石墨制品  石墨，又名黑铅，是碳的一种同素异形体，耐高温、抗腐蚀、抗热震、抗辐射、强度大、韧性好，还具有自润滑及导电、导热等物化性能，广泛应用于冶金、机械、电子、军工、国防、航天航空等领域。

 

 

第一代（2019年）  实现“从0到1”突破，立式高温纯化炉成功运行，实现国内领先。

 

 

第二代（2021年）  聚焦产能提升，有效空间高度增至1450mm、装炉量提升70%，解决生产效率与运行成本问题。

 

 

第三代（2023年）  引入高真空纯化工艺，纯化指标提高至≤1ppmw，硼、铝元素含量精准控制在0.01ppmw以下。

 

 

第四代（2024年）  搭载“智能工艺配方编辑系统”，装炉量进一步加大，工艺时间缩短20%。

 

 

山西中电科车间内的纯化炉生产场景。

 

　　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“*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。作为山西省第三代半导体产业链重点“链核”企业的研发装备，高温纯化炉在赋能尖端领域碳基材料向高端化跃升的同时，对推进我省资源型经济转型“迈出新步伐”、保障国家战略安全等方面起到了至关重要的作用。

“进口一台装备要上千万元，交付期至少一年”

　　谈及高纯石墨，绕不开其与光伏行业的深度绑定。2010年以来，全球光伏新增装机量迎来爆发式增长，其间历经数轮“快速扩张期”，直接推动了光伏逆变器市场需求的持续攀升。以碳化硅为代表的第三代半导体材料凭借耐高温、高频*、耐高压等优异性能，开始在光伏逆变器、新能源汽车充电桩等领域大规模应用，相关市场需求呈现几何级增长态势。而第三代半导体器件的制造对高纯石墨材料高度依赖，这直接引发了行业对高纯石墨资源的追逐，市场热度持续走高。
　　与之呼应的是政策层面的清晰指向：《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》（2016版）将高纯石墨及其制品纳入重点发展范畴；2017年9月实施的《中共中央国务院关于开展质量提升行动的指导意见》，明确提出推动石墨等特色资源高质化利用。政策红利叠加市场刚需，让高纯石墨产业站上了发展风口，也将“纯化装备”这一核心环节推到了台前。
　　“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。
　　那时，国内高纯石墨制备领域正面临挑战：传统提纯工艺基于石墨矿，存在纯度低、能耗高、污染重等问题；基础材料研究起步较晚，许多碳素原材料仍属空白。国内纯化装备只能将石墨制品做到3N（99.9%）—4N（99.99%）的纯度，无法达到5N（99.999%）以上的严苛要求。
　　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*口纯化装备，以应对迅速增长的行业需要。
　　当山西中电科的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”。更令人心寒的是，国外企业以“可能存在商业竞争和技术保密”为由，彻底关上了合作的大门。
　　一面是高昂的进口费和超长的交付期，一面是政策层面的清晰指向和与日俱增的市场需求，山西中电科的决策层陷入了沉思。“我们有央企平台的资源优势，还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，目标直指打破国外垄断，实现高纯石墨纯化装备与技术的自主可控。

“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，山西中电科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。
　　“第一步就是攻克高温难题。”全程参与了装备与工艺研发的一名技术骨干介绍，从2018年的起步、调研，到2019年初样机研发，他们开始一步步攀登这一高度。从1800℃开始，每提升100℃就进行一次*的炉况检查与评估。
　　可当温度超过1800℃时，原来的测温方式便遇到瓶颈：传统耐高温热电偶的量程上限就是1800℃，超过这个温度，传感器就会失真，炉内真实温度成了看不见的“盲区”。
　　经过思考，团队*终决定采用红外光学非接触式测温技术替代热电偶。但新的挑战接踵而至：纯化过程中挥发的杂质会在炉内形成烟尘，遮挡红外光路，导致测温数据偏差。“我们前后测试了多种不同波段的红外滤光片，反复调整测温角度与安装位置，试验了十多次，才实现了对温度的精准测量。”研发团队负责人回忆道。
　　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：“膛内气流分布不均，不对称的气流可能也使物料受力不均匀。”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，*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。127炉次的长期稳定运行、热场和气流通道等结构设计的自主创新，标志着山西企业在高端纯化装备领域迈出了关键一步，实现国内领先，为打破国外技术垄断、推动高纯石墨制备装备的自主化贡献了重要力量。

“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，随着半导体、光伏产业的快速升级，碳化硅企业的产能扩张速度超出预期，客户不仅对高纯石墨的纯度提出更高要求，对“烧得好、成本低、操作易”的需求也愈发迫切。山西中电科研发团队马不停蹄地投入到第二代高温纯化炉的研发中。
　　“第二代炉的核心是‘提效降本’。”研发团队负责人介绍，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：将有效空间高度从850mm提升至1450mm，装炉量直接提升70%；同时采用新型复合碳毡保温材料，让升温速率提升30%，实现了“大装炉、快升温、低能耗”的完美平衡——仅能耗一项，就比初代炉降低了25%。
　　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。“以前要根据物料的类型、经验提前手动编辑工艺配方；现在各种类型物料的配方被直接储存好，客户选好合适的配方后，一键启动就能自动完成升温、保温、降温全流程，关键参数可以实时记录，生成的曲线能直接用于质量溯源。”负责电气设计的工程师说，这套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。
　　随着2021年第二代纯化炉的迭代升级，山西中电科一举踏上了行业风口，产品的市场需求激增。2022年起，公司既要应对装备的紧急交付，又要同步满足自身产能扩张需求，还迎来了研发任务的爆发期。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，“为了降低硼元素含量，我们试过多种不同的工艺气体配比，每一次试验都要连续跟炉几天，大家轮班值守。”为确保炉体平稳运行，异常故障迅速处理，团队的机械、电气、工艺人员常常24个小时不离开实验室，“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%），硼、铝元素含量精准控制在0.01ppmw以下。当检测报告出来的那一刻，研发团队的成员们击掌相庆——这一指标不仅是数字的跨越，更标志着国产高纯石墨在关键痕量元素控制上达到了半导体级应用的严苛门槛，为碳化硅单晶生长、硅基外延等高端制造提供了可靠的国产材料保障，让国产高纯石墨彻底挺直了腰杆。

“自从我们的装备问世，国外同类装备在中国市场的销量几乎为零”

　　“发货！”4月上旬，山西中电科的厂区内一片忙碌。随着一周内3台纯化装备装上大货车发往外省，山西中电科又完成了一笔订单。
　　今年以来，山西中电科装备等订单接连落地，新签合同总额突破7686万元，其中，单笔大额订单金额超2200万元。除装备订单外，纯化产品从1月份至今已累计发货超12万件。
　　“我们能拿下这么多订单，靠的不只是技术，更是‘装备+工艺+服务’的全套解决方案。”解永强说，客户不仅能买到性能领先的装备，还能在公司的车间接受免费的操作培训，后续生产中遇到工艺问题，研发团队会24小时响应。尤其是2024年研发的第四代炉搭载有“智能工艺配方编辑系统”，彻底解决了传统装备“参数固化、难以调整”的局限：客户只需输入石墨基材类型、重量、目标纯度，系统就能自动组合升温曲线、气体配比、压力梯度等工艺模块，像“搭积木”一样灵活调整，生产效率直接提升了1.5倍。
　　一键启动、无人值守的全智能操作和“智选配方”的上线，大大降低了客户的生产门槛。自2023年以来，山西中电科成为国内*大的高温纯化装备制造及纯化服务提供商之一，市场占有率超过60%。
　　更令行业振奋的是，国产纯化装备的性价比优势彻底改写了市场格局。“我们的价格仅为国外装备的1/4到1/5，交付周期也从1年缩短到3个月，同时，产品精度达6N5（99.99995%），关键指标达国际*水平！”解永强说，“自从我们的装备问世，国外同类装备在中国市场的销量几乎为零，变化可谓天翻地覆。”
　　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，除了高温纯化炉，气相沉积炉、石墨化炉、卧式大型纯化炉、石墨软毡连续式高温纯化装备等产品也相继问世，覆盖了碳材料制备的全流程。这些已稳定运行在山东、河南、河北、广东、新疆等地的装备，广泛应用于半导体、光伏等领域，为国内战略性新兴产业的发展提供了坚实的材料保障。
　　面向未来，山西中电科有着更广阔的布局：“横向，我们要从高纯石墨拓展到碳陶复合材料、碳纳米管、硅碳负极材料等新型碳基材料，满足新能源、航空航天等前沿需求；纵向，我们要攻克连续式纯化技术，实现粉体、纤维材料的在线不间断处理，推动碳材料纯化进入‘连续化时代’。”解永强的话语掷地有声。
　　从依靠进口、装备“卡壳”的困境，到成为高纯石墨纯化装备领域的领跑者，作为国家级专精特新“小巨人”企业、山西省第三代半导体产业链重点“链核”企业，山西中电科的突围之路，成为我省高质量发展和中国高端制造自主创新征程中的一个生动注脚。在关键核心技术面前，唯有以“啃硬骨头”的决心攻坚克难，才能真正掌握产业发展的主动权，为国家战略性新兴产业的腾飞注入源源不断的动力。

本报记者郭宁
本版图片均由山西中电科提供

（来源链接：https://www.sxrb.com/content/202605/22/c167598.html）