Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения альфа-оксида алюминия высокой чистоты на основе гидротермального окисления алюминия

Номер контракта: 14.607.21.0082

Руководитель: Жук Андрей Зиновьевич

Должность: Заместитель директора

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
гидротермальное окисление, оксид алюминия высокой чистоты, наноструктурированный оксид алюминия, микропористый оксид алюминия, лейкосапфир, энерготехнологический коплекс, водород, бемит

Цель проекта:
1 Разработка научно-технических основ технологии получения α-оксида алюминия с чистотой не менее 99,994 % масс. с использованием метода гидротермального окисления алюминия (окисления алюминия в воде или водяном паре при температуре выше 100 0C), отличающейся экологической безопасностью и высокой энергоэффективностью. 2 Наработка экспериментальных образцов α-оксида алюминия на основе разработанных технологических решений с целью передачи его на испытания потенциальным потребителям, в том числе для производства монокристаллов лейкосапфира.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными научно-техническими результатами проекта должны стать:
- разработка и создание экспериментального образца установки получения α-оксида алюминия высокой чистоты с использованием метода гидротермального окисления алюминия и последующей вакуумной термической обработки продукта;
- разработка технических решений по включению в технологическую схему разрабатываемой установки устройств, утилизирующих тепловую энергию и водород, образующихся в ходе гидротермального окисле-ния алюминия;
- результаты экспериментальных исследований влияния термодинамических условий гидротермального окисления алюминия и параметров термической вакуумной обработки на структуру и химическую чисто-ту образцов α-оксида алюминия и его прекурсоров, полученных на экспериментальном образце установки;
- технико-экономическая оценка разработанной технологии получения α-оксида алюминия высокой чис-тоты и разработка рекомендаций по оптимизации ее технологических процессов. Оценка рыночного потенциала высокочистых α-оксида алюминия и его прекурсоров. Разработка технических требований на выполнение ОКР по созданию опытно-промышленного образца установки получения α-оксида алюминия высокой чистоты.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе данной ПНИ предлагается разработка научно-технических основ технологии получения высокочистого α-оксида алюминия через стадию гидротермального окисления алюминия. В отличие от известных способов в процессе гидротермального окисления алюминия в качестве реагентов используются только алюминий и вода без дополнительных растворяющих добавок. Это позволяет повысить производительность, снизить стоимость и повысить экологическую безопасность производства высокочистого оксида. Для получения экстремально чистого α-оксида алюминия (с суммарным содержанием примесей до 30 ppm и менее) продукты гидротермального окисления алюминия предлагается прокаливать в ваккуме при повышенных температурах. Таким образом, сочетание стадий гидротермального окисления алюминия и вакуумной термической обработки позволит повысить экологическую чистоту, энергоэффективность и возможность получения экстремально чистого продукта при производстве α-оксида алюминия.
Ожидаемые научно-технические результаты будут соответствовать, а по ряду технико-экономических и экологических аспектов, превышать мировой уровень. Результаты проекта будут получены впервые.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанная инновационная технология позволит удовлетворить потребности отечественной промышленности в оксиде алюминия высокой чистоты и открыть конкурентоспособный экспорт данного продукта. Потенциальными потребителями результатов исследования должны стать предприятия оптической и полупроводниковой промышленности, квантовой электроники, металлургии, машиностроения, энергетики и приборостроения.
Оксид алюминия высокой чистоты используется, например, для получения высококачественной оптической керамики, монокристаллического алюмо-иттриевого граната и лейкосапфира. Последний в свою очередь имеет широкую область применения, например, производство светодиодов, подложек микросхем, лазерных диодов, имплантов и искусственных суставов, микроскальпелей, защитных стекол, ювелирных изделий и др. Оксид алюминия высокой чистоты используется при изготовлении огнеупорных изделий, применяемых в производстве особочистых материалов. Пористые и высокочистые материалы на основе оксидов алюминия находят применение в таких областях, как производство катализаторов и сорбентов. Материалы, созданные на основе высокочистого корунда, отличаются термостойкостью, абразивной устойчивостью, обладают высокими показателями светопропускания в УФ- и ИК-области спектра, что делает их незаменимыми для использования в твердотельных лазерах и оптических приборах.

Текущие результаты проекта:
Установлен механизм диффузии примесей в кристалле оксида алюминия. Определена энергия активации процесса диффузии примесей. По разработанному методу расчета были получены численные значения коэффициентов диффузии и их температурные зависимости для примесей Na, Mg, Co, Fe, Cd, Ca, Sr, Ba, Ga, In, Yb, Y, Sm, Rh, Si, Ti, Cr, Mo, Sn, Pu в кристалле αAl2O3. Предложено устройство, содержащее алюмоводный реактор гидротермального окисления и гидропаровую турбину (типа Сегнерова колеса), а также вспомогательные устройства. Изготовлен экспериментальный образец установки получения α-оксида алюминия высокой чистоты, включающий в себя установку по гидротермальному окислению алюминия, устройства для осушки и грануляции бемита, а также блок вакуумно-термической обработки промежуточного продукта с максимальной производительностью 18 кг за смену. Была получена экспериментальная партия образцов α-оксида алюминия высокой чистоты по требованиям потенциального потребителя. Проведены строительно-монтажные работы, необходимые для модернизации системы пульверизации алюминия. Проведены лабораторные исследования полученной экспериментальной партии образцов α-оксида алюминия высокой чистоты у потенциального предприятия-потребителя и корректировка целевых требований к качеству продукта α-оксида алюминия высокой чистоты.
Расчет скоростей процессов диффузии примесей в кристаллической решетке оксида алюминия был выполнен с помощью нового метода расчета. Технические решения по включению в технологическую схему разрабатываемой установки устройств, утилизирующих энергию, сопутствующую технологическому процессу получения α-оксида алюминия были разработаны впервые и не имеют аналогов в мире. Изготовленный экспериментальный образец установки получения α-оксида алюминия высокой чистоты является уникальным и не имеет аналогов. Полученные результаты соответствуют требованиям к выполняемому проекту. По уровню теоретических исследований и технологических разработок полученные результаты не уступают результатам аналогичных работ, определяющих мировой уровень в данной области.