fa)成为(wei)热点。今年(nian)年(nian)初(chu),在珠海举(ju)办的(de)“全国高纯粉体与晶体材料创新发展论坛”上,奥趋光电技术(杭州)有限公司创始人吴亮教授以“高质量、大尺寸AlN单晶生长及其应用前景展望”为题作报告,梳理了AlN单晶不同的生长路线以及影响长晶质量的各种因素。答疑环节有参会代表提问,“作为全球领先的AlN单晶及衬底研发商,奥趋光电目前使用了进口还是国内粉体?”答案其实并没有出乎意料,但吴亮教授点出了症结所在——之所以不敢采用国产氮化铝粉体作为原料,最大的担心是产品不稳定。
日本横滨举(ju)行的LED工业应用国际会议(LEDIA-2019)上,奥趋光电推出了当时全球公开报道中最大的直径60mm 氮化铝单晶及晶圆
不(bu)同制备方法的做出来的粉体具有不(bu)同的特性,目前国内外主流的优质AIN粉体制备方法有直接氮化法(日本东洋铝业)及碳热还原法(日本德山)。其中,直接氮化法是通过高温下金属铝与氮气直接反应生产氮化铝,它最为显著的问题是,随着铝粉颗粒的氮化速度加快,表面会逐渐生成氮化物膜所导致的反应不充分;碳热还原法是以超细氧化铝粉和高纯度碳黑粉作为反应原料,被还原出的铝与氮气作用,生成氮化铝。该方法的问题是合成时间较长氮化温度较高,而且反应后还需对过量的碳进行除碳处理,导致生产成本较高。
除(chu)了上述两(liang)种,氮化铝粉(fen)体(ti)制备方法还包括电弧法、等离子(zi)合(he)成法、溶胶-凝胶法、自蔓延法等等。只是这些方法有的成本高昂,有的不易进行过程控制,有的不能进行连续化生产。相对而言,矽瓷新能选择的化学气相沉积法(气溶胶)法是将铝粉的挥发性化合物(包括卤化铝、烷基铝)在氮气氛围下发生化学反应,从气相中沉淀出氮化铝粉末。该方法最大的优势在于不依赖高纯铝粉等高端原材料,有效降低生产成本,加之矽瓷新能技术团队首次将其实现连续化生产的加持,可显著提升粉体一致性,而这很有希望解决前文提到奥趋光电吴亮教授对国产粉体的担忧。
小(xiao)结(jie)
目(mu)前(qian),我国正处于(yu)从产(chan)业链(lian)的(de)中低端向高端迈(mai)进(jin)的(de)关(guan)键转型时期,新材料领(ling)域的(de)国产(chan)替代需求尤为迫切,这对于(yu)强化(hua)我国供(gong)应链(lian)安全、提升全产(chan)业链(lian)科(ke)技(ji)(ji)创新能(neng)力有着(zhe)基(ji)础性(xing)的(de)作用。矽瓷新能(neng)则以此(ci)为使命和(he)目(mu)标,先(xian)后开发出氨解法(fa)氮化(hua)硅技(ji)(ji)术(shu)和(he)化(hua)学(xue)气相沉积(ji)法(fa)氮化(hua)铝技(ji)(ji)术(shu),目(mu)前(qian)产(chan)品(pin)已(yi)获得部分知名客户的(de)检测认证,正在稳(wen)步(bu)迈(mai)向工业化(hua)量产(chan)。
在(zai)此(ci),欢(huan)迎各位届时莅临CAC 2021广州先进陶瓷产业链展览会,北京矽瓷新能科技有限公司参观——展位号:B154,现场(chang)了解更多特(te)种陶瓷粉体领(ling)域和半(ban)导体材(cai)料领域相关(guan)产品和应用(yong),相互学习交流(liu),完善(shan)产品链条(tiao),共(gong)同提升行业竞(jing)争力。
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