氧化鋯奈米粉：5G手機“背後”的新材料

氧化鋯粉末的傳統生產工藝，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鹼性廢水，造成嚴重的環境汙染。而高能球磨法是一種節能、高效的材料製備技術，能提高氧化鋯陶瓷的密實度、分散性，具有良好的工業應用前景。

隨著5G技術的到來，智慧手機也在悄悄地更換著自己的“裝備”。

5G通訊採用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，就會嚴重干擾或遮蔽訊號。因此，具有無訊號遮蔽、硬度高、觀感強及接近金屬材料優熱效能等特點的陶瓷材料逐漸成為手機企業進軍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慧手機背板材料的不二選擇。

5G時代手機背板亟須升級

內蒙古晶陶鋯業有限公司（以下簡稱晶陶鋯業）總經理王思凱告訴記者，據全球知名調研機構Counterpoint公佈的資料，2020年全球智慧手機出貨量13。31億部，隨著應用於手機背板的氧化鋯陶瓷需求量的水漲船高，其研發製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境。作為結構件，氧化鋯陶瓷製品在能源、航空航天、機械、汽車、醫療等多個行業得以應用，全球年消費量在8萬噸以上。

隨著5G時代的到來，陶瓷器件製作手機背板顯示出更大的技術優勢，氧化鋯陶瓷因此擁有了更加廣闊的發展前景。“氧化鋯陶瓷的效能如何，直接取決於粉體的效能，因此開發高效能粉體的可控制備技術，成為氧化鋯陶瓷製備和發展高效能氧化鋯陶瓷器件的最關鍵環節。”王思凱坦言。

綠色環保的高能球磨法受追捧

專家介紹，國內生產氧化鋯奈米粉體多采用溼化學工藝，利用稀土氧化物作為穩定劑生產氧化鋯奈米粉體。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鹼性廢水，如果處理不當將對生態環境造成嚴重的汙染和破壞。

“據調查，生產一噸氧化釔穩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。

隨著我國環境保護法的完善，採用溼化學法制備氧化鋯奈米粉體的企業面臨著前所未有的困境。因此業內急需開發一種綠色環保、低成本的氧化鋯奈米粉體制備技術。

“在此背景下，利用更為清潔、低耗能的生產工藝製備氧化鋯奈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化學反應或誘導材料組織結構和效能的變化，以此來製備新材料。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佈均勻性及增強基體間介面的結合，促進固態離子擴散，誘發低溫化學反應，從而提高材料的密實度、分散性等效能，是一種節能、高效的材料製備技術，具有良好的工業應用前景。

特有著色機理造就多彩陶瓷

國際市場中，氧化鋯奈米粉體材料已經進入工業化發展階段。王思凱告訴記者：“美國、西歐和日本等發達國家和地區，氧化鋯奈米粉體的生產規模大，產品規格較為齊全。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勢。”

據王思凱介紹，目前，我國的新型陶瓷製造業處於快速發展階段，陶瓷粉體的需求量正在逐年增長，開發新型奈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也開始自主研發、生產氧化鋯奈米粉體，但大部分研發尚處於實驗室小量試產階段，產量小，品種單一。

晶陶鋯業實施的“彩色稀土氧化鋯奈米粉體”專案，採用高能球磨固相反應法制備氧化鋯奈米粉體。“以水作研磨介質把顆粒粉碎細化，可以得到尺寸100奈米級的無團聚晶粒粉體，無汙染、成本低、產品批次穩定性好。”包金小說道。該製備技術不僅可以滿足5G手機陶瓷背板、航空渦輪發動機熱障塗層材料、陶瓷球、陶瓷刀等產品所需粉體的需求，還可以在氧化鈰複合粉體制備等更多的陶瓷粉體制備中得以推廣應用。

晶陶鋯業的技術團隊根據自主研發的著色機理，在不引入多餘金屬離子的前提下，透過工藝上的最佳化，採用固相合成及複合法進行著色。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效能。

“基於新技術生產的彩色稀土氧化鋯粉體原始粒徑為奈米級，具有粒徑均勻、燒結活性高、燒結溫度低等特點，較傳統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。以其製備的先進陶瓷器件具有高強度、高韌性及高硬度等卓越效能。”王思凱說。記者 張景陽  通訊員 李寶樂

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