湖南大学项目可行性研究

1、PAGE PAGE 7年产50000吨吨低成本本高可靠靠性纳米米微晶陶陶瓷产业化技技术可行行性研究究报告湖南大学学材料科科学与工工程学院院20033年100月总 论论（一）项项目概述述本项目以以天然矿矿物和冶冶金工业业废渣为为主要原原料，通通过材料料设计方方法，采采用高温温溶胶凝胶工工艺和原原位受控控晶化技技术，在在高性能能低成本本纳米陶陶瓷的制制备技术术方面取取得了突突破，是是一项属属于国内内首创的的制备纳纳米陶瓷瓷制品的的新工艺艺、新技技术，具具有很好好的产业业化前景景。用该项技技术制备备的高耐耐磨纳米米微晶陶陶瓷结构构均匀致致密，抗抗弯强度度可达3300MMPa，显显微硬度度1012GG

2、Pa，密度22.72.88g/ccm3，自磨磨损率不不到氧化化铝陶瓷瓷的200，可可机加工工性和耐耐腐蚀好好，可广广泛用作作具有高高附加值值的耐磨磨结构材材料，如如研磨体体、陶瓷瓷轴承、机械密密封件、纺织瓷瓷件、管管道、阀阀门等。为将该项项目技术术推向产产业化，现已投投资1110万元元，在湖湖南大学学建成了了一条年年产2000吨纳纳米微晶晶陶瓷的的中试生生产线。该中试试生产线线的工艺艺流程及及主要设设备的设设计与550000吨产业业化生产产线基本本相同，可同时时或单独独使用电电和液化化气两种种能源，工艺参参数调整整范围大大，以适适应不同同产品对对工艺条条件的需需要。目目前用该该中试生生产线已已

3、成功制制备了各各种规格格的研磨磨球和耐耐磨衬片片。该技技术的另另一重要要特点是是：用一一套玻璃璃熔制和和微晶化化设备可可同时制制备多种种纳米微微晶陶瓷瓷制品，产品品品种可依依市场需需求灵活活调整，市场应应变能力力强。纳纳米微晶晶陶瓷制制品的制制造成本本不到氧氧化铝陶陶瓷的330，此外，可利用用工业废废渣，有有利于环环境保护护和社会会经济的的可持续续发展。建设一条条年产550000吨的纳纳米微晶晶陶瓷生生产线，项目总总投资需需36660万元元（含225的的技术无无形资产产），建建成后可可实现年年产值1105000万元元，年利利税34420万万元，投投资回收收期约11.7年（不含建建设期）。可生生

4、产的主主要产品品为高性性能耐磨磨结构陶陶瓷系列列产品，如研磨磨体、耐耐磨衬片片、纺织织瓷件、阀门芯芯片、轴轴承、机机械密封封件等。（二）立立项意义义及必要要性纳米材料料由于具具有许多多独特的的优异性性能而成成为现代代材料科科学的研研究热点点。目前前在纳米米粉末的的制备技技术方面面取得了了很大进进展，各各种纳米米粉末已已开始工工业化生生产并获获得日益益广泛的的应用。然而，用纳米米粉末来来制备纳纳米陶瓷瓷时，由由于纳米米粉末的的活性很很高，高高温烧结结时晶粒粒生长很很快，绝绝大多数数情况下下获得的的不是纳纳米陶瓷瓷，而是是亚微米米甚至微微米陶瓷瓷。只有有采用热热压、热热等静压压烧结或或者小试试样的

5、快快速等温温烧结，才可能能获得致致密烧结结的块体体纳米陶陶瓷。在在这种工工艺条件件下，一一是对烧烧成设备备的技术术要求很很高，二二是很难难制备复复杂形状状和大尺尺寸的纳纳米陶瓷瓷制品。因此，开发一一种高性性能低成成本的纳纳米陶瓷瓷制备新新技术，是使纳纳米陶瓷瓷制品实实现产业业化并获获得广泛泛应用的的关键。本项目所所开发的的纳米陶陶瓷制品品是一种种较理想想的高温温自润滑滑耐磨材材料，可可在高温温、腐蚀蚀、无润润滑等恶恶劣环境境下用作作耐磨结结构材料料，如研研磨体、陶瓷轴轴承、机机械密封封件、纺纺织瓷件件、管道道、阀门门、耐磨磨衬板等等，对提提升传统统耐磨结结构材料料的可靠靠性和技技术含量量，推动

6、动机械制制造、化化工、轻轻纺等相相关产业业的技术术进步有有积极意意义。此此外，本本项目可可利用工工业废渣渣来制备备纳米陶陶瓷，是是一项集集新材料料研制、固体废废弃物再再生利用用和环境境保护于于一体的的具有显显著社会会经济效效益和推推广应用用价值的的课题，对提高高冶金工工业废渣渣的利用用率和附附加值，降低其其对环境境污染的的压力具具有重要要意义。（三）项项目的技技术特点点及水平平本项目运运用材料料设计理理论，采采用高温温溶胶凝胶工工艺和原原位受控控晶化技技术，以以天然矿矿物和冶冶金工业业废渣为为主要原原料，先先将粗颗颗粒原料料熔制为为均质的的玻璃体体，然后后从玻璃璃中原位位析出晶晶相含量量达90

7、0以上上，晶粒粒为5002000nm的纳纳米级晶晶粒。通通过大量量实验和和理论分分析，目目前已成成功地开开发了多多种纳米米微晶陶陶瓷制品品，并能能从组成成和微晶晶化工艺艺方面来来有效控控制晶相相组成、晶粒大大小及晶晶相含量量，测试试了该材材料的力力学性能能和摩擦擦学性能能，卓有有成效地地开展了了许多具具有原创创性的研研发工作作，技术术水平属属国际首首创，为为高性能能低成本本纳米微微晶陶瓷瓷的产业业化奠定定了坚实实的基础础。本项目开开发的纳纳米微晶晶陶瓷达达到以下下技术质质量指标标： 抗压强强度：12000MPPa； 显微硬硬度：10GGPa； 体积密密度：2.77g/ccm3 自磨损损率：以以

8、国产最最高质量量玻璃微微珠作参参照物，磨损率率小于同同规格玻玻璃微珠珠的500。（四）项项目实施施产业化化的优势势和风险险本项目在在国家自自然科学学基金和和湖南省省中青年年人才基基金的资资助下，开展了了较系统统和深入入的基础础研究，取得了了具有很很好产业业化前景景的实验验研究成成果。在在国家高高效磨削削工程技技术研究究中心产产业化投投资基金金的支持持下，已已完成了了中试研研究和部部分产品品的开发发，试制制的产品品经投入入市场实实际应用用，用户户对其耐耐磨损和和耐腐蚀蚀性能十十分满意意，达到到了预期期的效果果。本项项目实施施产业化化的优势势在于：1、采用用高温溶溶胶凝凝胶工艺艺和原位位受控晶晶化

9、技术术来制备备纳米微微晶陶瓷瓷的新工工艺属国国际首创创，技术术含量高高，具有有技术先先进的优优势；2、采用用天然矿矿物和工工业废渣渣为主要要原料，廉价易易得，具具有原材材料成本本低的优优势；3、高温温溶胶凝胶工工艺源于于玻璃的的制备工工艺，自自动化程程度高，成熟可可靠；而而原位受受控晶化化技术则则借鉴了了微晶玻玻璃的制制备工艺艺，主要要在析晶晶速度和和晶粒大大小的控控制方面面取得了了突破性性成果，是微晶晶玻璃制制备技术术的提升升和进步步，因此此，采用用的工艺艺技术路路线具有有良好的的工业基基础优势势；4、可利利用工业业废渣，有利于于环境保保护和资资源的再再生利用用，符合合国家环环保和产产业化政

10、政策；5、可开开发的产产品品种种多，性性能价格格比大大大优于同同类产品品，具有有很好的的市场竞竞争力和和抗市场场风险的的优势。本项目在在产业化化实施过过程中的的主要风风险是由由于玻璃璃料的组组成有别别于其它它玻璃料料，玻璃璃熔体的的成形温温度范围围窄，对对成形某某些复杂杂形状的的产品有有一定的的技术难难度。二、项目目技术可可行性和和成熟性性分析（一）项项目的技技术创新新点1、首创创了由非非晶固体体原位晶晶化制备备纳米陶陶瓷的新新技术用高温溶溶胶凝凝胶工艺艺和原位位受控晶晶化技术术制备纳纳米陶瓷瓷制品，是一种种完全不不同于高高温烧结结法的纳纳米陶瓷瓷制备新新技术。由于该该技术可可从工艺艺路线上上

11、彻底解解决纳米米粉末的的来源、粉末的的团聚与与分散性性、高温温烧结时时的致密密化与晶晶粒长大大等一系系列传统统陶瓷制制备技术术中难以以解决的的科学和和工程化化问题，是最具具产业化化前景的的高性能能低成本本纳米陶陶瓷制备备新技术术。2、获得得了低成成本连续续生产纳纳米晶陶陶瓷制品品的新工工艺纳米陶瓷瓷虽然具具有许多多优异性性能，但但高昂的的制备成成本和难难以控制制的晶粒粒尺寸是是制约其其广泛应应用的关关键。本本项目采采用天然然矿物和和工业废废渣为主主要原料料，且可可用几十十目的粗粗粉末，综合原原料成本本可控制制在10000元元吨以以内，且且可连续续工业化化生产，使纳米米微晶陶陶瓷的产产业化生生产

12、成本本可降至至25000元吨以内内，与普普通陶瓷瓷相当，为955氧化铝铝陶瓷的的30。3、实现现了晶相相组成、晶粒大大小和晶晶相含量量的控制制技术用本项目目制备的的纳米微微晶陶瓷瓷，其晶晶相组成成、晶粒粒大小和和晶相含含量可通通过材料料组成设设计、工工艺参数数调整来来较准确确地控制制，以满满足不同同应用条条件对材材料性能能的要求求。（二）项项目的技技术成熟熟性和产产品的可可靠性本项目是是在国家家自然科科学基金金和湖南南省中青青年人才才基金的的资助下下完成的的。近五五年来，项目负负责人肖肖汉宁教教授领导导的研究究小组开开展了较较系统和和深入的的基础研研究，特特别是在在玻璃料料的组成成设计、晶核剂

13、剂的选择择及作用用机理、核化晶晶化工艺艺制度等等方面进进行大量量而系统统的实验验研究，已取得得具有很很好产业业化前景景的研究究成果。该项成成果已通通过中试试研究和和新产品品的开发发，基本本解决了了在产业业化过程程中可能能出现的的工艺和和装备设设计等问问题，并并成功开开发了各各种规格格的研磨磨球和耐耐磨衬片片，产品品经用户户试用，对其耐耐磨损和和耐腐蚀蚀性能十十分满意意。此外外，由于于制备的的纳米微微晶陶瓷瓷具有十十分致密密的且均均匀的显显微结构构，产品品性能比比烧结陶陶瓷具有有更高的的可靠性性。本项目的的另一重重要优势势是在原原料和工工艺技术术路线的的选择上上从一开开始就充充分考虑虑了产业业化

14、的问问题，即即原材料料的廉价价易得和和工艺技技术的成成熟可靠靠性。项项目采用用天然矿矿物和工工业废渣渣为主要要原料，且所有有添加原原料都是是国产化化工原料料，符合合廉价易易得的原原则。高高温溶胶胶凝胶胶工艺源源于玻璃璃的制备备工艺，自动化化程度高高，成熟熟可靠，玻璃池池窑和相相关成形形设备已已有专业业制造企企业，其其技术水水平接近近国外先先进水平平。原位位受控晶晶化技术术借鉴了了微晶玻玻璃的制制备工艺艺，主要要在析晶晶速度和和晶粒大大小的控控制方面面取得了了突破性性进展，是微晶晶玻璃制制备技术术的提升升和进步步，相关关设备可可由玻璃璃和陶瓷瓷行业的的专业设设备厂制制造。因因此，采采用的工工艺技

15、术术路线具具有良好好的工业业基础，工装设设备有定定型产品品或由专专业制造造厂承制制，具有有显著的的先进性性和成熟熟可靠性性。由于本项项目已完完成中试试研究和和部分产产品的开开发，且且中试生生产线的的工艺技技术路线线与本项项目拟建建设的550000吨产业业化生产产线相同同，因此此，中试试成果获获得产业业化应用用的前景景非常看看好，已已有包括括世界5500强强之一的的美国MMoleex公司司在内的的国内外外多家企企业在探探讨该项项目的产产业化合合作事宜宜，密切切关注着着该项目目的进展展。三、项目目产品市市场调研研和竞争争力预测测项目开发发的纳米米微晶陶陶瓷是一一种机械械和化学学性能优优异的新新材料

16、，可在高高温、腐腐蚀、无无润滑等等恶劣环环境下用用作耐磨磨结构材材料，如如陶瓷轴轴承、机机械密封封件、纺纺织瓷件件、研磨磨体、管管道、阀阀门、耐耐磨衬板板、化工工填料等等。同时时，纳米米微晶陶陶瓷也是是一种优优良的电电子结构构陶瓷，可替代代滑石瓷瓷和氧化化铝陶瓷瓷用作电电子装置置用各种种绝缘子子、管座座、电阻阻基体和和密封外外壳等。与其它它材质的的同类产产品比，纳米微微晶陶瓷瓷的性能能价格比比更高，市场竞竞争能力力强，经经济效益益显著。目前国国内的陶陶瓷研磨磨体市场场高达55亿元年以上上，其中中电子工工业用高高性能研研磨体主主要依赖赖进口，年进口口额超过过6000万美元元。纺织织瓷件中中摩擦轮

17、轮和导线线轮的年年进口额额也在5500万万美元以以上。本项目采采用的玻玻璃熔制制和微晶晶化设备备可开发发一系列列结构陶陶瓷制品品，产品品品种可可依市场场需求灵灵活调整整，抗市市场风险险能力强强。由于于该项目目采用的的主要原原料是天天然矿物物和工业业废渣，该结构构陶瓷制制品的制制造成本本不到氧氧化铝陶陶瓷的330%。此此外，利利用了工工业废渣渣，有利利于环境境保护和和社会经经济可持持续发展展，可享享受国家家对环保保产业的的各项优优惠政策策。本项目拟拟开发以以下产品品，对其其进入市市场的竞竞争力和和价格定定位的调调研结果果分述如如下：微晶陶瓷瓷研磨体体：主要要用作精精细化工工、涂料料、油漆漆、油墨

18、墨、陶瓷瓷、搪瓷瓷等行业业中砂磨磨机和球球磨机用用研磨体体，也可可应用于于化工反反应塔中中的填料料。与目目前市场场上使用用的玻璃璃质研磨磨体、普普通陶瓷瓷质研磨磨体、氧氧化铝陶陶瓷和氧氧化锆陶陶瓷研磨磨体比，其主要要技术经经济指标标对比如如表1所所示。显显然，微微晶陶瓷瓷研磨体体具更高高的性能能价格比比，进入入市场的的竞争力力强，可可很快成成为研磨磨体市场场的新宠宠。表1 各种陶陶瓷研磨磨体的性性能及市市场售价价性能指标标纳米微晶晶陶瓷玻璃普通陶瓷瓷氧化铝氧化锆体积密度度，g/cm332.72.882.4552.82.42.883.43.665.76.00显微硬度度，GPPa101126.07

19、.226.57.551311511114抗压强度度，MPPa120001550030040040070016000200002000025500相对磨损损率134251.530.8市场售价价，元/kg101123.5188100305501802000耐磨陶瓷瓷衬片：主要用用作工业业球磨机机内衬、火电厂厂输送煤煤粉的管管道内衬衬、输送送泥砂或或水泥砂砂浆的管管道内衬衬和各种种需要耐耐摩损耐耐腐蚀的的内衬材材料。目目前主要要以氧化化铝或碳碳化硅陶陶瓷为主主，每吨吨售价达达25万元元。用微微晶陶瓷瓷制作耐耐磨衬片片，其耐耐磨性优优于氧化化铝，若若以1.211.5万万元吨吨的价格格进入市市场，可可取

20、得显显著的经经济效益益和社会会效益。微晶陶瓷瓷纺织瓷瓷件：包包括陶瓷瓷摩擦片片、导线线轮和止止捻器。目前纺纺织机械械用陶瓷瓷部件的的材质主主要是氧氧化铝和和氧化锆锆两种类类型。氧氧化铝陶陶瓷的硬硬度高，但晶粒粒尺寸较较大，一一般为5510m，残留留气孔率率也在22左右右，因此此其表面面光洁度度和耐磨磨性都不不太理想想。氧化化锆陶瓷瓷的硬度度较低，但晶粒粒尺寸为为0.551mm，残留留气孔率率可小于于1，用作纺纺织瓷件件时具有有自润滑滑性，因因此，其其耐磨性性和使用用寿命优优于氧化化铝陶瓷瓷，但价价格也高高出氧化化铝陶瓷瓷一倍以以上。本本项目开开发的纳纳米微晶晶陶瓷比比氧化锆锆陶瓷的的晶粒更更细

21、小，结构更更致密，硬度相相近，同同样具有有自润滑滑性，因因此，是是制造纺纺织瓷件件更理想想的新材材料，而而且同规规格纳米米微晶陶陶瓷部件件的售价价只是氧氧化铝陶陶瓷的660，氧化锆锆陶瓷的的30左右，进入国国际市场场的潜力力也很大大。电子结构构陶瓷：主要替替代滑石石瓷和氧氧化铝陶陶瓷用作作电子装装置用各各种绝缘缘子、管管座、电电阻基体体和密封封外壳等等。由于于本项目目采用的的工艺技技术路线线具有生生产效率率高、产产品的均均匀性和和可靠性性好等特特点，而而售价比比滑石瓷瓷和氧化化铝陶瓷瓷更低，且有利利于提高高电子元元器件的的稳定性性和可靠靠性，在在市场开开拓中也也具有明明显优势势。纳米微晶晶陶瓷

22、还还可广泛泛应用于于其它耐耐磨损、耐腐蚀蚀的领域域，如化化工行业业的阀门门、管道道，催化化剂载体体等。总总之，用用本项技技术制备备的纳米米微晶陶陶瓷具有有制备成成本低、性能稳稳定可靠靠、性能能价格比比更高等等优势，进入市市场的竞竞争能力力强。四、项目目建设内内容及投投资预算算项目的总总体目标标是建设设一条年年产50000吨吨低成本本高可靠靠性纳米米微晶陶陶瓷制品品生产线线，实现现纳米陶陶瓷制品品的连续续和自动动化生产产。项目的建建设内容容包括生生产线的的总体设设计、设设备选型型和制造造，生产产线的建建设施工工，设备备安装调调试，试试生产并并解决相相应的生生产工艺艺技术问问题，稳稳定生产产工艺和

23、和产品质质量，达达到设计计的产量量和质量量指标。项目的投投资总额额为人民民币36660万万元，其其中有形形资产投投入27745万万元（固固定资产产投入220000万元，流动资资金7445万元元），无无形资产产9155万元（占总资资产的225），项目目建设周周期约需需1年。建成投投产后，可实现现年产值值105500万元元，年利利税34420万万元，投投资回收收期1.7年。本项目建建设资金金20000万元元，其中中土地占占用255亩，购购置费2200万万元；生生产厂房房、办公公和仓贮贮用房880000m2，需基基建投资资3200万元；生产线线设备投投资13380万万元，水水电等配配套设施施费100

24、0万元元。主要要设备名名称及价价格预算算如表22所示，在设备备选型时时应注重重设备的的先进性性和可靠靠性，关关键设备备或部件件进口。表2 50000吨纳纳米微晶晶陶瓷生生产线主主要设备备名称及及价格预预算序号设备名称称数量单价（万万元）总金额（万元）115m22玻璃池池窑1座16016022m2电电熔玻璃璃池窑1座35353全自动晶晶化辊道道窑3座451354自动配料料混料系系统1套26265自动给料料机1台776玻璃制球球机10台3.6367出料用铂铂金加热热器10台4.2428数控磨床床3台30909玻璃模压压成型机机2台489610抛光机10台66011精密磨床床6台159012普通车床床5台1