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制备高性能功能、结构材料 助推产学研深度融合——吉林师范大学应用物理学系主任贾洪声

2021-01-09

 

氮化硅陶瓷是一种优异的高温工程材料,具有良好力学性能、高热导率、绝缘性、无毒等特点,在电子电力器件中被广泛应用。但是市面上的氮化硅产品由于材料本身缺陷,限制了导热率的提高,使氮化硅在室温下无法达到理论预测的导热系数。吉林师范大学应用物理学系主任、副教授贾洪声长期致力于超硬材料、陶瓷材料及其制品方面的研究工作。为制备出高结晶、高致密化的氮化硅材料,使其有效发挥特殊效能,他带领科研团队进行了反复试验,摸索反应条件,成功研制出高性能氮化硅等新型材料的合成技术,并积极推动成果转化和创业孵化,成果广泛应用于我国航空航天、军工、电子等领域,预期将带来显著的经济效益和社会效益。
 
1 瞄准尖端科技,创新建立功能、结构材料合成技术体系
贾洪声主持实施了“高热导率氮化硅陶瓷的关键制备技术及应用”项目,开发出一种高热导率、高致密性氮化硅材料的高压快速制备方法。在高压高温条件下(HPHT,4.55.5 GPa,1 400℃1 500℃),采用平均粒径为0.5 μm及以上的金刚石、石墨烯、TiN、AlN、MgO、Y2O3粉末等作为烧结助剂,不同质量配比的氮化硅(β-Si3N4)粉末作为骨架材料制备高热导率、高致密性氮化硅块体材料。通过氮化硅与助剂的混合粉末烧结技术,形成氮化硅、金刚石、陶瓷硬质相等烧结相,其烧结体具有较高的热导率和致密性(低气孔率)。该方法操作性强,工艺简单,不需要超高温度,可以有效缩短结构材料的合成时间。制备出的氮化硅陶瓷是一种适用于航空航天、军工、电子等领域的新型陶瓷材料。
在高压技术及设备升级改造方面,贾洪声对直径420mm、750 mm、850 mm缸径六面顶压机电控系统、液压系统和冷却系统成功进行升级改造,使其能够对压力、温度进行高精确控制;参与六面顶压机的顶锤设计和实际应用(一级压力可以实现8 GPa以上),在大吨位压机的稳定性,包括配套合成组件的优化设计、国外两面顶凹模压机设备改造升级等研究方面,积累了大量的实战经验。
在“优质立方氮化硼复合片的高压合成技术”项目研究中,贾洪声创新制备工艺及组装技术,制备了优质的金刚石、立方氮化硼(PDC、PCBN)整体片、复合片(直径40 mm以上),实现了制品的稳定重复性;通过XRD、EDS、SEM、Raman、DTA等测试手段对PDC/PCBN进行了系统的表征。对PDC/PCBN进行了耐磨性、切削效率、耐热性、复合强度等性能测试分析;对金刚石材料的应力提出了简易的计算表征方法。针对难加工材料(淬硬钢、工具钢、模具钢、轴承钢(HRC45-70)、冷硬铸铁、高铬铸铁、镍基及钴基高温合金、各种难加工灰口铸铁、其他难加工黑色材料等)特点,利用750 mm压机分类开发了规格化、系列化的PCBN制品。其PCBN刀具材料中的cBN含量可控(50wt.%90 wt.%),直径达到40 mm以上,显微硬度35 GPa以上,耐热温度1 200 ℃以上,抗弯强度500 MPa以上,产品具有高稳定性,成品率98 %以上,烧结制品各区域性能差异小于20 %。项目技术成果应用于机械加工领域,能够制备出环保型高性能结构刀具材料,解决了大直径PCBN产品质量稳定性及韧性差等关键技术问题。
基于金刚石、立方氮化硼复合材料在各自应用领域的限制,贾洪声进一步研发了新型的高性能结构材料/超硬复合材料。以微米级金刚石和立方氮化硼为原料,以B4C和Si为添加剂,在5.2 GPa/1 680 K条件下,合成了金刚石和立方氮化硼复合材料(D-cBN-B4C-Si烧结体),该复合材料有B-C-N化学键及BxSiC固溶体形成,耐热性能达到了1 673 K。
 
2 产学研结合,积极推动科研成果转化
为了实现我国氮化硅材料高压合成领域的新突破,促进科研成果的产业化落地,贾洪声与多家国内外企业开展了技术研发及项目合作。2018年,贾洪声牵头开展创业孵化工作,组建恒锋科技创业团队。两年来,贾洪声带领团队成员潜心研究,攻克了众多技术难关。在氮化硅制备技术研发过程中,他们通过反复实验,发现超高压烧结技术能够提高烧结致密化程度,缩短烧结时间,粉体粘结剂的添加也提高了致密度,降低了孔隙率。随着保温时间的增加,氮化硅陶瓷基板材料导热系数达到了理想值。传统手段的制造时间需要数十个小时,同时工艺复杂,成本高昂,恒锋科技则将生产时间缩短到1小时,并且是在1 440℃条件下一次性烧结合成,致密性可达99.74%,产品热导率已达到了商用水平。研究成果以“Fabrication of β-Si3N4 with high thermal conductivity under ultra-high pressure”为题在SCI期刊CERAMICS INTERNATIONAL发表。
攻克技术难关后,如何与市场接轨成为贾洪声团队遇到的另一个难题。在当地政府支持下,恒锋科技创业团队组织实施的高热导氮化硅基板材料制备项目成为重点孵化对象。依托“校地企深度合作、产学研无缝对接”的红色创新创业孵化平台,团队整合各类资源,开展双向对接,高热导氮化硅项目迅速打开局面,加快了项目孵化进度,提升了项目孵化质量,并与哈尔滨海明润超硬材料有限公司、沈阳莱克金刚石工具有限公司、四平博尔特工艺装备有限公司等多家企业建立了战略合作关系。项目研制出的氮化硅制品应用领域广泛,如氮化硅轴承球、氮化硅陶瓷刀具、氮化硅陶瓷基板等,广泛应用于航空航天、铁路运输、电力电子和机械制造,同时可直接带动机械工程师、应用工程师和工艺工程师实现充分就业。高热导氮化硅项目产业化实施后,年产值有望达到千万元以上,市场发展前景良好,将产生显著的经济效益和社会效益。
 
家简介
贾洪声,1982生,吉林省双辽市人,吉林大学凝聚态物理专业理学博士。现任吉林师范大学物理学院副教授、应用物理学系主任、硕士生导师,兼任吉林省磁性与发光材料科技创新中心副主任、物理国家实验教学示范中心办公室主任、高等学校大学物理课程教指委东北地区委员会委员、吉林省第三届青年科技工作者协会会员、吉林省科技教育学会理事、全国大学生物理学术竞赛(CUPT)东北赛区组委会委员、中国发明协会会员、中国化工学会化工新材料委员会会员等。
主要从事超硬材料、功能材料、高压技术及锂硫电池等方面的研究。已发表学术论文40余篇;出版学术专著1部、教材1部;已获授权发明专利6件(一种用立方氮化硼单晶原生料作为初始原料制备聚晶烧结体的方法,ZL201710001204.0;一种高热导率、高致密性氮化硅材料的高压快速制备方法,ZL201810172165.5等)、软件著作权1件。作为第一完成人获得吉林省技术发明奖三等奖1项,吉林省首届发明创造大赛优秀奖1项,吉林省自然科学学术成果三等奖1项、优秀奖1项,四平市青年科技奖1项,四平市科技进步二等奖1项。2014年以来,指导学生获得国家、省级等学科竞赛奖项40余项。曾被评为吉林师范大学先进工作者、教学管理先进个人、本科教学评估“突出贡献个人”。