氧化锆纳米粉:5G手机背后的新材料

传统的氧化锆粉体生产过程会产生大量的废弃物，尤其是大量难以处理的低浓度碱性废水，会造成严重的环境污染。高能球磨是一种节能高效的材料制备技术，可以提高氧化锆陶瓷的致密性和分散性，具有良好的工业应用前景。

随着5G技术的到来，智能手机正在悄然改变自己的“装备”。

5G通信的频谱在3 Ghz以上，毫米波的波长很短。5G手机如果采用金属背板，会严重干扰或屏蔽信号。因此，具有无信号屏蔽、硬度高、印象强、接近金属材料优异热性能等特点的陶瓷材料逐渐成为手机企业进入5G时代的重要选择。内蒙古科技大学教授鲍告诉记者，作为一种重要的无机非金属材料，新型陶瓷材料已经成为智能手机背板材料的最佳选择。

5G时代的手机背板需要升级

内蒙古晶瓷锆业有限公司(以下简称晶瓷锆业)总经理王告诉记者，根据全球知名研究机构Counterpoint发布的数据，2020年全球智能手机出货量为13.31亿部。随着手机背板用氧化锆陶瓷需求的上升，其研发和制备技术也开始备受关注。

氧化锆陶瓷材料作为一种技术含量很高的新型陶瓷材料，能够胜任金属材料、高分子材料和大多数其他陶瓷材料所不能胜任的恶劣工作环境。氧化锆陶瓷产品作为结构件，应用于能源、航空航天、机械、汽车、医疗等多个行业。全球年消费量超过8万吨。

随着5G时代的到来，陶瓷器件在制作手机背板方面展现出了更大的技术优势，因此氧化锆陶瓷具有更广阔的发展前景。“氧化锆陶瓷的性能直接取决于粉体的性能，因此高性能粉体可控制备技术的开发成为氧化锆陶瓷制备和高性能氧化锆陶瓷器件开发中最关键的环节。”王坦率地说。

追求绿色环保的高能球磨方法

据专家介绍，我国采用湿法化学工艺生产氧化锆纳米粉体，采用稀土氧化物作为稳定剂生产氧化锆纳米粉体。该工艺具有处理量大、化学成分均匀性好的特点，但其缺点是在生产过程中会产生大量的废弃物，特别是大量难以处理的低浓度碱性废水，如果处理不当会对生态环境造成严重的污染和破坏。

“据调查，生产一吨氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体需要50吨左右的水，会产生大量废水，废水的回收处理大大增加了生产成本。”王对说道。

随着我国环境保护法的完善，湿化学法制备氧化锆纳米粉体的企业面临着前所未有的困难。因此，开发一种绿色、低成本的氧化锆纳米粉体制备技术成为行业的当务之急。

“在此背景下，采用更清洁、能耗更低的生产工艺制备氧化锆纳米粉体成为研究热点，其中最受科技界追捧的是高能球磨法。”金宝的小说说。

高能球磨是指利用机械能诱导材料发生化学反应或改变材料的结构和性能，从而制备新材料。作为一种新技术，它可以明显降低反应活化能，细化晶粒，大大提高粉末颗粒的分布均匀性，增强基体间的界面结合，促进固体离子扩散，诱发低温化学反应，从而提高材料的致密性和分散性。是一种节能高效的材料制备技术，具有良好的工业应用前景

据王介绍，目前我国新型陶瓷制造业正处于快速发展阶段，对陶瓷粉体的需求逐年增加，因此开发纳米氧化锆的生产新工艺越来越迫切。近两年，国内部分科研院所和企业开始自主研发生产氧化锆纳米粉体，但大部分研发仍处于实验室小规模试生产阶段，产量小、品种单一。

在晶体陶瓷锆业实施的“彩色稀土氧化锆纳米粉体”项目中，采用高能球磨和固相反应制备氧化锆纳米粉体。“以水为研磨介质，可将颗粒粉碎、细化，得到100纳米大小的非团聚颗粒粉末，无污染，成本低，批次稳定性好。”金宝的小说说。该制备技术不仅可以满足5G手机陶瓷背板、航空涡轮发动机热障涂层材料、陶瓷球、陶瓷刀等产品的粉体要求，还可以在制备更多的氧化铈复合粉体等陶瓷粉体中推广应用。

根据晶瓷锆业技术团队自主研发的着色机理，在不引入过量金属离子的前提下，优化工艺，采用固相合成和复合方法进行着色。用这种方法制备的氧化锆陶瓷不仅色饱和度高、润湿性好，而且不影响氧化锆陶瓷原有的力学性能。

“基于新技术生产的彩色稀土氧化锆粉体原始粒度为纳米，具有粒度均匀、烧结活性高、烧结温度低的特点。与传统生产工艺相比，综合能耗显著降低，生产效率和陶瓷加工成品率大大提高。由其制备的先进陶瓷器件具有高强度、高韧性和高硬度等优异性能。”王对说道。