氮化鋁工業(yè)化生產建設項目可行性研究報告

1 氮化鋁工業(yè)化生產建設項目 可 行 性 研 究 報 告 八閩合成材料科技有限公司 二一年一月 2 目 錄 一、項目概況 二、 項目簡介 三、 創(chuàng)新性和技術路線 四 、 應用領域 五、 項目的特色 六、 企業(yè)的生產條件 七 、 企業(yè)的技術功能 八、經濟效益 3 一、項目概況 1、 項目名稱：氮化鋁工業(yè)化生產建設 2、 項目投資導向：稀有、稀土金屬深加工及其應用 3、 項目合作方式：資金技術合作 4、 項目建設性質：氮化鋁粉末、氮化鋁陶瓷生產 5、 項目承辦單位： 福建合成材料科技有限公司 項目負責人： 趙鑫純 聯(lián)系電話：項目技術負責人： 張群 6、 項目實施地點： 沙洋 高新技術開發(fā)區(qū) 7、 項目建設項目期限 2010 年 8 月 1日到 2011 年 6 月 30 日 8、 建設項目內容及規(guī)模： （ 1）購置工業(yè)生產用地 11.77 畝，建生產廠房 3200 平方米，實驗和質量檢測室 、 原料及成品庫房 900 平方米，辦公及生活用房 1600 平方米等主要建筑面積 6000 平方米。 （ 2）招聘企業(yè)管理人員 7 人，專業(yè)技術人員 5 人，選聘培訓生產技術工人 26 人 。 （ 3）購進先進生產 設備 及檢測分析設備。 9、 總投資及資金籌 措：項目總投資 1500 萬元，建設資金來源企業(yè)自籌。 10、 效益簡述。 （ 1）主要產品：氮化鋁粉末、氮化鋁陶瓷、氮化鋁基板等產品已在 4 我國電力電子行業(yè)冶金石化行業(yè)，以及軍事用途上開始廣泛應用，市場潛力大 。 （ 2）經濟效益：項目建成投產后，可實現年產值 2720 萬元，實現利稅 760 萬元。 （ 3）社會效益：通過項目的實現可為我市研發(fā) 生 產高新材料提供更新更高的技術平臺，實現產、學、研相結合，進一步推動高新材料的研究和發(fā)展，實現社會、企業(yè)、科研院校雙贏。 (4)環(huán)境影響：氮化鋁工業(yè)化生產過程無有害氣體和廢棄 物 排放，是無毒無害產品。屬非金屬礦物制品業(yè)；屬于國家鼓勵的發(fā)展產業(yè)，可以達到環(huán)境保護指標要求。 二 、 項目簡介 1、 氮化鋁（ AlN）簡介 AlN 是自然界中不存在的一種物質，只能通過人工合成獲得。其主要特性包括： 1）有高的導熱系數，其熱傳導能力大于金屬鋁，約為 Al2O3陶瓷的 10 倍； 2）低的熱膨脹系數，與硅的相近，因此，以 AlN 陶瓷為基板或封裝材料制成的電子元件具有很高的熱穩(wěn)定性； 3）高的機械強度，同 Al2O3 陶瓷相比室溫強度相近，但高溫強度大于 Al2O3陶瓷，因此 AlN 陶瓷可作為高溫結構材料使用； 4）化學穩(wěn)定性好， AlN 對許多熔融金屬和熔鹽以及高溫化學氣體有優(yōu)異的抗腐蝕性，因此 AlN 陶瓷是一種理想的高溫抗蝕材料。由 5 于 AlN 陶瓷具有上述優(yōu)良的性質， AlN 陶瓷在許多領域將有廣泛的應用。目前，人們普遍認為，這些領域主要包括：電力電子行業(yè)所使用的散熱基片和封裝材料、冶金石化等行業(yè)使用的高強抗蝕材料。 2、 項目背景 1989年美國 Lanxide公司發(fā)明了一種十分新穎的稱為金屬直接氧化法的陶瓷材料制備技術，又稱 Lanxide 技術。這項技術一問世，就引起了世界材料界的廣泛關注，各國紛紛投入資金進行跟蹤研究。1991年，我國將此列為首批“ 863”國家高技術項目； 1992 年，該項目又獲得國家自然科學基金的資助，批準號分別為： 863-715-09-5和 59102019，兩個項目都包含了 AlN材料合成技術方面的研究內容。王群教授當時作為主要成員直接參與了這兩項科研工作，并在此基礎上，完成了他本人的博士論文 Lanxide AlN材料的合成機理。在以后的幾年間，該項研究又先后多次獲得國家、省部級科研資助，其中包括： 國家自然科學基金（批準號： 59802001） 中國博士后科研基金 遼寧省自然科學基金 國家教委科研基金 王群教授負責完成了以上幾項科研 項目。鑒于他本人所從事的這項具有一定創(chuàng)新性的科研工作和取得的前期成果，王群教授獲得了北京市 6 科技新星的稱號，并得到北京市科委的專項資助：高導熱 AlN/SiC 陶瓷復合材料的制備技術和器件化研究。通過多年的努力，目前已開發(fā)出具有我國自主知識產權、適宜于工業(yè)化生產的自反應合成 AlN 粉體技術。 2000 年申報了國家發(fā)明專利“氮化鋁粉體的反應合成方法”受理號為： 00120742.3。 3、 國內外發(fā)展狀況 隨著電子技術向著小型化、高速化、高集成度方向的發(fā)展，元件的熱耗散問題越來越引起人們的廣泛重視。許多電子設備在使用過程中 由于個別元件的溫度升高，造成整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、可靠性下降，有時甚至還會出現高溫燒毀現象。該現象主要在如下器件中經常出現： 1)微電子器件與電路 ;2)電力電子器件與模塊 ;3)真空電子器件。可見散熱好壞直接影響到電子設備的壽命和運行狀況。這使得人們在不斷開發(fā)新型電子產品的同時，也在尋求與器件發(fā)展相適應的先進散熱技術，最為典型的就是計算機內的 CPU散熱技術。所以說，散熱技術已成為電子器件發(fā)展的關鍵，而研制高導熱陶瓷材料又是散熱技術的核心內容。由于目前市場上的電子元件多采用 Al2O3 陶瓷作為基板材料，這種基板材料 已不能滿足元件高散熱性的要求，急需開發(fā)新型高導熱基板及封裝材料，在這種情況下， AlN 陶瓷材料應運而生。 據報道，日本的氮化鋁產量占世界產量的 70。主要用于計算機的冷卻元件、鐵路電氣化機車的電源基板、新型燃氣汽車的控制模、激光通信的二極管的基片，半導體元件等，最新用途是用于高容量的能源裝置和光儲系統(tǒng)（ Opticalstoragesystems）的計數裝置。世界 7 上最大的氮化鋁生產商 日本德山公司 1981 年開始生產氮化鋁，到2002 年生產能力達到 240 噸。然而，氮化鋁的使用量在不斷增長，今年世界氮化鋁市場需求出 現短缺。統(tǒng)計資料表明，近幾年世界 AlN市場需求會達到 130億美元，存在一個很大的 AlN粉體原料供給缺口。 我國從“七五”期間開始立項研究氮化鋁，起步較晚。目前國內已有幾家工廠可以生產，但大多是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，技術不太成熟，生產的氮化鋁陶瓷質量較低，這極大地影響了 AlN 陶瓷在許多行業(yè)（特別是電子行業(yè)）的應用。近些年來，我國科研人員進行了大量的 AlN研究工作，極大地促進了我國氮化鋁陶瓷的開發(fā)生產能力。江蘇省“八五”重點攻關項目 高導熱氮化鋁陶瓷已于去年通過鑒定。電子信息產業(yè)部在石家莊市建立了具有相當規(guī)模的 AlN 陶瓷 生產基地。珠海市已將氮化鋁陶瓷基片的生產列為國家 8個火炬計劃項目之一， 2000 年 8月 18 日珠海 Al2O3陶瓷基板生產線竣工， AlN 陶瓷基板正在試生產過程中。隨著國內 AlN 陶瓷產量的不斷提高，對高質量 AlN粉體的需求也進一步增大。目前，我國電子級 AlN 粉體原料還主要依賴于進口，又由于國內沒有較強競爭力的 AlN粉體生產廠商，因此進口 AlN 粉體價格居高不下。在這種情況下，開發(fā)國產 AlN 粉體資源顯得尤為必要。 三、 創(chuàng)新性和技術路線 AlN 陶瓷的應用有賴于粉體制造技術的提高， AlN 陶瓷成本過高限制了它的實際應用，其原 因可主要歸結為兩個方面： 1） AlN 原料粉價格高， 2） AlN 陶瓷燒結成本高。實際上，這兩方面歸根結蒂屬同 8 一個技術問題，即，采用什么方法來合成低成本、易燒結的 AlN 粉體，同時嚴格控制粉體中的氧含量。 目前，國際上的一些大的 AlN 粉體原料供應商，如德山公司，主要是由 Al2O3碳熱還原法生產，其反應方程式為： Al2O3 + 3C + N2 = 2AlN + 3CO （ 1） 這一方法有兩方面的缺點： 1）屬于固 -固反應類型，很難充分進行?？梢钥闯觯@種方法控制產物 的氧含量較為困難，如果配碳量少，則 Al2O3 還原不完全，成為產物的雜質氧源；如果配碳量多，則殘存的 C 必須要由后續(xù)的燒碳工藝去除，即，在 600 800的氧化氣氛中燒掉多余的 C，因此這個過程又使粉體的氧含量增加，造成 AlN 粉體質量下降，并且工藝復雜。 2）在 1700 1800的高溫條件下進行，一方面對設備的要求提高，另一方面造成能耗增加，總的結果是使合成 AlN 粉體成本提高。 一種新的粉體合成技術 -自反應合成含有燒結助劑的 AlN粉體 本項目是在美國 Lanxide 技術公司發(fā)明的金屬直接氧化法制備陶瓷基塊體復合 材料基礎上通過合金摻雜方法開發(fā)的一種新的粉體制備技術，反應原理如下： Al Me液態(tài) + N2 AlN + Me疏松產物 （ 2） 同傳 統(tǒng)的碳熱還原法相比，這種方法具備三方面的優(yōu)勢： 1）采用合金原料，避開了雜質氧源，因而合成粉體的含氧量會大大降低； 2）AlN 的生成與燒結助劑的復合是同時完成，因而燒結助劑與 AlN 粉的 9 混合均勻性增加，這對于提高粉體的易燒結性十分有利，另外，由于省去了后續(xù)的燒結助劑混料過程，因此避免了氧元素的進入； 3）整個合成過程在低于 1200的溫度下進行，同碳熱還原法的 1800相比低了 600，僅此一項就能極大地降低 AlN 的合成成本。 表 1 不同方法合成 AlN 粉的主要化學組成 合 成 方 法 含量（） 氮鋁原子比 研究者 N Al O Al2O3 碳熱還原法 33.5 64.8 0.9 0.5170 Keramont Al 粉直接氮化法 32.85 65.75 1.37 0.4996 Stark Al 粉直接氮化法 33.0 66.3 0.7 0.4977 Toyo Aluminium K.K Al 粉直接氮化法 32.7 65.78 1.61 0.4971 ART Al2O3 碳熱還原法 32.5 65.8 1.25 0.4939 Atochem Al2O3 碳熱還原法 32.45 66.0 1.25 0.4924 Tokuyama soda 原位合成法 32.48 65.3 1.23 0.4974 北京工業(yè)大學 原位復合法 33.20 66.64 0.16 0.4983 Y2O3 北京工業(yè)大學 10 4.38% 激光粒度衍射分析儀粒徑分布結果： AlN 粉的平均粒徑為 2.58 m，粒徑分布曲線呈現雙峰現象。 技術路線： 四 、 應用領域 AlN 陶瓷材料在電子封裝和基板、高溫絕緣材料、紅外窗口材料、聲表面器件材料等方面均有廣闊的應用前景。 1 電子基板和封裝材料 換向組 件基板 超高頻功率增幅器基板 點火器基板 厚膜混合組件基板 大規(guī)模集成電路包封 LED、激光二極管等方面的應用 合金配置 疏松產物 密封裝罐 粉化 粒度分級 原位復合 11 絕緣散熱板 2 耐熱材料 由于與 Al、 Cu、 Ag、 Pb 等金屬熔融液難以浸潤，所以適用于作 坩堝、保護管以及燒結用的器具； 由于對熔融鹽是穩(wěn)定的，所以期待作為磁流體發(fā)電（ MHD）以及 高溫氣體透平等耐蝕部件使用； 由于真空中蒸氣壓低，所以被用作金等蒸發(fā)器； 非氧化氣氛下直到 2000是穩(wěn)定的，所以可用作非氧化氣氛下使用的耐火材料的骨料使用。 3 其他應用 紅外線，雷 達透過材料 AlN BN系可機加工陶瓷 Sialon、 SiC 等陶瓷燒結用添加劑 樹脂體料中高導熱填料 五、 項目的特色 12 1資源優(yōu)勢 制備氮化鋁的主要原料是鋁和稀土元素，由復合氮化鋁粉體燒結制備的 AlN 陶瓷是一種稀土功能陶瓷材料。從資源角度考慮，鋁及稀土元素都是 我國 的富有資源，從產品的技術先進性方面考慮， AlN 陶瓷是當前新型材料研究的熱點，應用領域屬高科技范疇。因此，這項技術的開發(fā)利用，在稀土應用領域能夠促進我區(qū)由資源優(yōu)勢向產品優(yōu)勢的轉化。 2產品優(yōu)勢 鋼鐵、稀土及其它有色金屬冶金是我區(qū)的重要產業(yè)。據 調查，每年僅包鋼和鋁廠用于冶金溫度測量的熱電偶及保護套管的消耗大約有 200 萬元以上。由于沒有適用的熱電偶保護套管，一方面使冶金過程的自動化程度不能得到進一步的提高，另一方面由于溫度控制不準，造成產品質量降低和能耗增加的問題。采用氮化鋁陶瓷保護管，能夠實現連續(xù)溫度控制，并能較好地解決上述不良問題。 冶金行業(yè)產品質量及自動化水平的提高對溫度測量及控制有很高的要求。在高溫、熔蝕條件下，一般是采用紅外輻射的間接方法進行溫度測量，很難直接使用接觸式熱電偶測量，其原因就是沒有合適的熱電偶保護管。冶金環(huán)境對熱電偶保護套管 的性能要求有三點： 1) 優(yōu)良的抗腐蝕性； 2) 優(yōu)良的導熱性； 3) 優(yōu)良的抗熱震性。采用傳統(tǒng)的氧化物陶瓷，如三氧化二鋁陶瓷不具備上述三個基本條件。如果用AlN 陶瓷制造熱電偶保護管則可以滿足這些條件，能夠應用于鋁、稀土、銅等有色金屬以及鋼鐵冶金。 AlN陶瓷還對許多高溫熔鹽、化學 13 介質環(huán)境同樣有很好的抗腐蝕性，因此， AlN陶瓷可作為在這些場合下使用的特種耐蝕材料和部件，如， AlN 陶瓷是熔煉新型半導體材料砷化鎵的最佳材料，制成的熔煉坩堝，對砷化鎵的污染最小。因此，AlN 陶瓷材料在鋼鐵冶金、有色金屬冶煉、熱處理、石油化 工、煤氣制造領域有廣闊的應用前景。 六 、 企業(yè)的 生產 條件 1、主要設備清單 1） 臥式高溫燒結爐 10臺 2） 球磨粉碎機 16臺 3） 等靜壓機 4臺 4） 壓機 8 臺 5） 真空干燥箱 4 臺 6） 分級篩分機 8 臺 7） 霧化制粉設備 4套 2、占地面積 11、 77畝，主要建筑面積約 6000平方米 14 1） 生產廠房： 3200 m2 2） 實 驗 室： 300 m2 3） 原料庫房： 300 m2 4） 成品庫房： 300 m2 5） 辦公 及員工生活 用房： 1600m2 3、 固定資產投資（萬元） 臥式高溫燒結爐 180 球磨粉碎機 60 等靜壓機 195 壓機 90 真空干燥箱 12 分級篩分機 30 15 霧化制粉設備 90 其它設備 75 總計 732 4、土地、廠房建設投資（萬元） 土地 7768 平方米 150 生產廠房 3200 平方米 150 實驗室 300 平方米 60 原材料庫房 300平方米 25 成品倉庫 300 平方米 25 辦公、生活用房 1600 平方米 158 其它 200 總計 768 七 、 企業(yè)的技術功能 根據設備清單可以看出，企業(yè)利用這些設備除能夠生產本項目所論證的主體產品 AlN 粉體和陶瓷外，該企業(yè)實際上還具備了生產許多以粉體技術為主要工藝特征的新型材料 ,包括以下方面 : 16 1、 霧化法制備各類金屬和合金粉末 許多新型材料與產品都用到金屬或合金粉末，例如，鎳氫電池中的電極材料就是由鎳 -稀土合金制成。這種粉末采用了如下工藝路線： 合金熔煉 -凝固 -機械粉碎 -機械研磨 -粒度分級 如果用霧化法制粉技術，則工藝過程能夠得到簡化 : 合 金熔煉及霧化 -粒度分級 霧化法除具有工藝過程簡單的特點外 ,還有兩個突出的優(yōu)點： 1）由于在惰性氣體下霧化，所以粉末的含氧量很低； 2）霧化過程是一個快速冷卻過程，能夠使合金的成分非常均勻。這兩點使粉末的質量得到提高。 針對 國內 的工業(yè)特色，我們認為，開發(fā)這種技術是非常有意義的。因為國內外對稀土合金粉末的需求量日益增加，現有的稀土合金粉末主要是采用氫脆后再進行機械研