總論〔一〕工程概述本工程以自然礦物和冶金工業廢渣為主要原料，通過材料設計方法，承受高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術，在高性能低本錢納米陶瓷的制備技術方面取得了突破，是一項屬于國內首創的制備納米陶瓷制品的工藝、技術，具有很好的產業化前景。用該項技術制備的高耐磨納米微晶陶瓷構造均勻致密，抗彎強度可達300MPa，顯微硬度10~12GPa，密度2.7~2.8g/cm3，自磨損率不到氧化鋁陶瓷的20％，可機加工性和耐腐蝕好，可廣泛用作具有高附加值的耐磨構造材料，如研磨體、陶瓷軸承、機械密封件、紡織瓷件、管道、閥門等。為將該工程技術推向產業化，現已投資110萬元，在湖南大學建成了一條年產200噸納米微晶陶瓷的中試生產線。該中試生產線的工藝流程及主要設備的設計與5000噸產業化生產線根本一樣，可同時或單獨使用電和液化氣兩種能源，工藝參數調整范圍大，以適應不同產品對工藝條件的需要。目前用該中試生產線已成功制備了各種規格的研磨球和耐磨襯片。該技術的另一重要特點是：用一套玻璃熔制和微晶化設備可同時制備多種納米微晶陶瓷制品，產品品種可依市場需求機敏調整，市場應變力量強。納米微晶陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30％，此外，可利用工業廢渣，有利于環境保護和社會經濟的可持續進展。建設一條年產5000噸的納米微晶陶瓷生產線，工程總投資需3660萬元〔含2％的技術無形資產，建成后1050034201.7年〔不含建設期。可生產的主要產品為高性能耐磨構造陶瓷系列產品，如研磨體、耐磨襯片、紡織瓷件、閥門芯片、軸承、機械密封件等。〔二〕立項意義及必要性納米材料由于具有很多獨特的優異性能而成為現代材料科學的爭辯熱點。目前在納米粉末的制備技術方面取得了很大進展，各種納米粉末已開頭工業化生產并獲得日益廣泛的應用。然而，用納米粉末來制備納米陶瓷時，由于納米粉末的活性很高，高溫燒結時晶粒生長很快，絕大多數狀況下獲得的不是納米陶瓷，而是亞微米甚至微米陶瓷。只有承受熱壓、熱等靜壓燒結或者小試樣的快速等溫燒結，才可能獲得致密燒結的塊體納米陶瓷。在這種工藝條件下，一是對燒成設備的技術要求很高，二是很難制備簡單外形和大尺寸的納米陶瓷制品。因此，開發一種高性能低本錢的納米陶瓷制備技術，是使納米陶瓷制品實現產業化并獲得廣泛應用的關鍵。本工程所開發的納米陶瓷制品是一種較抱負的高溫自潤滑耐磨材料，可在高溫、腐蝕、無潤滑等惡劣環境下用作耐磨構造材料，如研磨體、陶瓷軸承、機械密封件、紡織瓷件、管道、閥門、耐磨襯板等，對提升傳統耐磨構造材料的牢靠性和技術含量，推動機械制造、化工、輕紡等相關產業的技術進步有樂觀意義。此外，本工程可利用工業廢渣來制備納米陶瓷，是一項集材料研制、固體廢棄物再生利用和環境保護于一體的具有顯著社會經濟效益和推廣應用價值的課題，對提高冶金工業廢渣的利用率和附加值，降低其對環境污染的壓力具有重要意義。〔三〕工程的技術特點及水平本工程運用材料設計理論，承受高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術，以自然礦物和冶金工業廢渣為主要原料，先將粗顆粒原料熔制為均質的玻璃體，然后從玻璃中原位析出晶相含量達90％以上，晶粒為50~200nm的納米級晶粒。通過大量試驗和理論分析，目前已成功地開發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把握晶相組成、晶粒大小及晶相含量，測試了該材料的力學性能和摩擦學性能，卓有成效地開展了很多具有原創性的研發工作，技術水平屬國際首創，為高性能低本錢納米微晶陶瓷的產業化奠定了堅實的根底。本工程開發的納米微晶陶瓷到達以下技術質量指標：抗壓強度：＞1200MPa；顯微硬度：＞10GPa；體積密度：＞2.7g/cm3自磨損率：以國產最高質量玻璃微珠作參照物，磨損率小于同規格玻璃微珠的50％。〔四〕工程實施產業化的優勢和風險本工程在國家自然科學基金和湖南省中青年人才基金的資助下，開展了較系統和深入的根底爭辯，取得了具有很好產業化前景的試驗爭辯成果。在國家高效磨削工程技術爭辯中心產業化投資基金的支持下，已完成了中試爭辯和局部產品的開發，試制的產品經投入市場實際應用，用戶對其耐磨損和耐腐蝕性能格外滿意，到達了預期的效果。本工程實施產業化的優勢在于：1、承受高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術來制備納米微晶陶瓷的工藝屬國際首創，技術含量高，具有技術先進的優勢；2、承受自然礦物和工業廢渣為主要原料，廉價易得，具有原材料本錢低的優勢；3、高溫溶膠－凝膠工藝源于玻璃的制備工藝，自動化程度高，成熟牢靠；而原位受控晶化技術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把握方面取得了突破性成果，是微晶玻璃制備技術的提升和進步，因此，承受的工藝技術路線具有良好的工業根底優勢；4、可利用工業廢渣，有利于環境保護和資源的再生利用，符合國家環保和產業化政策；5、可開發的產品品種多，性能價格比大大優于同類產品，具有很好的市場競爭力和抗市場風險的優勢。本工程在產業化實施過程中的主要風險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，對成形某些簡單外形的產品有肯定的技術難度。二、工程技術可行性和成熟性分析〔一〕工程的技術創點1、首創了由非晶固體原位晶化制備納米陶瓷的技術用高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術制備納米陶瓷制品，是一種完全不同于高溫燒結法的納米陶瓷制備技術。由于該技術可從工藝路線上徹底解決納米粉末的來源、粉末的團聚與分散性、高溫燒結時的致密化與晶粒長大等一系列傳統陶瓷制備技術中難以解決的科學和工程化問題，是最具產業化前景的高性能低本錢納米陶瓷制備技術。2、獲得了低本錢連續生產納米晶陶瓷制品的工藝納米陶瓷雖然具有很多優異性能，但昂揚的制備本錢和難以把握的晶粒尺寸是制約其廣泛應用的關鍵。本工程承受自然礦物和工業廢渣為主要原料，且可用幾十目的粗粉末，綜合原料本錢可把握在1000元／噸以內，且可連續工業化生產，使納米微晶陶瓷的產業化生產本錢可降至2500元／噸以內，與一般陶瓷相9530％。3、實現了晶相組成、晶粒大小和晶相含量的把握技術用本工程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計、工藝參數調整來較準確地把握，以滿足不同應用條件對材料性能的要求。〔二〕工程的技術成熟性和產品的牢靠性本工程是在國家自然科學基金和湖南省中青年人才基金的資助下完成的。近五年來，工程負責人肖漢寧教授領導的爭辯小組開展了較系統和深入的根底爭辯，特別是在玻璃料的組成設計、晶核劑的選擇及作用機理、核化晶化工藝制度等方面進展大量而系統的試驗爭辯，已取得具有很好產業化前景的爭辯成果。該項成果已通過中試爭辯和產品的開發，根本解決了在產業化過程中可能消滅的工藝和裝備設計等問題，并成功開發了各種規格的研磨球和耐磨襯片，產品經用戶試用，對其耐磨損和耐腐蝕性能格外滿足。此外，由于制備的納米微晶陶瓷具有格外致密的且均勻的顯微構造，產品性能比燒結陶瓷具有更高的牢靠性。本工程的另一重要優勢是在原料和工藝技術路線的選擇上從一開頭就充分考慮了產業化的問題，即原材料的廉價易得和工藝技術的成熟牢靠性。工程承受自然礦物和工業廢渣為主要原料，且全部添加原料都是國玻璃池窯和相關成形設備已有專業制造企業，其技術水平接近國外先進水平。原位受控晶化技術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把握方面取得了突破性進展，是微晶玻璃制備技術的提升和進步，相關設備可由玻璃和陶瓷行業的專業設備廠制造。因此，承受的工藝技術路線具有良好的工業根底，工裝設備有定型產品或由專業制造廠承制，具有顯著的先進性和成熟牢靠性。由于本工程已完成中試爭辯和局部產品的開發，且中試生產線的工藝技術路線與本工程擬建設的5000噸產業化生產線一樣，因此，中試成果獲得產業化應用的前景格外看好，已有包括世界500強之一的美國Molex公司在內的國內外多家企業在探討該工程的產業化合作事宜，親熱關注著該工程的進展。三、工程產品市場調研和競爭力推測工程開發的納米微晶陶瓷是一種機械和化學性能優異的材料，可在高溫、腐蝕、無潤滑等惡劣環境下用作耐磨構造材料，如陶瓷軸承、機械密封件、紡織瓷件、研磨體、管道、閥門、耐磨襯板、化工填料等。同時，納米微晶陶瓷也是一種優良的電子構造陶瓷，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。與其它材質的同類產品比，納米微晶陶瓷的性能價格比更高，市場競爭力量強，經濟效益顯著。目前國內的陶瓷研磨體市場高達5億元／年以上，其中電子工業用高性能研磨體600500萬美元以上。本工程承受的玻璃熔制和微晶化設備可開發一系列構造陶瓷制品，產品品種可依市場需求機敏調整，抗市場風險力量強。由于該工程承受的主要原料是自然礦物和工業廢渣，該構造陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30%。此外，利用了工業廢渣，有利于環境保護和社會經濟可持續進展，可享受國家對環保產業的各項優待政策。本工程擬開發以下產品，對其進入市場的競爭力和價格定位的調研結果分述如下：微晶陶瓷研磨體：主要用作精細化工、涂料、油漆、油墨、陶瓷、搪瓷等行業中砂磨機和球磨機用研磨體，也可應用于化工反響塔中的填料。與目前市場上使用的玻璃質研磨體、一般陶瓷質研磨體、氧化鋁陶瓷和1進入市場的競爭力強，可很快成為研磨體市場的寵。1各種陶瓷研磨體的性能及市場售價性能指標 納米微晶陶瓷玻璃一般陶瓷氧化鋁氧化鋯體積密度，g/cm3 2.7~2.82.45~2.82.4~2.83.4~3.65.7~6.0顯微硬度，GPa 10~12抗壓強度，MPa 1200~15006.0~7.2300~4006.5~7.5400~70013~151600~202311~142023~2500相對磨損率 1市場售價，元/kg 10~123~43.5~182~58~101.5~330~500.8180~200耐磨陶瓷襯片：主要用作工業球磨機內襯、火電廠輸送煤粉的管道內襯、輸送泥砂或水泥砂漿的管道內襯和各種需要耐摩損耐腐蝕的內襯材料。目前主要以氧化鋁或碳化硅陶瓷為主，每噸售價達2~5萬元。用微晶陶瓷制作耐磨襯片，其耐磨性優于氧化鋁，假設以1.2~1.5萬元／噸的價格進入市場，可取得顯著的經濟效益和社會效益。微晶陶瓷紡織瓷件：包括陶瓷摩擦片、導線輪和止捻器。目前紡織機械用陶瓷部件的材質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5~10m2％左右，0.5~1m，殘留氣孔率可小于1％，用作紡織瓷件時具有自潤滑性，因此，其耐磨性和使用壽命優于氧化鋁陶瓷，但價格也高出氧化鋁陶瓷一倍以上。本工程開發的納米微晶陶瓷比氧化鋯陶瓷的晶粒更細小，構造更致密，硬度相近，同樣具有自潤滑性，因此，是制造紡織瓷件更抱負的材料，而且同規格納米微晶陶瓷部件的售價只是氧化6030％左右，進入國際市場的潛力也很大。由于本工程承受的工藝技術路線具有生產效率高、產品的均勻性和牢靠性好等特點，而售價比滑石瓷和氧化鋁陶瓷更低，且有利于提高電子元器件的穩定性和牢靠性，在市場開拓中也具有明顯優勢。納米微晶陶瓷還可廣泛應用于其它耐磨損、耐腐蝕的領域，如化工行業的閥門、管道，催化劑載體等。總之，用本項技術制備的納米微晶陶瓷具有制備本錢低、性能穩定牢靠、性能價格比更高等優勢，進入市場的競爭力量強。四、工程建設內容及投資預算工程的總體目標是建設一條年產5000噸低本錢高牢靠性納米微晶陶瓷制品生產線，實現納米陶瓷制品的連續和自動化生產。工程的建設內容包括生產線的總體設計、設備選型和制造，生產線的建設施工，設備安裝調試，試生產并解決相應的生產工藝技術問題，穩定生產工藝和產品質量，到達設計的產量和質量指標。36602745萬元〔2023萬元，流淌資金745萬元，無形資產915萬元〔占總資產的2％，工程建設周期約需1年。建成投產后，可實現年產值1050034201.7年。2023萬元，其中土地占用25200萬元；生產廠房、辦公和倉貯用房8000m2，3201380100萬元。主要設備名稱及價格預2所示，在設備選型時應留意設備的先進性和牢靠性，關鍵設備或部件進口。表2 5000噸納米微晶陶瓷生產線主要設備名稱及價格預算序號設備名稱數量單價〔萬元〕總金額〔萬元〕115m2玻璃池窯1座16016022m2電熔玻璃池窯1座35353全自動晶化輥道窯3座451354自動配料混料系統1套26265自動給料機1臺776玻璃制球機10臺3.6367出料用鉑金加熱器10臺4.2428數控磨床3臺30909玻璃模壓成型機2臺489610拋光機10臺66011周密磨床6臺159012一般車床5臺126013運輸車輛3臺164814檢測設備16臺套12515其他設備32臺套37016合16合計1380本工程承受的玻璃熔制和微晶化設備可同時制備多種納米陶瓷制品，產品品種可依市場需求機敏調整，抗市場風險力量強。由于該工程承受的主要原料是自然礦物和工業廢渣，該納米微晶陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30％，此外，利用了工業廢渣，有利于環境保護和社會經濟可持續進展，可享受國家對環保產業的各項優待政策。本工程上馬后，可依據市場需求調整各種產品的產量，并具備進一步開發產品的力量。本工程擬開發以下產品，其產量、產值和預期經濟效益可歸納如表3所示，產品的價格定位以性能價格比