如果把一臺新能源車比作一位“電動騎士”，那么第三代半導體材料碳化硅就是賦予這位騎士“高效超導、能量轉換、系統整合”的“效率之劍”。而這把“劍”在鑄造和使用過程中，都需要一個質量要求極高的“劍鞘”——高純石墨。
由于具有良好的耐溫性、傳導性、耐腐蝕性等性能，在碳化硅單晶的生長爐膛里，在半導體硅片的拉晶爐中，在航空航天飛行器的熱防護系統內，高純石墨始終扮演著不可替代的核心角色。作為支撐國家戰略性新興產業的關鍵基礎材料，它的純度直接決定著下游產品的性能上限，甚至關乎產業安全的命脈。
基于此，高純石墨的年需求量早已達百億規模，且仍呈現迅速增長態勢。此前，由于國產高端純化裝備產能不足，無法滿足產業鏈、供應鏈快速增長的需求，行業曾面臨需要依賴進口裝備的局面。
2019年起的數年間，隨著中國電科所屬山西中電科電子裝備有限公司（以下簡稱山西中電科）一系列高溫純化爐的接續研制成功并市場化推廣，這一局面早已被打破。
山西中電科車間內的純化爐生產場景
“進口一臺裝備要上千萬元，交付期至少一年”
第三代半導體器件的制造對高純石墨材料高度依賴。“當時國內規模前六的碳化硅單晶企業，一年采購高純石墨的費用就超10億元。”山西中電科總經理解永強回憶道。作為兼具高純石墨純化裝備研發制造與代工生產石墨制品的企業，山西中電科一邊要應對訂單的暴漲，一邊卻陷入了裝備“卡殼”的困境。為解燃眉之急，山西中電科在加緊研發升級裝備的同時，打算先進口純化裝備，以應對迅速增長的行業需要。
當采購團隊與國外企業洽談，提出希望進口裝備的想法后，現實給了他們沉重一擊：“進口一臺裝備要上千萬元，交付期至少一年”。
一面是高昂的進口費和超長的交付期，一面是與日俱增的市場需求，山西中電科的決策層陷入了沉思。“我們有多年真空熱工裝備研發的技術積淀，以及覆蓋多學科的人才隊伍，為什么不能自己干？”很快，一支由多領域專家組成的研發團隊迅速集結，目標直指實現高純石墨純化裝備與技術的自主創新。
“第一爐燒制完，打開門一看，原本擺放整齊的物料像倒塌的屋子”
高純石墨的高溫純化是真空、化學、物理、熱工等多學科交叉的復雜技術，要想分離出雜質，首先要確認溫度。通過對石墨特性的研究和試驗，研發團隊將純化的溫度瞄準了2400℃，在這一條件下，石墨中的水分、灰分（金屬氧化物）及硫等雜質可以有效分離。
然而，2400℃是一個足以熔毀普通耐火磚、瞬間沸騰鋼鐵的溫度，對爐膛材料、加熱系統、測溫技術都是極限考驗。在當時，國內的純化裝備普遍在1600℃—2000℃。要突破2400℃的技術壁壘，既需駕馭極高的能量，又得守住分毫的精密。
從2018年的起步、調研，到2019年初樣機研發，團隊開始一步步攀登這一高度。從1800℃開始，每提升100℃就進行一次全面的爐況檢查與評估。當爐膛溫度第一次穩定在2400℃時，所有人都長舒了一口氣，但考驗才剛剛開始。
2019年春，第一臺原型爐啟動首次純化試驗。48小時里，團隊成員輪班守在爐外，每隔半小時記錄一次爐內壓力、氣體流量和溫度。可結果卻讓所有人的心又沉了下去——“第一爐燒制完，打開門一看，原本擺放整齊的物料像倒塌的屋子。”
“明明已經捆扎結實，怎么會出現這種情況？”研發團隊蹲在爐邊，用鑷子挑起多處的殘渣反復觀察，多次討論，終于分析出癥結。接下來的半個月，團隊對爐內氣流通道進行了多次優化，用流體力學軟件模擬了幾十種氣流路徑，最終有效控制了爐內氣流的均勻性。
無數次的探索、無數次的突破，當爐門再次打開，看到完好無損、表面泛著光澤的石墨制品時，實驗室里爆發出久違的歡呼聲。到2019年年中，高溫純化爐逐步投入運行。
“那段時間，大家眼里只有數據和曲線，忘了星期幾是常事”
初代高溫純化爐的成功，只是打破壟斷的第一步。2020年，團隊馬不停蹄地投入到第二代高溫純化爐的研發中。團隊基于初代裝備數千小時的運行數據，通過流體力學仿真與熱場模擬，對爐膛結構進行了顛覆性優化。
針對初代裝備依賴人工經驗調參、參數記錄煩瑣的痛點，團隊還自主研發了第二代分布式控制系統。系統還配備了故障預警功能，一旦爐內壓力或溫度出現異常，會自動觸發應急程序，大大降低了操作風險與設備損耗。
2022年起，第三代爐的研發馬上提上了日程——下游半導體客戶提出，石墨中硼、鋁的含量必須控制在0.01ppmw以下（即每克中不超過0.01微克），這是石墨純化的“技術天花板”，也是國產材料進入全球高端半導體供應鏈的“入場券”。
“當時實驗室的燈基本沒滅過。”2022年入職的新員工對當時的場景記憶猶新，“那段時間，大家眼里只有數據和曲線，忘了星期幾是常事。”
功夫不負有心人，2022年底，第三代高溫純化爐成功問世。通過引入高真空純化工藝，爐內極限真空度提升至10^-3Pa量級，石墨制品的純度穩定達到6N（99.9999%）。當檢測報告出來的那一刻，研發團隊的成員們擊掌相慶。
如今，山西中電科已構建起從“實驗室級精研”到“工廠級量產”的全系列裝備矩陣，覆蓋了碳材料制備的全流程，為國內戰略性新興產業的發展提供了堅實的材料保障。
?????? （來源/山西日報）
