高技術服務業在促進新材料科技成果產業化中的重要作用

陳大明

高技術服務業在促進新材料科技成果產業化中的重要作用

陳大明

隨著我國市場化程度逐步提高,區域經濟和高技術產業發展迅速,傳統產業與新興產業分工不斷細化與深化,迫切需要一個人才和知識密集,支撐并服務于經濟、產業和企業發展的高技術服務體系,通過增值的專業化服務擴散高技術成果,促進傳統產業升級、產業結構優化調整和經濟增長方式的轉變。在新材料領域中,新產品的開發和產業化與相應的技術研發和服務密切相關。近年來,國家科技部科技型中小企業技術創新基金已明確將"新材料技術服務業"列入支持內容,在2009年度"若干重點項目指南"中,重點支持方向包括“新材料產品研發技術服務”,“拓展產品產業鏈技術服務"和"產品技術的集成創新服務”。

作為一名高技術陶瓷科技工作者,近十幾年來在科技成果轉化及產業化方面做了一些工作,親自創辦過生產企業,也接觸和服務過多家企業,在實踐中深深體會到,科技人員組建高技術服務型企業,通過技術服務促進新材料科技成果產業化,會起到較好的效果。本文以高性能陶瓷軸高技術成果轉化為例,分析高技術服務業在新材料科技成果產業化中的重要作用。

從新產品研發角度分析高技術服務業的作用

對任何一種高技術陶瓷產品,都包括:成分設計—粉體—成型—燒結—后加工一整套技術,更具體講:根據產品性能要求,進行配方設計;選擇或合成相應的陶瓷原料粉體;選擇成型方法和相應設備;確定燒結工藝和相應設備;如需要,還要解決后續精密加工方法和設備選型。從技術服務角度看,要統籌考慮上述技術集成,達到提高生產效率、降低生產成本、改善產品質量、節能降耗、減少環境污染的目的。下面以“微型電機用陶瓷軸”這一新產品為例,說明技術服務需具體解決的問題。

微型電機采用高剛度、耐磨損、耐腐蝕、密度低的陶瓷軸代替傳統使用的鋼軸或硬質合金軸,可使電機運轉更加快速平穩,并顯著提高其在特殊環境下的使用壽命。目前國外發展陶瓷軸微電機的速度很快,國內一些有研發能力的企業也在開發該類產品,對微電機陶瓷軸的需求很迫切。從技術服務角度,需解決以下具體問題。

(1)配方設計及選擇方案 根據對陶瓷材料特性分析,能滿足高剛度、高耐磨、耐腐蝕要求的陶瓷材料有:92,95,99氧化鋁陶瓷,ZTA(氧化鋯增韌氧化鋁)陶瓷,部分穩定ZrO2陶瓷,Si3N4陶瓷等,可作為微電機軸。從不同用戶對微型電機陶瓷軸性能及價格要求綜合考慮,幾種氧化鋁陶瓷制造工藝和成本差別不大,但99陶瓷比92,95陶瓷高一檔次;Si3N4陶瓷雖然性能優越,但其生產成本和設備要求很高,可能導致價格過高而難以推廣。因此,建議開發99陶瓷、ZTA陶瓷、部分穩定ZrO2陶瓷,形成不同質量和價格的系列產品。進而根據已有知識積累,設計99陶瓷中添加劑為MgO而不用Y2O3,可起到細化晶粒的作用;ZTA陶瓷中ZrO2含量為10%～15%,具有較好的增韌效果且成本增加不多;ZrO2陶瓷則可選擇用n(Y2O3)=3%部分穩定的ZrO2陶瓷效果較好。

(2)粉體要求及選擇方案 在所開發的產品中,主要使用Al2O3粉體和Y2O3-ZrO2[n(Y2O3)=3%]粉體。從耐磨的角度考慮,陶瓷軸應為細晶粒,以滿足提高使用壽命的要求。為此,選用亞微米級或納米級超細粉體比較合適。但從價格和后續成型工藝要求綜合考慮,建議選擇原晶尺寸為亞微米級的超細粉體。進而根據對國內外陶瓷粉體生產企業和供應商的了解,具體指定幾家陶瓷粉體供應單位。

(3)成型技術方案 微電機用陶瓷軸尺寸規格為φ(2～10)mm×(30～200)mm,其高質高效的成型方法非常重要。目前對于長軸類陶瓷坯體的常用生產方法主要為塑性泥料擠制成型和蠟料漿熱壓鑄成型,當尺寸較大時,也可使用冷等靜壓成型。對于本項目產品,由于采用的都是超細脊性粉料,配制具有合適塑性的泥料相當困難,泥坯密度相對較低,難以獲得高致密細晶粒陶瓷軸;熱壓鑄成型生產流程較長,生產效率相對較低,排蠟過程額外耗能并造成較嚴重的環境污染,同時對于亞微米級超細粉,配制高固相含量,且具有良好流動性蠟料漿難度很大;冷等靜壓成型由于受模具限制,其棒坯尺寸精度和表面質量難以滿足要求,通常需進一步機械加工才能獲得所需尺寸的陶瓷軸坯體。同時,該工藝設備投資費用大,生產成本高,生產效率低,不適合于工業化生產直徑小于φ10 mm的陶瓷軸坯體。相比而言,水基料漿注模凝膠成型工藝具有生產工藝簡化、生產成本低、節能降耗顯著、基本無環境污染、產品質量好等優勢。關鍵是要解決其工業化高效批量生產及達到質量要求等特定技術,涉及到澆注方法、長棒狀陶瓷坯體無或少變形脫水干燥工藝技術及設計合適的模具等,要達到一次成型數百只陶瓷軸坯體的能力。

(4)燒結工藝制度及設備選型 對于上述幾種氧化物陶瓷材料,一般采用常壓空氣爐燒結即可,可選擇馬弗爐、棱式爐或隧道窯,還要選擇是采用燃氣加熱還是電加熱。另外,還需要設計燒結工藝實驗,以確定陶瓷軸坯體碼放方式(涉及到耐火承燒板材質和形狀的選擇)、升溫速率(應考慮有機物燒除問題)、最高燒結溫度和保溫時間(保證致密化并保持細晶粒不長大)、冷卻速率(快速冷卻)等參數。從生產效率、產品質量、環境影響、生產成本等方面綜合考慮,建議采用電加熱、推板式隧道窯比較理想。進而根據對國內外窯爐生產企業的了解和燒結工藝要求,推薦窯爐生產單位,并具體提出推板式隧道窯截面、長度、控溫點數量、最高加熱溫度、爐溫均勻性等參數要求。

(5)后續加工方案及設備工藝 由于微電機陶瓷軸對尺寸精度要求很高,必須進行后續加工才能滿足技術指標和使用要求。對于高硬度陶瓷材料,必須用金剛石砂輪研磨加工。根據陶瓷軸產品特點,建議選用無芯磨進行外圓加工,平面磨進行端面加工。

總之,每種產品的研發和產業化都需要綜合技術的支撐。對某一生產企業而言,要全面掌握這些技術有一定難度,如果有一家由若干有經驗的專家組成的技術服務企業,幫助企業全面解決新產品開發過程中所遇到的技術問題,一定能起到事半功倍的作用。而通過該新產品的開發,必將會帶動整個產業的進步,有可能拓展新的產業鏈。

從技術集成角度分析高技術服務業的作用

陶瓷產品種類繁多,但常用的坯體成型技術目前僅有十種左右,對陶瓷產品的質量和生產效率起著極大的作用。因此,陶瓷產品的制備技術常用其成型方法命名。如:注漿法生產大尺寸石英陶瓷輥棒、非致密石英陶瓷坩堝、氧化鋁和氧化鋯薄壁致密陶瓷坩堝;干壓法生產氧化鋁磁控管殼、耐磨襯板、紡織用陶瓷摩擦片;冷等靜壓法生產氧化鋁陶瓷真空開關管殼、氧化鋯陶瓷缸套、耐磨介質球、球閥、氮化硅陶瓷軸承球;泥料擠制法生產氧化鋁陶瓷輥棒、高鋁絕緣瓷基體、堇青石蜂窩陶瓷載體、蓄熱體;流延法生產氧化鋁陶瓷基片、氮化鋁陶瓷基片、片式陶瓷電容器、電感器;熱壓鑄法生產氧化鋁陶瓷真空開關管殼、水閥片、咖啡豆磨頭等等。雖然不同的陶瓷產品都會有一些特殊的要求,但是各種成型技術都會涉及到許多共用技術需要解決。不斷改進已有成型技術,發展新的成型技術,可以有效地提高生產效率和產品質量,降低生產成本和能源消耗,改善工作環境和勞動條件。下面以水基料漿注凝成型法生產陶瓷產品為例,說明技術服務應解決的一些通用技術。

水基料漿注凝成型法生產陶瓷產品是近年來發展起來的一項新工藝,具有設備投資費用少、生產工藝過程簡單、坯體微觀結構均勻、產品質量好等優勢,是一種既可近凈形生產簡單形狀的陶瓷制品,又可近凈形生產復雜形狀陶瓷制品的普適性工藝。在推廣該項新工藝的過程中,涉及到以下通用技術的集成。

(1)可注凝水基陶瓷料漿的配制技術 生產氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、鈦酸鋇等陶瓷材料,配制固相含量高、流動性良好的可注凝水基陶瓷料漿是首先要解決的關鍵技術。與此相關的技術包括:對陶瓷粉體的要求(粉末為微米級或亞微米級、原晶顆粒密實、外形為最好等軸狀、對易水解原料的表面處理方法等),球磨混料工藝(加水量、球料比、分批加料順序、混磨時間、料漿溫度控制等),輔料種類、用量與加入方式(分散劑、有機單體、交聯劑、pH值調節劑等),陶瓷料漿的真空攪拌除氣(真空度、時間、攪拌轉速等),陶瓷料漿的測試方法(比重、粘度、流動性、懸浮性等)等技術。

(2)適合于工業化生產的模具設計與制造 設計合理的模具是水基料漿注凝成型技術能否實現工業化生產的關鍵,相關技術涉及模具材料的選擇(玻璃、金屬、尼龍等材質)、合模脫模及批量生產的方便性(組合模具)、澆冒口安排的合理性(保證凝膠化過程收縮不造成坯體損傷)、脫模劑選擇(非硅脫模劑)等等。

(3)料漿的凝膠化控制技術 凝膠化是水基料漿注凝成型技術的核心技術,需根據產品特點考慮凝膠化方式(引發劑加熱凝膠、催化劑-引發劑室溫凝膠、氧化-還原凝膠)、凝膠化時間(引發劑及催化劑或還原劑的濃度、滴加速度、加入量、凝膠化后放置時間等)及防氧阻聚(真空凝膠、氮氣保護凝膠、冒口補償)等問題。(4)坯體的無或少變形干燥技術 自美國橡樹嶺國家實驗室發明水基料漿注凝成型技術以來,坯體的無或少變形干燥技術一直是后續研究的重點和難題之一。其原方案是將濕凝膠坯體置于溫濕箱中通過逐漸降低環境濕度使之干燥,但效率低下,難以滿足工業化高效生產需要。近年來人們已發明了多種無或少變形的干燥方法,包括浸入有機溶劑中脫水干燥,采用含醇半水基料漿分步脫水干燥等,并針對片式、棒狀元件發明了一些特殊的無或少變形的干燥方法。

(5)粘接劑燒除與致密化燒結一體化工藝 這是決定產品最終質量和節能與否的關鍵工序,涉及到設備選型(電窯、燃氣窯、馬弗爐、棱式爐、隧道窯等),燒結工藝的制定(升溫速率、最高燒結溫度和保溫時間、冷卻速率等參數)等,可根據產品特點進行試驗和選擇。(6)邊角與回坯廢料的處理與再利用技術 這是充分利用原料和降低生產成本所必須考慮的問題,通常是經低溫燒除有機物后再使用。需確定燒除溫度、時間,還要解決燒后粉體的再研磨和應用技術。

上述都是一些通用的技術問題,對于有豐富經驗的掌握注凝成型法生產陶瓷制品的高技術服務單位,可以為生產不同產品的企業服務。這種服務應是全方位的,除掌握具體工藝技術外,還應了解和國內外陶瓷粉體廠商不同原料的適用情況和質量穩定性及水平;注凝成型法所用關鍵原材料的供應商和性價比;模具設計單位及制造單位的情況和費用比較;窯爐生產單位的能力和產品質量及價格等等。

通過對注凝成型法生產各種陶瓷制品這一新技術的推廣,必將推動上述相關陶瓷粉體、精細化工、機械加工等產業的不斷發展。

主要由科技人員組建的高技術服務企業作為一種新的企業模式,對促進新材料科技成果產業化,幫助生產企業不斷進步和可持續發展能夠發揮重要的作用。因此呼吁致力于新材料科技成果產業化的科技工作者在這一領域發揮專長,有所作為。這可能比親自創辦生產型企業(需更多考慮資金籌措、生產管理、市場營銷等)更符合科技工作者的特點。

陳大明 教授,博士導師。現任北京航空材料研究院科技委副主任。多年來承擔并完成國防預研、國家自然科學基金、863計劃、國防科學基金、科技部中小企業技術創新基金、發改委高技術產業化示范工程等多項科研和產業項目。曾獲得國家教委及省部級科技獎勵5項,1991年被中國航空航天工業部授予“做出突出貢獻的中國博士學位獲得者”,2001年被國家科技部授予“八六三計劃十五周年作出成績的先進個人”。現擔任中國硅酸鹽學會特種陶瓷分會副理事長、中國材料研究學會產業工作委員會副主任,全國工業陶瓷標準化技術委員會委員等多項學術團體職務。被西北工業大學、武漢理工大學聘為兼職教授。