當前位置:首頁 > 粉體資訊 > 企業動態 > 正文
詮釋重器使命:矽瓷新能將工業量產氮化硅、氮化鋁高端粉體
2021年05月10日 發布 分類:企業動態 點擊量:246
0

“產業鏈、供應鏈在關鍵時刻不能掉鏈子,這是大國經濟必須具備的重要特征。” 在疫情和外部制裁雙重考驗下,我國“十四五”計劃毅然開局,國產替代更是在眾多行業被提上日程,風頭最盛的正是新能源汽車和集成電路兩大產業。

氮化鋁、氮化硅陶瓷基板以及其他陶瓷功能結構件的優良性能與原材料粉體的性能有著直接的關系,就好比想要烘焙出好吃的面包,首先面包粉一定要好,面包粉質量不好,烘焙技術再強,也做不出最好吃的面包。但現狀是優質穩定的原材料粉體依然以進口為主,攻克關鍵產業鏈中的“上游原材料”供應就成為解決“卡脖子”問題的首要任務。

2019年成立的北京矽瓷新能科技有限公司,以清華大學研究生團隊為骨干,基于團隊成員在化工行業的技術積累,以關鍵材料領域的國產替代為使命和目標,圍繞特種陶瓷粉體領域開展了系列技術攻關和市場布局,迅速成長為掌握多種產品工藝、設備的,具有完整自主知識產權的科技型企業。

氮化硅

“氮化硅陶瓷”由于各方面性能較平衡,被譽為是結構陶瓷家族中綜合性能最為優良的一類,具有極其廣泛的應用。

比如,在xEV(混合動力汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車等電動汽車的總稱)驅動電機控制功率模塊中,絕緣基板不僅需要絕緣導熱能力好,還需要抵抗溫度循環產生的應用。因此需要可靠,抗熱震性能好的陶瓷基板,其中氮化硅以其綜合性能優越被豐田為首的全球領先車企率先采用,并且正在不斷擴大規模。

另外,我國早在“八五計劃”就開始將氮化硅軸承列入攻關項目,近年來制備技術和產品性能已經有大幅提升,但是如高端熱壓燒結氮化硅軸承用氮化硅粉體國內依然依賴從海外進口。據業內的資深技術人員所說,“國內沒有量產的符合我們要求的氮化硅粉體,我們試了好多家都沒有可用于高品質氮化硅軸承的粉體材料,而國外的高品質氮化硅粉體(例如日本宇部化工的)往往是貴的不可思議,整點做實驗室可以的,但是工業化使用就有點困難了。

風力發電機用“氮化硅陶瓷滾珠”混合軸承

還如,控制衛星軌道的火箭燃燒室推進器,對材料要求很苛刻。由于高溫燃燒能夠獲得更大的推進力,所以不但要求其材料質輕,且能夠承受高溫。與此相似用途的還有汽車發動機高溫部件如增壓器渦輪轉子,預熱燃燒室,搖臂鑲塊,噴射器連桿,氣門導管,陶瓷活塞頂,電熱塞等。其他還有對耐腐蝕要求較高的化工、生物醫藥、國防軍工等領域。

京瓷開發的航空航天用氮化硅陶瓷尾噴管

氮化硅粉體的制備方法眾多,比如直接氮化法,在高溫條件(≥1300℃)下,利用氮氣、氨氣等含氮氣氛直接與硅粉反應形成氮化硅。雖然成本低,且工藝簡單易于規模生產,但卻會因為氣氛和粉碎時的雜質到導致純度不足,容易導致相類似問題的還有碳熱還原法;再比如氣相法是利用硅的鹵化物或氫化物在一定條件下與氮氣或氨氣發生氣相化學反應,生成高純氮化硅粉體,一方面它得到的α相較少,另一方面成本非常高,相類似的問題溶膠凝膠法也存在;自蔓延法理論上沒有問題,但最致命的是過程不可控,當反應物一旦引燃,便會自動向未反應的區域傳播,直至反應完全……

氨解法也被稱為熱分解法,原理是在干燥乙烷環境下,使四氯化硅與過量無水氨氣反應,生成亞氨基硅、氨基硅和氯化銨沉淀;真空環境加熱除去氯化銨,之后在高溫惰性氣體中加熱可獲得高純、超細的氮化硅粉體,但一直以來囿于設備和工藝的復雜,難以在工業生產中突破。

矽瓷新能技術團隊對氨解法工藝進行了多項重要改進,結合化工行業前沿的微反應器技術,實現了對粉體粒徑、比表面積等參數的精準調控,開發出的連續化的氨解法氮化硅生產技術,極大降低了生產成本,并使得產品一致性顯著提升。氨解法氮化硅粉體具有高α相(>97%)、低氧含量(<1.1%)、粒徑分布窄、無游離硅等多項優勢,具有良好的燒結性能和導熱性能。可用于精密機床主軸軸承、半導體導熱基板等高端領域。

氮化鋁

氮化鋁(AlN)具有高強度、高體積電阻率、高絕緣耐壓、熱膨脹系數、與硅匹配好等特性,不但用作結構陶瓷的燒結助劑或增強相,尤其是在近年來大火的陶瓷電子基板和封裝材料領域,其性能遠超氧化鋁。

比如,集成電路隨著小型化、精密化趨勢能耗密度急劇增長,因此對電路基板、封裝材料的散熱等,都提出了更高要求,氮化鋁以其優異的導熱性能和接近硅的熱膨脹系數等特性冠絕同儕。

氮化鋁導熱填料廣泛應用于熱界面材料

氮化鋁陶瓷LED基片

更高端的應用隨著氮化鋁晶體材料的開發成為熱點。今年年初,在珠海舉辦的“全國高純粉體與晶體材料創新發展論壇”上,奧趨光電技術(杭州)有限公司創始人吳亮教授以“高質量、大尺寸AlN單晶生長及其應用前景展望”為題作報告,梳理了AlN單晶不同的生長路線以及影響長晶質量的各種因素。答疑環節有參會代表提問,“作為全球領先的AlN單晶及襯底研發商,奧趨光電目前使用了進口還是國內粉體?”答案其實并沒有出乎意料,但吳亮教授點出了癥結所在——之所以不敢采用國產氮化鋁粉體作為原料,最大的擔心是產品不穩定。

日本橫濱舉行的LED 工業應用國際會議( LEDIA-2019)上,奧趨光電推出了當時全球公開報道中最大的直徑60 mm 氮化鋁單晶及晶圓

不同制備方法的做出來的粉體具有不同的特性,目前國內外主流的優質AIN粉體制備方法有直接氮化法(日本東洋鋁業)及碳熱還原法(日本德山)。其中,直接氮化法是通過高溫下金屬鋁與氮氣直接反應生產氮化鋁,它最為顯著的問題是,隨著鋁粉顆粒的氮化速度加快,表面會逐漸生成氮化物膜所導致的反應不充分;碳熱還原法是以超細氧化鋁粉和高純度碳黑粉作為反應原料,被還原出的鋁與氮氣作用,生成氮化鋁。該方法的問題是合成時間較長氮化溫度較高,而且反應后還需對過量的碳進行除碳處理,導致生產成本較高。

除了上述兩種,氮化鋁粉體制備方法還包括電弧法、等離子合成法、溶膠-凝膠法、自蔓延法等等。只是這些方法有的成本高昂,有的不易進行過程控制,有的不能進行連續化生產。相對而言,矽瓷新能選擇的化學氣相沉積法(氣溶膠)法是將鋁粉的揮發性化合物(包括鹵化鋁、烷基鋁)在氮氣氛圍下發生化學反應,從氣相中沉淀出氮化鋁粉末。該方法最大的優勢在于不依賴高純鋁粉等高端原材料,有效降低生產成本,加之矽瓷新能技術團隊首次將其實現連續化生產的加持,可顯著提升粉體一致性,而這很有希望解決前文提到奧趨光電吳亮教授對國產粉體的擔憂。

小結

目前,我國正處于從產業鏈的中低端向高端邁進的關鍵轉型時期,新材料領域的國產替代需求尤為迫切,這對于強化我國供應鏈安全、提升全產業鏈科技創新能力有著基礎性的作用。矽瓷新能則以此為使命和目標,先后開發出氨解法氮化硅技術和化學氣相沉積法氮化鋁技術,目前產品已獲得部分知名客戶的檢測認證,正在穩步邁向工業化量產。據悉,未來矽瓷新能還將在特種陶瓷粉體領域和半導體材料領域持續深耕,推出半導體級碳化硅等高端粉體產品,完善產品鏈條,提升行業競爭力。

粉體圈 啟東


相關內容:
0
 

粉體求購:

設備求購:

尋求幫助:

合作投稿:

粉體技術:

關注粉體圈

了解粉體資訊

午夜神器成在线人成在线人-午夜神器A片免费看