氧化鋯納米粉：5G手機(jī)“背后”的新材料 綠色環(huán)保的高能球磨法受追捧

氧化鋯粉末的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，特別是數(shù)量較大又難以處理的低濃度堿性廢水，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。而高能球磨法是一種節(jié)能、高效的材料制備技術(shù)，能提高氧化鋯陶瓷的密實(shí)度、分散性，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

隨著5G技術(shù)的到來，智能手機(jī)也在悄悄地更換著自己的“裝備”。

5G通信采用3千兆赫(Ghz)以上的頻譜，其毫米波的波長(zhǎng)很短，如果5G手機(jī)使用金屬背板，就會(huì)嚴(yán)重干擾或屏蔽信號(hào)。因此，具有無信號(hào)屏蔽、硬度高、觀感強(qiáng)及接近金屬材料優(yōu)熱性能等特點(diǎn)的陶瓷材料逐漸成為手機(jī)企業(yè)進(jìn)軍5G時(shí)代的重要選擇。內(nèi)蒙古科技大學(xué)教授包金小告訴記者，作為重要的無機(jī)非金屬材料，新型陶瓷材料已經(jīng)成為智能手機(jī)背板材料的不二選擇。

5G時(shí)代手機(jī)背板亟須升級(jí)

內(nèi)蒙古晶陶鋯業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱晶陶鋯業(yè))總經(jīng)理王思凱告訴記者，據(jù)全球知名調(diào)研機(jī)構(gòu)Counterpoint公布的數(shù)據(jù)，2020年全球智能手機(jī)出貨量13.31億部，隨著應(yīng)用于手機(jī)背板的氧化鋯陶瓷需求量的水漲船高，其研發(fā)制備技術(shù)也開始備受關(guān)注。

作為技術(shù)含量極高的新型陶瓷材料，氧化鋯陶瓷材料可以勝任金屬材料、高分子材料和絕大部分其他陶瓷材料難以勝任的嚴(yán)酷工作環(huán)境。作為結(jié)構(gòu)件，氧化鋯陶瓷制品在能源、航空航天、機(jī)械、汽車、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)得以應(yīng)用，全球年消費(fèi)量在8萬噸以上。

隨著5G時(shí)代的到來，陶瓷器件制作手機(jī)背板顯示出更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，氧化鋯陶瓷因此擁有了更加廣闊的發(fā)展前景。“氧化鋯陶瓷的性能如何，直接取決于粉體的性能，因此開發(fā)高性能粉體的可控制備技術(shù)，成為氧化鋯陶瓷制備和發(fā)展高性能氧化鋯陶瓷器件的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。”王思凱坦言。

綠色環(huán)保的高能球磨法受追捧

專家介紹，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氧化鋯納米粉體多采用濕化學(xué)工藝，利用稀土氧化物作為穩(wěn)定劑生產(chǎn)氧化鋯納米粉體。該種工藝具有產(chǎn)能大、產(chǎn)品化學(xué)成分均勻性好的特點(diǎn)，但缺點(diǎn)是生產(chǎn)過程將產(chǎn)生大量的廢棄物，特別是數(shù)量較大又難以處理的低濃度堿性廢水，如果處理不當(dāng)將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞。

“據(jù)調(diào)查，生產(chǎn)一噸氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷粉體需要50噸左右的水，會(huì)產(chǎn)生大量廢水，而廢水的回收及處理極大地增加了生產(chǎn)成本。”王思凱說道。

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)法的完善，采用濕化學(xué)法制備氧化鋯納米粉體的企業(yè)面臨著前所未有的困境。因此業(yè)內(nèi)急需開發(fā)一種綠色環(huán)保、低成本的氧化鋯納米粉體制備技術(shù)。

“在此背景下，利用更為清潔、低耗能的生產(chǎn)工藝制備氧化鋯納米粉體已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中最受科技界追捧的是高能球磨法。”包金小說道。

高能球磨法是指利用機(jī)械能來誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)或誘導(dǎo)材料組織結(jié)構(gòu)和性能的變化，以此來制備新材料。作為一種新技術(shù)，它能夠明顯降低反應(yīng)活化能、細(xì)化晶粒、極大提高粉末顆粒分布均勻性及增強(qiáng)基體間界面的結(jié)合，促進(jìn)固態(tài)離子擴(kuò)散，誘發(fā)低溫化學(xué)反應(yīng)，從而提高材料的密實(shí)度、分散性等性能，是一種節(jié)能、高效的材料制備技術(shù)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

特有著色機(jī)理造就多彩陶瓷

國(guó)際市場(chǎng)中，氧化鋯納米粉體材料已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化發(fā)展階段。王思凱告訴記者：“美國(guó)、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，氧化鋯納米粉體的生產(chǎn)規(guī)模大，產(chǎn)品規(guī)格較為齊全。尤其是美國(guó)和日本的跨國(guó)公司，在氧化鋯陶瓷的專利上具有明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)王思凱介紹，目前，我國(guó)的新型陶瓷制造業(yè)處于快速發(fā)展階段，陶瓷粉體的需求量正在逐年增長(zhǎng)，開發(fā)新型納米級(jí)氧化鋯的生產(chǎn)工藝顯得越來越迫切。近兩年，國(guó)內(nèi)一些科研院所和企業(yè)也開始自主研發(fā)、生產(chǎn)氧化鋯納米粉體，但大部分研發(fā)尚處于實(shí)驗(yàn)室小量試產(chǎn)階段，產(chǎn)量小，品種單一。

晶陶鋯業(yè)實(shí)施的“彩色稀土氧化鋯納米粉體”項(xiàng)目，采用高能球磨固相反應(yīng)法制備氧化鋯納米粉體。“以水作研磨介質(zhì)把顆粒粉碎細(xì)化，可以得到尺寸100納米級(jí)的無團(tuán)聚晶粒粉體，無污染、成本低、產(chǎn)品批次穩(wěn)定性好。”包金小說道。該制備技術(shù)不僅可以滿足5G手機(jī)陶瓷背板、航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料、陶瓷球、陶瓷刀等產(chǎn)品所需粉體的需求，還可以在氧化鈰復(fù)合粉體制備等更多的陶瓷粉體制備中得以推廣應(yīng)用。

晶陶鋯業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)根據(jù)自主研發(fā)的著色機(jī)理，在不引入多余金屬離子的前提下，通過工藝上的優(yōu)化，采用固相合成及復(fù)合法進(jìn)行著色。用此方法制備的氧化鋯陶瓷不僅顏色飽和度高、潤(rùn)度好，而且不影響氧化鋯陶瓷原有的機(jī)械性能。

“基于新技術(shù)生產(chǎn)的彩色稀土氧化鋯粉體原始粒徑為納米級(jí)，具有粒徑均勻、燒結(jié)活性高、燒結(jié)溫度低等特點(diǎn)，較傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝綜合能耗顯著降低，生產(chǎn)效率和陶瓷加工良品率大幅提高。以其制備的先進(jìn)陶瓷器件具有高強(qiáng)度、高韌性及高硬度等卓越性能。”王思凱說。