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肇慶市新潤(rùn)豐高新材料有限公司新型摻雜鋅鋁尖晶石復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用研究

摘要

本文聚焦肇慶市新潤(rùn)豐高新材料有限公司研發(fā)的復(fù)合型功能材料 **[(ZnO)?(Si?,Mg?,Zn?,R?) Al?O?]?**，全面剖析其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝以及在高溫催化、電子器件、耐火材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。該材料依托尖晶石結(jié)構(gòu)框架，借助多元摻雜（Si、Mg、Zn、稀土 / 過(guò)渡金屬）以及氧化鋅（ZnO）次相的復(fù)合設(shè)計(jì)，構(gòu)建起高性能且可調(diào)控的復(fù)合材料體系。公司融合直接法、濕化學(xué)合成及高溫煅燒工藝，成功研制出適用于 5G 通信、環(huán)保催化和高端陶瓷等領(lǐng)域的系列產(chǎn)品，彰顯出卓越的技術(shù)創(chuàng)新能力與強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

一、引言

隨著電子器件朝著高頻化發(fā)展、催化材料追求高效化以及耐火材料邁向高性能化，傳統(tǒng)單一材料已無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜工況的嚴(yán)苛要求。肇慶市新潤(rùn)豐高新材料有限公司基于尖晶石（AB?O?）結(jié)構(gòu)框架，創(chuàng)新性地提出了新型復(fù)合化學(xué)式 **[(ZnO)?(Si?,Mg?,Zn?,R?) Al?O?]?**，主要通過(guò)以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

1. 多元摻雜尖晶石主相：A 位由 Si、Mg、Zn 以及稀土（R?）協(xié)同占據(jù)，以此優(yōu)化晶格穩(wěn)定性與功能特性。
2. 氧化鋅次相復(fù)合：利用 ZnO 的半導(dǎo)體特性與尖晶石的化學(xué)惰性實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提升材料的綜合性能。
3. 非化學(xué)計(jì)量調(diào)控：通過(guò)靈活調(diào)節(jié)氧含量（t）以及摻雜比例（a/b/c/d），使材料能夠適配不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
   本研究結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工藝，深入探討該材料的科學(xué)基礎(chǔ)、性能優(yōu)勢(shì)以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

二、材料化學(xué)式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）化學(xué)式解析

該復(fù)合材料的化學(xué)式 **[(ZnO)?(Si?,Mg?,Zn?,R?) Al?O?]?** 包含兩大核心組分：

1. 尖晶石主相（(Si?,Mg?,Zn?,R?) Al?O?）
• A 位陽(yáng)離子：Si??、Mg2?、Zn2?以及稀土 / 過(guò)渡金屬（R???）混合占據(jù)，其比例由下標(biāo) a/b/c/d 控制。
• B 位陽(yáng)離子：Al3?固定占據(jù)，形成穩(wěn)定的八面體配位結(jié)構(gòu)。
• 氧含量調(diào)控：O?中 t 值調(diào)節(jié)氧空位濃度，進(jìn)而影響電荷傳輸與熱穩(wěn)定性。
2. 氧化鋅次相（ZnO）
   以納米顆粒或晶界涂層形式分散于尖晶石基體中，賦予材料光催化活性與界面增強(qiáng)效應(yīng)。

（二）電荷平衡與摻雜約束

1. 電荷平衡方程：
   4a (Si??)+2b (Mg2?)+2c (Zn2?)+nd (R???)+6 (Al3?)=8t (O2?)
   若 R?為三價(jià)（如 Nd3?），則簡(jiǎn)化為：
   t=(4a + 2b + 2c + 3d + 6)/8
2. 摻雜限制：A 位總陽(yáng)離子數(shù)需滿足 a + b + c + d≈1，以確保尖晶石晶格的完整性。

三、制備工藝與產(chǎn)品開發(fā)

（一）核心工藝

新潤(rùn)豐公司采用以下技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)材料的可控合成：

1. 固相反應(yīng)法：
   以高純 Al?O?、ZnO、SiO?、MgO 及稀土氧化物為原料，經(jīng)球磨混合后在 1350~1500℃煅燒，形成尖晶石主相。通過(guò)調(diào)節(jié)煅燒氣氛（空氣 / 惰性氣體）來(lái)控制氧空位濃度（t 值）。
2. 濕化學(xué)復(fù)合工藝：
   將預(yù)合成的尖晶石粉末與 ZnO 溶膠共混，經(jīng)噴霧干燥獲得均勻復(fù)合前驅(qū)體。再進(jìn)行二次煅燒（800~1000℃），強(qiáng)化尖晶石 - ZnO 界面結(jié)合。

（二）產(chǎn)品系列與性能

四、性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用實(shí)例

（一）高溫穩(wěn)定性與催化活性

NF - CAT100 在紫外光下對(duì)甲醛的降解效率高達(dá) 92%（相較于純 ZnO 提升 40%），這得益于尖晶石 - ZnO 異質(zhì)結(jié)的載流子分離效應(yīng)。NF - CERAMIC 在 1400℃下的熱導(dǎo)率僅為 1.8 W/(m?K)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng) Al?O?陶瓷（3.5 W/(m?K)）。

（二）電子器件性能

NF - SP5G 的介電常數(shù)（ε? = 9.2）和損耗角正切（tanδ = 0.0012）滿足 5G 基站介質(zhì)濾波器要求，且已通過(guò)華為供應(yīng)鏈認(rèn)證。

（三）環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益

采用稀土摻雜（如 Ce3?）替代貴金屬催化劑，成本降低 50% 以上。公司通過(guò) ISO 14001 認(rèn)證，生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)廢水零排放與鋅資源循環(huán)利用。

五、結(jié)論與展望

肇慶市新潤(rùn)豐高新材料有限公司通過(guò) **[(ZnO)?(Si?,Mg?,Zn?,R?) Al?O?]?** 的材料設(shè)計(jì)，成功融合了尖晶石的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與 ZnO 的功能特性，開發(fā)出高性能復(fù)合材料系列產(chǎn)品。未來(lái)研究方向如下：

1. 開發(fā)變價(jià)稀土（如 Eu2?/Eu3?）摻雜體系，拓展材料在熒光傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。
2. 優(yōu)化 ZnO - 尖晶石界面工程，提升復(fù)合材料在極端環(huán)境下的服役壽命。