如果把一台新能源车比作一位“电动骑士”，那么第三代半导体材料碳化硅就是赋予这位骑士“高效超导、能量转换、系统整合”的“效率之剑”。而这把“剑”在铸造和使用过程中，都需要一个质量要求极高的“剑鞘”——高纯石墨。

　　由于具有良好的耐温性、传导性、耐腐蚀性等性能，在碳化硅单晶的生长炉膛里，在半导体硅片的拉晶炉中，在航空航天飞行器的热防护系统内，高纯石墨始终扮演着不可替代的核心角色。作为支撑国家战略性新兴产业的关键基础材料，它的纯度直接决定着下游产品的性能上限，甚至关乎产业安全的命脉。

　　基于此，高纯石墨的年需求量早已达百亿规模，且仍呈现迅速增长态势。此前，由于国产高端纯化装备产能不足，无法满足产业链、供应链快速增长的需求，行业曾面临需要依赖进口装备的局面。

　　2019年起的数年间，随着中国电科所属山西中电科电子装备有限公司（以下简称山西中电科）一系列高温纯化炉的接续研制成功并市场化推广，这一局面早已被打破。

山西中电科车间内的纯化炉生产场景

　　“进口一台装备要上千万元，交付期至少一年”

　　第三代半导体器件的制造对高纯石墨材料高度依赖。“当时国内规模前六的碳化硅单晶企业，一年采购高纯石墨的费用就超10亿元。”山西中电科总经理解永强回忆道。作为兼具高纯石墨纯化装备研发制造与代工生产石墨制品的企业，山西中电科一边要应对订单的暴涨，一边却陷入了装备“卡壳”的困境。为解燃眉之急，山西中电科在加紧研发升级装备的同时，打算先进口纯化装备，以应对迅速增长的行业需要。

　　当采购团队与国外企业洽谈，提出希望进口装备的想法后，现实给了他们沉重一击：“进口一台装备要上千万元，交付期至少一年”。

　　一面是高昂的进口费和超长的交付期，一面是与日俱增的市场需求，山西中电科的决策层陷入了沉思。“我们有多年真空热工装备研发的技术积淀，以及覆盖多学科的人才队伍，为什么不能自己干？”很快，一支由多领域专家组成的研发团队迅速集结，目标直指实现高纯石墨纯化装备与技术的自主创新。

　　“第一炉烧制完，打开门一看，原本摆放整齐的物料像倒塌的屋子”

　　高纯石墨的高温纯化是真空、化学、物理、热工等多学科交叉的复杂技术，要想分离出杂质，首先要确认温度。通过对石墨特性的研究和试验，研发团队将纯化的温度瞄准了2400℃，在这一条件下，石墨中的水分、灰分（金属氧化物）及硫等杂质可以有效分离。

　　然而，2400℃是一个足以熔毁普通耐火砖、瞬间沸腾钢铁的温度，对炉膛材料、加热系统、测温技术都是极限考验。在当时，国内的纯化装备普遍在1600℃—2000℃。要突破2400℃的技术壁垒，既需驾驭极高的能量，又得守住分毫的精密。

　　从2018年的起步、调研，到2019年初样机研发，团队开始一步步攀登这一高度。从1800℃开始，每提升100℃就进行一次全面的炉况检查与评估。当炉膛温度第一次稳定在2400℃时，所有人都长舒了一口气，但考验才刚刚开始。

　　2019年春，第一台原型炉启动首次纯化试验。48小时里，团队成员轮班守在炉外，每隔半小时记录一次炉内压力、气体流量和温度。可结果却让所有人的心又沉了下去——“第一炉烧制完，打开门一看，原本摆放整齐的物料像倒塌的屋子。”

　　“明明已经捆扎结实，怎么会出现这种情况？”研发团队蹲在炉边，用镊子挑起多处的残渣反复观察，多次讨论，终于分析出症结。接下来的半个月，团队对炉内气流通道进行了多次优化，用流体力学软件模拟了几十种气流路径，最终有效控制了炉内气流的均匀性。

　　无数次的探索、无数次的突破，当炉门再次打开，看到完好无损、表面泛着光泽的石墨制品时，实验室里爆发出久违的欢呼声。到2019年年中，高温纯化炉逐步投入运行。

　　“那段时间，大家眼里只有数据和曲线，忘了星期几是常事”

　　初代高温纯化炉的成功，只是打破垄断的第一步。2020年，团队马不停蹄地投入到第二代高温纯化炉的研发中。团队基于初代装备数千小时的运行数据，通过流体力学仿真与热场模拟，对炉膛结构进行了颠覆性优化。

　　针对初代装备依赖人工经验调参、参数记录烦琐的痛点，团队还自主研发了第二代分布式控制系统。系统还配备了故障预警功能，一旦炉内压力或温度出现异常，会自动触发应急程序，大大降低了操作风险与设备损耗。

　　2022年起，第三代炉的研发马上提上了日程——下游半导体客户提出，石墨中硼、铝的含量必须控制在0.01ppmw以下（即每克中不超过0.01微克），这是石墨纯化的“技术天花板”，也是国产材料进入全球高端半导体供应链的“入场券”。

　　“当时实验室的灯基本没灭过。”2022年入职的新员工对当时的场景记忆犹新，“那段时间，大家眼里只有数据和曲线，忘了星期几是常事。”

　　功夫不负有心人，2022年底，第三代高温纯化炉成功问世。通过引入高真空纯化工艺，炉内极限真空度提升至10^-3Pa量级，石墨制品的纯度稳定达到6N（99.9999%）。当检测报告出来的那一刻，研发团队的成员们击掌相庆。

　　如今，山西中电科已构建起从“实验室级精研”到“工厂级量产”的全系列装备矩阵，覆盖了碳材料制备的全流程，为国内战略性新兴产业的发展提供了坚实的材料保障。

       （来源/山西日报）