zui近,中國(guó)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(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作,基于具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的異丁烯和馬來(lái)酸酐的共聚物(PIBM)多官能團(tuán)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(guò)程中的變形和開(kāi)裂等關(guān)鍵瓶頸問(wèn)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(pán).

    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(shì):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(qiáng)度和密度高,方便搬運(yùn),能夠有效減小燒結(jié)收縮和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn);近凈尺寸成型,可以大幅度減少機(jī)械加工成本.此外,注凝成型工藝裝備簡(jiǎn)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(wèn)題;另外,陶瓷凝膠的干燥機(jī)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(tuán)隊(duì)自2003年起就開(kāi)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(shù)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(jìn)陶瓷的成型.2011年,該團(tuán)隊(duì)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(diǎn)開(kāi)展了PIBM自發(fā)凝固體系的普適性、陶瓷凝膠的干燥機(jī)理、預(yù)燒過(guò)程坯體內(nèi)應(yīng)力以及大尺寸陶瓷部件制備技術(shù)開(kāi)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(jiǎn)便等顯著優(yōu)勢(shì).在常溫大氣環(huán)境下,僅采用一種有機(jī)共聚物,就可以實(shí)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(shí),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(guò)比較環(huán)氧樹(shù)脂-多胺凝膠體系和PIBM自發(fā)凝固體系的干燥過(guò)程,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)有利于水分輸運(yùn),干燥應(yīng)力更容易釋放,坯體干燥后不變形;而環(huán)氧樹(shù)脂-多胺凝膠體系形成的有機(jī)網(wǎng)絡(luò)阻礙水分輸運(yùn),干燥應(yīng)力大,坯體易干燥變形.

    近五年來(lái),該研究團(tuán)隊(duì)在材料及陶瓷類國(guó)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(guó)發(fā)明專利6項(xiàng).自報(bào)道以來(lái),PIBM自發(fā)凝固成型體系引起國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注.同時(shí),該研究團(tuán)隊(duì)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(kāi)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(pán)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(pán),為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)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(wú)疑會(huì)在一定程度上促進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體制造裝備的產(chǎn)業(yè)化,為我國(guó)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(huì)進(jìn)一步降低大型氧化鋁產(chǎn)品的制造成本,對(duì)鋁業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會(huì)有重大的利好影響.