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鉆研近二十年，上硅所終贏來技術突破

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所王士維研究員帶領的科研團隊與江西中科特瓷新材料有限公司合作，基于具有自主知識產權的自發凝固成型體系，突破大尺寸陶瓷素坯在干燥和燒結過程中的變形及開裂等關鍵瓶頸，成功制備出直徑達1010mm的超大尺寸高純氧化鋁陶瓷圓盤和外徑為200mm的雙層同心高純氧化鋁圓筒，材料主要性能指標優于國外同類產品水平。

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直徑1010mm高純氧化鋁盤和外徑200mm雙層同心高純氧化鋁圓筒

王士維研究團隊自2003年起開展新型原位固化成型體系的探索研究，先后開發了基于親核加成聚合反應的水溶性環氧樹脂-多胺凝膠體系和自發凝固成型體系。相比于其它凝膠體系，自發凝固體系形成的有機網絡有利于水分輸運，干燥應力更容易釋放，坯體干燥后不變形。同時，該體系有機物添加量少，坯體在脫粘過程產生的內外溫差波動小，坯體燒結后不開裂。

自發明自發凝固成型體系以來，王士維研究團隊一直致力于該成型技術的工程化研究工作。2017年7月，以自發凝固體系為技術核心，上海硅酸鹽所技術參股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業化工作。目前，該公司已經掌握了自發凝固成型大尺寸/復雜形狀氧化鋁陶瓷部件的干燥、脫粘和高溫燒結等關鍵技術，建立了批量化生產線，實現了批量化銷售，獲得了國內半導體制造領域用戶的好評。

自發凝固成型技術是一種怎樣的技術？

可以看出，上硅所在大尺寸/復雜形狀高純氧化鋁部件上的突破，基于具有自主知識產權的自發凝固成型技術，自發凝固成型技術是一種怎樣的技術？它又有何獨特之處呢？

自發凝固成型是2011年由上海硅酸鹽所開發的一種新的成型方法，它是一種新的原位固化成型工藝，具有有機物添加量小、適于常溫大氣環境操作等特性，具有普適性，現已引發國內外二十多家研究機構跟蹤研究。

與傳統的原位固化體系相比，自發凝固體系僅采用一種叫異丁烯和馬來酸酐共聚物的銨鹽(簡稱PIBM)就可以實現Al2O3的自發凝固成型。

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PIBM自發凝固機理

PIBM共聚物首先吸附在氧化物陶瓷顆粒表面發揮分散作用，在靜置狀態下相鄰的PIBM分子鏈間形成低密度有機網絡，該有機網絡屬物理凝膠，有利于水分運輸，干燥應力更容易釋放。該技術完美地解決了大尺寸陶瓷濕坯在干燥和脫粘過程中的變形和開裂等關鍵技術瓶頸問題，為大尺寸陶瓷部件的制備提供一條新的低成本制造方法。

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陶瓷濕坯的干燥和脫粘過程

和注凝成型有何不同？

注凝成型是20世紀90年代初發明的一種新型陶瓷成型技術，它首先制備高固含量、低粘度、均勻性好的漿料，然后，通過漿料中有機高分子聚合反應形成三維網絡結構，原位固化陶瓷顆粒成型坯體。

注凝成型是在保持漿料流動性的基礎上提高固含量，從而提高坯體密度，降低收縮率，要求漿料的固含量50vol%以上。而良好的流動性是由漿料的分散性和穩定性決定的，因此，選擇合適的分散劑、控制漿料的pH值，是保證漿料流動性的關鍵因素。注凝成型的另一重要要素就是有機單體和交聯劑的聚合反應，要求反應條件溫和易于控制，便于凝膠固化，使用較少的添加劑使坯體達到較高的強度。注凝成型中有機添加劑的含量一般小于5wt%，排膠容易，得到的濕坯強度高、塑性好，可以進一步機械加工；并且坯體的結構均勻性好。注凝成型可以直接凈尺寸成型、制備復雜形狀、以及大尺寸陶瓷部件。

自發凝固成型與注凝成型在漿料配制、成型方式、坯體特性上具有相似性。但是，自發凝固成型只需要一種添加劑，通過分子長鏈橋接固相顆粒凝膠固化，注凝成型是多種高分子發生交聯反應凝膠固化固相顆粒。

結語

自發凝固成型技術應用于大尺寸/復雜形狀先進陶瓷材料的制備，具有顯著的原創性和先進性。該方法成功應用于透明氧化鋁、氧化釔等透明陶瓷的成型，說明該方法能夠獲得高品質素坯，滿足透明陶瓷的成型需要。與傳統冷等靜壓成型相比，自發凝固成型不需要造粒、模壓和冷等靜壓等三臺重資產設備，且有機物添加量少，是一種低能耗低排放低運行成本的制造方法，契合雙碳達標的國家戰略。

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自發凝固成型獲得的透明陶瓷

自從自發凝固成型技術問世以來，國內的清華大學、武漢科技大學、四川大學、電子科技大學、北京航天材料與工藝研究所、北京航天航空大學、江蘇師范大學、中國工程物理研究院以及國外的美國陸軍實驗室、美國Alfred大學、美國東北大學和伊朗設拉子理工大學等近20家研究機構和課題組采用該方法開展了多種先進陶瓷的制備研究。