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《亚博app报》:讲述亚博app集团的新材料故事系列报道⑥ 一场40年的“科技长跑”——氮化硅陶瓷创新纪实

来源:CNBM发布时间:

       编者按:40年风雨兼程,实现了我国高性能氮化硅陶瓷的批量化生产,实现了中国制造的梦想。这种可应用于航天航空、电动汽车、风力发电、光伏太阳能、高端装备、精密铸造、电子信息、军工配套的产品,将为我国新兴产业和国防建设做出积极贡献。


氮化硅陶瓷轴承

       2017年9月15日,全国首条“年产100吨高性能氮化硅陶瓷生产线"在山东省淄博市开工奠基。亚博app集团党委书记、董事长宋志平,副董事长李新华,中材高新材料股份有限公司(以下简称中材高新)董事长刘燕、党委书记阎法强、总裁张伟儒等人共同见证了这一历史时刻。


奠基仪式现场

       这条氮化硅陶瓷生产线由亚博app集团所属中材高新自主研发、具有完全知识产权、在国内具有领先水平。与此同时,中材高新通过不断加大科技投入,历经5年艰难研发攻关,成为国内首家实现热等静压技术制备高端氮化硅材料工程化生产的企业,热等静压陶瓷轴承球性能达到国际水平,这也是全球继日本东芝公司、美国库斯泰克公司第三家可以批量化生产热等静压氮化硅陶瓷轴承球的公司。

       氮化硅项目是亚博app集团发展高精工业陶瓷的重要部分,集团给予高度重视和支持。亚博app集团是全球最大的建材产业集团,此前一直深耕水泥、玻璃等建筑材料行业。宋志平曾经提出,要用创新的方式不断提升亚博app集团的核心竞争力,并形象地勾勒出"三条曲线",以代表三种创新转型的方式。高精工业陶瓷即是第二条曲线上的关键一点。

       这些“产自亚博app”的产品的巨大社会效益显而易见。近几年,随着我国高端装备、新能源、电动汽车等新型产业的快速发展,对高端热等静压氮化硅陶瓷球的需求越来越大,而我国这种材料全部依赖进口。材料进口就会带来价格高、交货周期长等问题,严重制约了我国这些新产业的发展。"年产100吨高性能氮化硅陶瓷生产线"投产后,可以彻底解决目前高端热等静压氮化硅陶瓷球"卡脖子"的问题。


氮化硅陶瓷球

       那么到底什么是氮化硅陶瓷?这种陶瓷又具备了哪些独有的优势?热等静压技术制备工艺有哪些奥秘?又是一个怎样的团队创造出了这一切?

一场答辩带来的转机

       说起我国对氮化硅陶瓷的研究,要追溯到40年前。早在1978年,我国就在山东工陶院设立了氮化硅项目组,这也是我国最早开展氮化硅研究的单位之一。氮化硅陶瓷是一种新型的先进陶瓷材料,与其他材料相比具有优异的性能,其硬度仅次于金刚石,重量仅为钢的1/3,同时具有耐高温、抗腐蚀、自润滑、透波等特殊性能,被誉为综合性能最好的结构陶瓷材料。

       但是由于我国的生产工艺相对落后,国外先进工艺又进行技术封锁,尤其是热等静压制备方法,技术门槛高,设备综合指标苛刻且费用昂贵,所以一直未被攻克。长期以来严重制约着我国高端氮化硅陶瓷材料的发展。

       氮化硅项目一路走来经历了坎坎坷坷,有过辉煌,也有过走不下去的时候。在我国八九十年代,由于"陶瓷发动机计划",在全球形成了先进陶瓷热,我国组织了国家"八五""九五"两个五年攻关计划,其中氮化硅陶瓷是陶瓷发动机部件最重要的材料。鼎盛时,氮化硅项目组有30多人,承担国家十几项的科研项目。但是随着九十年代初的那场陶瓷发动机热过后,暴露出很多问题:如陶瓷发动机的陶瓷脆弱性强、可靠性评价低、制造成本高昂等,因此全球范围内开始放弃陶瓷发动机项目,只剩下部分部件使用陶瓷。受到大环境的影响,氮化硅陶瓷的研究陷入到前所未有的困境中。

       由于所承担各类项目减少,产业化前景遥远,在当时形势下自身生存都面临极大困难,甚至到了可能要被撤掉的地步,项目组很多人选择了离开,有调离的,有转行的,氮化硅跌入低谷。

       "作为亲历者,我看着这个项目从前辈那里传到我们这一代手中,一步步发展的过程。我见证过它的辉煌,也感慨过它的无奈。没有项目,没有研发人员,就没有科研经费;没有科研经费,就很难推进项目的进展。整个研究陷入到死循环。"张伟儒说,当时自己也有其他机会,但是静下心来细想自己还是喜欢氮化硅这种材料,愿意把氮化硅作为事业去做。

       他选择了留下,并且改变原来主要依靠项目经费生存的观念,着重加强氮化硅材料的市场化开拓,第一个产品就是彩电玻壳用的氮化硅彩玻管,不仅替代了国外进口,1998年当年实现收入300多万元。

       "这个数字我现在记得还很清楚。"观念的转变给了张伟儒极大的信心,也不断促使他坚持、不放弃。从事氮化硅材料研究这么久,现在张伟儒觉得自己有一种使命和责任,那就是让中国的氮化硅陶瓷产业化在他们这一代人身上实现,这也是他追求的梦想。

       有志者事竟成,坚持就有机会。1999年对氮化硅项目是一个重要的转折点,张伟儒至今记得还很清楚,那是7月26日,"铃~",一声清脆的铃声打破了实验室的寂静,接到原国家建材局军工办通知,由山东工陶院申报的国防科工局氮化硅透波材料项目,3天后到北京答辩。这个消息对于此时的山东工陶院意义重大,因为不仅氮化硅没有国家项目,整个研究院国家项目很少,当时科研工作处于比较艰难的时期。

       接到电话的张伟儒来不及回家,加紧准备相关材料。从撰写材料到准备答辩,72个小时里,张伟儒和团队同事们,一遍一遍地修改,一遍一遍地预演,生怕出现一点纰漏影响整个答辩结果。

       当时状态既很兴奋又非常紧张,默默祈祷答辩一切顺利,为了给自己打气,也为了给评审专家留下一个好印象,答辩前张伟儒特意买了一件崭新的衬衣。上天总是眷顾勤勉的人。40分钟的答辩非常顺利,专家组给予了高度评价。

       16年坚持不懈、兢兢业业的研究,换来了可喜的成绩——答辩顺利通过,山东工陶院获得了300万元的科研经费支持,这也是在国内首次承担氮化物陶瓷透波材料单位,次年2000年由张伟儒答辩的国家"863"计划叠层陶瓷复合材料项目又获得了300万元的科研经费支持。这两个项目的答辩从根本上改变了山东工陶院科研被动的局面,也在国内建立起了高性能陶瓷透波材料的优势地位。现在,陶瓷透波材料已成为山东工陶院最优势学科,在国内具有举足轻重的位置。


各尺寸氮化硅陶瓷球

       也正是从这两个项目开始,氮化硅陶瓷的研究进入了快车道——

       2000年,国内第一个超大尺寸氮化硅天线罩研制成功;

       2003年,国内第一个宽频带复合材料研制成功;

       2008年,国内首条年产12吨气氛压力烧结氮化硅陶瓷轴承球中试示范线在北京建成,这条中试线多台专用设备属于自主研发,填补了国内空白,具有国内一流水平,对氮化硅轴承球产业化意义重大,为产业化平台的搭建提供了保障和支撑;

       2011年,研制的氮化硅轴承球成功应用于我国长征系列运载火箭、空间交汇对接工程、嫦娥工程等国防领域;

       2015年,国内首次突破了热等静压烧结高端氮化硅轴承球工程化技术,产品性能达到国际先进水平;

       2016年,建成年产10吨高端氮化硅陶瓷轴承球生产线,热等静压氮化硅陶瓷进入批量生产;

       2016年下半年,热等静压氮化硅陶瓷球正式推向市场;

       2017年,热等静压氮化硅陶瓷轴承球相继通过瑞典SKF、日本AKS等国内外著名企业的认证、考核;

       2017年9月15日,"年产100吨氮化硅陶瓷制品"生产线在山东淄博奠基动工。

从实验室制品到大规模量产

       2004年,山东工陶院和北京人工晶体院进行整合成立中材高新材料股份有限公司。

       合并后公司致力于先进陶瓷、人工晶体和新能源材料三大产业和技术的开发,是中国先进陶瓷和人工晶体行业最大的集研发设计、产品制造、成套技术与装备、相关工程集成及进出口业务于一体的国家高新技术企业。

       氮化硅陶瓷发展前景广阔。为了让我国的氮化硅陶瓷从实验室制品到大规模量产,2004年,公司领导作出了一个重大决策:把原来山东工陶院项目的设备和人员都聚集到北京晶体院,利用晶体院的平台精耕细作,打造出中国制造的高端陶瓷产品!

       提起氮化硅在晶体院的发展,张伟儒认为是氮化硅产业发展新的起点,包括建立氮化硅研发和产业化团队,改造实验室和生产车间,积极申报争取国家和北京市各类项目支持等等,一切都从头开始。经过十几年的艰苦努力,晶体院氮化硅已建立起有多名博士、硕士高水平的研发团队,同时获得了包括国家、北京市科委重点产业化项目、军工配套项目各类计划支持,总资金达到了3000多万元。累计承担国家各类项目37项,现拥有国家级新产品5项,已授权发明专利33项,美国专利1项,具有从原料合成、材料体系、成型、烧结、加工、评价一系列自主知识产权。


氮化硅陶瓷轴承

       不经一番寒彻骨,怎得梅花扑鼻香。

       经过1460个艰苦卓绝的日夜,2008年,张伟儒率领的团队将原先80万粒氮化硅陶瓷轴承球中试生产小线在北京升级建设完成了国内首条年产12吨氮化硅陶瓷轴承球中试示范线,这条中试线多台专用设备属于自主研发的,填补国内空白,在国内具有一流的水平。讲到这条中试生产线,张伟儒补充到"这条先进的中试线对氮化硅轴承球产业化意义重大,可把以往在实验室的成果拿到中试线进行检验,查找问题,为产业化平台的搭建提供保障和支撑。也正因为这条线,帮助我们实现了技术与突破,大幅度降低生产制备成本。"也由此拉开了氮化硅产业发展的新篇章。

       由科技孵化产业,让技术走出实验室。2011年,中材高新开始组建产业化平台,在山东成立中材高新氮化物陶瓷有限公司,以尽快实现高性能氮化硅陶瓷球的批量生产。

       为什么会在山东淄博成立公司,张伟儒笑着道出了缘由:这个项目是从淄博生长起来的,它寄托了从工陶院老领导、老前辈那一代人的期望,可以说氮化硅陶瓷产业化是几代人积累努力的结果,回归淄博实现产业化也对从事氮化硅几代人最好的交代。同时,淄博市一直以来把先进陶瓷作为重点发展,这个项目决定落户淄博,淄博市政府、高新区对这个项目给予高度重视和大力支持,为这个项目发展奠定了很好的基础。"

       从这以后,氮化硅项目一路高歌猛进。2015年,建成年产10吨高端氮化硅陶瓷轴承球生产线,热等静压氮化硅陶瓷球实现批量化生产。经国内外第三方机构综合测定,热等静压氮化硅陶瓷可达到国际Ⅰ级,顺利通过了以瑞典SKF、日本AKS、台湾东培为代表的国内外知名企业的认证,并成功应用于我国长征5号运载火箭、武装直升机、空间交汇对接工程、载人航天工程、嫦娥工程等国防领域。2017年年产100吨氮化硅陶瓷/陶瓷轴承球生产线开工建设,标志着我国氮化硅研制产业化达到了国际同类产品的水平。

       这充分表明,氮化硅陶瓷项目作为亚博app集团大力发展的五大新材料之一,已经成功走出实验室,实现了大规模生产线生产。正如宋志平所说,亚博app的新材料业务都是能够量产的。

打造龙头产业

       宋志平在"年产100吨高性能氮化硅陶瓷生产线"奠基仪式上提出:希望中材高新将这一新材料产业打造成为最具有行业影响力的龙头产业,让中国的高端装备早日装上自己生产的陶瓷轴承,让中国的电动汽车早日用上自己生产的高导热氮化硅基片,让氮化硅陶瓷在我国军工建设中发挥更大的作用,让氮化硅陶瓷这颗"明珠"更加璀璨耀眼。


氮化硅陶瓷制品

       打造龙头产业,是亚博app集团对氮化硅陶瓷给予的希望,同样也是氮化硅陶瓷团队的梦想。

       筑梦之路,这个团队从未停止过脚步。从技术攻坚到设备选购,一步一个脚印,夯实有力。

       众所周知,我国氮化硅陶瓷轴承球制备方法主要是气氛压力烧结,但是国外先进国家则主要采用热等静压烧结技术。

       气氛压力烧结的过程中,窑内压强只能维持在低于100大气压,这种方法制备的陶瓷轴承球大多属于中低端产品,产品质量达不到更高的要求。而采用热等静压烧结技术,加热温度要接近2000℃,通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质,工作压力可达2000大气压。在高温高压的共同作用下,被加工的零件各向均衡受压。这样生产出来的产品致密度高、均匀性好、性能优异,同时该技术还具有生产周期短、工序少、能耗低、成品率高等特点。这种工艺制备的陶瓷轴承球性能优异,可应用于高端产品制造。但是由于热等静压设备昂贵且技术突破难度大,我国在这方面明显落后于国外。因此长期以来,我国高精端行业所需要的高端氮化硅轴承球材料全部是依赖于进口产品。

       2015年是个值得纪念的年份,那年晶体院利用国家重大项目的支持,与国内某单位联合研制成功了第一台用于高端氮化硅轴承球热等静压设备,大家看着这台设备,爱不释手,这可是几代氮化硅陶瓷人的梦想啊。

       "设备有了,剩下就要看我们的了。"张伟儒指着安装好的设备,对在场的团队人员说。

       "没问题,不管困难有多大,我们一定都能克服。"氮化硅团队信心坚定的回答。

       提起氮化硅陶瓷项目组这个团队,张伟儒由衷的感到自豪,为这个坚强的团队点赞!老一代专家选择了一个有前瞻性的方向,一代一代氮化硅人坚持不懈,40年的接力赛跑努力的结果。

       孙峰现在是中材高新氮化物陶瓷有限公司常务副总经理,为了氮化物公司发展顾不上照顾生病的母亲和在北京的两个孩子,在公司成立初期毅然来到淄博。孙峰作为80后年轻的管理者参与氮化硅时间并不是很长,但在氮化硅技术上已是国内小有名气的专家了,同时,多次参加了MBA学习培训,在企业管理方面也得到了公司员工的充分认可,氮化物陶瓷公司各项管理不断走向规范。

       陈波是中材高新氮化物陶瓷有限公司副总经理,作为氮化硅陶瓷项目的老人,从事氮化硅研究开发22年,经历了氮化硅发展的风风雨雨,始终没有放弃。陈波告诉《亚博app报》记者,自己一生将献身于氮化硅事业。

       主管生产和技术的80后董廷霞被称为拼命女强人,坚持在一线,对工作一丝不苟,不解决问题誓不罢休。

       像孙峰、陈波、董廷霞这样的人还很多,这个团队"5+2""白加黑"的工作模式已成为惯例,他们与时间赛跑,克服了许多想象不到的困难,实现了我国高端氮化硅材料的突破性进展。

       董廷霞告诉《亚博app报》记者,热等静压烧结制备中需要控制很多因素,其中最关键的技术点就在于如何将里面的气体排除、控制晶粒生长、保持晶粒稳定。

       在这一技术难点上,董廷霞已经记不清楚在现场做过多少次试验,又有多少个彻夜未眠的夜晚。

       "当被一个技术问题困在那里走不下去的时候,这种感觉太痛苦。"董廷霞拿着手里的一摞报表感慨道。

       这个技术难点我们已经攻关了这么久,到底能不能成功?什么时候可以成功?这些问题董廷霞不断地问自己,有的时候感觉快要撑不下去,已经没有信心了。

       办法总比困难多,功夫不负有心人。2016年,国内首次实现了热等静压氮化硅陶瓷轴承球的技术突破,热等静压陶瓷轴承球性能达到国际Ⅰ级水平,个别指标甚至超过了国外竞争对手的产品。

       技术上的突破打开了中国氮化硅陶瓷通往世界的大门,从这以后,订单络绎不绝,供不应求。2017年,中材高新氮化物公司正式成为SKF供货商中的一员,也是国内首家可以为SKF供货的生产企业。

       瑞典的SKF集团是一家百年企业,执世界滚动轴承业之牛耳,经营触角遍及全球,业务遍及世界130个国家,每年生产5亿多个轴承,销售网遍布全球。目前拥有200家分公司、80家制造厂。SKF对供货商的要求极为严格,中材高新氮化物公司能为行业老大供货,对其来说,无疑是无言的勋章和免费的广告。

骨子里的"创新基因"

       亚博app集团将"科技创新"置于集团三大战略之首。宋志平在接受媒体采访时曾表示:"科技创新让企业获得了长足发展。"亚博app从一家穷困潦倒、极度落魄的企业一路成长为世界500强,靠的就是改革创新的伟大精神。

       新材料产业和水泥的发展模式不一样,在宋志平看来,水泥是规模取胜,占有资源和控制市场,而新材料的核心是技术,要靠技术的占有和创新。

       集团的理念影响着每一位亚博app人。在中材高新氮化硅陶瓷的生产车间里,从工艺设计到设备制造,到处都可以看到这种科技创新的影子。

       陈波告诉《亚博app报》记者,自动干压成型设备就是中材高新氮化物陶瓷有限公司经过5年时间持续自主研发改造的。该设备最大的优势就是效率高,产量大,均匀性好。还有高效陶瓷球研磨系统等设备都是集大家智慧于一体,在生产过程中不断摸索,不断创新,不断改造出来的。在制粉——成型——烧结——加工——监测等一系列工序中,像这样完全拥有自主知识产权,并通过不断创新改造的设备数不胜数。

       好产品经得住检测。氮化硅陶瓷球出厂前要经过震动数据、粗糙度、圆度监测等多项检测。为了达到更高的标准,6年时间里,公司联合德国佛伦霍夫研究所共同研发STS自动捡球机,目前也是全世界唯一一台全自动检测装置,该设备不仅完全替代了目前人工检测,而且检测效率、标准一致性大幅度提高。检测工程师宋健告诉《亚博app报》记者,由于陶瓷表面光滑,跟钢球不太一样,使用光电检测达不到要求,需要研发图像识别自行化系统。之所以选择德国公司进行合作,是因为德国在图像自动化方面更为专业。

       宋健是90后的研究生,通过做检测工作,让他真切感受到了亚博app集团对技术精益求精和持续创新的精神。至今他还记得,为了解决机器无法自动识别陶瓷球表面雪花缺陷的问题,一研究就是整整5个月,不断试验,反复论证,最终彻底解决了机器无法自动检测出雪花缺陷的问题。宋健对《亚博app报》记者说,成功攻克这项技术难关后,他由衷地感到开心,这样的开心是用任何事情都无法替代的。这是一种职业的自豪感。

       在市场定位上,中材高新氮化物公司紧跟集团步伐,不断创新拓展新领域。为了可以进军汽车行业,公司成功申报IATF16949。IATF16949是国际汽车行业的技术规范,只适用于汽车整车厂和其直接的零备件制造商,对所认证公司的资质有着严格的限定。

       为了尽快通过认证,公司请来了专业老师进行培训,公司全员参与,学习经常会安排在周末,但是大家却从没有一句怨言。一年后,大家的辛勤汗水换来了IATF16949的通过。

两材重组,插上腾飞的翅膀

       如今,张伟儒回忆起初见宋志平董事长的那一幕,记忆犹新。"宋总为人很谦和,对新技术非常感兴趣,记着他第一次来到淄博中材高新的时候,看到我们的产品,就不禁竖起大拇指,并鼓励我们,一定要把氮化物陶瓷做到世界领先水平。"

       张伟儒补充道:从此以后,氮化硅在集团新材料发展占有重要的位置,宋志平董事长在不同场合多次提出要大力发展氮化硅材料,这是对我们极大的鼓励,同时也是巨大的压力,我们将不辜负宋董事长和集团的期望,加快氮化硅产业化项目建设,持续强化技术创新,不断提高产品在国际市场竞争力,坚定信心,一定把氮化硅陶瓷做到世界领先水平。

       中国建筑材料集团有限公司与中国中材集团有限公司两材重组,目标就是"世界一流",这是亚博app集团的大目标,也是集团对氮化硅陶瓷项目的目标。宋志平多次在会上提出,要大力发展新材料,氮化硅陶瓷项目就是这一板块中的重要部分。

       两材重组后,中材高新科研成果借助集团的产业平台,得到了更有效、更直接的转化,科技从成果库走出来直接转化为生产力。同时,中材高新生产的高精工业陶瓷在集团内也发挥了技术协同创新的作用,推动节能减排,跟上集团转型要求。公司生产的多种产品已经应用到了集团的兄弟单位。

       两材重组后,亚博app集团整合内部资源,充分发挥了协同优势,创新转型明显提速。全国首条"年产100吨高性能氮化硅陶瓷生产线"一期工程将于年底完工,投产后主要生产氮化硅陶瓷轴承球、电动汽车用氮化硅基片、太阳能多晶硅还原炉用氮化硅绝缘复合组件,主要应用于高端装备、电动汽车、航天航空、风力发电、光伏太阳能、精密铸造等领域。这种氮化硅陶瓷材料也是军工配套的关键材料,在航天航空轴承、新一代陶瓷透波材料、大功率陶瓷基片等具有不可替代的地位,项目建成后也将成为军民融合发展平台,为我国新兴产业和国防建设做出积极贡献。

       两材重组后,大家同心同德,团结一心,两股绳拧成一股绳,两家人成为一家人。"人心齐、泰山移"。亚博app融合的文化基因,团结向上、包容和谐的企业文化振奋精神、凝聚力量,汇聚起改革创新的强大动力,打造出了一支无坚不摧的技术团队。

       张伟儒表示,未来,中材高新要紧跟集团步伐,加大先进陶瓷研发力度,承担国家重大项目、军工和地方等项目,继续发挥技术引领作用,抢占科技创新制高点。加快氮化硅轴承等新产品产业化,提高市场占比,做先进陶瓷和人工晶体领先科技企业,保持科技创新、产业化领先地位。

       两材重组,无疑是为我国的高精工业陶瓷插上了腾飞的翅膀。它一定会冲云直上,飞向世界的制高点。

       小料科普氮化硅陶瓷:作为一种新型先进陶瓷材料,氮化硅陶瓷与其他材料相比具有优异的性能。其硬度仅次于金刚石,重量仅为钢的三分之一,加之强度高、耐磨性好、刚度高、耐腐蚀、耐高温、电绝缘、不导磁、比重小、自润滑等一系列金属材料不具备特殊性能,被誉为综合性能最好的结构陶瓷,甚至说它是综合性能最强的材料都不为过。

       正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性,可用于极度恶劣的环境及特殊工况,在核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、食品、医疗、机车、地铁、高速机床等领域皆可广泛应用。

       中材高新材料有限公司研制开发的热等静压(HIP)氮化硅陶瓷轴承球是国内唯一、是继美国CoorsTek、日本Toshiba之后世界第3家能够实现批量化生产该类产品的企业,也是国内最大的氮化硅陶瓷轴承球生产企业。产品已应用于我国长征5号运载火箭、空间交汇对接工程、载人航天工程、嫦娥工程等军事国防领域。