氧化鋯粉末的傳統(tǒng)生產工藝，會產生大量的廢棄物，特別是數量較大又難以處理的低濃度堿性廢水，造成嚴重的環(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，能提高氧化鋯陶瓷的密實度、分散性，具有良好的工業(yè)應用前景。
隨著5G技術的到來，智能手機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，其毫米波的波長很短，如果5G手機使用金屬背板，就會嚴重干擾或屏蔽信號。因此，具有無信號屏蔽、硬度高、觀感強及接近金屬材料優(yōu)熱性能等特點的陶瓷材料逐漸成為手機企業(yè)進軍5G時代的重要選擇。內蒙古科技大學教授包金小告訴記者，作為重要的無機非金屬材料，新型陶瓷材料已經成為智能手機背板材料的不二選擇。
5G時代手機背板亟須升級
內蒙古晶陶鋯業(yè)有限公司（以下簡稱晶陶鋯業(yè)）總經理王思凱告訴記者，據全球知名調研機構Counterpoint公布的數據，2020年全球智能手機出貨量13.31億部，隨著應用于手機背板的氧化鋯陶瓷需求量的水漲船高，其研發(fā)制備技術也開始備受關注。
作為技術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酷工作環(huán)境。作為結構件，氧化鋯陶瓷制品在能源、航空航天、機械、汽車、醫(yī)療等多個行業(yè)得以應用，全球年消費量在8萬噸以上。
隨著5G時代的到來，陶瓷器件制作手機背板顯示出更大的技術優(yōu)勢，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，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，國內生產氧化鋯納米粉體多采用濕化學工藝，利用稀土氧化物作為穩(wěn)定劑生產氧化鋯納米粉體。該種工藝具有產能大、產品化學成分均勻性好的特點，但缺點是生產過程將產生大量的廢棄物，特別是數量較大又難以處理的低濃度堿性廢水，如果處理不當將對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染和破壞。
“據調查，生產一噸氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷粉體需要50噸左右的水，會產生大量廢水，而廢水的回收及處理極大地增加了生產成本。”王思凱說道。
隨著我國環(huán)境保護法的完善，采用濕化學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。
“在此背景下，利用更為清潔、低耗能的生產工藝制備氧化鋯納米粉體已成為一個研究熱點，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械能來誘發(fā)化學反應或誘導材料組織結構和性能的變化，以此來制備新材料。作為一種新技術，它能夠明顯降低反應活化能、細化晶粒、極大提高粉末顆粒分布均勻性及增強基體間界面的結合，促進固態(tài)離子擴散，誘發(fā)低溫化學反應，從而提高材料的密實度、分散性等性能，是一種節(jié)能、高效的材料制備技術，具有良好的工業(yè)應用前景。
特有著色機理造就多彩陶瓷
國際市場中，氧化鋯納米粉體材料已經進入工業(yè)化發(fā)展階段。王思凱告訴記者：“美國、西歐和日本等發(fā)達國家和地區(qū)，氧化鋯納米粉體的生產規(guī)模大，產品規(guī)格較為齊全。尤其是美國和日本的跨國公司，在氧化鋯陶瓷的專利上具有明顯競爭優(yōu)勢。”
據王思凱介紹，目前，我國的新型陶瓷制造業(yè)處于快速發(fā)展階段，陶瓷粉體的需求量正在逐年增長，開發(fā)新型納米級氧化鋯的生產工藝顯得越來越迫切。近兩年，國內一些科研院所和企業(yè)也開始自主研發(fā)、生產氧化鋯納米粉體，但大部分研發(fā)尚處于實驗室小量試產階段，產量小，品種單一。
晶陶鋯業(yè)實施的“彩色稀土氧化鋯納米粉體”項目，采用高能球磨固相反應法制備氧化鋯納米粉體。“以水作研磨介質把顆粒粉碎細化，可以得到尺寸100納米級的無團聚晶粒粉體，無污染、成本低、產品批次穩(wěn)定性好。”包金小說道。該制備技術不僅可以滿足5G手機陶瓷背板、航空渦輪發(fā)動機熱障涂層材料、陶瓷球、陶瓷刀等產品所需粉體的需求，還可以在氧化鈰復合粉體制備等更多的陶瓷粉體制備中得以推廣應用。
晶陶鋯業(yè)的技術團隊根據自主研發(fā)的著色機理，在不引入多余金屬離子的前提下，通過工藝上的優(yōu)化，采用固相合成及復合法進行著色。用此方法制備的氧化鋯陶瓷不僅顏色飽和度高、潤度好，而且不影響氧化鋯陶瓷原有的機械性能。
“基于新技術生產的彩色稀土氧化鋯粉體原始粒徑為納米級，具有粒徑均勻、燒結活性高、燒結溫度低等特點，較傳統(tǒng)生產工藝綜合能耗顯著降低，生產效率和陶瓷加工良品率大幅提高。以其制備的先進陶瓷器件具有高強度、高韌性及高硬度等卓越性能。”王思凱說。
（來源：科技日報）