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非凡十年·特别报道⑧ | 人工晶体院:“金刚钻”是如何炼成的

来源:企业观察报、集团党委宣传部  发布时间:2022-10-24

近日,企业观察报

对我们的新材料产业作了深度系列报道

全面展现了中国建材集团

心怀“国之大者”

打造“国之大材”的担当与成就

下面小料将系列报道分享给大家

人工晶体院:“金刚钻”是如何炼成的

晶体院南门 

中国第一块人工合成水晶诞生在哪里?第一块人工合成云母又诞生在哪里?第一颗锆宝石诞生在哪里?

它们都诞生于同一个地方——开云电子竞技官方(下称“中国建材”)旗下企业中材人工晶体研究院有限公司(下称“晶体院”)。

扩大来说,中国的人工晶体事业就诞生于晶体院。晶体院不仅独立制造了上述三个第一,还参与研制中国第一颗人造金刚石,后又在非线性光学晶体研究领域取得了具有国际领先水平的开拓性成果,获得国家科技进步一等奖两项、二等奖一项,为“中国牌晶体”在世界人工晶体领域占有一席之地做出了应有贡献,同时奠定了晶体院在人工晶体行业的领先地位,并引领中国人工晶体行业的发展。

人工晶体是中国建材新材料投资的重要领域。晶体院建院至今,一直专注于人工晶体材料与器件的研究与开发,在几代人的共同努力下,保持了人工晶体研发领先地位,始终引领着行业的发展方向,目前是国内涵盖人工晶体种类最为齐全的单位。

时至今日,晶体院继续以微纳晶、红外光窗、光电功能及超硬材料等人工晶体的研究、开发、中试、生产为主要方向,持续为中国的机械、电气、电子、仪表以及航空航天、国防工业提供重要材料。中国建材集团党委书记、董事长周育先调研时指出,晶体院要坚持服务国家战略,发挥科技引领作用,为国家重大需求提供强力支撑,也要在适合国民经济主战场的产业发展中取得突破。

01三大成果

人工晶体被誉为“新材料领域的璀璨明珠”,在材料学分类上,它属于光电信息功能材料,是声、光、电、热、力、磁等多种能量形式转换的媒介,在许多国家重大工程和战略性新兴产业发展中起到了关键“核芯”作用。

1963年2月,为解决新中国在关键原材料方面的“卡脖子”问题,遵照刘少奇指示,国家建工部成立了非金属矿研究所,即晶体院的前身。

自成立以来,晶体院为突破人工晶体领域关键“卡脖子”技术限制、为国家重点装备配套关键材料,为提高中国关键核心技术的自主可控能力而攻坚克难。

以CVDZnS为例。作为红外成像探测系统中重要的窗口材料,CVDZnS红外透过率高,光学性能稳定,抗断裂强度和硬度强,耐侵蚀能力好,被誉为红外光学探测系统的“眼角膜”,是不可或缺的国防建设关键材料。

可在当年,仅有极少数国家掌握了大尺寸ZnS的制备技术,并无一例外地对他国实行封锁禁运,这一技术直到现在仍是许多国家国防建设领域的“卡脖子”难题。

面对制备CVDZnS的国防需求,晶体院创新性地提出了独特的固体单质化学气相沉积技术路线,最终研制出的元素级CVDZnS具备优异的高温成像性能,成功应用于高速飞行器中。该装备于2019年国庆阅兵时亮相,惊艳了海内外。

元素级CVD硫化锌 

围绕国防建设中红外系统对于大尺寸CVDZnS的需求,晶体院组建了高技术团队,依靠自主研发投入,生产出大尺寸CVDZnS产品,且用时不到一年。自此彻底打破了国际封锁,其各项指标皆能比肩国际先进水平。

2021年,大尺寸多光谱ZnS已在红外光学系统中获得应用。晶体院由此成为全球仅有的几家具备热压、单质CVD法、气体CVD法3种ZnS制备技术、全部5种ZnS窗口材料的单位,是国内元素级ZnS镀膜窗口材料的为数不多供应单位,具有CVDZnS单炉产能高、产品尺寸大等优势,材料品种全、覆盖波段宽、制备方法多、技术水平高等特色。

再以超低膨胀微纳晶材料为例。超低膨胀微纳晶材料是以β-石英固溶体晶粒和玻璃相组成的一种多晶复合材料,具备极低的热膨胀系数,是目前非均匀温场下尺寸稳定性最好的材料,因此被应用于国家重大科学装置、航空航天、深空探测、激光通信等领域。

在国防建设领域,超低膨胀微纳晶材料主要被用于反射镜和激光陀螺;在民用领域,该材料主要应用于可视化微晶炊具,手机面板及背板等。

而这一材料的制备技术也曾一度被外国垄断并施以技术封锁。

晶体院再次发扬攻坚克难的精神,迅速打破了技术封锁僵局,解决了米级系列超低膨胀微晶材料的“卡脖子”难题。

晶体院是目前国内少数能批产直径1200mm系列超低膨胀微晶材料且材料性能达到国际先进水平的单位。在激光陀螺方面,超低膨胀微晶材料全面达到考核指标,成功应用于惯性导航基准系统核心部件,实现了该材料的国产化替代。

RbTiOPO4这一化学式指的是磷酸氧钛铷(简称“RTP”)晶体。该晶体以高电光系数、高抗激光损伤阈值、宽透过波段、不潮解、低插入损耗、高重频等综合优异性能成为新一代电光器件用材料,在机载/舰载/车载装备的火控系统及光电对抗系统中获得了较为广泛的应用,且在空间通信、激光加工、激光打标、高速激光脉冲应用等民用领域也有着巨大市场需求。

为将这一“卡脖子”材料握在手中,晶体院开启了RTP晶体开关工程化技术研究,最终完全掌握了突破高光学均匀性、抗致电损伤电光RTP晶体生长及电光开关制备技术,并已开始批量交付,用于无人机、直升机的激光测距和指示系统,逐步实现了国产化替代。

02攻坚克难

借助国家各部委和中国建材集团的大力支持,晶体院将CVDZnS材料、微纳晶材料、RTP等材料的短板锻造为长板,满足了国家重大战略需求,实现了关键核心技术的自主可控。

创造出这样的骄人成绩,离不开三件法宝:一是树立科技自立自强的意识,发挥国有企业在构建关键核心技术攻关行动中的顶梁柱作用。二是大力弘扬“敢闯敢创、善作善成”的新时代闯关东精神和攻坚克难拼搏精神,尊重团队专家人才的核心作用,建立首席专家、学科带头人制度,保障技术负责人的收入可以高于领导班子成员。三是结合实际应用,深刻认识和理解晶体行业特点,加速晶体材料的“卡脖子”技术攻关和创新。并在精耕材料的同时,以“晶体-元件-器件-模组”一体化发展路径不断向下延伸提升竞争力。

在高速飞行器用红外光学窗口制备技术方面始终存有一个难题,那就是在高速飞行中,温度超过500℃时,窗口易出现不稳定及受损情况。

面对这一问题,晶体院迎难而上,经多角度分析,确定了解决问题的两大难点:高温条件下材料和膜层的低辐射性能弱;窗口膜层的抗高热冲击性能差。

确定难点后,晶体院采用独有的固体单质化学气相沉积技术,制备出发射率低于0.05的元素级ZnS窗口材料,满足了高温下低辐射的性能。至于表面膜层,通过特殊的强离子源辅助镀膜技术,大幅提升膜层与基底结合的牢固度,从而保证高速飞行中强热气流冲击时膜层的完好。自此,晶体院圆满地解决了高速飞行器上红外导引头保护的关键性问题,填补了国内空白。

在激光陀螺用微晶材料制备技术方面,晶体院准确锁定技术难点——如何保证批产高品质微晶材料性能的稳定、一致性及低成本制造。

微晶玻璃产品 

问题倒推,晶体院先确定生产工艺等因素对微晶材料性能指标影响的边界范围,随之改进设备使其具备工艺边界范围的调控能力,提高设备的自动化能力,尽可能减少人的参与,优化并固化温度、时间、速度、尺寸等参数。在提高微晶材料优级品率的同时,保证批产高品质微晶材料性能的稳定和一致性,并降低了人工成本。

大口径微晶材料的技术难点是防止开裂。为解决这一难点,晶体院通过反复实验测试,自行设计了一款均热成型装置,保证大口径微晶材料成型过程的温场均匀性,减少成型条纹的产生。其次是改良急冷装置保证大口径微晶材料出炉后快速均匀冷却,防止微晶材料急冷降温过程中不可控析晶发生,降低退火应力。

在RTP高峰值功率电光晶体与器件制备技术方面,晶体院面对的技术攻关更是难上加难,即电光器件在应用场景中,需连续经历千万次高峰值功率激光应用而不出现一次开关功能失效现象。这一难点是随着“全天候”“精确”“复杂环境”等需求而产生的,要求器件必须可以在严苛的环境条件下长期稳定工作。因此,晶体电光器件必须满足长寿命、大口径、高消光比、低插入损耗、高环境适应性、高可靠性、小巧精巧化等要求。

晶体院从分析晶体结构入手,确定晶体导电的本质和影响因素,选择合适的晶体生长体系,解决了晶体电阻率问题。通过研究晶体导电机理,确定导致高电导率的本质问题和影响因素,并优化生长技术工艺、采用激光实时在线封装,一举解决了RTP晶体电阻率、均匀性、单畴性等电光性能调控耦合技术、器件设计与装配等“卡脖子”难题。

03打造产业链

在核心技术必须自主可控的大趋势下,人工晶体的不可或缺性日益凸显。

在国内,晶体院已是涵盖人工晶体种类最齐全的单位,若深究晶体院的自身优势,则大体可分为四点:

一是晶体院自建院至今,始终专注于人工晶体材料与器件的研究与开发。在几代人的共同努力下,晶体院始终位于人工晶体技术的最前沿,引领着行业的发展方向。

二是业已形成的功能晶体材料、红外光学材料、微纳晶材料三大优势领域。

三是晶体院为全国人工晶体标准化技术委员会和人工晶体北京市工程实验室挂靠单位,承担着《人工晶体学报》和《硅酸盐通报》两本专业核心期刊的出版发行工作。其中,《人工晶体学报》在人工晶体领域具有举足轻重的地位和影响力。这都是行业内不可多得的优势资源,为晶体院成为行业服务者、提供学术交流和科技成果转化、孵化提供了重要平台。

四是晶体院双创基地的创新优势。创新驱动和市场化导向是晶体院历来所坚持的,为此搭建了“研究院+产业园区+基金+创业公司”四位一体发展路径,探索科技成果转化新模式,围绕产业链上下游,联合山东大学在济南章丘建设人工晶体材料及器件产业化基地和双创基地,增强产业的核心竞争力,带动行业整体制造水平的提高。通过积极寻找市场上有潜力、符合晶体产业发展方向、有能力的创业团队和创业公司,引进到山东济南产业基地,为其提供平台和资源支持,通过共享开放平台引入高端人才为晶体院所用,实现晶体院与专业人才共同发展。

作为市场的引领者,晶体院围绕产业链部署创新链、围绕创新链布局产业链,通过产业链、创新链寻找价值链。

为此,晶体院梳理了人造水晶、金刚石、闪烁晶体等6个晶体产业链条,组织开展项目路演、成果发布等吸引金融资本和社会资本,向优质新材料科技成果转化集聚,打通成果转化的“死亡谷”。

晶体院在科技成果转化方面进行大胆尝试和探索,以耐热微晶材料、金刚石制品两个技术为突破口,以技术服务的形式实现对外成果转化,走出了科技成果转化的第一步,为企业创造了价值。

微晶材料通过技术转化,开发出以微晶锅、微晶内胆、电磁炉面板为代表的微晶炊具厨具和手机背板等多项民用产品,实现了微晶材料在民用领域的应用。

刚硬、透明、受热不涨、遇冷不缩、表面光滑是微晶炊具厨具的特点。以微晶锅为例,它适用于明火、电炉、烤炉、微波炉。在消费升级的大趋势之下,微晶透明炊具厨具的市场需求进一步扩大。微晶材料还具有高透光性、高硬度、高耐磨性、良好的热稳定性与化学稳定性、极低的电磁波传输衰减性能等特点,可用于手机组件,由前盖板触摸屏、显示器到后盖板,使得手机抗摔能力提高、强韧程度增大。

2020年,晶体院以技术入股方式与民营企业合作,成立合资公司,发挥各自优势,共同开发民用市场。目前样品获得客户认可,正开展生产线建设工作,虎石公司与小家电企业美的已签订100万只产品订单。

高精密类金刚石涂层技术成果在高频PCB板加工刀具上实现应用,并向深圳某企业提供技术服务,使得5G通信用基础材料升级后产生的加工问题得到解决。目前,晶体院就金刚石及类金刚石涂层工具及其制品的开发和产业化已与深圳市一家企业签订了技术咨询服务合同,开发出适用于高频PCB板加工的高精度DLC膜硬质合金工具,产品已经为华为等主要手机客户服务。

金刚石便携消杀仪 

金刚石膜是晶体院的传统产品,如果在生长时掺杂适量的硼元素,成品就会变成导电的电极(简称BDD),在日用消毒杀菌、工业污水处理等领域有着广阔的应用前景。掺硼金刚石电极具有较高的析氧过电位,通过电极反应产生强化性的羟基自由基,能有效降解有机污染物,适用于有毒、难降解的超高浓度有机污染物废水的电化学处理,如印刷电路板废液回用、医院污水消毒和垃圾渗透液的处理等。同时它的耐腐蚀、无污染、背景电流几乎为零、能耗低等诸多性能优势,使其成为极佳的电化学电极材料。

在后疫情时代,市场对消杀产品的需求也将保持在高位。而金刚石电极制臭氧是国际公认的先进消杀手段,弥补了传统消杀方式引起的环境污染、易燃易爆、效果不佳等短板,避免高压放电制臭氧产生的NOx二次污染问题,是当前消杀领域的先进技术,灭杀率可达99.999%,为日常生活、医疗、养殖、工业净水等行业提供高效简便的消毒杀菌处理。

目前,晶体院抓住了市场机会组建团队,利用金刚石膜技术积累,以提供技术服务的形式对外转化,现阶段已经开发出便携式金刚石消杀仪,打通了材料、器件到产品的产业链条。

2022年是“十四五”的开局之年。在此期间,晶体院将实现CVDZnS材料规模化量产,同时将深加工、镀膜等产业链条延伸,提高产品附加值,建成集材料制备、成型加工、镀膜于一体的红外产业基地。也将面向高分卫星对于大口径微晶材料的需求,完成2米口径微晶材料生产线的建设,突破3米以上更大口径微晶材料关键技术,进一步缩小与国际最高水平差距,实现反射镜用微晶材料全面进口替代。

在红外光学材料方面,晶体院围绕服务国防建设,加强装备配套能力,提高加工、镀膜技术。对热压多晶红外光学材料、CVD 硫化锌、CVD硒化锌、镁铝尖晶石、大尺寸蓝宝石等材料业务进行一体化整合,具备“原料—制备—加工—镀膜”一体化生产能力,致力于打造国内规模最大,制备方法最全、覆盖全波段的产品生产线。

在微纳晶材料方面,晶体院不仅抓住市场的发展机遇,建设尺寸 2~3 米微纳晶生产线,力争成为中国第一。并且以用户为牵引,依托自身在材料方面的优势与产业链中下游加工制造企业开展合作,适时开展并购,快速做大做强,切实打造“专精特新”人工晶体科技创新平台。同时在民用市场方面开发电饭锅内胆、直烧锅等微晶炊具厨具和微纳晶手机面板背板等市场。