氮化铝工业化生产建设项目可行性研究报告

1 氮化铝工业化生产建设项目 可 行 性 研 究 报 告 八闽合成材料科技有限公司 二一年一月 2 目 录 一、项目概况 二、 项目简介 三、 创新性和技术路线 四 、 应用领域 五、 项目的特色 六、 企业的生产条件 七 、 企业的技术功能 八、经济效益 3 一、项目概况 1、 项目名称：氮化铝工业化生产建设 2、 项目投资导向：稀有、稀土金属深加工及其应用 3、 项目合作方式：资金技术合作 4、 项目建设性质：氮化铝粉末、氮化铝陶瓷生产 5、 项目承办单位： 福建合成材料科技有限公司 项目负责人： 赵鑫纯 联系电话：项目技术负责人： 张群 6、 项目实施地点： 沙洋 高新技术开发区 7、 项目建设项目期限 2010 年 8 月 1日到 2011 年 6 月 30 日 8、 建设项目内容及规模： （ 1）购置工业生产用地 11.77 亩，建生产厂房 3200 平方米，实验和质量检测室 、 原料及成品库房 900 平方米，办公及生活用房 1600 平方米等主要建筑面积 6000 平方米。 （ 2）招聘企业管理人员 7 人，专业技术人员 5 人，选聘培训生产技术工人 26 人 。 （ 3）购进先进生产 设备 及检测分析设备。 9、 总投资及资金筹 措：项目总投资 1500 万元，建设资金来源企业自筹。 10、 效益简述。 （ 1）主要产品：氮化铝粉末、氮化铝陶瓷、氮化铝基板等产品已在 4 我国电力电子行业冶金石化行业，以及军事用途上开始广泛应用，市场潜力大 。 （ 2）经济效益：项目建成投产后，可实现年产值 2720 万元，实现利税 760 万元。 （ 3）社会效益：通过项目的实现可为我市研发 生 产高新材料提供更新更高的技术平台，实现产、学、研相结合，进一步推动高新材料的研究和发展，实现社会、企业、科研院校双赢。 (4)环境影响：氮化铝工业化生产过程无有害气体和废弃 物 排放，是无毒无害产品。属非金属矿物制品业；属于国家鼓励的发展产业，可以达到环境保护指标要求。 二 、 项目简介 1、 氮化铝（ AlN）简介 AlN 是自然界中不存在的一种物质，只能通过人工合成获得。其主要特性包括： 1）有高的导热系数，其热传导能力大于金属铝，约为 Al2O3陶瓷的 10 倍； 2）低的热膨胀系数，与硅的相近，因此，以 AlN 陶瓷为基板或封装材料制成的电子元件具有很高的热稳定性； 3）高的机械强度，同 Al2O3 陶瓷相比室温强度相近，但高温强度大于 Al2O3陶瓷，因此 AlN 陶瓷可作为高温结构材料使用； 4）化学稳定性好， AlN 对许多熔融金属和熔盐以及高温化学气体有优异的抗腐蚀性，因此 AlN 陶瓷是一种理想的高温抗蚀材料。由 5 于 AlN 陶瓷具有上述优良的性质， AlN 陶瓷在许多领域将有广泛的应用。目前，人们普遍认为，这些领域主要包括：电力电子行业所使用的散热基片和封装材料、冶金石化等行业使用的高强抗蚀材料。 2、 项目背景 1989年美国 Lanxide公司发明了一种十分新颖的称为金属直接氧化法的陶瓷材料制备技术，又称 Lanxide 技术。这项技术一问世，就引起了世界材料界的广泛关注，各国纷纷投入资金进行跟踪研究。1991年，我国将此列为首批“ 863”国家高技术项目； 1992 年，该项目又获得国家自然科学基金的资助，批准号分别为： 863-715-09-5和 59102019，两个项目都包含了 AlN材料合成技术方面的研究内容。王群教授当时作为主要成员直接参与了这两项科研工作，并在此基础上，完成了他本人的博士论文 Lanxide AlN材料的合成机理。在以后的几年间，该项研究又先后多次获得国家、省部级科研资助，其中包括： 国家自然科学基金（批准号： 59802001） 中国博士后科研基金 辽宁省自然科学基金 国家教委科研基金 王群教授负责完成了以上几项科研 项目。鉴于他本人所从事的这项具有一定创新性的科研工作和取得的前期成果，王群教授获得了北京市 6 科技新星的称号，并得到北京市科委的专项资助：高导热 AlN/SiC 陶瓷复合材料的制备技术和器件化研究。通过多年的努力，目前已开发出具有我国自主知识产权、适宜于工业化生产的自反应合成 AlN 粉体技术。 2000 年申报了国家发明专利“氮化铝粉体的反应合成方法”受理号为： 00120742.3。 3、 国内外发展状况 随着电子技术向着小型化、高速化、高集成度方向的发展，元件的热耗散问题越来越引起人们的广泛重视。许多电子设备在使用过程中 由于个别元件的温度升高，造成整个系统的稳定性降低、可靠性下降，有时甚至还会出现高温烧毁现象。该现象主要在如下器件中经常出现： 1)微电子器件与电路 ;2)电力电子器件与模块 ;3)真空电子器件。可见散热好坏直接影响到电子设备的寿命和运行状况。这使得人们在不断开发新型电子产品的同时，也在寻求与器件发展相适应的先进散热技术，最为典型的就是计算机内的 CPU散热技术。所以说，散热技术已成为电子器件发展的关键，而研制高导热陶瓷材料又是散热技术的核心内容。由于目前市场上的电子元件多采用 Al2O3 陶瓷作为基板材料，这种基板材料 已不能满足元件高散热性的要求，急需开发新型高导热基板及封装材料，在这种情况下， AlN 陶瓷材料应运而生。 据报道，日本的氮化铝产量占世界产量的 70。主要用于计算机的冷却元件、铁路电气化机车的电源基板、新型燃气汽车的控制模、激光通信的二极管的基片，半导体元件等，最新用途是用于高容量的能源装置和光储系统（ Opticalstoragesystems）的计数装置。世界 7 上最大的氮化铝生产商 日本德山公司 1981 年开始生产氮化铝，到2002 年生产能力达到 240 吨。然而，氮化铝的使用量在不断增长，今年世界氮化铝市场需求出 现短缺。统计资料表明，近几年世界 AlN市场需求会达到 130亿美元，存在一个很大的 AlN粉体原料供给缺口。 我国从“七五”期间开始立项研究氮化铝，起步较晚。目前国内已有几家工厂可以生产，但大多是乡镇企业，技术不太成熟，生产的氮化铝陶瓷质量较低，这极大地影响了 AlN 陶瓷在许多行业（特别是电子行业）的应用。近些年来，我国科研人员进行了大量的 AlN研究工作，极大地促进了我国氮化铝陶瓷的开发生产能力。江苏省“八五”重点攻关项目 高导热氮化铝陶瓷已于去年通过鉴定。电子信息产业部在石家庄市建立了具有相当规模的 AlN 陶瓷 生产基地。珠海市已将氮化铝陶瓷基片的生产列为国家 8个火炬计划项目之一， 2000 年 8月 18 日珠海 Al2O3陶瓷基板生产线竣工， AlN 陶瓷基板正在试生产过程中。随着国内 AlN 陶瓷产量的不断提高，对高质量 AlN粉体的需求也进一步增大。目前，我国电子级 AlN 粉体原料还主要依赖于进口，又由于国内没有较强竞争力的 AlN粉体生产厂商，因此进口 AlN 粉体价格居高不下。在这种情况下，开发国产 AlN 粉体资源显得尤为必要。 三、 创新性和技术路线 AlN 陶瓷的应用有赖于粉体制造技术的提高， AlN 陶瓷成本过高限制了它的实际应用，其原 因可主要归结为两个方面： 1） AlN 原料粉价格高， 2） AlN 陶瓷烧结成本高。实际上，这两方面归根结蒂属同 8 一个技术问题，即，采用什么方法来合成低成本、易烧结的 AlN 粉体，同时严格控制粉体中的氧含量。 目前，国际上的一些大的 AlN 粉体原料供应商，如德山公司，主要是由 Al2O3碳热还原法生产，其反应方程式为： Al2O3 + 3C + N2 = 2AlN + 3CO （ 1） 这一方法有两方面的缺点： 1）属于固 -固反应类型，很难充分进行。可以看出，这种方法控制产物 的氧含量较为困难，如果配碳量少，则 Al2O3 还原不完全，成为产物的杂质氧源；如果配碳量多，则残存的 C 必须要由后续的烧碳工艺去除，即，在 600 800的氧化气氛中烧掉多余的 C，因此这个过程又使粉体的氧含量增加，造成 AlN 粉体质量下降，并且工艺复杂。 2）在 1700 1800的高温条件下进行，一方面对设备的要求提高，另一方面造成能耗增加，总的结果是使合成 AlN 粉体成本提高。 一种新的粉体合成技术 -自反应合成含有烧结助剂的 AlN粉体 本项目是在美国 Lanxide 技术公司发明的金属直接氧化法制备陶瓷基块体复合 材料基础上通过合金掺杂方法开发的一种新的粉体制备技术，反应原理如下： Al Me液态 + N2 AlN + Me疏松产物 （ 2） 同传 统的碳热还原法相比，这种方法具备三方面的优势： 1）采用合金原料，避开了杂质氧源，因而合成粉体的含氧量会大大降低； 2）AlN 的生成与烧结助剂的复合是同时完成，因而烧结助剂与 AlN 粉的 9 混合均匀性增加，这对于提高粉体的易烧结性十分有利，另外，由于省去了后续的烧结助剂混料过程，因此避免了氧元素的进入； 3）整个合成过程在低于 1200的温度下进行，同碳热还原法的 1800相比低了 600，仅此一项就能极大地降低 AlN 的合成成本。 表 1 不同方法合成 AlN 粉的主要化学组成 合 成 方 法 含量（） 氮铝原子比 研究者 N Al O Al2O3 碳热还原法 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 碳热还原法 32.5 65.8 1.25 0.4939 Atochem Al2O3 碳热还原法 32.45 66.0 1.25 0.4924 Tokuyama soda 原位合成法 32.48 65.3 1.23 0.4974 北京工业大学 原位复合法 33.20 66.64 0.16 0.4983 Y2O3 北京工业大学 10 4.38% 激光粒度衍射分析仪粒径分布结果： AlN 粉的平均粒径为 2.58 m，粒径分布曲线呈现双峰现象。 技术路线： 四 、 应用领域 AlN 陶瓷材料在电子封装和基板、高温绝缘材料、红外窗口材料、声表面器件材料等方面均有广阔的应用前景。 1 电子基板和封装材料 换向组 件基板 超高频功率增幅器基板 点火器基板 厚膜混合组件基板 大规模集成电路包封 LED、激光二极管等方面的应用 合金配置 疏松产物 密封装罐 粉化 粒度分级 原位复合 11 绝缘散热板 2 耐热材料 由于与 Al、 Cu、 Ag、 Pb 等金属熔融液难以浸润，所以适用于作 坩埚、保护管以及烧结用的器具； 由于对熔融盐是稳定的，所以期待作为磁流体发电（ MHD）以及 高温气体透平等耐蚀部件使用； 由于真空中蒸气压低，所以被用作金等蒸发器； 非氧化气氛下直到 2000是稳定的，所以可用作非氧化气氛下使用的耐火材料的骨料使用。 3 其他应用 红外线，雷 达透过材料 AlN BN系可机加工陶瓷 Sialon、 SiC 等陶瓷烧结用添加剂 树脂体料中高导热填料 五、 项目的特色 12 1资源优势 制备氮化铝的主要原料是铝和稀土元素，由复合氮化铝粉体烧结制备的 AlN 陶瓷是一种稀土功能陶瓷材料。从资源角度考虑，铝及稀土元素都是 我国 的富有资源，从产品的技术先进性方面考虑， AlN 陶瓷是当前新型材料研究的热点，应用领域属高科技范畴。因此，这项技术的开发利用，在稀土应用领域能够促进我区由资源优势向产品优势的转化。 2产品优势 钢铁、稀土及其它有色金属冶金是我区的重要产业。据 调查，每年仅包钢和铝厂用于冶金温度测量的热电偶及保护套管的消耗大约有 200 万元以上。由于没有适用的热电偶保护套管，一方面使冶金过程的自动化程度不能得到进一步的提高，另一方面由于温度控制不准，造成产品质量降低和能耗增加的问题。采用氮化铝陶瓷保护管，能够实现连续温度控制，并能较好地解决上述不良问题。 冶金行业产品质量及自动化水平的提高对温度测量及控制有很高的要求。在高温、熔蚀条件下，一般是采用红外辐射的间接方法进行温度测量，很难直接使用接触式热电偶测量，其原因就是没有合适的热电偶保护管。冶金环境对热电偶保护套管 的性能要求有三点： 1) 优良的抗腐蚀性； 2) 优良的导热性； 3) 优良的抗热震性。采用传统的氧化物陶瓷，如三氧化二铝陶瓷不具备上述三个基本条件。如果用AlN 陶瓷制造热电偶保护管则可以满足这些条件，能够应用于铝、稀土、铜等有色金属以及钢铁冶金。 AlN陶瓷还对许多高温熔盐、化学 13 介质环境同样有很好的抗腐蚀性，因此， AlN陶瓷可作为在这些场合下使用的特种耐蚀材料和部件，如， AlN 陶瓷是熔炼新型半导体材料砷化镓的最佳材料，制成的熔炼坩埚，对砷化镓的污染最小。因此，AlN 陶瓷材料在钢铁冶金、有色金属冶炼、热处理、石油化 工、煤气制造领域有广阔的应用前景。 六 、 企业的 生产 条件 1、主要设备清单 1） 卧式高温烧结炉 10台 2） 球磨粉碎机 16台 3） 等静压机 4台 4） 压机 8 台 5） 真空干燥箱 4 台 6） 分级筛分机 8 台 7） 雾化制粉设备 4套 2、占地面积 11、 77亩，主要建筑面积约 6000平方米 14 1） 生产厂房： 3200 m2 2） 实 验 室： 300 m2 3） 原料库房： 300 m2 4） 成品库房： 300 m2 5） 办公 及员工生活 用房： 1600m2 3、 固定资产投资（万元） 卧式高温烧结炉 180 球磨粉碎机 60 等静压机 195 压机 90 真空干燥箱 12 分级筛分机 30 15 雾化制粉设备 90 其它设备 75 总计 732 4、土地、厂房建设投资（万元） 土地 7768 平方米 150 生产厂房 3200 平方米 150 实验室 300 平方米 60 原材料库房 300平方米 25 成品仓库 300 平方米 25 办公、生活用房 1600 平方米 158 其它 200 总计 768 七 、 企业的技术功能 根据设备清单可以看出，企业利用这些设备除能够生产本项目所论证的主体产品 AlN 粉体和陶瓷外，该企业实际上还具备了生产许多以粉体技术为主要工艺特征的新型材料 ,包括以下方面 : 16 1、 雾化法制备各类金属和合金粉末 许多新型材料与产品都用到金属或合金粉末，例如，镍氢电池中的电极材料就是由镍 -稀土合金制成。这种粉末采用了如下工艺路线： 合金熔炼 -凝固 -机械粉碎 -机械研磨 -粒度分级 如果用雾化法制粉技术，则工艺过程能够得到简化 : 合 金熔炼及雾化 -粒度分级 雾化法除具有工艺过程简单的特点外 ,还有两个突出的优点： 1）由于在惰性气体下雾化，所以粉末的含氧量很低； 2）雾化过程是一个快速冷却过程，能够使合金的成分非常均匀。这两点使粉末的质量得到提高。 针对 国内 的工业特色，我们认为，开发这种技术是非常有意义的。因为国内外对稀土合金粉末的需求量日益增加，现有的稀土合金粉末主要是采用氢脆后再进行机械研