Modificación del recubrimiento en polvo de dióxido de titanio
La modificación superficial del polvo de dióxido de titanio (óxido de titanio) es un método importante para mejorar su rendimiento (como la dispersabilidad, la resistencia a la intemperie, el brillo y la estabilidad química). Las técnicas comunes de modificación superficial se pueden clasificar en tres tipos: recubrimiento inorgánico, recubrimiento orgánico y recubrimiento compuesto. A continuación, se presenta una clasificación detallada y una breve descripción de estos métodos:
Modificación por recubrimiento inorgánico
Este método consiste en recubrir la superficie de las partículas de dióxido de titanio con una capa de óxidos o sales inorgánicas, formando una barrera física que mejora su estabilidad química y sus propiedades ópticas.
1. Recubrimiento de óxido
Principio: Los hidróxidos de óxido metálico (como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, etc.) se precipitan sobre la superficie de las partículas de dióxido de titanio, formando una capa de recubrimiento uniforme.
Proceso: Normalmente, se utiliza un método de deposición en fase líquida, donde se añaden sales metálicas (como silicato de sodio, sulfato de aluminio) a la suspensión de dióxido de titanio, y se ajusta el pH para precipitar los hidróxidos de óxido metálico sobre la superficie.
2. Recubrimiento de óxido compuesto
Principio: Recubrimiento con dos o más óxidos metálicos (como Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, etc.), combinando las ventajas de cada componente.
Características: Mayor rendimiento global; por ejemplo, el recubrimiento de Al₂O₃-SiO₂ mejora simultáneamente la dispersabilidad y la resistencia a la intemperie, siendo adecuado para recubrimientos automotrices y de bobinas exigentes.
3. Recubrimiento de sal
Principio: Uso de sales metálicas (como fosfatos, silicatos, sulfatos, etc.) para formar una capa de sal insoluble sobre la superficie de las partículas de dióxido de titanio.
Modificación por recubrimiento orgánico
Este método consiste en la reacción de compuestos orgánicos con los grupos hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio, formando una capa molecular orgánica que mejora su compatibilidad con medios orgánicos.
1. Recubrimiento con agente de acoplamiento
Principio: Se aprovecha la estructura anfifílica de los agentes de acoplamiento (como silanos, titanatos y aluminatos): un extremo se une a los grupos hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio, mientras que el otro extremo reacciona con la matriz orgánica (resina, polímero, etc.).
Funciones:
Agentes de acoplamiento silánicos: Mejoran la dispersabilidad del dióxido de titanio en sistemas acuosos, comúnmente usados en recubrimientos y tintas a base de agua.
Agentes de acoplamiento de titanato/aluminato: Mejoran la compatibilidad en sistemas oleosos, como plásticos y caucho, reduciendo la aglomeración durante el procesamiento. 2. Recubrimiento con surfactantes
Principio: Los surfactantes (ácidos grasos, sulfonatos y sales de amonio cuaternario) se adhieren a la superficie de dióxido de titanio mediante adsorción física o reacción química, formando una capa con carga o una capa hidrófoba.
3. Recubrimiento con polímeros
Principio: Los polímeros (acrilatos, resinas epoxi y siloxanos) se unen a la superficie del dióxido de titanio mediante reacciones de polimerización.
Funciones:
Forma una capa de recubrimiento gruesa, protegiendo mejor contra agentes químicos y mejorando la resistencia a la intemperie y las propiedades mecánicas.
Mejora la compatibilidad con resinas específicas, ideal para compuestos y recubrimientos de alto rendimiento.
4. Recubrimiento organosilícico
Principio: Se aprovecha la baja energía superficial de los polisiloxanos (aceite de silicona, resina de silicona, etc.) para recubrir las partículas de dióxido de titanio.
Funciones: Reduce la tensión superficial, mejora la dispersabilidad y la lubricidad; se usa comúnmente en tintas y cosméticos.
Modificación de recubrimientos compuestos
Combinando las ventajas de los recubrimientos inorgánicos y orgánicos, un proceso de doble recubrimiento (secuencial o simultáneo) logra un rendimiento óptimo.
1. Recubrimiento orgánico-inorgánico secuencial
Proceso: Primero se forma una barrera física con óxidos inorgánicos (SiO₂), luego se realiza la modificación orgánica con agentes de acoplamiento o polímeros.
Características: Equilibra la resistencia a la intemperie y la compatibilidad; ideal para recubrimientos arquitectónicos o pinturas automotrices de alto rendimiento.
2. Recubrimiento orgánico-inorgánico simultáneo
Proceso: Los agentes de recubrimiento inorgánicos y orgánicos se introducen simultáneamente en el mismo sistema de reacción para formar una estructura núcleo-capa.
Características: La capa de recubrimiento presenta mayor adhesión y un rendimiento significativamente mejorado; ideal para aplicaciones de alta gama (recubrimientos aeroespaciales, nanocompuestos).
Otras tecnologías de recubrimiento
1. Recubrimiento con nanopartículas
Principio: El uso de nanopartículas (nano-SiO₂, nano-ZnO) mejora la protección UV y la transparencia; se usa comúnmente en protectores solares y recubrimientos ópticos.
2. Microencapsulación
Principio: Se encapsulan partículas de dióxido de titanio en microcápsulas poliméricas, liberando el dióxido de titanio al controlar las condiciones de ruptura de la cápsula (temperatura, pH); ideal para recubrimientos inteligentes y sistemas de liberación controlada.
La selección del método de recubrimiento depende de la aplicación (recubrimientos, plásticos, tintas, cosméticos) y los requisitos de rendimiento (resistencia a la intemperie, dispersabilidad, compatibilidad, etc.).
Seis métodos principales de modificación del óxido de zinc nano
El nanoóxido de zinc es un nuevo tipo de material químico inorgánico fino y funcional. Gracias a su pequeño tamaño de partícula y a su gran superficie específica, posee propiedades fisicoquímicas únicas en química, óptica, biología y electrónica. Se utiliza ampliamente en aditivos antimicrobianos, catalizadores, caucho, tintes, tintas, recubrimientos, vidrio, cerámica piezoeléctrica, optoelectrónica y aplicaciones químicas cotidianas, y presenta un gran potencial de desarrollo y utilización.
Sin embargo, debido a su gran superficie específica y a su alta energía superficial específica, el nanoóxido de zinc presenta una fuerte polaridad superficial, es propenso a la autoaglomeración y es difícil de dispersar uniformemente en medios orgánicos, lo que limita significativamente su nanoefecto. Por lo tanto, la dispersión y la modificación superficial de los polvos de nanoóxido de zinc son tratamientos esenciales antes de que los nanomateriales puedan aplicarse en matrices.
1. Modificación de tensioactivos
La modificación de tensioactivos implica la interacción electrostática de estos para formar un recubrimiento orgánico sobre la superficie de los nanomateriales, mejorando así su compatibilidad con las matrices orgánicas.
Aunque la modificación de surfactantes es un proceso sencillo, su eficacia suele ser baja, lo que dificulta la formación de un recubrimiento estable y robusto sobre la superficie de los nanomateriales.
2. Modificación Mecanoquímica
La modificación mecanoquímica utiliza fuerzas mecánicas para alterar las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales, mejorando así su afinidad y reactividad con otras sustancias.
Sin embargo, la modificación mecanoquímica suele ser prolongada y, por lo general, presenta malos resultados en nanomateriales.
3. Modificación de Alta Energía
La modificación de alta energía implica la polimerización de monómeros de compuestos orgánicos mediante plasma o tratamiento de radiación, que posteriormente recubre la superficie del nanomaterial.
La modificación de alta energía generalmente logra mejores resultados que los dos métodos anteriores, pero presenta desventajas como un alto consumo de energía y dificultades técnicas.
4. Modificación por Esterificación
La esterificación es un método de modificación de la superficie que utiliza los grupos de ácido carboxílico en modificadores como ácidos grasos superiores o ácidos orgánicos insaturados para reaccionar con los grupos hidroxilo en la superficie de un nanomaterial y lograr la esterificación.
El método de esterificación es simple, pero su efecto de modificación es bajo y generalmente requiere un agente de acoplamiento.
5. Injerto de Polímero
El injerto de polímero implica primero injertar un monómero de polímero en la superficie de un nanomaterial, luego iniciar una reacción de polimerización para extender la cadena de carbono y finalmente permitir que el polímero cubra todo el nanomaterial.
El método de injerto de polímero es complejo y el efecto de modificación se ve afectado por diversos factores, lo que dificulta su aplicación generalizada.
6. Modificación con Agente de Acoplamiento
Un agente de acoplamiento se basa en un elemento de silicio o metal, con dos grupos diferentes a cada lado que pueden conectarse a matrices inorgánicas y orgánicas. Estos tres componentes trabajan juntos para lograr la modificación química del nanomaterial. El nanoóxido de zinc se modificó con el agente de acoplamiento de silano APS. Tanto el nanoóxido de zinc modificado como el no modificado se dispersaron en etanol anhidro para preparar tintas de impresión destinadas a la capa de transporte de electrones en células fotovoltaicas. Posteriormente, se comparó el rendimiento de ambas tintas. Los resultados mostraron que el nanoóxido de zinc modificado se dispersó mejor en etanol anhidro y permaneció aglomerado durante 12 meses. El material de la capa de transporte de electrones preparado con este agente mostró una mayor eficiencia de transferencia de electrones y cumplió con los estándares de rendimiento del dispositivo incluso con espesores más delgados.
El nanoóxido de zinc se modificó químicamente utilizando agentes de acoplamiento de silano con grupos funcionales gliciloxi y amino. Tanto el nanoóxido de zinc modificado como el no modificado se incorporaron a recubrimientos epóxicos para realizar pruebas de resistencia a la intemperie. Los resultados mostraron que los recubrimientos epóxicos que incorporan nanoóxido de zinc modificado con el agente de acoplamiento gliciloxisilano mostraron cambios significativamente menores en el ángulo de contacto, el color y los grupos carbonilo después de 450 horas de envejecimiento acelerado, lo que demuestra una resistencia a la intemperie significativamente mejorada en comparación con los recubrimientos epóxicos que contienen nanoóxido de zinc sin modificar.
El método del agente de acoplamiento es el método de modificación más prometedor debido a su proceso simple, buen efecto de modificación y bajo costo.
Al comparar los diversos métodos de modificación de superficies mencionados anteriormente, y considerando tanto el efecto de modificación como la dificultad, se puede observar que el método de esterificación y el método del agente de acoplamiento son más adecuados para la modificación de superficies de nanomateriales.
La alúmina calcinada se ha convertido en un importante soporte para el desarrollo de la industria cerámica.
La alúmina calcinada, un material inorgánico no metálico elaborado a partir de alúmina industrial calcinada a altas temperaturas, posee numerosas propiedades notables. En primer lugar, su alta dureza es una de sus características distintivas. Su dureza Mohs alcanza el nivel 9, superada solo por el diamante. Esto confiere a los productos cerámicos fabricados con ella una excepcional resistencia al desgaste, manteniendo una buena apariencia y estabilidad estructural durante un uso prolongado. En segundo lugar, posee una excelente resistencia a altas temperaturas, capaz de soportar temperaturas superiores a miles de grados Celsius sin deformarse ni sufrir daños, característica que la hace especialmente útil en el campo de la cerámica de alta temperatura. Además, la alúmina calcinada presenta una excelente estabilidad química y no es susceptible a reacciones químicas con otras sustancias, lo que garantiza el rendimiento estable de los productos cerámicos.
Principales funciones de la alúmina calcinada en esmaltes
Gracias a su alta pureza, dureza y excelente estabilidad química, la alúmina calcinada se utiliza ampliamente en esmaltes, especialmente para cerámica doméstica, cerámica arquitectónica y cerámicas especiales. En aplicaciones prácticas, no solo mejora significativamente la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie del esmaltado, reduciendo eficazmente los arañazos y el desgaste durante el uso y prolongando así la vida útil de los productos cerámicos; también mejora la estabilidad química del esmaltado, reduciendo el riesgo de corrosión ácida y alcalina, y mejorando la resistencia a las manchas y la durabilidad del producto. Además, la adición adecuada de alúmina calcinada permite ajustar la temperatura de fusión y la viscosidad del esmaltado, mejorando su fluidez, evitando defectos como poros y contracción del esmaltado, y dando como resultado una superficie más lisa y uniforme. Además, sus propiedades ópticas únicas ayudan a controlar el brillo del esmaltado, aportando una textura delicada a los esmaltados mate y mejorando la uniformidad del brillo en los esmaltados brillantes para satisfacer los requisitos de diseño de diversos productos cerámicos.
En aplicaciones con pigmentos, la alúmina calcinada puede proporcionar un soporte estable para pigmentos de óxidos metálicos (como óxido de hierro y óxido de cobalto), inhibir la volatilización o difusión de pigmentos a altas temperaturas y evitar la efloración y la decoloración del esmaltado. Especialmente en esmaltes de alta temperatura, puede fijar la concentración del color y la consistencia del tono, lo que ayuda a lograr efectos decorativos cerámicos ricos y duraderos. Es un elemento clave para impulsar el desarrollo de esmaltes cerámicos de color hacia un alto rendimiento y una alta estabilidad.
Mecanismo de acción de los óxidos de tierras raras en refractarios de magnesia-calcio
Las propiedades de un elemento determinan su rendimiento, y las tierras raras no son la excepción. Su rendimiento está estrechamente relacionado con sus propiedades. Los principales factores que determinan sus propiedades físicas (como la dureza, la estructura cristalina y el punto de fusión) son sus radios atómicos e iónicos. Los metales de tierras raras tienen puntos de fusión altos que aumentan con el número atómico, aunque esta tendencia no es muy constante. Los elementos de tierras raras suelen perder sus electrones orbitales s y d externos, formando un estado de valencia +3, lo que da lugar a óxidos de tierras raras. Este estado de valencia +3 es el estado de oxidación característico de los elementos de tierras raras. Los óxidos de tierras raras tienen puntos de fusión superiores a 2000 °C y son no volátiles. Son semiconductores conductores mixtos con conductividad tanto electrónica como iónica. La conductividad electrónica se refiere a la conducción de electrones y huecos, mientras que la conductividad iónica se refiere al movimiento de iones de oxígeno dentro de las vacantes de oxígeno, esencialmente la conducción de iones de oxígeno.
Además de utilizar tierras raras directamente como componentes de matriz o centros funcionales basados en las propiedades ópticas y magnéticas de los electrones 4f, sus propiedades químicas, como su reactividad química y su amplio radio iónico, también pueden aprovecharse para modificar la microestructura del material, mejorando así su rendimiento. Las cerámicas semiconductoras funcionales dopadas con tierras raras son un ejemplo destacado. La adición de óxidos de tierras raras a materiales refractarios no solo mejora la resistencia y tenacidad inherentes del material, sino que también reduce las temperaturas de sinterización y los costes de producción.
Gracias a su no toxicidad, alta eficiencia y propiedades físicas y químicas únicas, los compuestos de tierras raras se utilizan cada vez más en una amplia gama de aplicaciones, evolucionando desde aplicaciones primarias en metalurgia, ingeniería química y cerámica hasta aplicaciones avanzadas en materiales compuestos de alto rendimiento, como el almacenamiento de hidrógeno y la luminiscencia. La investigación sobre la aplicación de óxidos de tierras raras en materiales cerámicos ha despertado un gran interés. Diversos estudios han demostrado que la adición de óxidos de tierras raras mejora significativamente el rendimiento de los materiales cerámicos, garantizando su calidad y rendimiento en diversas aplicaciones. Además, los óxidos de tierras raras, como fundentes, pueden promover la sinterización, mejorar la microestructura de la cerámica y proporcionar dopaje y modificación.
Los óxidos de tierras raras, como aditivos, mejoran las propiedades de los materiales refractarios, demostrando sus beneficios únicos y significativos al mejorar el rendimiento y otorgar nuevas funciones. La adición de pequeñas cantidades de óxidos de tierras raras aumenta la densidad de los refractarios de magnesia-calcio, mejorando su densidad y resistencia a la corrosión.
Los óxidos de tierras raras se utilizan como aditivos en refractarios de magnesia-calcio para mejorar su sinterabilidad, compacidad, microestructura, composición de la fase cristalina, resistencia a la flexión a temperatura ambiente y tenacidad a la fractura, cumpliendo así con los requisitos de rendimiento del mercado para refractarios de magnesia-calcio. Existen tres mecanismos principales para la adición de óxidos de tierras raras a los materiales refractarios de magnesio-calcio. (1) Los aditivos como fundentes pueden promover la sinterización. La temperatura de sinterización de los materiales refractarios de magnesio-calcio suele ser alta, y existen muchos factores que dificultan la densificación durante el proceso. La adición de óxidos de tierras raras puede solucionar este problema. Debido a las propiedades únicas de estos óxidos, su adición a los materiales refractarios puede modificar su estructura interna, promoviendo así la sinterización. (2) Los óxidos de tierras raras pueden mejorar la microestructura de los materiales refractarios de magnesio-calcio. Esto reduce la velocidad de migración del límite de grano, inhibe el crecimiento del grano y favorece la formación de una estructura densa. (3) Modificación por dopaje de los óxidos de tierras raras. El dopaje de óxidos de tierras raras durante la preparación de materiales refractarios modifica la forma cristalina de la muestra, lo que a su vez modifica su volumen. Este cambio puede mejorar considerablemente su resistencia a la flexión y tenacidad. La investigación sobre la adición de aditivos para mejorar y optimizar las propiedades relevantes de los materiales en el proceso de preparación de refractarios siempre ha atraído la atención del público. La investigación actual se centra en el problema de la dificultad de sinterización y la facilidad de hidratación de las materias primas de arena de magnesia y calcio. Los principales aditivos incluyen ZrO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, óxidos de tierras raras, etc.
Aplicación del sulfato de bario en 10 industrias
El sulfato de bario es un término desconocido para la mayoría de las personas, e incluso quienes no están familiarizados con la química podrían considerarlo una sustancia química peligrosa. Sin embargo, el sulfato de bario es omnipresente en nuestra vida diaria, a menudo presente en productos manufacturados. Por ejemplo, la mayoría de los productos plásticos de nuestros hogares, aires acondicionados, piezas de plástico para automóviles, bolsas de supermercado, pinturas, recubrimientos y vidrio pueden contener sulfato de bario.
Aplicación del sulfato de bario en diez industrias principales
1. Industria petrolera: Polvo de barita de malla 200 y 325 para aditivos de lodos de perforación en yacimientos de petróleo y gas.
2. Industria química: Las plantas de sal de barita utilizan barita como materia prima para producir litopón, sulfato de bario precipitado y carbonato de bario.
3. Industria de pinturas y recubrimientos: La barita se puede utilizar como relleno en pinturas y recubrimientos, reemplazando materias primas más costosas como el sulfato de bario precipitado, el litopón, el dióxido de titanio y la sílice activada. Es adecuada para controlar la viscosidad de la pintura y lograr un color brillante y estable. 4. Industria del plástico: La barita se puede utilizar como relleno en materias primas de plástico ABS, aportando un brillo intenso y mejorando la resistencia, la rigidez y la resistencia al desgaste.
5. Industria del caucho: El polvo de barita con un tamaño de malla inferior a 500 se utiliza ampliamente como relleno en productos de caucho, lo que reduce los costos y mejora la dureza, la resistencia a ácidos y álcalis, y la impermeabilidad. También proporciona un excelente refuerzo para caucho natural y sintético.
6. Industria del papel: El polvo de barita de alta finura se puede utilizar como relleno y como relleno de recubrimiento en pizarras blancas y papel estucado para mejorar la blancura y la cobertura de la superficie. Especificaciones del producto: malla 325, malla 400, malla 600, malla 800, malla 1250, malla 1500, malla 2000, malla 2500, malla 3000, malla 4000, malla 5000, malla 6000.
7. Industria del Cemento
La adición de mineralizadores compuestos de barita y fluorita a la producción de cemento puede aumentar su blancura y resistencia. Se puede utilizar para fabricar cemento de bario, mortero de barita y hormigón de barita, que se puede utilizar en edificios que requieren protección contra rayos X.
8. Industria del Vidrio
Se puede utilizar como desoxidante, clarificador y fundente para aumentar la estabilidad óptica, el brillo y la resistencia del vidrio.
9. Industria de la Construcción
Se puede utilizar como agregado de hormigón, material de pavimentación, para reforzar tuberías enterradas en zonas pantanosas y como sustituto de las láminas de plomo en el blindaje de instalaciones nucleares, centrales atómicas y laboratorios de rayos X, prolongando la vida útil de las superficies de las carreteras.
10. Industria Cerámica
El polvo de barita también se puede utilizar como relleno de alta calidad en la cerámica y otras industrias. Actualmente, el uso de sulfato de bario en la industria cerámica está disminuyendo, mientras que el de polvo de wollastonita está aumentando.
Las aplicaciones en las diez industrias mencionadas son cruciales y esenciales para la subsistencia de las personas. Esto demuestra la importancia y la amplia gama de aplicaciones del sulfato de bario, un polvo mineral inorgánico no metálico.
Ampliamente utilizado en la industria cerámica - Talco negro
El talco negro se compone típicamente de talco, cuarzo, calcita, sepiolita y carbono orgánico, y su color varía del negro al negro grisáceo.
Los principales componentes químicos del talco negro son óxido de magnesio, óxido de silicio, óxido de aluminio, óxido de hierro, óxido de titanio, óxido de sodio y óxido de potasio.
Aplicación del talco negro
(1) Materias primas para la industria cerámica
El rendimiento de procesamiento del talco negro es insuperable con el de otros materiales. La porcelana blanca y la porcelana de hueso cocidas con talco negro también se denominan porcelana de talco o porcelana de magnesio.
(2) Rellenos para productos de caucho
Como relleno para productos de caucho, el talco negro en polvo presenta buena dispersabilidad y ciertas propiedades de refuerzo.
(3) Rellenos para productos plásticos
Los rellenos plásticos utilizan dos tipos de talco negro: talco negro en polvo y talco calcinado.
(4) Rellenos para recubrimientos
Debido a su textura suave, baja abrasividad y buena suspensión y dispersabilidad, el talco se ha comenzado a utilizar en recubrimientos.
(5) Otros
Además de su amplio uso en las industrias mencionadas, el talco negro también se puede emplear como relleno y adsorbente en industrias como la de materias primas para impermeabilización, fertilizantes, pesticidas y productos químicos finos.
Calcinación y blanqueamiento del talco negro
El objetivo principal del procesamiento del talco negro es mejorar su blancura. Su blancura natural es de alrededor del 50 % o incluso inferior, lo que limita su uso generalizado a aplicaciones en industrias como la cerámica y el caucho. Como relleno, el talco debe poseer un alto grado de blancura. Para ampliar sus aplicaciones, se deben tomar las medidas adecuadas para mejorar su blancura. La calcinación, que aumenta su blancura y altera sus propiedades físicas, aumenta su valor añadido.
Actualmente, el principal método para mejorar la blancura del talco negro es la calcinación. El objetivo principal de la calcinación es eliminar el carbono orgánico del talco, logrando una blancura que cumple con los requisitos industriales y amplía sus aplicaciones. Tras la calcinación, la blancura alcanza el 95%, lo que resulta en excelentes propiedades de resistencia al fuego, resistencia al calor, aislamiento, adhesión, adsorción y lubricación. Es adecuado para aplicaciones en la fabricación de papel, cerámica, plásticos, pinturas, recubrimientos, productos farmacéuticos, cosméticos, industria aeroespacial, maquinaria, electrónica, informática y decoración arquitectónica.
Proceso de Calcinación de Talco Negro
La calcinación y la molienda son dos procesos utilizados en el procesamiento ultrafino y de alta blancura del talco negro. Dependiendo del orden en que se realicen, existen dos procesos principales: calcinación seguida de molienda ultrafina y molienda ultrafina seguida de calcinación.
Proceso de Calcinación antes de la molienda
Las ventajas son la simplicidad y los bajos costos de procesamiento. Sin embargo, tras la molienda ultrafina y la clasificación, el producto de talco resultante tiene una blancura de aproximadamente el 85%, inferior a la blancura deseada del 95% después de la calcinación. Proceso de molienda previa a la calcinación
Las ventajas son una mayor uniformidad de blancura tras la calcinación, con una blancura superior al 92 %. Sin embargo, este proceso es propenso a la aglomeración o a la formación de manchas de color blanco rojizo.
Aplicaciones del carburo de silicio
El carburo de silicio posee características importantes como un amplio ancho de banda prohibida, un alto campo eléctrico de ruptura, una alta conductividad térmica y una alta tasa de deriva de saturación electrónica. Cumple con los requisitos de desarrollo científico y tecnológico para escenarios complejos como alta temperatura, alta potencia, alto voltaje y alta frecuencia. Se ha utilizado ampliamente en electrónica de potencia, vehículos de nuevas energías, almacenamiento de energía, fabricación inteligente, energía fotovoltaica, transporte ferroviario y otros campos. Se puede decir que "todo es carburo de silicio".
Aplicaciones del carburo de silicio en vehículos de nuevas energías
En el sector de los vehículos de nuevas energías, la aplicación de la tecnología de carburo de silicio se está convirtiendo en un factor clave para mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos e híbridos. Los dispositivos de carburo de silicio, con su alta conductividad térmica, alta intensidad de campo eléctrico de ruptura y excelentes propiedades mecánicas, mejoran significativamente la eficiencia y la fiabilidad de los sistemas de propulsión eléctrica, los sistemas de carga y los sistemas de gestión energética.
Aplicaciones del carburo de silicio en la conducción inteligente y el internet de los vehículos
En el contexto del rápido desarrollo de la conducción inteligente y el internet de los vehículos, la tecnología del carburo de silicio, con su rendimiento superior, se está incorporando gradualmente a áreas clave como sistemas de sensores, unidades de procesamiento de datos y módulos de comunicación, mejorando significativamente el rendimiento y la fiabilidad del sistema.
Aplicaciones del carburo de silicio en sistemas fotovoltaicos
En los sistemas fotovoltaicos, los componentes principales, como inversores, controladores MPPT y módulos de conversión de almacenamiento de energía, imponen múltiples exigencias a los dispositivos de potencia, como alta eficiencia, resistencia a alta tensión, funcionamiento a alta temperatura y miniaturización. Los dispositivos de silicio tradicionales experimentan una degradación significativa de su eficiencia en entornos de alta tensión y alta temperatura, lo que les impide satisfacer los crecientes requisitos de densidad de potencia de las centrales fotovoltaicas.
Aplicaciones del carburo de silicio en las comunicaciones 5G
En aplicaciones como las comunicaciones inalámbricas y los sistemas de radar, los dispositivos de radiofrecuencia (RF) son el núcleo de la transmisión y el procesamiento de señales, y su rendimiento es crucial para la estabilidad del sistema. Los dispositivos de radiofrecuencia (RF) basados en carburo de silicio semiaislante, gracias a sus amplias propiedades de ancho de banda, ofrecen ventajas como bajas pérdidas, alto ancho de banda y alta densidad de potencia, lo que los convierte en un elemento clave para los sistemas de comunicaciones militares y 5G de próxima generación.
Aplicaciones del carburo de silicio en redes eléctricas
El carburo de silicio puede optimizar significativamente las redes eléctricas al mejorar la eficiencia y la capacidad de transmisión y distribución de energía. Los sustratos de carburo de silicio pueden operar a temperaturas, voltajes y frecuencias más altas, lo que reduce el tamaño y la eficiencia de componentes como convertidores, conmutadores y transformadores, reduciendo así las pérdidas de energía y mejorando la calidad de la energía.
Aplicaciones del carburo de silicio en aeronaves de baja altitud
Las nuevas aeronaves, representadas por los eVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico), se han convertido en un punto focal de la economía global de baja altitud y se espera que se conviertan en una nueva industria de un billón de dólares. Los dispositivos MOSFET de SiC, gracias a sus avances en eficiencia e innovaciones en ligereza, están impulsando los eVTOL desde la fase experimental hasta la operación comercial. Los dispositivos MOSFET de carburo de silicio (SiC) se han convertido en un componente esencial de los sistemas de energía eVTOL, y su rendimiento mejorado y la reducción de costos impulsarán a la industria hacia aplicaciones a gran escala.
Aplicaciones del carburo de silicio en la inteligencia artificial (IA)
La electricidad se está convirtiendo en el último obstáculo que amenaza el avance de la inteligencia artificial (IA). El rápido crecimiento de la potencia computacional de la IA se acompaña de un aumento del consumo de energía, lo que impacta significativamente la demanda energética social. Si tomamos como ejemplo los centros de datos de EE. UU., para 2030 podrían consumir hasta el 9 % de la generación eléctrica del país, aproximadamente el equivalente a la producción anual de 40 centrales nucleares de tamaño mediano.
Con un consumo de electricidad tan grande, incluso una reducción del 0,1 % en el consumo de energía es un factor significativo. Para ayudar a abordar esta apremiante escasez de electricidad, el ecosistema industrial global está explorando activamente todas las opciones posibles. Por ejemplo, ON Semiconductor ha desarrollado una nueva serie de MOSFET de potencia de trinchera de silicio y MOSFET de SiC.
Aplicación del carburo de silicio en la industria robótica
Los robots y los vehículos de nuevas energías comparten un alto grado de similitud en su arquitectura técnica. Los chips automotrices pueden transferirse a aplicaciones robóticas, pero deben adaptarse a diferentes requisitos de rendimiento. Por ejemplo, los semiconductores de potencia, además de los sistemas automotrices, también tienen capacidades técnicas aplicables a los controladores de accionamiento de motores para articulaciones robóticas. La demanda de un control de potencia eficiente en este mercado emergente de la robótica está creciendo rápidamente.
Alúmina, el "salvador" de los materiales para baterías catódicas
La estructura básica de las baterías de iones de litio comprende el electrodo positivo, el electrodo negativo, el electrolito, el separador y la carcasa. El material del electrodo positivo es el núcleo de las baterías de iones de litio y determina su densidad energética, voltaje, ciclo de vida y seguridad.
Actualmente, si bien el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), el óxido de litio y manganeso (LiMn₂O₄), el fosfato de litio y hierro (LiFePO₄) y los materiales ternarios (Li-Ni-Co-Mn-O₄) son cuatro materiales comercializados para electrodos positivos de baterías de iones de litio, presentan ciertas deficiencias en cuanto a seguridad, rendimiento del ciclo, retención de capacidad y otros aspectos. Para mejorar la estabilidad de los materiales de los electrodos positivos, los investigadores utilizan diferentes métodos de modificación, como el dopaje y el recubrimiento superficial, y dos métodos comunes.
¿Cómo mejora la alúmina el rendimiento del electrodo positivo?
El recubrimiento de alúmina sobre materiales de electrodos positivos puede mejorar eficazmente la estabilidad del ciclo, el ciclo de vida y la estabilidad térmica de dichos materiales. Los principales efectos del Al₂O₃ en los materiales de los electrodos positivos son:
(1) Eliminación de fluoruro de hidrógeno (HF)
El LiPF₆ es un electrolito de uso común en electrolitos. A alta tensión, el hexafluorofosfato de litio (LiPF₆) reacciona con trazas de agua para generar HF.
(2) Barrera de protección física
Recubrir con una capa de Al₂O₃ la superficie del material del electrodo positivo puede aislarlo del electrolito e inhibir la aparición de reacciones secundarias perjudiciales entre este y el electrolito.
(3) Mejora de la estabilidad térmica de los materiales de los electrodos positivos
La estabilidad térmica es uno de los factores clave para evaluar el rendimiento de las baterías de iones de litio. Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de litio, la liberación de oxígeno reticular en el material del electrodo positivo provoca la oxidación del electrolito, lo que reduce su estabilidad térmica.
(4) Mejora de la velocidad de difusión de los iones de litio
Aunque el óxido de aluminio no es un buen conductor de electrones e iones, puede reaccionar con el litio residual en la superficie del material del electrodo positivo durante el proceso de carga y descarga para generar LiAlO₂, que es un buen conductor de iones y puede aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio. Esto se debe principalmente a que el LiAlO₂ reduce la barrera energética de difusión de los iones de litio.
(5) Reacción con LiPF₆ para generar el aditivo electrolítico LiPO₂F₆
El óxido de aluminio que recubre la superficie del material del electrodo positivo puede reaccionar con la sal de litio (LiPF₆) del electrolito para generar difluorofosfato de litio (LiPO₂F₆), un aditivo electrolítico estable que puede mejorar significativamente la estabilidad del ciclo, la seguridad y el rendimiento del material del electrodo positivo.
(6) Inhibición del efecto Jahn-Teller
El efecto Jahn-Teller es la principal causa de la disolución de iones de Mn en el material del electrodo positivo, lo que puede provocar el colapso de su estructura y dificultar la difusión de iones de litio, lo que reduce su rendimiento electroquímico.
Cinco tecnologías principales de recubrimiento
Método de impregnación: Añadir el material del electrodo positivo a la solución o sol que contiene el precursor de aluminio para formar una suspensión uniforme. Posteriormente, secar y calcinar para formar un material de electrodo positivo recubierto de alúmina.
Método de precipitación: Mezclar uniformemente el material del electrodo positivo con una solución como nitrato de aluminio o cloruro de aluminio. Ajustar el pH de la solución para formar una capa de recubrimiento sobre la superficie del material del electrodo positivo y, finalmente, generar un material de electrodo positivo recubierto de alúmina mediante filtración, lavado, secado y tratamiento térmico.
Proceso de recubrimiento en seco: La alúmina y los materiales del electrodo positivo se pueden mezclar directamente para formar una capa de recubrimiento rugosa sobre la superficie del material del electrodo positivo. Aunque no se puede lograr un recubrimiento uniforme sobre la superficie del material del electrodo positivo, este tiene un efecto positivo en la mejora del rendimiento electroquímico de dicho material.
Método de pulverización catódica: Este método utiliza iones Ar+ para bombardear el material objetivo (Al), de modo que los átomos de Al se pulverizan y se depositan sobre la superficie del material del electrodo positivo.
Tecnología de deposición de capas atómicas (ALD): Utilizando trimetilaluminio y otros materiales como fuente de aluminio, se recubre la superficie del material del electrodo positivo con óxido de aluminio. El espesor se puede controlar con precisión, y el aumento del espesor del recubrimiento se logra incrementando el número de ciclos de ALD.
La calidad de las piezas metálicas impresas en 3D depende del polvo.
Como materia prima, la calidad del polvo metálico determina en gran medida la calidad del producto final. En general, la limpieza, la morfología y la distribución granulométrica del polvo son factores clave que limitan el rendimiento del conformado de las piezas.
La morfología del polvo afecta directamente la densidad aparente y la fluidez, lo que a su vez afecta el proceso de alimentación y distribución del polvo, así como el rendimiento final de las piezas. En la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo, el mecanismo de distribución del polvo distribuye las partículas de manera uniforme en el área de conformado, y una buena fluidez es clave para obtener un lecho de polvo uniforme y plano. Los polvos esféricos y casi esféricos presentan buena fluidez, alta densidad aparente, alta densidad y estructura uniforme, y son la materia prima preferida para la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo.
Sin embargo, si los polvos esféricos y casi esféricos contienen polvo hueco y polvo satélite, el rendimiento final de las piezas se verá reducido. El polvo hueco representa una mayor proporción en polvos con un tamaño de partícula superior a 70 µm, lo que provoca defectos como poros difíciles de eliminar en las piezas conformadas. El polvo satélite reduce su fluidez y dificulta su acumulación uniforme durante la distribución de capas continuas, causando defectos en las piezas. Por lo tanto, los polvos metálicos para la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo deben minimizar la proporción de polvo hueco y polvo satélite en las materias primas.
La distribución del tamaño de partícula del polvo se utiliza para caracterizar la composición y los cambios de partículas con diferentes tamaños en el sistema de partículas de polvo, y es un parámetro importante para describir las características de las partículas de polvo.
El tamaño de partícula del polvo afecta directamente la calidad de distribución, la velocidad y la precisión del conformado, y la uniformidad organizativa del proceso de fabricación aditiva. El tamaño de partícula seleccionado varía según el proceso. En general, la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM) selecciona polvos con un tamaño de partícula de 15 a 45 µm, mientras que la tecnología de fusión selectiva por haz de electrones (SEBM) selecciona polvos con un tamaño de partícula de 45 a 106 µm.
Desde la perspectiva termodinámica y cinética, cuanto más pequeñas sean las partículas de polvo, mayor será su área superficial específica y mayor será la fuerza impulsora de sinterización. Es decir, las partículas de polvo pequeñas favorecen el conformado de piezas. Sin embargo, los polvos con partículas demasiado finas reducirán su fluidez, densidad y conductividad eléctrica, y su conformabilidad se deteriorará, además de ser propensos a la esferoidización durante el proceso de impresión. Un tamaño de partícula demasiado grueso reducirá la actividad de sinterización, la uniformidad de la distribución y la precisión del conformado.
Por lo tanto, según los requisitos de rendimiento de las piezas finales, la combinación de polvos gruesos y finos mejora la densidad aparente y la fluidez, lo que favorece la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo. Los investigadores consideran que, dentro del rango general de tamaño de partícula del proceso de fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo láser, una distribución más amplia del tamaño de partícula puede aumentar la capacidad de relleno de partículas pequeñas en los espacios entre partículas grandes y mejorar la densidad del lecho de polvo durante el proceso de aplicación.
Según el estado actual de la investigación sobre la influencia de los cambios en las características del polvo en la calidad del conformado, los cambios en el tamaño, la morfología y el estado de la superficie del polvo afectan su dispersión y calidad de conformado. En cuanto a la densidad de conformado, una distribución adecuada del tamaño de partícula, una mayor esfericidad y una menor cohesión entre las partículas pueden mejorar la densidad de holgura y la calidad de la dispersión del polvo, reducir aún más el número de poros y defectos no fusionados en la muestra de conformado y mejorar la densidad de conformado.
Modificación: haciendo que la nanoalúmina sea más perfecta
La nanoalúmina es un nuevo tipo de material inorgánico fino de alta funcionalidad. Desde la producción del polvo de nanoalúmina a mediados de la década de 1980, se ha profundizado en el conocimiento de este material de alta tecnología y se han descubierto muchas de sus características, como alta dureza, alta resistencia, resistencia al calor, resistencia a la corrosión y otras excelentes características. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, la defensa nacional, la industria química, la microelectrónica y otros campos.
En la aplicación práctica de la nanoalúmina, la modificación del polvo siempre ha sido un trabajo muy importante.
¿Por qué se modifica?
En primer lugar, al ser un nanomaterial con múltiples características, la nanoalúmina es muy fácil de aglomerar debido a su tamaño de partícula extremadamente pequeño y su gran energía superficial. Si el fenómeno de aglomeración es particularmente grave, tendrá un gran impacto en las características de la nanoalúmina.
Además, la nanoalúmina puede utilizarse como biopelícula para la investigación médica de fármacos biológicos, pero la carga superficial del cristal, con carga superficial equilibrada, se distribuye de forma desigual debido a la presencia de defectos reticulares. La acumulación de defectos de carga superficial y áreas de carga espacial a nivel micrométrico genera un momento dipolar reticular. Cuando los materiales biológicos entran en contacto con la superficie de estos polvos, se produce un enriquecimiento, lo que provoca el bloqueo de los poros y la contaminación de la membrana.
Además, el aislamiento y la alta resistencia de la alúmina se utilizan como relleno en materiales como recubrimientos y caucho para mejorar la dureza, el aislamiento, la ductilidad y la resistencia al desgaste de los materiales. Sin embargo, la alúmina es una sustancia polar y presenta poca compatibilidad con materiales poliméricos apolares.
Por lo tanto, la modificación superficial de la alúmina ha atraído mucha atención.
La modificación superficial se refiere al tratamiento superficial de partículas sólidas mediante métodos físicos o químicos, es decir, al proceso de modificar deliberadamente las propiedades físicas y químicas y la morfología superficial de la partícula según las necesidades de la aplicación. Actualmente, existen dos métodos de modificación más prácticos. El primer método se denomina modificación orgánica superficial, ya que utiliza principalmente modificadores orgánicos. El segundo método es la modificación del recubrimiento inorgánico o modificación del recubrimiento superficial.
Modificación orgánica superficial
El objetivo de la modificación orgánica superficial de partículas de polvo ultrafino es hidrofobicizar su superficie mediante la unión de los grupos orgánicos correspondientes, mejorando así su rendimiento de dispersión y la compatibilidad interfacial en matrices orgánicas como resinas, cauchos y pinturas, optimizando así el proceso de procesamiento del producto y las propiedades mecánicas integrales de los materiales compuestos. Según su estructura química, los modificadores se dividen en ácidos grasos superiores o sus sales, ácidos grasos inferiores y agentes de acoplamiento.
(1) Modificación física del recubrimiento
La modificación física del recubrimiento o modificación del tratamiento de recubrimiento es un método que utiliza materia orgánica (siempre que se trate de un polímero, resina, surfactante, compuesto polimérico soluble en agua o aceite, jabón de ácido graso, etc.) para recubrir la superficie de las partículas y lograr el objetivo de la modificación. Se trata de un proceso para modificar simplemente la superficie de las partículas.
(2) Modificación química de la superficie
La modificación química de la superficie se logra mediante una reacción química o adsorción química entre el modificador de superficie y la superficie de la partícula. Es el método de modificación más utilizado en la producción.
(3) Modificación por injerto
La modificación por injerto es un proceso de modificación en el que se introducen olefinas monoméricas o poliolefinas en la superficie del polvo bajo ciertas condiciones de excitación externa. En ocasiones, es necesario excitar la olefina monomérica después de la introducción para polimerizarla.
Modificación del recubrimiento de la superficie
La modificación del recubrimiento de la superficie se refiere a la tecnología de modificación que consiste en recubrir uniformemente la superficie de partículas ultrafinas de polvo de alúmina con partículas sólidas más pequeñas o películas sólidas, modificando así la composición, estructura, apariencia y función original de la superficie.
Según el entorno y la forma de la reacción de recubrimiento, la naturaleza y el método del recubrimiento modificado entre partículas, los métodos de modificación del recubrimiento de la superficie se pueden dividir en método de precipitación química, método de recubrimiento por hidrólisis, método sol-gel, método de evaporación del disolvente, método mecanoquímico y método en fase gaseosa. Entre ellos, los tres primeros métodos son todos métodos de reacción en solución, es decir, la solución de sal soluble se precipita mediante agentes precipitantes e hidrólisis y luego se recubre sobre la superficie del polvo de partículas que se va a modificar.