肇庆市新润丰高新材料有限公司新型掺杂锌铝尖晶石复合材料的开发与应用研究

摘要

本文聚焦肇庆市新润丰高新材料有限公司研发的复合型功能材料 **[(ZnO)ₓ(Siₐ,Mgᵦ,Znₑ,Rₔ) Al₂Oₜ]ᵧ**，全面剖析其化学组成、结构设计、制备工艺以及在高温催化、电子器件、耐火材料等领域的应用。该材料依托尖晶石结构框架，借助多元掺杂（Si、Mg、Zn、稀土 / 过渡金属）以及氧化锌（ZnO）次相的复合设计，构建起高性能且可调控的复合材料体系。公司融合直接法、湿化学合成及高温煅烧工艺，成功研制出适用于 5G 通信、环保催化和高端陶瓷等领域的系列产品，彰显出卓越的技术创新能力与强劲的市场竞争力。

一、引言

随着电子器件朝着高频化发展、催化材料追求高效化以及耐火材料迈向高性能化，传统单一材料已无法适应复杂工况的严苛要求。肇庆市新润丰高新材料有限公司基于尖晶石（AB₂O₄）结构框架，创新性地提出了新型复合化学式 **[(ZnO)ₓ(Siₐ,Mgᵦ,Znₑ,Rₔ) Al₂Oₜ]ᵧ**，主要通过以下创新设计：

1. 多元掺杂尖晶石主相：A 位由 Si、Mg、Zn 以及稀土（Rₔ）协同占据，以此优化晶格稳定性与功能特性。
2. 氧化锌次相复合：利用 ZnO 的半导体特性与尖晶石的化学惰性实现优势互补，从而提升材料的综合性能。
3. 非化学计量调控：通过灵活调节氧含量（t）以及掺杂比例（a/b/c/d），使材料能够适配不同的应用场景。
   本研究结合企业实际生产工艺，深入探讨该材料的科学基础、性能优势以及产业化应用。

二、材料化学式与结构设计

（一）化学式解析

该复合材料的化学式 **[(ZnO)ₓ(Siₐ,Mgᵦ,Znₑ,Rₔ) Al₂Oₜ]ᵧ** 包含两大核心组分：

1. 尖晶石主相（(Siₐ,Mgᵦ,Znₑ,Rₔ) Al₂Oₜ）
• A 位阳离子：Si⁴⁺、Mg²⁺、Zn²⁺以及稀土 / 过渡金属（Rₔⁿ⁺）混合占据，其比例由下标 a/b/c/d 控制。
• B 位阳离子：Al³⁺固定占据，形成稳定的八面体配位结构。
• 氧含量调控：Oₜ中 t 值调节氧空位浓度，进而影响电荷传输与热稳定性。
2. 氧化锌次相（ZnO）
   以纳米颗粒或晶界涂层形式分散于尖晶石基体中，赋予材料光催化活性与界面增强效应。

（二）电荷平衡与掺杂约束

1. 电荷平衡方程：
   4a (Si⁴⁺)+2b (Mg²⁺)+2c (Zn²⁺)+nd (Rₔⁿ⁺)+6 (Al³⁺)=8t (O²⁻)
   若 Rₔ为三价（如 Nd³⁺），则简化为：
   t=(4a + 2b + 2c + 3d + 6)/8
2. 掺杂限制：A 位总阳离子数需满足 a + b + c + d≈1，以确保尖晶石晶格的完整性。

三、制备工艺与产品开发

（一）核心工艺

新润丰公司采用以下技术路线实现材料的可控合成：

1. 固相反应法：
   以高纯 Al₂O₃、ZnO、SiO₂、MgO 及稀土氧化物为原料，经球磨混合后在 1350~1500℃煅烧，形成尖晶石主相。通过调节煅烧气氛（空气 / 惰性气体）来控制氧空位浓度（t 值）。
2. 湿化学复合工艺：
   将预合成的尖晶石粉末与 ZnO 溶胶共混，经喷雾干燥获得均匀复合前驱体。再进行二次煅烧（800~1000℃），强化尖晶石 - ZnO 界面结合。

（二）产品系列与性能

四、性能优势与应用实例

（一）高温稳定性与催化活性

NF - CAT100 在紫外光下对甲醛的降解效率高达 92%（相较于纯 ZnO 提升 40%），这得益于尖晶石 - ZnO 异质结的载流子分离效应。NF - CERAMIC 在 1400℃下的热导率仅为 1.8 W/(m・K)，显著优于传统 Al₂O₃陶瓷（3.5 W/(m・K)）。

（二）电子器件性能

NF - SP5G 的介电常数（εᵣ = 9.2）和损耗角正切（tanδ = 0.0012）满足 5G 基站介质滤波器要求，且已通过华为供应链认证。

（三）环保与经济效益

采用稀土掺杂（如 Ce³⁺）替代贵金属催化剂，成本降低 50% 以上。公司通过 ISO 14001 认证，生产过程实现废水零排放与锌资源循环利用。

五、结论与展望

肇庆市新润丰高新材料有限公司通过 **[(ZnO)ₓ(Siₐ,Mgᵦ,Znₑ,Rₔ) Al₂Oₜ]ᵧ** 的材料设计，成功融合了尖晶石的结构稳定性与 ZnO 的功能特性，开发出高性能复合材料系列产品。未来研究方向如下：

1. 开发变价稀土（如 Eu²⁺/Eu³⁺）掺杂体系，拓展材料在荧光传感领域的应用。
2. 优化 ZnO - 尖晶石界面工程，提升复合材料在极端环境下的服役寿命。