陳大明

高技術(shù)服務(wù)業(yè)在促進(jìn)新材料科技成果產(chǎn)業(yè)化中的重要作用

陳大明

隨著我國(guó)市場(chǎng)化程度逐步提高,區(qū)域經(jīng)濟(jì)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)分工不斷細(xì)化與深化,迫切需要一個(gè)人才和知識(shí)密集,支撐并服務(wù)于經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)和企業(yè)發(fā)展的高技術(shù)服務(wù)體系,通過增值的專業(yè)化服務(wù)擴(kuò)散高技術(shù)成果,促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變。在新材料領(lǐng)域中,新產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化與相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)和服務(wù)密切相關(guān)。近年來,國(guó)家科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金已明確將"新材料技術(shù)服務(wù)業(yè)"列入支持內(nèi)容,在2009年度"若干重點(diǎn)項(xiàng)目指南"中,重點(diǎn)支持方向包括“新材料產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)服務(wù)”,“拓展產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)服務(wù)"和"產(chǎn)品技術(shù)的集成創(chuàng)新服務(wù)”。

作為一名高技術(shù)陶瓷科技工作者,近十幾年來在科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化方面做了一些工作,親自創(chuàng)辦過生產(chǎn)企業(yè),也接觸和服務(wù)過多家企業(yè),在實(shí)踐中深深體會(huì)到,科技人員組建高技術(shù)服務(wù)型企業(yè),通過技術(shù)服務(wù)促進(jìn)新材料科技成果產(chǎn)業(yè)化,會(huì)起到較好的效果。本文以高性能陶瓷軸高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為例,分析高技術(shù)服務(wù)業(yè)在新材料科技成果產(chǎn)業(yè)化中的重要作用。

從新產(chǎn)品研發(fā)角度分析高技術(shù)服務(wù)業(yè)的作用

對(duì)任何一種高技術(shù)陶瓷產(chǎn)品,都包括:成分設(shè)計(jì)—粉體—成型—燒結(jié)—后加工一整套技術(shù),更具體講:根據(jù)產(chǎn)品性能要求,進(jìn)行配方設(shè)計(jì);選擇或合成相應(yīng)的陶瓷原料粉體;選擇成型方法和相應(yīng)設(shè)備;確定燒結(jié)工藝和相應(yīng)設(shè)備;如需要,還要解決后續(xù)精密加工方法和設(shè)備選型。從技術(shù)服務(wù)角度看,要統(tǒng)籌考慮上述技術(shù)集成,達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染的目的。下面以“微型電機(jī)用陶瓷軸”這一新產(chǎn)品為例,說明技術(shù)服務(wù)需具體解決的問題。

微型電機(jī)采用高剛度、耐磨損、耐腐蝕、密度低的陶瓷軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的鋼軸或硬質(zhì)合金軸,可使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加快速平穩(wěn),并顯著提高其在特殊環(huán)境下的使用壽命。目前國(guó)外發(fā)展陶瓷軸微電機(jī)的速度很快,國(guó)內(nèi)一些有研發(fā)能力的企業(yè)也在開發(fā)該類產(chǎn)品,對(duì)微電機(jī)陶瓷軸的需求很迫切。從技術(shù)服務(wù)角度,需解決以下具體問題。

(1)配方設(shè)計(jì)及選擇方案 根據(jù)對(duì)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(wěn)定ZrO2陶瓷,Si3N4陶瓷等,可作為微電機(jī)軸。從不同用戶對(duì)微型電機(jī)陶瓷軸性能及價(jià)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(yōu)越,但其生產(chǎn)成本和設(shè)備要求很高,可能導(dǎo)致價(jià)格過高而難以推廣。因此,建議開發(fā)99陶瓷、ZTA陶瓷、部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷,形成不同質(zhì)量和價(jià)格的系列產(chǎn)品。進(jìn)而根據(jù)已有知識(shí)積累,設(shè)計(jì)99陶瓷中添加劑為MgO而不用Y2O3,可起到細(xì)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(wěn)定的ZrO2陶瓷效果較好。

(2)粉體要求及選擇方案 在所開發(fā)的產(chǎn)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(yīng)為細(xì)晶粒,以滿足提高使用壽命的要求。為此,選用亞微米級(jí)或納米級(jí)超細(xì)粉體比較合適。但從價(jià)格和后續(xù)成型工藝要求綜合考慮,建議選擇原晶尺寸為亞微米級(jí)的超細(xì)粉體。進(jìn)而根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外陶瓷粉體生產(chǎn)企業(yè)和供應(yīng)商的了解,具體指定幾家陶瓷粉體供應(yīng)單位。

(3)成型技術(shù)方案 微電機(jī)用陶瓷軸尺寸規(guī)格為φ(2～10)mm×(30～200)mm,其高質(zhì)高效的成型方法非常重要。目前對(duì)于長(zhǎng)軸類陶瓷坯體的常用生產(chǎn)方法主要為塑性泥料擠制成型和蠟料漿熱壓鑄成型,當(dāng)尺寸較大時(shí),也可使用冷等靜壓成型。對(duì)于本項(xiàng)目產(chǎn)品,由于采用的都是超細(xì)脊性粉料,配制具有合適塑性的泥料相當(dāng)困難,泥坯密度相對(duì)較低,難以獲得高致密細(xì)晶粒陶瓷軸;熱壓鑄成型生產(chǎn)流程較長(zhǎng),生產(chǎn)效率相對(duì)較低,排蠟過程額外耗能并造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染,同時(shí)對(duì)于亞微米級(jí)超細(xì)粉,配制高固相含量,且具有良好流動(dòng)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(zhì)量難以滿足要求,通常需進(jìn)一步機(jī)械加工才能獲得所需尺寸的陶瓷軸坯體。同時(shí),該工藝設(shè)備投資費(fèi)用大,生產(chǎn)成本高,生產(chǎn)效率低,不適合于工業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、生產(chǎn)成本低、節(jié)能降耗顯著、基本無環(huán)境污染、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵是要解決其工業(yè)化高效批量生產(chǎn)及達(dá)到質(zhì)量要求等特定技術(shù),涉及到澆注方法、長(zhǎng)棒狀陶瓷坯體無或少變形脫水干燥工藝技術(shù)及設(shè)計(jì)合適的模具等,要達(dá)到一次成型數(shù)百只陶瓷軸坯體的能力。

(4)燒結(jié)工藝制度及設(shè)備選型 對(duì)于上述幾種氧化物陶瓷材料,一般采用常壓空氣爐燒結(jié)即可,可選擇馬弗爐、棱式爐或隧道窯,還要選擇是采用燃?xì)饧訜徇€是電加熱。另外,還需要設(shè)計(jì)燒結(jié)工藝實(shí)驗(yàn),以確定陶瓷軸坯體碼放方式(涉及到耐火承燒板材質(zhì)和形狀的選擇)、升溫速率(應(yīng)考慮有機(jī)物燒除問題)、最高燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間(保證致密化并保持細(xì)晶粒不長(zhǎng)大)、冷卻速率(快速冷卻)等參數(shù)。從生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境影響、生產(chǎn)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(jìn)而根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外窯爐生產(chǎn)企業(yè)的了解和燒結(jié)工藝要求,推薦窯爐生產(chǎn)單位,并具體提出推板式隧道窯截面、長(zhǎng)度、控溫點(diǎn)數(shù)量、最高加熱溫度、爐溫均勻性等參數(shù)要求。

(5)后續(xù)加工方案及設(shè)備工藝 由于微電機(jī)陶瓷軸對(duì)尺寸精度要求很高,必須進(jìn)行后續(xù)加工才能滿足技術(shù)指標(biāo)和使用要求。對(duì)于高硬度陶瓷材料,必須用金剛石砂輪研磨加工。根據(jù)陶瓷軸產(chǎn)品特點(diǎn),建議選用無芯磨進(jìn)行外圓加工,平面磨進(jìn)行端面加工。

總之,每種產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化都需要綜合技術(shù)的支撐。對(duì)某一生產(chǎn)企業(yè)而言,要全面掌握這些技術(shù)有一定難度,如果有一家由若干有經(jīng)驗(yàn)的專家組成的技術(shù)服務(wù)企業(yè),幫助企業(yè)全面解決新產(chǎn)品開發(fā)過程中所遇到的技術(shù)問題,一定能起到事半功倍的作用。而通過該新產(chǎn)品的開發(fā),必將會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步,有可能拓展新的產(chǎn)業(yè)鏈。

從技術(shù)集成角度分析高技術(shù)服務(wù)業(yè)的作用

陶瓷產(chǎn)品種類繁多,但常用的坯體成型技術(shù)目前僅有十種左右,對(duì)陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著極大的作用。因此,陶瓷產(chǎn)品的制備技術(shù)常用其成型方法命名。如:注漿法生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)氧化鋁陶瓷真空開關(guān)管殼、氧化鋯陶瓷缸套、耐磨介質(zhì)球、球閥、氮化硅陶瓷軸承球;泥料擠制法生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)氧化鋁陶瓷真空開關(guān)管殼、水閥片、咖啡豆磨頭等等。雖然不同的陶瓷產(chǎn)品都會(huì)有一些特殊的要求,但是各種成型技術(shù)都會(huì)涉及到許多共用技術(shù)需要解決。不斷改進(jìn)已有成型技術(shù),發(fā)展新的成型技術(shù),可以有效地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本和能源消耗,改善工作環(huán)境和勞動(dòng)條件。下面以水基料漿注凝成型法生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品為例,說明技術(shù)服務(wù)應(yīng)解決的一些通用技術(shù)。

水基料漿注凝成型法生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新工藝,具有設(shè)備投資費(fèi)用少、生產(chǎn)工藝過程簡(jiǎn)單、坯體微觀結(jié)構(gòu)均勻、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì),是一種既可近凈形生產(chǎn)簡(jiǎn)單形狀的陶瓷制品,又可近凈形生產(chǎn)復(fù)雜形狀陶瓷制品的普適性工藝。在推廣該項(xiàng)新工藝的過程中,涉及到以下通用技術(shù)的集成。

(1)可注凝水基陶瓷料漿的配制技術(shù) 生產(chǎn)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(dòng)性良好的可注凝水基陶瓷料漿是首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)。與此相關(guān)的技術(shù)包括:對(duì)陶瓷粉體的要求(粉末為微米級(jí)或亞微米級(jí)、原晶顆粒密實(shí)、外形為最好等軸狀、對(duì)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(shí)間、料漿溫度控制等),輔料種類、用量與加入方式(分散劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、pH值調(diào)節(jié)劑等),陶瓷料漿的真空攪拌除氣(真空度、時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速等),陶瓷料漿的測(cè)試方法(比重、粘度、流動(dòng)性、懸浮性等)等技術(shù)。

(2)適合于工業(yè)化生產(chǎn)的模具設(shè)計(jì)與制造 設(shè)計(jì)合理的模具是水基料漿注凝成型技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵,相關(guān)技術(shù)涉及模具材料的選擇(玻璃、金屬、尼龍等材質(zhì))、合模脫模及批量生產(chǎn)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(shù) 凝膠化是水基料漿注凝成型技術(shù)的核心技術(shù),需根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)考慮凝膠化方式(引發(fā)劑加熱凝膠、催化劑-引發(fā)劑室溫凝膠、氧化-還原凝膠)、凝膠化時(shí)間(引發(fā)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(shí)間等)及防氧阻聚(真空凝膠、氮?dú)獗Ｗo(hù)凝膠、冒口補(bǔ)償)等問題。(4)坯體的無或少變形干燥技術(shù) 自美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明水基料漿注凝成型技術(shù)以來,坯體的無或少變形干燥技術(shù)一直是后續(xù)研究的重點(diǎn)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(huán)境濕度使之干燥,但效率低下,難以滿足工業(yè)化高效生產(chǎn)需要。近年來人們已發(fā)明了多種無或少變形的干燥方法,包括浸入有機(jī)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(duì)片式、棒狀元件發(fā)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(jié)一體化工藝 這是決定產(chǎn)品最終質(zhì)量和節(jié)能與否的關(guān)鍵工序,涉及到設(shè)備選型(電窯、燃?xì)飧G、馬弗爐、棱式爐、隧道窯等),燒結(jié)工藝的制定(升溫速率、最高燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間、冷卻速率等參數(shù))等,可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)和選擇。(6)邊角與回坯廢料的處理與再利用技術(shù) 這是充分利用原料和降低生產(chǎn)成本所必須考慮的問題,通常是經(jīng)低溫?zé)袡C(jī)物后再使用。需確定燒除溫度、時(shí)間,還要解決燒后粉體的再研磨和應(yīng)用技術(shù)。

上述都是一些通用的技術(shù)問題,對(duì)于有豐富經(jīng)驗(yàn)的掌握注凝成型法生產(chǎn)陶瓷制品的高技術(shù)服務(wù)單位,可以為生產(chǎn)不同產(chǎn)品的企業(yè)服務(wù)。這種服務(wù)應(yīng)是全方位的,除掌握具體工藝技術(shù)外,還應(yīng)了解和國(guó)內(nèi)外陶瓷粉體廠商不同原料的適用情況和質(zhì)量穩(wěn)定性及水平;注凝成型法所用關(guān)鍵原材料的供應(yīng)商和性價(jià)比;模具設(shè)計(jì)單位及制造單位的情況和費(fèi)用比較;窯爐生產(chǎn)單位的能力和產(chǎn)品質(zhì)量及價(jià)格等等。

通過對(duì)注凝成型法生產(chǎn)各種陶瓷制品這一新技術(shù)的推廣,必將推動(dòng)上述相關(guān)陶瓷粉體、精細(xì)化工、機(jī)械加工等產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

主要由科技人員組建的高技術(shù)服務(wù)企業(yè)作為一種新的企業(yè)模式,對(duì)促進(jìn)新材料科技成果產(chǎn)業(yè)化,幫助生產(chǎn)企業(yè)不斷進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展能夠發(fā)揮重要的作用。因此呼吁致力于新材料科技成果產(chǎn)業(yè)化的科技工作者在這一領(lǐng)域發(fā)揮專長(zhǎng),有所作為。這可能比親自創(chuàng)辦生產(chǎn)型企業(yè)(需更多考慮資金籌措、生產(chǎn)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷等)更符合科技工作者的特點(diǎn)。

陳大明 教授,博士導(dǎo)師。現(xiàn)任北京航空材料研究院科技委副主任。多年來承擔(dān)并完成國(guó)防預(yù)研、國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃、國(guó)防科學(xué)基金、科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金、發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程等多項(xiàng)科研和產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。曾獲得國(guó)家教委及省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng),1991年被中國(guó)航空航天工業(yè)部授予“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士學(xué)位獲得者”,2001年被國(guó)家科技部授予“八六三計(jì)劃十五周年作出成績(jī)的先進(jìn)個(gè)人”。現(xiàn)擔(dān)任中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)特種陶瓷分會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)產(chǎn)業(yè)工作委員會(huì)副主任,全國(guó)工業(yè)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員等多項(xiàng)學(xué)術(shù)團(tuán)體職務(wù)。被西北工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)聘為兼職教授。