氮化鋁工業(yè)化生產(chǎn)建設(shè)項目可行性研究報告

1 氮化鋁工業(yè)化生產(chǎn)建設(shè)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(shù)路線 四 、 應(yīng)用領(lǐng)域 五、 項目的特色 六、 企業(yè)的生產(chǎn)條件 七 、 企業(yè)的技術(shù)功能 八、經(jīng)濟(jì)效益 3 一、項目概況 1、 項目名稱：氮化鋁工業(yè)化生產(chǎn)建設(shè) 2、 項目投資導(dǎo)向：稀有、稀土金屬深加工及其應(yīng)用 3、 項目合作方式：資金技術(shù)合作 4、 項目建設(shè)性質(zhì)：氮化鋁粉末、氮化鋁陶瓷生產(chǎn) 5、 項目承辦單位： 福建合成材料科技有限公司 項目負(fù)責(zé)人： 趙鑫純 聯(lián)系電話：項目技術(shù)負(fù)責(zé)人： 張群 6、 項目實施地點： 沙洋 高新技術(shù)開發(fā)區(qū) 7、 項目建設(shè)項目期限 2010 年 8 月 1日到 2011 年 6 月 30 日 8、 建設(shè)項目內(nèi)容及規(guī)模： （ 1）購置工業(yè)生產(chǎn)用地 11.77 畝，建生產(chǎn)廠房 3200 平方米，實驗和質(zhì)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(shù)人員 5 人，選聘培訓(xùn)生產(chǎn)技術(shù)工人 26 人 。 （ 3）購進(jìn)先進(jìn)生產(chǎn) 設(shè)備 及檢測分析設(shè)備。 9、 總投資及資金籌 措：項目總投資 1500 萬元，建設(shè)資金來源企業(yè)自籌。 10、 效益簡述。 （ 1）主要產(chǎn)品：氮化鋁粉末、氮化鋁陶瓷、氮化鋁基板等產(chǎn)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(yīng)用，市場潛力大 。 （ 2）經(jīng)濟(jì)效益：項目建成投產(chǎn)后，可實現(xiàn)年產(chǎn)值 2720 萬元，實現(xiàn)利稅 760 萬元。 （ 3）社會效益：通過項目的實現(xiàn)可為我市研發(fā) 生 產(chǎn)高新材料提供更新更高的技術(shù)平臺，實現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，進(jìn)一步推動高新材料的研究和發(fā)展，實現(xiàn)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(chǎn)過程無有害氣體和廢棄 物 排放，是無毒無害產(chǎn)品。屬非金屬礦物制品業(yè)；屬于國家鼓勵的發(fā)展產(chǎn)業(yè)，可以達(dá)到環(huán)境保護(hù)指標(biāo)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(zhì)，只能通過人工合成獲得。其主要特性包括： 1）有高的導(dǎo)熱系數(shù)，其熱傳導(dǎo)能力大于金屬鋁，約為 Al2O3陶瓷的 10 倍； 2）低的熱膨脹系數(shù)，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(jī)械強(qiáng)度，同 Al2O3 陶瓷相比室溫強(qiáng)度相近，但高溫強(qiáng)度大于 Al2O3陶瓷，因此 AlN 陶瓷可作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用； 4）化學(xué)穩(wěn)定性好， AlN 對許多熔融金屬和熔鹽以及高溫化學(xué)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(zhì)， AlN 陶瓷在許多領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用。目前，人們普遍認(rèn)為，這些領(lǐng)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(qiáng)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(shù)，又稱 Lanxide 技術(shù)。這項技術(shù)一問世，就引起了世界材料界的廣泛關(guān)注，各國紛紛投入資金進(jìn)行跟蹤研究。1991年，我國將此列為首批“ 863”國家高技術(shù)項目； 1992 年，該項目又獲得國家自然科學(xué)基金的資助，批準(zhǔn)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(shù)方面的研究內(nèi)容。王群教授當(dāng)時作為主要成員直接參與了這兩項科研工作，并在此基礎(chǔ)上，完成了他本人的博士論文 Lanxide AlN材料的合成機(jī)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(xué)基金（批準(zhǔn)號： 59802001） 中國博士后科研基金 遼寧省自然科學(xué)基金 國家教委科研基金 王群教授負(fù)責(zé)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(dǎo)熱 AlN/SiC 陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)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(chǎn)權(quán)、適宜于工業(yè)化生產(chǎn)的自反應(yīng)合成 AlN 粉體技術(shù)。 2000 年申報了國家發(fā)明專利“氮化鋁粉體的反應(yīng)合成方法”受理號為： 00120742.3。 3、 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 隨著電子技術(shù)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(shè)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(xiàn)高溫?zé)龤КF(xiàn)象。該現(xiàn)象主要在如下器件中經(jīng)常出現(xiàn)： 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?？梢娚岷脡闹苯佑绊懙诫娮釉O(shè)備的壽命和運(yùn)行狀況。這使得人們在不斷開發(fā)新型電子產(chǎn)品的同時，也在尋求與器件發(fā)展相適應(yīng)的先進(jìn)散熱技術(shù)，最為典型的就是計算機(jī)內(nèi)的 CPU散熱技術(shù)。所以說，散熱技術(shù)已成為電子器件發(fā)展的關(guān)鍵，而研制高導(dǎo)熱陶瓷材料又是散熱技術(shù)的核心內(nèi)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(dǎo)熱基板及封裝材料，在這種情況下， AlN 陶瓷材料應(yīng)運(yùn)而生。 據(jù)報道，日本的氮化鋁產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的 70。主要用于計算機(jī)的冷卻元件、鐵路電氣化機(jī)車的電源基板、新型燃?xì)馄嚨目刂颇?、激光通信的二極管的基片，半導(dǎo)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(shù)裝置。世界 7 上最大的氮化鋁生產(chǎn)商 日本德山公司 1981 年開始生產(chǎn)氮化鋁，到2002 年生產(chǎn)能力達(dá)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(xiàn)短缺。統(tǒng)計資料表明，近幾年世界 AlN市場需求會達(dá)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(nèi)已有幾家工廠可以生產(chǎn)，但大多是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，技術(shù)不太成熟，生產(chǎn)的氮化鋁陶瓷質(zhì)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(yīng)用。近些年來，我國科研人員進(jìn)行了大量的 AlN研究工作，極大地促進(jìn)了我國氮化鋁陶瓷的開發(fā)生產(chǎn)能力。江蘇省“八五”重點攻關(guān)項目 高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷已于去年通過鑒定。電子信息產(chǎn)業(yè)部在石家莊市建立了具有相當(dāng)規(guī)模的 AlN 陶瓷 生產(chǎn)基地。珠海市已將氮化鋁陶瓷基片的生產(chǎn)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(chǎn)線竣工， AlN 陶瓷基板正在試生產(chǎn)過程中。隨著國內(nèi) AlN 陶瓷產(chǎn)量的不斷提高，對高質(zhì)量 AlN粉體的需求也進(jìn)一步增大。目前，我國電子級 AlN 粉體原料還主要依賴于進(jìn)口，又由于國內(nèi)沒有較強(qiáng)競爭力的 AlN粉體生產(chǎn)廠商，因此進(jìn)口 AlN 粉體價格居高不下。在這種情況下，開發(fā)國產(chǎn) AlN 粉體資源顯得尤為必要。 三、 創(chuàng)新性和技術(shù)路線 AlN 陶瓷的應(yīng)用有賴于粉體制造技術(shù)的提高， AlN 陶瓷成本過高限制了它的實際應(yīng)用，其原 因可主要歸結(jié)為兩個方面： 1） AlN 原料粉價格高， 2） AlN 陶瓷燒結(jié)成本高。實際上，這兩方面歸根結(jié)蒂屬同 8 一個技術(shù)問題，即，采用什么方法來合成低成本、易燒結(jié)的 AlN 粉體，同時嚴(yán)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(yīng)商，如德山公司，主要是由 Al2O3碳熱還原法生產(chǎn)，其反應(yīng)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(yīng)類型，很難充分進(jìn)行?？梢钥闯?，這種方法控制產(chǎn)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(chǎn)物的雜質(zhì)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(zhì)量下降，并且工藝復(fù)雜。 2）在 1700 1800的高溫條件下進(jìn)行，一方面對設(shè)備的要求提高，另一方面造成能耗增加，總的結(jié)果是使合成 AlN 粉體成本提高。 一種新的粉體合成技術(shù) -自反應(yīng)合成含有燒結(jié)助劑的 AlN粉體 本項目是在美國 Lanxide 技術(shù)公司發(fā)明的金屬直接氧化法制備陶瓷基塊體復(fù)合 材料基礎(chǔ)上通過合金摻雜方法開發(fā)的一種新的粉體制備技術(shù)，反應(yīng)原理如下： Al Me液態(tài) + N2 AlN + Me疏松產(chǎn)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(zhì)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(jié)助劑的復(fù)合是同時完成，因而燒結(jié)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(jié)性十分有利，另外，由于省去了后續(xù)的燒結(jié)助劑混料過程，因此避免了氧元素的進(jìn)入； 3）整個合成過程在低于 1200的溫度下進(jìn)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(xué)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(xué) 原位復(fù)合法 33.20 66.64 0.16 0.4983 Y2O3 北京工業(yè)大學(xué) 10 4.38% 激光粒度衍射分析儀粒徑分布結(jié)果： AlN 粉的平均粒徑為 2.58 m，粒徑分布曲線呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。 技術(shù)路線： 四 、 應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(yīng)用 合金配置 疏松產(chǎn)物 密封裝罐 粉化 粒度分級 原位復(fù)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(hù)管以及燒結(jié)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(yīng)用 紅外線，雷 達(dá)透過材料 AlN BN系可機(jī)加工陶瓷 Sialon、 SiC 等陶瓷燒結(jié)用添加劑 樹脂體料中高導(dǎo)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(fù)合氮化鋁粉體燒結(jié)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(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性方面考慮， AlN 陶瓷是當(dāng)前新型材料研究的熱點，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)俑呖萍挤懂?。因此，這項技術(shù)的開發(fā)利用，在稀土應(yīng)用領(lǐng)域能夠促進(jìn)我區(qū)由資源優(yōu)勢向產(chǎn)品優(yōu)勢的轉(zhuǎn)化。 2產(chǎn)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(chǎn)業(yè)。據(jù) 調(diào)查，每年僅包鋼和鋁廠用于冶金溫度測量的熱電偶及保護(hù)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(hù)套管，一方面使冶金過程的自動化程度不能得到進(jìn)一步的提高，另一方面由于溫度控制不準(zhǔn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量降低和能耗增加的問題。采用氮化鋁陶瓷保護(hù)管，能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)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(jìn)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(hù)管。冶金環(huán)境對熱電偶保護(hù)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(dǎo)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(hù)管則可以滿足這些條件，能夠應(yīng)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(xué) 13 介質(zhì)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(dǎo)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(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 六 、 企業(yè)的 生產(chǎn) 條件 1、主要設(shè)備清單 1） 臥式高溫?zé)Y(jié)爐 10臺 2） 球磨粉碎機(jī) 16臺 3） 等靜壓機(jī) 4臺 4） 壓機(jī) 8 臺 5） 真空干燥箱 4 臺 6） 分級篩分機(jī) 8 臺 7） 霧化制粉設(shè)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(chǎn)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(chǎn)投資（萬元） 臥式高溫?zé)Y(jié)爐 180 球磨粉碎機(jī) 60 等靜壓機(jī) 195 壓機(jī) 90 真空干燥箱 12 分級篩分機(jī) 30 15 霧化制粉設(shè)備 90 其它設(shè)備 75 總計 732 4、土地、廠房建設(shè)投資（萬元） 土地 7768 平方米 150 生產(chǎn)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(shù)功能 根據(jù)設(shè)備清單可以看出，企業(yè)利用這些設(shè)備除能夠生產(chǎn)本項目所論證的主體產(chǎn)品 AlN 粉體和陶瓷外，該企業(yè)實際上還具備了生產(chǎn)許多以粉體技術(shù)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(chǎn)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(jī)械粉碎 -機(jī)械研磨 -粒度分級 如果用霧化法制粉技術(shù)，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(zhì)量得到提高。 針對 國內(nèi) 的工業(yè)特色，我們認(rèn)為，開發(fā)這種技術(shù)是非常有意義的。因為國內(nèi)外對稀土合金粉末的需求量日益增加，現(xiàn)有的稀土合金粉末主要是采用氫脆后再進(jìn)行機(jī)械研