1、年產(chǎn)5000噸低成本高可靠性納米微晶陶瓷產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可行性研究報(bào)告湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2003年10月一、 總論（一）項(xiàng)目概述本項(xiàng)目以天然礦物和冶金工業(yè)廢渣為主要原料，通過材料設(shè)計(jì)方法，采用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)，在高性能低成本納米陶瓷的制備技術(shù)方面取得了突破，是一項(xiàng)屬于國內(nèi)首創(chuàng)的制備納米陶瓷制品的新工藝、新技術(shù)，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。用該項(xiàng)技術(shù)制備的高耐磨納米微晶陶瓷結(jié)構(gòu)均勻致密，抗彎強(qiáng)度可達(dá)300MPa，顯微硬度1012GPa，密度2.72.8g/cm3，自磨損率不到氧化鋁陶瓷的20，可機(jī)加工性和耐腐蝕好，可廣泛用作具有高附加值的耐磨結(jié)構(gòu)材料，如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件

2、、紡織瓷件、管道、閥門等。為將該項(xiàng)目技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已投資110萬元，在湖南大學(xué)建成了一條年產(chǎn)200噸納米微晶陶瓷的中試生產(chǎn)線。該中試生產(chǎn)線的工藝流程及主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線基本相同，可同時(shí)或單獨(dú)使用電和液化氣兩種能源，工藝參數(shù)調(diào)整范圍大，以適應(yīng)不同產(chǎn)品對(duì)工藝條件的需要。目前用該中試生產(chǎn)線已成功制備了各種規(guī)格的研磨球和耐磨襯片。該技術(shù)的另一重要特點(diǎn)是：用一套玻璃熔制和微晶化設(shè)備可同時(shí)制備多種納米微晶陶瓷制品，產(chǎn)品品種可依市場需求靈活調(diào)整，市場應(yīng)變能力強(qiáng)。納米微晶陶瓷制品的制造成本不到氧化鋁陶瓷的30，此外，可利用工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。建設(shè)一條年產(chǎn)50

3、00噸的納米微晶陶瓷生產(chǎn)線，項(xiàng)目總投資需3660萬元（含25的技術(shù)無形資產(chǎn)），建成后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值10500萬元，年利稅3420萬元，投資回收期約1.7年（不含建設(shè)期）。可生產(chǎn)的主要產(chǎn)品為高性能耐磨結(jié)構(gòu)陶瓷系列產(chǎn)品，如研磨體、耐磨襯片、紡織瓷件、閥門芯片、軸承、機(jī)械密封件等。（二）立項(xiàng)意義及必要性納米材料由于具有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能而成為現(xiàn)代材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。目前在納米粉末的制備技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展，各種納米粉末已開始工業(yè)化生產(chǎn)并獲得日益廣泛的應(yīng)用。然而，用納米粉末來制備納米陶瓷時(shí)，由于納米粉末的活性很高，高溫?zé)Y(jié)時(shí)晶粒生長很快，絕大多數(shù)情況下獲得的不是納米陶瓷，而是亞微米甚至微米陶瓷。只有采

4、用熱壓、熱等靜壓燒結(jié)或者小試樣的快速等溫?zé)Y(jié)，才可能獲得致密燒結(jié)的塊體納米陶瓷。在這種工藝條件下，一是對(duì)燒成設(shè)備的技術(shù)要求很高，二是很難制備復(fù)雜形狀和大尺寸的納米陶瓷制品。因此，開發(fā)一種高性能低成本的納米陶瓷制備新技術(shù)，是使納米陶瓷制品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本項(xiàng)目所開發(fā)的納米陶瓷制品是一種較理想的高溫自潤滑耐磨材料，可在高溫、腐蝕、無潤滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨結(jié)構(gòu)材料，如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、管道、閥門、耐磨襯板等，對(duì)提升傳統(tǒng)耐磨結(jié)構(gòu)材料的可靠性和技術(shù)含量，推動(dòng)機(jī)械制造、化工、輕紡等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步有積極意義。此外，本項(xiàng)目可利用工業(yè)廢渣來制備納米陶瓷，是一項(xiàng)集新材料

5、研制、固體廢棄物再生利用和環(huán)境保護(hù)于一體的具有顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值的課題，對(duì)提高冶金工業(yè)廢渣的利用率和附加值，降低其對(duì)環(huán)境污染的壓力具有重要意義。（三）項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)及水平本項(xiàng)目運(yùn)用材料設(shè)計(jì)理論，采用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)，以天然礦物和冶金工業(yè)廢渣為主要原料，先將粗顆粒原料熔制為均質(zhì)的玻璃體，然后從玻璃中原位析出晶相含量達(dá)90以上，晶粒為50200nm的納米級(jí)晶粒。通過大量實(shí)驗(yàn)和理論分析，目前已成功地開發(fā)了多種納米微晶陶瓷制品，并能從組成和微晶化工藝方面來有效控制晶相組成、晶粒大小及晶相含量，測試了該材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，卓有成效地開展了許多具有原創(chuàng)性的研發(fā)工作，技

6、術(shù)水平屬國際首創(chuàng)，為高性能低成本納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目開發(fā)的納米微晶陶瓷達(dá)到以下技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)： 抗壓強(qiáng)度：1200MPa； 顯微硬度：10GPa； 體積密度：2.7g/cm3 自磨損率：以國產(chǎn)最高質(zhì)量玻璃微珠作參照物，磨損率小于同規(guī)格玻璃微珠的50。（四）項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢和風(fēng)險(xiǎn)本項(xiàng)目在國家自然科學(xué)基金和湖南省中青年人才基金的資助下，開展了較系統(tǒng)和深入的基礎(chǔ)研究，取得了具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的實(shí)驗(yàn)研究成果。在國家高效磨削工程技術(shù)研究中心產(chǎn)業(yè)化投資基金的支持下，已完成了中試研究和部分產(chǎn)品的開發(fā)，試制的產(chǎn)品經(jīng)投入市場實(shí)際應(yīng)用，用戶對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意，達(dá)到了預(yù)期的效果

7、。本項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢在于：1、采用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)來制備納米微晶陶瓷的新工藝屬國際首創(chuàng)，技術(shù)含量高，具有技術(shù)先進(jìn)的優(yōu)勢；2、采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料，廉價(jià)易得，具有原材料成本低的優(yōu)勢；3、高溫溶膠凝膠工藝源于玻璃的制備工藝，自動(dòng)化程度高，成熟可靠；而原位受控晶化技術(shù)則借鑒了微晶玻璃的制備工藝，主要在析晶速度和晶粒大小的控制方面取得了突破性成果，是微晶玻璃制備技術(shù)的提升和進(jìn)步，因此，采用的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢；4、可利用工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和資源的再生利用，符合國家環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化政策；5、可開發(fā)的產(chǎn)品品種多，性能價(jià)格比大大優(yōu)于同類產(chǎn)品，具有很好的市場

8、競爭力和抗市場風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢。本項(xiàng)目在產(chǎn)業(yè)化實(shí)施過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)是由于玻璃料的組成有別于其它玻璃料，玻璃熔體的成形溫度范圍窄，對(duì)成形某些復(fù)雜形狀的產(chǎn)品有一定的技術(shù)難度。二、項(xiàng)目技術(shù)可行性和成熟性分析（一）項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)1、首創(chuàng)了由非晶固體原位晶化制備納米陶瓷的新技術(shù)用高溫溶膠凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)制備納米陶瓷制品，是一種完全不同于高溫?zé)Y(jié)法的納米陶瓷制備新技術(shù)。由于該技術(shù)可從工藝路線上徹底解決納米粉末的來源、粉末的團(tuán)聚與分散性、高溫?zé)Y(jié)時(shí)的致密化與晶粒長大等一系列傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)中難以解決的科學(xué)和工程化問題，是最具產(chǎn)業(yè)化前景的高性能低成本納米陶瓷制備新技術(shù)。2、獲得了低成本連續(xù)生產(chǎn)納米晶陶瓷

9、制品的新工藝納米陶瓷雖然具有許多優(yōu)異性能，但高昂的制備成本和難以控制的晶粒尺寸是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本項(xiàng)目采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料，且可用幾十目的粗粉末，綜合原料成本可控制在1000元噸以內(nèi)，且可連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)，使納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成本可降至2500元噸以內(nèi)，與普通陶瓷相當(dāng)，為95氧化鋁陶瓷的30。3、實(shí)現(xiàn)了晶相組成、晶粒大小和晶相含量的控制技術(shù)用本項(xiàng)目制備的納米微晶陶瓷，其晶相組成、晶粒大小和晶相含量可通過材料組成設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)調(diào)整來較準(zhǔn)確地控制，以滿足不同應(yīng)用條件對(duì)材料性能的要求。（二）項(xiàng)目的技術(shù)成熟性和產(chǎn)品的可靠性本項(xiàng)目是在國家自然科學(xué)基金和湖南省中青年人才基金的資助下完

10、成的。近五年來，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人肖漢寧教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開展了較系統(tǒng)和深入的基礎(chǔ)研究，特別是在玻璃料的組成設(shè)計(jì)、晶核劑的選擇及作用機(jī)理、核化晶化工藝制度等方面進(jìn)行大量而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，已取得具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的研究成果。該項(xiàng)成果已通過中試研究和新產(chǎn)品的開發(fā)，基本解決了在產(chǎn)業(yè)化過程中可能出現(xiàn)的工藝和裝備設(shè)計(jì)等問題，并成功開發(fā)了各種規(guī)格的研磨球和耐磨襯片，產(chǎn)品經(jīng)用戶試用，對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意。此外，由于制備的納米微晶陶瓷具有十分致密的且均勻的顯微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品性能比燒結(jié)陶瓷具有更高的可靠性。本項(xiàng)目的另一重要優(yōu)勢是在原料和工藝技術(shù)路線的選擇上從一開始就充分考慮了產(chǎn)業(yè)化的問題，即原材料的廉價(jià)易得和工藝

11、技術(shù)的成熟可靠性。項(xiàng)目采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料，且所有添加原料都是國產(chǎn)化工原料，符合廉價(jià)易得的原則。高溫溶膠凝膠工藝源于玻璃的制備工藝，自動(dòng)化程度高，成熟可靠，玻璃池窯和相關(guān)成形設(shè)備已有專業(yè)制造企業(yè)，其技術(shù)水平接近國外先進(jìn)水平。原位受控晶化技術(shù)借鑒了微晶玻璃的制備工藝，主要在析晶速度和晶粒大小的控制方面取得了突破性進(jìn)展，是微晶玻璃制備技術(shù)的提升和進(jìn)步，相關(guān)設(shè)備可由玻璃和陶瓷行業(yè)的專業(yè)設(shè)備廠制造。因此，采用的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)基礎(chǔ)，工裝設(shè)備有定型產(chǎn)品或由專業(yè)制造廠承制，具有顯著的先進(jìn)性和成熟可靠性。由于本項(xiàng)目已完成中試研究和部分產(chǎn)品的開發(fā)，且中試生產(chǎn)線的工藝技術(shù)路線與本項(xiàng)目擬建設(shè)

12、的5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線相同，因此，中試成果獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景非?？春?，已有包括世界500強(qiáng)之一的美國Molex公司在內(nèi)的國內(nèi)外多家企業(yè)在探討該項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化合作事宜，密切關(guān)注著該項(xiàng)目的進(jìn)展。三、項(xiàng)目產(chǎn)品市場調(diào)研和競爭力預(yù)測項(xiàng)目開發(fā)的納米微晶陶瓷是一種機(jī)械和化學(xué)性能優(yōu)異的新材料，可在高溫、腐蝕、無潤滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨結(jié)構(gòu)材料，如陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、研磨體、管道、閥門、耐磨襯板、化工填料等。同時(shí)，納米微晶陶瓷也是一種優(yōu)良的電子結(jié)構(gòu)陶瓷，可替代滑石瓷和氧化鋁陶瓷用作電子裝置用各種絕緣子、管座、電阻基體和密封外殼等。與其它材質(zhì)的同類產(chǎn)品比，納米微晶陶瓷的性能價(jià)格比更高，市場競爭能力強(qiáng)

13、，經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前國內(nèi)的陶瓷研磨體市場高達(dá)5億元年以上，其中電子工業(yè)用高性能研磨體主要依賴進(jìn)口，年進(jìn)口額超過600萬美元。紡織瓷件中摩擦輪和導(dǎo)線輪的年進(jìn)口額也在500萬美元以上。本項(xiàng)目采用的玻璃熔制和微晶化設(shè)備可開發(fā)一系列結(jié)構(gòu)陶瓷制品，產(chǎn)品品種可依市場需求靈活調(diào)整，抗市場風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)。由于該項(xiàng)目采用的主要原料是天然礦物和工業(yè)廢渣，該結(jié)構(gòu)陶瓷制品的制造成本不到氧化鋁陶瓷的30%。此外，利用了工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，可享受國家對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的各項(xiàng)優(yōu)惠政策。本項(xiàng)目擬開發(fā)以下產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)入市場的競爭力和價(jià)格定位的調(diào)研結(jié)果分述如下：微晶陶瓷研磨體：主要用作精細(xì)化工、涂料、油漆、油墨、陶

14、瓷、搪瓷等行業(yè)中砂磨機(jī)和球磨機(jī)用研磨體，也可應(yīng)用于化工反應(yīng)塔中的填料。與目前市場上使用的玻璃質(zhì)研磨體、普通陶瓷質(zhì)研磨體、氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷研磨體比，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。顯然，微晶陶瓷研磨體具更高的性能價(jià)格比，進(jìn)入市場的競爭力強(qiáng)，可很快成為研磨體市場的新寵。表1 各種陶瓷研磨體的性能及市場售價(jià)性能指標(biāo)納米微晶陶瓷玻璃普通陶瓷氧化鋁氧化鋯體積密度，g/cm32.72.82.452.82.42.83.43.65.76.0顯微硬度，GPa10126.07.26.57.513151114抗壓強(qiáng)度，MPa120015003004004007001600200020002500相對(duì)磨損率1

15、34251.530.8市場售價(jià)，元/kg10123.5188103050180200耐磨陶瓷襯片：主要用作工業(yè)球磨機(jī)內(nèi)襯、火電廠輸送煤粉的管道內(nèi)襯、輸送泥砂或水泥砂漿的管道內(nèi)襯和各種需要耐摩損耐腐蝕的內(nèi)襯材料。目前主要以氧化鋁或碳化硅陶瓷為主，每噸售價(jià)達(dá)25萬元。用微晶陶瓷制作耐磨襯片，其耐磨性優(yōu)于氧化鋁，若以1.21.5萬元噸的價(jià)格進(jìn)入市場，可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。微晶陶瓷紡織瓷件：包括陶瓷摩擦片、導(dǎo)線輪和止捻器。目前紡織機(jī)械用陶瓷部件的材質(zhì)主要是氧化鋁和氧化鋯兩種類型。氧化鋁陶瓷的硬度高，但晶粒尺寸較大，一般為510mm，殘留氣孔率也在2左右，因此其表面光潔度和耐磨性都不太理想。氧

16、化鋯陶瓷的硬度較低，但晶粒尺寸為0.51mm，殘留氣孔率可小于1，用作紡織瓷件時(shí)具有自潤滑性，因此，其耐磨性和使用壽命優(yōu)于氧化鋁陶瓷，但價(jià)格也高出氧化鋁陶瓷一倍以上。本項(xiàng)目開發(fā)的納米微晶陶瓷比氧化鋯陶瓷的晶粒更細(xì)小，結(jié)構(gòu)更致密，硬度相近，同樣具有自潤滑性，因此，是制造紡織瓷件更理想的新材料，而且同規(guī)格納米微晶陶瓷部件的售價(jià)只是氧化鋁陶瓷的60，氧化鋯陶瓷的30左右，進(jìn)入國際市場的潛力也很大。電子結(jié)構(gòu)陶瓷：主要替代滑石瓷和氧化鋁陶瓷用作電子裝置用各種絕緣子、管座、電阻基體和密封外殼等。由于本項(xiàng)目采用的工藝技術(shù)路線具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品的均勻性和可靠性好等特點(diǎn)，而售價(jià)比滑石瓷和氧化鋁陶瓷更低，且有利

17、于提高電子元器件的穩(wěn)定性和可靠性，在市場開拓中也具有明顯優(yōu)勢。納米微晶陶瓷還可廣泛應(yīng)用于其它耐磨損、耐腐蝕的領(lǐng)域，如化工行業(yè)的閥門、管道，催化劑載體等?？傊?，用本項(xiàng)技術(shù)制備的納米微晶陶瓷具有制備成本低、性能穩(wěn)定可靠、性能價(jià)格比更高等優(yōu)勢，進(jìn)入市場的競爭能力強(qiáng)。四、項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容及投資預(yù)算項(xiàng)目的總體目標(biāo)是建設(shè)一條年產(chǎn)5000噸低成本高可靠性納米微晶陶瓷制品生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)納米陶瓷制品的連續(xù)和自動(dòng)化生產(chǎn)。項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容包括生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和制造，生產(chǎn)線的建設(shè)施工，設(shè)備安裝調(diào)試，試生產(chǎn)并解決相應(yīng)的生產(chǎn)工藝技術(shù)問題，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)的產(chǎn)量和質(zhì)量指標(biāo)。項(xiàng)目的投資總額為人民幣3660萬

18、元，其中有形資產(chǎn)投入2745萬元（固定資產(chǎn)投入2000萬元，流動(dòng)資金745萬元），無形資產(chǎn)915萬元（占總資產(chǎn)的25），項(xiàng)目建設(shè)周期約需1年。建成投產(chǎn)后，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值10500萬元，年利稅3420萬元，投資回收期1.7年。本項(xiàng)目建設(shè)資金2000萬元，其中土地占用25畝，購置費(fèi)200萬元；生產(chǎn)廠房、辦公和倉貯用房8000m2，需基建投資320萬元；生產(chǎn)線設(shè)備投資1380萬元，水電等配套設(shè)施費(fèi)100萬元。主要設(shè)備名稱及價(jià)格預(yù)算如表2所示，在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注重設(shè)備的先進(jìn)性和可靠性，關(guān)鍵設(shè)備或部件進(jìn)口。表2 5000噸納米微晶陶瓷生產(chǎn)線主要設(shè)備名稱及價(jià)格預(yù)算序號(hào)設(shè)備名稱數(shù)量單價(jià)（萬元）總金額（萬元）115m2玻璃池窯1座16016022m2電熔玻璃池窯1座35353全自動(dòng)晶化輥道窯3座451354自動(dòng)配料混料系統(tǒng)1套26265自動(dòng)給料機(jī)1臺(tái)776玻璃制球機(jī)10臺(tái)3.6367出料用鉑金加熱器10臺(tái)4.2428數(shù)控磨床3臺(tái)30909玻璃模壓成型機(jī)2臺(tái)489610拋光機(jī)10臺(tái)66011精密磨床6臺(tái)159012普通車床