中國(guó)粉體網(wǎng)訊 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(xiàng)理化指標(biāo)到了國(guó)際上行業(yè)領(lǐng)軍的質(zhì)量水平，突破了西方先進(jìn)國(guó)家在氮化硅陶瓷微珠的技術(shù)保護(hù)和應(yīng)用產(chǎn)品對(duì)我國(guó)“卡脖子”難題,。
▲威海圓環(huán)批量生產(chǎn)性能完備的0.1mm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(zhuǎn)速微型軸承理想的升級(jí)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(jí)漿料,、納米級(jí)漿料的關(guān)鍵耗材，將推動(dòng)我國(guó)金屬粉體,、非金屬粉體原材料超細(xì)磨,，生物醫(yī)藥領(lǐng)域孢壁破壁等高科技新材料產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)迭代，有望引發(fā)新一輪材料產(chǎn)業(yè)革命,。
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(yán)酷工作環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè),、機(jī)械工程,、通信、電子,、汽車,、能源、化學(xué)生物等領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)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(jī)械工程領(lǐng)域性能特點(diǎn)和用途
在機(jī)械工程領(lǐng)域氮化硅陶瓷球強(qiáng)度大,，密度小，密度僅為鋼軸承的41%,，擦系數(shù)小,，有自潤(rùn)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(yán)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(rùn)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重量,，減低油耗,。
氮化硅陶瓷球做為研磨介質(zhì)在超細(xì)研磨領(lǐng)域性能特點(diǎn)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(shí)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(zhì)的磨損及對(duì)研磨材料的污染,，有利于獲取更高純度的超細(xì)粉體,。
氮化硅陶瓷球替代氧化鋯陶瓷珠做為研磨介質(zhì)可大幅提升高科技粉體產(chǎn)品質(zhì)量
氧化鋯陶瓷球做為研磨介質(zhì)具有高抗彎強(qiáng)度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能,，高韌性等優(yōu)點(diǎn),，作為超細(xì)研磨介質(zhì)氧化鋯陶瓷球是研磨介質(zhì)中的理想產(chǎn)品,，在我國(guó)粉體制備工業(yè)中做為研磨介質(zhì)廣泛應(yīng)用,。但是氧化鋯陶瓷球作為研磨介質(zhì)具有高韌性,，原因是有穩(wěn)定劑的存在，氧化鋯陶瓷球的這種高韌性是有時(shí)效性的,，比如氧化鋯陶瓷球放置空氣一段時(shí)間后,，失穩(wěn)，其性能就會(huì)嚴(yán)重下降,，甚至出現(xiàn)開裂,，而且高溫時(shí)候氧化鋯陶瓷球是沒有亞穩(wěn)相即失去高韌性的特點(diǎn)，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(zhǎng)時(shí)間使用,，不能高溫使用和時(shí)效性差這2項(xiàng)缺點(diǎn)嚴(yán)重制約氧化鋯陶瓷球做為研磨介質(zhì)發(fā)展。
▲氧化鋯陶瓷球與氮化硅陶瓷球常見性能對(duì)比表
氮化硅陶瓷球作為替代氧化鋯陶瓷珠作為研磨介質(zhì)的升級(jí)換代產(chǎn)品,，氮化硅陶瓷球在一進(jìn)入粉體工業(yè)研磨應(yīng)用領(lǐng)域,，憑借著極低的磨損率及優(yōu)異的力學(xué)性能等，就備受關(guān)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(yīng)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(zhì)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(guó)在研磨鋰電池隔膜用的高純氧化鋁粉體時(shí),，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(zhì)混合在氧化鋁粉體中,，導(dǎo)致原先純度為99.99的氧化鋁粉的純度會(huì)降到到99.47,。雖然說雜質(zhì)氧化鋯磨介粉末對(duì)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(guó)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(yàn)表明,，氮化硅陶瓷球作為研磨介質(zhì)24小時(shí)的磨耗只有百萬分之一,，氮化硅陶瓷球作為替代氧化鋯陶瓷珠作為研磨介質(zhì)可大幅提升高附加值粉體和高科技粉體產(chǎn)品純度、質(zhì)量和成本,，有望為我國(guó)科技產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)迭代提供新路徑,。
在威海圓環(huán)先進(jìn)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(gè)氮化硅研磨球,、氮化硅研磨圈對(duì)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(duì)與升級(jí)換代對(duì)象氧化鋯陶瓷球的生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)來計(jì)算,，氮化硅陶瓷球也是具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì),。從研磨介質(zhì)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(jí)換代產(chǎn)品,。
▲氧化鋯陶瓷球升級(jí)換代產(chǎn)品氮化硅磨介10年使用前后狀態(tài)對(duì)比
氮化硅陶瓷球制備成型工藝對(duì)其性能影響
氮化硅陶瓷球的成型工藝對(duì)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(jié)的氮化硅陶瓷球的機(jī)械性能比氣壓燒結(jié)的氮化硅陶瓷球要優(yōu)異,，熱壓燒結(jié)的氮化硅陶瓷球強(qiáng)度高,、密度大，但制造成本高,、燒結(jié)設(shè)備復(fù)雜,。作為磨介用的這種熱壓燒結(jié)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(jī)械外力作用下,，邊壓邊燒結(jié)熱壓成型出來的產(chǎn)品，它極耐高溫,，強(qiáng)度可以一直維持到1200℃的高溫而不下降,，受熱以后也不會(huì)熔成融體，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)材質(zhì)之一,，有著極佳耐磨性能,，作為氧化鋯陶瓷球磨介的升級(jí)換代高檔研磨介質(zhì)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(guó)氮化硅新材料技術(shù)獲突破
我國(guó)工業(yè)粉體材料產(chǎn)品質(zhì)量長(zhǎng)期落后西方先進(jìn)國(guó)家，尤其是重要的納米級(jí)粉料領(lǐng)域更是如此,，究其原因就是我國(guó)工業(yè)粉體材料磨不細(xì),，提不純。而磨細(xì),、提純除了機(jī)器設(shè)備的制約外,，磨介的作用不能低估。正因?yàn)闆]有納米級(jí)的原料粉,，導(dǎo)致化妝品,、油墨,、涂料、油漆等的產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)不如人,；正因?yàn)闆]有納米級(jí)的原料粉,，中國(guó)工業(yè)的發(fā)展長(zhǎng)期受制于人；正是由于在復(fù)合材料上的落后,，中國(guó)的飛機(jī)設(shè)計(jì)師們不敢也不愿意多用國(guó)產(chǎn)材料,，以免造成飛機(jī)設(shè)備減重困難，中國(guó)的高鐵等高科技產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)備及及重要部件材料長(zhǎng)期受制于人,。從國(guó)家戰(zhàn)略而言，氮化硅陶瓷微珠作為各種納米級(jí)工業(yè)粉料研磨的關(guān)鍵材料,，突破西方先進(jìn)國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)施產(chǎn)品封鎖,、技術(shù)封鎖，氮化硅陶瓷微珠的國(guó)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(duì)簡(jiǎn)單,。配方造粒粉,、壓球、冷等靜壓和燒結(jié)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(rèn)的有兩大難點(diǎn)：第一是4.5厘米以上大規(guī)格陶瓷球,，難點(diǎn)在于球體內(nèi)部的微小密度梯度都會(huì)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(jié)設(shè)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0.5mm規(guī)格的氮化硅陶瓷微珠
威海圓環(huán)先進(jìn)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(jié)特點(diǎn)是粒徑小,，不容易燒結(jié)均勻，而氮化硅陶瓷基板的特點(diǎn)也是薄卻不容易燒結(jié)均勻,，這兩種產(chǎn)品有相似的燒結(jié)共性,。
4厘米厚度的氮化硅陶瓷微珠一起燒結(jié)，基本就燒不透,，1/3成為廢品,；100片氮化硅陶瓷基板燒結(jié)，同樣也燒不透,，廢品率會(huì)極高,，所以，兩者的填爐,、裝爐技術(shù)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(gè)工藝能夠使產(chǎn)品各個(gè)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(zhì)量產(chǎn)品。冷等靜壓工藝對(duì)于批量制造陶瓷產(chǎn)品簡(jiǎn)單高效,，但是對(duì)于氮化硅陶瓷微珠來講,，單件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷等靜壓工藝，幾乎成了永遠(yuǎn)完不成的任務(wù),。
歷經(jīng)多年,，在威海圓環(huán)專業(yè)技術(shù)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(duì)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(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研制碰到各種工藝技術(shù)難題和專業(yè)設(shè)備缺陷，威海圓環(huán)專業(yè)技術(shù)人員和員工知難而上,，不斷調(diào)整工藝技術(shù),，改造專業(yè)設(shè)備，終于在2022年9月,，威海圓環(huán)先進(jìn)陶瓷股份有限公司生產(chǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格0.32mmX139.7mmX190.5mm的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板已經(jīng)達(dá)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(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板各項(xiàng)理化指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際上行業(yè)領(lǐng)軍的質(zhì)量水平,，突破了西方先進(jìn)國(guó)家在高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板的技術(shù)保護(hù)和應(yīng)用產(chǎn)品對(duì)我國(guó)“卡脖子”難題,，憑借過硬的氮化硅陶瓷微珠技術(shù)、高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板技術(shù)威海圓環(huán)成為世界氮化硅新材料新領(lǐng)軍生產(chǎn)企業(yè),。
世界陶瓷科學(xué)院院士,、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副主任、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所客座教授林華泰博士等一批專家對(duì)此感觸很深：“微,、納米級(jí)顆粒的制備與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，一直是制約我國(guó)新材料發(fā)展的瓶頸。而高性能研磨介質(zhì)則是技術(shù)破題關(guān)鍵,。由于國(guó)外技術(shù)壁壘,，國(guó)內(nèi)很少接觸此類高科技產(chǎn)品，導(dǎo)致我國(guó)連筆珠都依賴進(jìn)口,，做磨珠就更無從談起,。氮化硅陶瓷微珠不但能實(shí)現(xiàn)高檔圓珠筆珠產(chǎn)業(yè)化制備，還能應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速微型軸承,，更重要的是,，這是生產(chǎn)成微,、納米級(jí)漿料的關(guān)鍵耗材，或?qū)⑼苿?dòng)納米級(jí)原料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用：包括金屬,、非金屬原材料粉末超細(xì)磨,，生物醫(yī)藥領(lǐng)域孢壁破壁等。能對(duì)國(guó)內(nèi)新材料領(lǐng)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(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板,，威海圓環(huán)氮化硅陶瓷系列高新技術(shù)產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)的技術(shù)創(chuàng)新突破,有望為我國(guó)高附加值工業(yè)粉體產(chǎn)品及高科技產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)迭代提供新路徑,。
