14 métodos de revestimento superficial de pó ultrafino
Os pós ultrafinos referem-se geralmente a partículas com um tamanho de partícula de micrómetros ou nanómetros. Comparativamente aos materiais convencionais a granel, apresentam uma maior área superficial específica, atividade superficial e maior energia superficial, apresentando excelentes propriedades óticas, térmicas, elétricas, magnéticas, catalíticas e outras. Os pós ultrafinos têm sido amplamente estudados como materiais funcionais nos últimos anos e têm sido cada vez mais utilizados em diversas áreas do desenvolvimento económico nacional.
No entanto, devido aos problemas específicos de aglomeração e dispersão dos pós ultrafinos, estes perderam muitas das suas excelentes propriedades, o que restringe seriamente a sua aplicação industrial.
Métodos para o revestimento da superfície de pós ultrafinos
1.º Método de mistura mecânica. Utiliza forças mecânicas como a extrusão, o impacto, o cisalhamento e a fricção para distribuir uniformemente o modificador na superfície exterior das partículas de pó, de modo a que os vários componentes possam penetrar e difundir-se uns nos outros para formar um revestimento. Os principais métodos atualmente utilizados são a moagem por esferas, a moagem por agitação e o impacto com fluxo de ar de alta velocidade.
2.º Método de reação em fase sólida. Misturar e moer diversos sais ou óxidos metálicos de acordo com a fórmula e, em seguida, calciná-los para obter diretamente pós revestidos ultrafinos através de reação em fase sólida.
3.º Método hidrotérmico. Num sistema fechado de alta temperatura e alta pressão, a água é utilizada como meio para obter um ambiente físico e químico especial, inalterável em condições normais de pressão, de modo a que o precursor da reação seja completamente dissolvido e atinja um certo grau de sobressaturação, formando assim uma unidade de crescimento, e depois nucleando e cristalizando para obter um pó composto.
4.º Método sol-gel. Em primeiro lugar, o precursor modificador é dissolvido em água (ou solvente orgânico) para formar uma solução uniforme, e o soluto e o solvente são hidrolisados ou alcoolizados para obter um sol modificador (ou o seu precursor); Em seguida, as partículas revestidas pré-tratadas são misturadas uniformemente com o sol para que as partículas sejam uniformemente dispersas no sol, e o sol é tratado para ser convertido num gel e calcinado a alta temperatura para obter um pó revestido com um modificador na superfície, conseguindo assim a modificação da superfície do pó.
5.º Método de precipitação. Adicionar um precipitante a uma solução que contenha partículas de pó, ou adicionar uma substância que possa desencadear a geração de um precipitante no sistema reacional, de modo a que os iões modificados sofram uma reação de precipitação e precipitem na superfície das partículas, revestindo-as.
6.º Método de coagulação heterogénea (também conhecido como "método de heterofloculação"). Um método proposto baseado no princípio de que partículas com cargas opostas na superfície podem atrair-se e coagular.
7.º Método de revestimento por microemulsão. Primeiramente, o pó ultrafino a revestir é preparado pelo pequeno núcleo de água fornecido pela microemulsão do tipo A/O (água em óleo) e, em seguida, o pó é revestido e modificado por polimerização em microemulsão.
8.º Método de nucleação não uniforme. De acordo com a teoria do processo de cristalização LAMER, a camada de revestimento é formada pela nucleação não uniforme e crescimento das partículas modificadoras na matriz de partículas revestidas.
9.º Método de deposição química. Refere-se ao processo de precipitação de metais por método químico sem aplicação de corrente externa. Existem três métodos: método de substituição, método de deposição por contacto e método de redução.
10.º Método do fluido supercrítico. É uma tecnologia nova, ainda em investigação. Em condições supercríticas, a redução da pressão pode levar à sobressaturação, podendo atingir uma elevada taxa de sobressaturação, de modo a que o soluto sólido cristalize a partir da solução supercrítica.
11.º Deposição química de vapor. A uma temperatura relativamente elevada, o gás misturado interage com a superfície do substrato, fazendo com que alguns componentes do gás misturado se decomponham e formem um revestimento metálico ou composto sobre o substrato.
12.º Método de alta energia. O método de revestimento de nanopartículas utilizando infravermelhos, ultravioleta, raios gama, descarga de corona, plasma, etc. é coletivamente designado por método de alta energia. O método de alta energia utiliza frequentemente algumas substâncias com grupos funcionais ativos para obter o revestimento da superfície das nanopartículas sob a ação de partículas de alta energia.
13.º Método de decomposição térmica por pulverização. O princípio do processo é pulverizar uma solução mista de vários sais contendo os iões positivos necessários numa névoa, enviá-la para uma câmara de reação aquecida a uma temperatura definida e gerar partículas finas de pó composto através da reação.
14.º Método de microencapsulação. Um método de modificação de superfícies que cobre uma película uniforme com uma determinada espessura na superfície do pó. O tamanho de partícula das microcápsulas geralmente preparadas é de 2 a 1000 μm, e a espessura do material da parede é de 0,2 a 10 μm.
Pó de níquel ultrafino: tamanho pequeno, grande efeito!
O pó de níquel ultrafino refere-se geralmente ao níquel com um tamanho de partícula inferior a 1 μm. De acordo com o tamanho de partícula, o pó de níquel ultrafino é frequentemente dividido em pó de níquel de grau micrométrico (tamanho médio de partícula ≥ 1 μm), pó de níquel de grau submicrométrico (tamanho médio de partícula de 0,1-1,0 μm) e pó de níquel de grau nanométrico (tamanho médio de partícula de 0,001-0,100 μm). O pó de níquel ultrafino possui as características de tamanho pequeno, elevada atividade superficial, boa condutividade e excelente condutividade magnética. É amplamente utilizado em carboneto cimentado, condensadores cerâmicos multicamadas de chip, materiais magnéticos, catalisadores de alta eficiência, pastas condutoras, materiais absorventes, materiais de blindagem eletromagnética e outros campos. Muitos campos exigem elevados níveis de pureza, dispersibilidade e esfericidade do pó de níquel, pelo que a preparação de pó de níquel ultrafino esférico com boa esfericidade, alta pureza e alta dispersibilidade tornou-se o foco atual da investigação na preparação de pó de níquel.
O pó de níquel ultrafino é amplamente utilizado em diversos campos industriais e de alta tecnologia devido à sua elevada área superficial específica, excelente condutividade, atividade catalítica e propriedades magnéticas.
Electrónica e semicondutores
Capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC): O pó de níquel ultrafino é um material essencial para os elétrodos internos de MLCC, substituindo a tradicional liga de paládio/prata, um metal precioso, reduzindo significativamente os custos de fabrico e satisfazendo as necessidades de componentes eletrónicos miniaturizados e de alta frequência.
Pasta e encapsulamento condutores: Devido à sua elevada condutividade e dispersibilidade, é utilizado em pastas eletrónicas e revestimentos condutores de placas de circuito impresso (PCB) para melhorar a condutividade e o desempenho de dissipação de calor de dispositivos eletrónicos.
Materiais semicondutores: Como enchimento condutor em encapsulamento de chips, melhora a condutividade térmica e a estabilidade mecânica do material.
Armazenamento e conversão de energia
Baterias de iões de lítio: Como material de elétrodo positivo (como o LiNiO2), melhora significativamente a densidade de energia e o ciclo de vida da bateria, especialmente para veículos de nova geração e sistemas de armazenamento de energia.
Células de combustível: Utilizadas como catalisadores (como catalisadores de reações hidrogénio-oxigénio) para melhorar a eficiência da reação, reduzir a utilização do metal precioso platina e reduzir os custos.
Supercondensadores: Aumentam a capacidade de armazenamento de carga dos materiais dos elétrodos através da otimização da nanoestrutura.
Catálise e proteção ambiental
Petroquímicos: utilizados como catalisadores eficientes em hidrogenação, desidrogenação e outras reações para melhorar o rendimento e a pureza do produto, como a hidrogenação do tolueno para produzir metilciclohexano.
Proteção ambiental: utilizados para o tratamento de gases residuais e águas residuais, degradação catalítica de poluentes e redução das emissões de substâncias nocivas.
Catálise de nova energia: na produção de energia a hidrogénio, a produção eficiente de hidrogénio através da reação de reforma a vapor (SMR) promove o desenvolvimento de energia limpa.
Materiais magnéticos e tecnologia de absorção de ondas
Fluido magnético e meio de armazenamento: dispersos no líquido transportador para formar um fluido magnético ou utilizados em dispositivos de armazenamento magnético de alta densidade (como discos quânticos).
Materiais de blindagem eletromagnética e absorção de ondas: o pó de níquel ultrafino possui excelentes propriedades elétricas e magnéticas. Os materiais de blindagem de ondas eletromagnéticas podem ser preparados pela combinação de pó de níquel ultrafino com materiais de matriz polimérica. Os materiais compósitos multicomponentes, como o cobre e o níquel, apresentam boas propriedades de absorção e blindagem de ondas na região de alta frequência e podem ser utilizados como materiais furtivos (stealth) nesta região. Baseado no revestimento condutor de pó de níquel ultrafino, é amplamente utilizado na tecnologia furtiva militar e em equipamentos eletrónicos civis.
Fabrico aeroespacial e de ponta
Ligas de alta temperatura: Como aditivos para melhorar a resistência a altas temperaturas e a resistência à corrosão das ligas, adequado para peças de motores de aeronaves.
Carboneto cimentado: Substitui o cobalto como metal de ligação, utilizado em ferramentas de corte e peças resistentes ao desgaste, reduzindo os custos e melhorando o desempenho.
Biomedicina e novos materiais
Transportadores de fármacos, diagnóstico e tratamento: Utiliza a sua responsividade magnética e biocompatibilidade para a administração dirigida de fármacos e deteção de marcadores magnéticos.
Impressão 3D e materiais compósitos: Como carga para a moldagem por injeção de metal (MIM), melhora as propriedades mecânicas e a precisão da moldagem de peças complexas.
A vantagem do pó de níquel ultrafino é que substitui materiais de metais preciosos mais caros, reduzindo significativamente os custos de produção. No entanto, estes campos de aplicação exigem que o pó de nanoníquel utilizado tenha uma estrutura esférica regular, um tamanho pequeno e uma distribuição uniforme do tamanho das partículas, uma boa dispersibilidade, uma elevada densidade compactada, uma forte capacidade antioxidante e outras propriedades, o que também representa um desafio para o processo de preparação do pó de nanoníquel.
Vantagens dos materiais de carbono na condutividade térmica e dissipação de calor
Nas actuais indústrias electrónica e optoelectrónica, à medida que os dispositivos electrónicos e os seus produtos se desenvolvem no sentido de uma elevada integração e de uma elevada computação, a potência dissipada duplicou. A dissipação de calor tornou-se gradualmente um factor-chave que restringe o desenvolvimento sustentável da indústria electrónica. Encontrar materiais de gestão de calor com excelente condutividade térmica é crucial para a próxima geração de circuitos integrados e projetos de produtos eletrónicos tridimensionais.
A condutividade térmica dos materiais cerâmicos tradicionais (como o nitreto de boro e o nitreto de alumínio) e dos materiais metálicos (como o cobre e o alumínio) é de apenas algumas centenas de W/(m·K), no máximo. Em comparação, a condutividade térmica dos materiais de carbono, como o diamante, a grafite, o grafeno, os nanotubos de carbono e a fibra de carbono, é ainda mais surpreendente. Por exemplo, o grafite tem uma condutividade térmica teórica de até 4180 W/m·k na direção paralela à camada cristalina, o que é quase 10 vezes superior à dos materiais metálicos tradicionais, como o cobre, a prata e o alumínio. Além disso, os materiais de carbono também apresentam excelentes propriedades, tais como baixa densidade, baixo coeficiente de expansão térmica e boas propriedades mecânicas a altas temperaturas.
Grafeno
O grafeno é um material de superfície de átomos de carbono de camada única, descamado da grafite. Possui uma estrutura plana bidimensional em forma de favo de mel, composta por átomos de carbono de camada única, firmemente dispostos em hexágonos regulares. A estrutura é muito estável. A ligação entre os átomos de carbono dentro do grafeno é muito flexível. Quando é aplicada uma força externa ao grafeno, a superfície do átomo de carbono curva-se e deforma-se, pelo que os átomos de carbono não têm de se reorganizar para se adaptarem à força externa, mantendo assim a estabilidade estrutural. Esta estrutura reticular estável confere ao grafeno uma excelente condutividade térmica.
Nanotubos de carbono
Desde a descoberta dos nanotubos de carbono em 1991, estes têm sido um foco de atenção, atraindo muitos cientistas para o estudo da condutividade térmica dos nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono são feitos de folhas de grafite de camada única ou multicamadas enroladas, e dividem-se em três tipos: de parede simples, de parede dupla e de parede múltipla.
A estrutura especial confere aos nanotubos de carbono uma condutividade térmica extremamente elevada. Alguns investigadores calcularam que a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede simples à temperatura ambiente é de 3980 W/(m·K), a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede dupla é de 3580 W/(m·K) e a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede múltipla é de 2860 W/(m·K).
Diamante
A estrutura cristalina do diamante é um arranjo compacto de átomos de carbono nos tetraedros, e todos os eletrões participam na ligação. Assim sendo, a sua condutividade térmica à temperatura ambiente atinge os 2000~2100 W/(m·K), sendo um dos materiais com melhor condutividade térmica da natureza. Esta característica torna-a insubstituível no campo da dissipação de calor de alta qualidade.
Fibra de carbono
A fibra de carbono é tratada por carbonização a alta temperatura para formar uma estrutura de grafite turboestrática. Se a sua estrutura axial de grafite for altamente orientada, poderá atingir uma condutividade térmica ultra-elevada. Por exemplo, a condutividade térmica da fibra de carbono mesofásica à base de pez é de 1100 W/(m·K), e a condutividade térmica da fibra de carbono cultivada a vapor pode atingir 1950 W/(m·K).
Grafite
O grafite possui uma estrutura cristalina hexagonal, composta por seis facetas e dois planos basais compactados. A primeira camada da grelha hexagonal de átomos de carbono é escalonada por 1/2 da linha diagonal hexagonal e sobreposta paralelamente à segunda camada. A terceira camada e a primeira camada são repetidas na posição, formando uma sequência ABAB... A condutividade térmica da grafite natural ao longo do plano cristalino (002) é de 2200 W/(m·K), e a condutividade térmica no plano da grafite pirolítica altamente orientada pode também atingir 2000 W/(m·K).
Todos os materiais de carbono mencionados possuem uma condutividade térmica extremamente elevada, o que os levou a atrair muita atenção no campo dos requisitos de elevada dissipação de calor. A seguir, vamos analisar vários materiais clássicos de condução/dissipação de calor à base de carbono.
Os materiais de carbono, com a sua estrutura cristalina única e propriedades físicas e químicas, demonstraram vantagens insubstituíveis no campo da condutividade térmica e da dissipação de calor. Com o avanço da tecnologia de preparação e a expansão dos cenários de aplicação, espera-se que os materiais à base de carbono, como o grafeno e o diamante, promovam soluções de dissipação de calor em indústrias como a eletrónica e a aeroespacial a um nível superior.
Aplicação da preparação de pó baseada na tecnologia de plasma térmico em materiais de gestão térmica
A miniaturização e a integração de dispositivos eletrónicos impõem maiores requisitos de dissipação de calor para os materiais de gestão térmica baseados em polímeros. O desenvolvimento de novos enchimentos de alta condutividade térmica para construir caminhos de condução térmica eficazes é a chave para alcançar materiais de gestão térmica de alto desempenho.
A tecnologia de plasma térmico apresenta grandes vantagens na preparação de pós esféricos em formato nano e micron, como o pó de silício esférico e o pó de alumina, devido à sua elevada temperatura, atmosfera de reação controlável, elevada densidade de energia e baixa poluição.
Tecnologia de plasma térmico
O plasma é o quarto estado da matéria, além de sólido, líquido e gasoso. É um agregado eletricamente neutro composto por eletrões, catiões e partículas neutras. De acordo com a temperatura das partículas pesadas no plasma, o plasma pode ser dividido em duas categorias: plasma quente e plasma frio.
A temperatura dos iões pesados no plasma quente pode atingir 3×103 a 3×104 K, o que basicamente atinge o estado de equilíbrio termodinâmico local. Neste estado, o plasma térmico tem a seguinte relação: temperatura dos eletrões Te = temperatura do plasma Th = temperatura de excitação Tex = temperatura da reação de ionização Treac, logo o plasma térmico tem uma temperatura termodinâmica uniforme.
Preparação de plasma de pós esféricos
Com base nas características de alta temperatura e rápida taxa de arrefecimento do plasma térmico de alta frequência, é utilizada a tecnologia de deposição física de vapor para preparar nanopós.
Existem duas formas principais de preparar pós esféricos com plasma.
Uma delas é passar pós de matéria-prima de forma irregular e grande para o arco de alta temperatura do plasma térmico e utilizar o ambiente de alta temperatura gerado pelo plasma térmico para aquecer e derreter rapidamente as partículas de matéria-prima (ou derreter a superfície). Devido à tensão superficial, o pó fundido forma uma esfera e solidifica a uma taxa de arrefecimento adequada para obter um pó esférico. A segunda é utilizar pós irregulares ou precursores como matérias-primas e plasma térmico como fonte de calor a alta temperatura. As matérias-primas reagem com as partículas ativas nelas contidas e são rapidamente arrefecidas e depositadas para gerar materiais em pó ideais.
Aproveitando as características de alta temperatura, alta energia, atmosfera controlável e ausência de poluição do plasma térmico, podem ser preparados pós esféricos de alta pureza, alta esfericidade e diferentes tamanhos controlando os parâmetros no processo de preparação, tais como a alimentação, a taxa de arrefecimento e a potência do plasma. Por conseguinte, o uso da tecnologia de plasma para preparar pós esféricos tem sido cada vez mais utilizado nas indústrias energética, aeroespacial, química e outros campos.
Principais áreas de aplicação e características do micropó de silício
O pó de sílica é um material inorgânico não metálico cujo principal componente é o dióxido de silício. É feito de quartzo cristalino, quartzo fundido, etc. como matéria-prima, e é processado por moagem, classificação de precisão, remoção de impurezas e outros processos. Possui excelentes propriedades dielétricas, baixo coeficiente de expansão térmica e elevada condutividade térmica. É amplamente utilizado em laminados revestidos de cobre, compostos de moldagem epóxi, materiais isolantes, adesivos, revestimentos, cerâmicas e outros campos.
1. Laminado revestido a cobre
O laminado revestido a cobre é um substrato importante para o fabrico de placas de circuito impresso com uma estrutura de "folha de cobre + camada de isolamento dielétrico (resina e material de reforço) + folha de cobre". É um material básico a montante para vários sistemas de circuitos.
As opções de enchimentos para laminados revestidos a cobre incluem micropó de silício, hidróxido de alumínio, hidróxido de magnésio, pó de talco, pó de mica e outros materiais. Entre eles, o micropó de silício apresenta vantagens relativas em termos de resistência ao calor, propriedades mecânicas, propriedades elétricas e dispersibilidade em sistemas de resina. Pode ser utilizado para melhorar a resistência ao calor e à humidade, melhorar a rigidez de laminados finos revestidos de cobre, reduzir o coeficiente de expansão térmica, melhorar a estabilidade dimensional, melhorar a precisão do posicionamento da perfuração e a suavidade da parede interior, melhorar a adesão entre camadas ou entre camadas isolantes e folha de cobre, etc., pelo que é favorecido nos enchimentos de laminados revestidos de cobre.
O micropó de silício esférico tem o melhor desempenho, mas um custo elevado, e é utilizado apenas na área dos laminados revestidos a cobre de alta qualidade. Em termos de condutividade térmica, enchimento, expansão térmica e propriedades dielétricas, o desempenho do micropó de silício esférico é melhor, mas em termos de preço, o micropó de silício angular é menor. Portanto, considerando o desempenho e o custo abrangentes, o micropó de silício esférico é atualmente utilizado principalmente no campo dos laminados revestidos de cobre de alta qualidade, tais como laminados revestidos de cobre de alta frequência e alta velocidade, portadores de CI, etc., e quanto maior for o cenário de aplicação, maior será a taxa de adição.
2. Composto de moldagem epóxi
O composto de moldagem epóxi é um composto de moldagem em pó feito de resina epóxi como resina base, resina fenólica de alto desempenho como agente de cura, pó de silício como enchimento e uma variedade de aditivos. É um material essencial para embalagens de semicondutores, como os circuitos integrados (mais de 97% das embalagens de semicondutores utilizam composto de moldagem epóxi).
3. Material de isolamento elétrico
O pó de silício utilizado nos produtos de isolamento elétrico pode reduzir eficazmente o coeficiente de dilatação linear do produto curado e a taxa de contracção durante o processo de cura, reduzir a tensão interna e melhorar a resistência mecânica do material isolante, melhorando e melhorando eficazmente as propriedades mecânicas e elétricas do material isolante. Portanto, os requisitos funcionais dos clientes neste campo para o micropó de silício são mais refletidos num baixo coeficiente de expansão linear, alto isolamento e alta resistência mecânica, enquanto os requisitos para as suas propriedades dielétricas e condutividade térmica são relativamente baixos.
No campo dos materiais de isolamento elétrico, os produtos de micropó de silício de especificação única com um tamanho médio de partícula de 5-25 µm são geralmente selecionados de acordo com as características dos produtos de isolamento elétrico e os requisitos do seu processo de produção, e são impostos elevados requisitos à brancura do produto, à distribuição do tamanho das partículas, etc.
4. Adesivos
O micropó de silício preenchido com resina adesiva pode reduzir eficazmente o coeficiente de expansão linear do produto curado e a taxa de encolhimento durante a cura, melhorar a resistência mecânica do adesivo, melhorar a resistência ao calor, a antipermeabilidade e o desempenho de dissipação de calor, melhorando assim o efeito de colagem e vedação.
A distribuição do tamanho das partículas do micropó de silício irá afetar a viscosidade e a sedimentação do adesivo, afetando assim a processabilidade do adesivo e o coeficiente de expansão linear após a cura.
5. Cerâmica em favo de mel
Os transportadores cerâmicos em forma de favo de mel para purificação de gases de escape de automóveis e o filtro de gases de escape de automóveis DPF de material de cordierite para purificação de gases de escape de motores a diesel são fabricados em alumina, micropó de silício e outros materiais através de mistura, moldagem por extrusão, secagem, sinterização e outros processos. O micropó de silício esférico pode melhorar a taxa de moldagem e a estabilidade dos produtos cerâmicos alveolares.
Modificação do revestimento de dióxido de titânio
A modificação do revestimento de dióxido de titânio (dióxido de titânio) é um meio importante para melhorar o seu desempenho (como a dispersibilidade, a resistência à intempérie, o brilho, a estabilidade química, etc.). Os métodos comuns de modificação do revestimento incluem principalmente três categorias: revestimento inorgânico, revestimento orgânico e revestimento compósito. A seguir, uma classificação específica e uma breve introdução:
Modificação de revestimento inorgânico
Ao revestir uma camada de óxidos ou sais inorgânicos na superfície das partículas de dióxido de titânio, forma-se uma barreira física para melhorar a sua estabilidade química e propriedades óticas.
1. Revestimento de óxido
Princípio: Utilize o hidrato de óxidos metálicos (como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, etc.) para precipitar na superfície do dióxido de titânio de modo a formar uma camada de revestimento uniforme.
Processo: Normalmente, através do método de deposição em fase líquida, são adicionados sais metálicos (como o silicato de sódio, sulfato de alumínio) à pasta de dióxido de titânio, e o valor do pH é ajustado para precipitar e revestir o hidrato de óxido metálico.
2. Revestimento de óxido composto
Princípio: Revestimento de dois ou mais óxidos metálicos (como Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, etc.), combinando as vantagens de cada componente.
Características: Melhor desempenho global, por exemplo, o revestimento Al₂O₃-SiO₂ pode melhorar simultaneamente a dispersibilidade e a resistência às intempéries, adequado para tintas automóveis de alta exigência e revestimentos de bobinas.
3. Revestimento de sal
Princípio: Utilize sais metálicos (como fosfatos, silicatos, sulfatos, etc.) para formar uma camada de sal pouco solúvel na superfície do dióxido de titânio.
Modificação de revestimento orgânico
Através da reação de compostos orgânicos com os grupos hidroxilo na superfície do dióxido de titânio, forma-se uma camada molecular orgânica para melhorar a sua compatibilidade com os meios orgânicos.
1. Revestimento de agente de acoplamento
Princípio: Utilizando a estrutura anfifílica das moléculas do agente de acoplamento (como silanos, titanatos, aluminatos), uma extremidade é combinada com o grupo hidroxilo na superfície do dióxido de titânio, e a outra extremidade reage com a matriz orgânica (como resina, polímero).
Agente de acoplamento de silano: melhora a dispersibilidade do dióxido de titânio em sistemas à base de água, normalmente utilizado em revestimentos e tintas à base de água.
Agente de acoplamento titanato/aluminato: melhora a compatibilidade em sistemas oleosos, como plásticos e borrachas, e reduz a aglomeração durante o processamento.
2. Revestimento surfactante
Princípio: Os tensioativos (como ácidos gordos, sulfonatos, sais de amónio quaternário, etc.) ligam-se à superfície do dióxido de titânio através de adsorção física ou reação química para formar uma camada de carga ou camada hidrofóbica.
Função:
Tensoativos aniónicos (como o ácido esteárico): melhoram a dispersibilidade em meios oleosos, comummente utilizados em plásticos e borracha.
Tensoativos catiónicos (como o cloreto de dodeciltrimetilamónio): Adequados para sistemas polares para melhorar a estabilidade.
3. Revestimento de polímero
Princípio: Enxertar polímeros (como acrilatos, resinas epóxi, siloxanos, etc.) na superfície do dióxido de titânio através de reações de polimerização.
Função:
Forma uma camada espessa de revestimento para isolar ainda mais a erosão química e melhorar a resistência às intempéries e as propriedades mecânicas.
Melhora a compatibilidade com resinas específicas, adequadas para materiais compósitos e revestimentos de alto desempenho.
4. Revestimento de silicone
Princípio: Utilize as características de baixa energia superficial do polissiloxano (óleo de silicone, resina de silicone, etc.) para revestir partículas de dióxido de titânio.
Função: Reduz a tensão superficial, melhora a dispersibilidade e a suavidade, comummente utilizado em tintas e cosméticos.
III. Modificação de revestimento composto
Combinando as vantagens dos revestimentos inorgânicos e orgânicos, o revestimento duplo é realizado por etapas ou simultaneamente para obter um desempenho complementar.
1. Primeiro revestimento inorgânico e depois orgânico
2. Revestimento síncrono inorgânico-orgânico
Outras tecnologias de revestimento especiais
1. Revestimento nano
2. Revestimento de microcápsulas
Princípio: Encapsular partículas de dióxido de titânio em microcápsulas de polímero, libertar dióxido de titânio controlando as condições de rutura da cápsula (como temperatura, valor de pH), adequado para revestimentos inteligentes e sistemas de libertação lenta.
Materiais de liga de magnésio na economia de baixa altitude
Como material leve, a liga de magnésio tornou-se uma escolha ideal para aeronaves económicas de baixa altitude devido à sua baixa densidade, alta resistência, absorção de choque e capacidade de blindagem de ondas eletromagnéticas. Comparada com os materiais tradicionais, a liga de magnésio é mais leve, pode prolongar significativamente o tempo de voo e melhorar a eficiência energética. Além disso, as capacidades de absorção de choque e de blindagem eletromagnética da liga de magnésio também podem melhorar a segurança operacional e a compatibilidade eletromagnética das aeronaves em ambientes complexos.
Aeronave elétrica de descolagem e aterragem vertical (eVTOL)
Estrutura do fusível: A densidade da liga de magnésio é apenas 2/3 da da liga de alumínio e 1/4 da do aço. A sua utilização na estrutura da fuselagem pode reduzir significativamente o peso da aeronave, melhorar a capacidade de carga e o alcance. Por exemplo, o eVTOL de carga de 2 toneladas da Fengfei Aviation utiliza liga de magnésio para fabricar alguns componentes da estrutura da fuselagem, o que atinge efetivamente o peso leve ao mesmo tempo que garante a resistência estrutural.
Estrutura da asa: A liga de magnésio tem uma elevada resistência específica e pode manter a estabilidade estrutural da asa sob grandes cargas aerodinâmicas, ao mesmo tempo que reduz o peso da asa, o que ajuda a melhorar o desempenho de voo da aeronave.
Invólucro do motor: A liga de magnésio tem uma boa condutividade térmica e propriedades de blindagem eletromagnética, o que pode dissipar eficazmente o calor gerado pelo funcionamento do gerador, proteger o circuito interno do motor contra interferências eletromagnéticas, prolongar a vida útil do motor e melhorar a eficiência operacional do motor. Por exemplo, a carcaça do motor do carro voador elétrico inteligente Traveler X2 da Xiaopeng Huitian é feita de liga de magnésio.
Compartimento da bateria: A liga de magnésio pode ser utilizada para fabricar compartimentos de baterias. A sua baixa densidade ajuda a reduzir o peso total da aeronave, e o seu desempenho de blindagem eletromagnética pode evitar que a bateria sofra interferências eletromagnéticas externas, garantindo a segurança e o funcionamento estável da bateria.
Suporte do painel de instrumentos: O suporte do painel de instrumentos em liga de magnésio tem uma boa rigidez e estabilidade e pode suportar vários dispositivos e dispositivos de visualização do painel de instrumentos eVTOL. Ao mesmo tempo, as suas características leves também ajudam a reduzir o peso geral da aeronave.
UAV
Estrutura da fuselagem: A liga de magnésio tem uma baixa densidade, o que pode reduzir significativamente o peso do drone, aumentar a resistência e a capacidade de carga, e a alta resistência específica pode garantir que a fuselagem pode suportar várias tensões durante o voo. Por exemplo, o drone multirrotor "Hybrid Flyer" com estrutura de liga de magnésio é cerca de 30% mais leve do que a estrutura de material tradicional, e o tempo de resistência também é prolongado.
Asas e caudas: podem ser utilizadas para fabricar a estrutura de suporte interna ou a pele geral das asas e caudas, garantindo ao mesmo tempo a resistência estrutural e o desempenho aerodinâmico, reduzindo a resistência de voo e o consumo de energia dos drones e melhorando a eficiência e a flexibilidade do voo.
Suporte da placa de circuito de controlo: proporciona um suporte estável para a placa de circuito de controlo. As suas características leves ajudam a diminuir o centro de gravidade do drone e a melhorar a estabilidade do voo. Ao mesmo tempo, o desempenho da blindagem eletromagnética pode reduzir a interferência eletromagnética entre placas de circuito e garantir a transmissão precisa dos sinais de controlo.
Invólucro do sensor: utilizado para encapsular vários sensores, tais como câmaras, módulos GPS, etc., ao mesmo tempo que protege os sensores, reduz o peso da carga útil dos drones, permite aos drones transportar mais equipamento ou prolongar o tempo de voo, e a resistência à corrosão das ligas de magnésio pode adaptar-se aos requisitos de trabalho dos sensores em diferentes ambientes.
Hélices: as ligas de magnésio podem ser utilizadas para fabricar hélices. A baixa densidade e a alta resistência específica ajudam a melhorar a eficiência da rotação da hélice, a reduzir o consumo de energia, a reduzir o peso e, assim, a melhorar o desempenho global dos drones.
O peso leve, o baixo custo e a elevada reserva do magnésio tornam-no mais vantajoso do que os materiais tradicionais, e espera-se que resolva o dilema dos elevados custos das matérias-primas e da baixa eficiência operacional em construções económicas a baixas altitudes. Com o avanço contínuo da tecnologia de produção de liga de magnésio, a produção em grande escala irá reduzir ainda mais os custos, promovendo assim a sua aplicação em grande escala no campo de baixa altitude.
Propriedades do material compósito de fibra de vidro
A fibra de vidro é um material composto por muitas fibras de vidro extremamente finas. É feito forçando o vidro derretido através de uma peneira, que o transforma em fios e depois se combina para formar fibras de vidro.
Os compósitos de fibra de vidro são um material plástico reforçado que consiste em fibras de vidro incorporadas numa matriz de resina. Os compósitos de fibra de vidro apresentam uma excelente resistência específica, são leves, mas possuem propriedades mecânicas próximas das do metal; são à prova de ferrugem e podem suportar ambientes ácidos, alcalinos, humidade e névoa salina durante muito tempo, além de terem uma vida útil mais longa do que os materiais metálicos tradicionais; o desempenho pode ser otimizado ajustando a disposição da fibra e o tipo de resina, podendo ser processado em formas complexas; são não condutores e transparentes às ondas eletromagnéticas e são adequados para componentes funcionais especiais, como equipamentos elétricos e radomos; em comparação com os materiais compósitos de alta qualidade, como a fibra de carbono, a fibra de vidro é mais barata e é uma escolha económica de material de alto desempenho.
Materiais compostos de fibra de vidro utilizados em economia de baixa altitude
Amplamente utilizado no campo dos drones
Fuselagem e componentes estruturais: O plástico reforçado com fibra de vidro (GFRP) é amplamente utilizado em componentes estruturais importantes, como a fuselagem, as asas e a cauda dos drones, devido à sua leveza e elevada resistência.
Materiais das pás: No fabrico de hélices para drones, a fibra de vidro é utilizada em combinação com materiais como o nylon para aumentar a rigidez e a durabilidade.
Materiais importantes para aeronaves elétricas de descolagem e aterragem vertical (eVTOL)
Estrutura e asas fusíveis: as aeronaves eVTOL têm requisitos de leveza extremamente elevados, e os materiais compósitos reforçados com fibra de vidro são frequentemente utilizados em combinação com a fibra de carbono para otimizar a estrutura da fuselagem e reduzir os custos.
Componentes funcionais: A fibra de vidro também é utilizada em dispositivos aviónicos eVTOL (como amplificadores de potência de RF), e a sua elevada resistência à temperatura e propriedades de isolamento tornam-na uma escolha ideal.
Como material básico estratégico na economia de baixa altitude, a fibra de vidro tem amplas perspetivas de aplicação em drones, eVTOL e outros campos. Com o apoio político e o progresso tecnológico, a sua procura de mercado continuará a crescer e tornar-se-á uma força importante na promoção do desenvolvimento da economia de baixa altitude.
O ouro negligenciado: pó de polimento de terras raras
O pó de polimento à base de cério de terras raras é o pó de polimento de terras raras mais utilizado atualmente. Possui um excelente desempenho de polimento e pode melhorar o acabamento superficial de produtos ou peças. É conhecido como o "rei do pó de polimento". A indústria de processamento de vidro e a indústria eletrónica são os principais campos de aplicação do pó de polimento de terras raras. O desperdício de pó de polimento de terras raras que falha após o polimento é responsável por cerca de 70% da produção a cada ano. Os componentes residuais provêm principalmente de resíduos de pó de polimento de terras raras, resíduos líquidos, fragmentos de vidro de peças de polimento, película de moagem (polímero orgânico) de pano de polimento, óleo e outras impurezas, e a proporção de componentes de terras raras é de 50%. Como a eliminação do pó de polimento de terras raras com defeito tornou-se um grande problema para as empresas de aplicação posteriores.
Atualmente, os métodos normalmente utilizados para reciclar resíduos de pó de polimento de terras raras são a separação física e a separação química.
Método de separação física
(1) Método de flotação
Nos últimos anos, a tecnologia de flotação tem sido amplamente utilizada no tratamento de resíduos sólidos. Devido à diferença na hidrofilicidade dos componentes no pó de polimento de terras raras residuais, são selecionados diferentes agentes de flotação para melhorar a afinidade dos componentes em solução aquosa, deixando as partículas hidrofílicas na água, atingindo assim o objetivo de separação. No entanto, o tamanho das partículas do pó de polimento afeta a taxa de recuperação da flotação, e a pureza da recuperação não é suficiente.
Durante a flotação, são seleccionados diferentes colectores, e o efeito de remoção de impurezas varia muito. Yang Zhiren e outros. verificaram que quando o pH do ácido estirenofosfónico é 5, a taxa de recuperação do óxido de cério e do óxido de lantânio após a flotação atinge os 95%, enquanto a taxa de recuperação do fluoreto de cálcio e da fluoroapatita é de apenas 20% no máximo. As partículas com um diâmetro inferior a 5 mícrons precisam de ser ainda mais separadas para remover as impurezas devido ao mau efeito de flotação.
(2) Método de separação magnética
O pó de polimento de terras raras residuais possui magnetismo. Com base nisto, Mishima et al. concebeu um dispositivo com um campo magnético vertical para recuperar lama de polimento de terras raras. Quando o caudal da pasta de pó residual é de 20 mm/s, o tempo de circulação é de 30 min, a concentração da pasta é de 5% e o pH da pasta é de 3, a eficiência de separação do dióxido de cério e do floculante de ferro pode chegar aos 80%. Se a direção do campo magnético for alterada para um gradiente horizontal e, em seguida, for adicionada a solução de MnCl2, o dióxido de silício e o óxido de alumínio com propriedades magnéticas opostas podem ser separados do dióxido de cério.
(3) Outros métodos
Takahashi e outros. congelou a pasta de pó residual cujas partículas não eram fáceis de sedimentar a -10°C e depois descongelou-a num ambiente de 25°C. As impurezas e os óxidos de terras raras formaram uma camada que facilitou a agregação e a recuperação de substâncias úteis nos resíduos.
Método de separação química
O método químico adota principalmente o processo de recuperação após dissolução ácida e torrefação alcalina, e utiliza um agente redutor como reagente auxiliar para obter matérias-primas de pó de polimento de terras raras através da remoção de impurezas, extração e precipitação. Este método tem uma elevada taxa de recuperação de terras raras, mas o processo é longo e o custo é elevado. O excesso de ácido forte ou o álcali forte produzem uma grande quantidade de águas residuais. (1) Tratamento alcalino
O óxido de alumínio e o dióxido de silício são as principais impurezas nos resíduos de pó de polimento de terras raras. Utilize uma solução de NaOH 4 mol/L para reagir com os resíduos de pó de polimento de terras raras durante 1 hora a 60 °C para remover as impurezas de dióxido de silício e óxido de alumínio nos resíduos de pó de polimento de terras raras.
(2) Tratamento ácido
Ao recuperar elementos de terras raras de resíduos de pó de polimento, o ácido nítrico, o ácido sulfúrico e o ácido clorídrico são frequentemente utilizados para a lixiviação. O dióxido de cério, o principal componente dos resíduos de pó de polimento de terras raras, é ligeiramente solúvel em ácido sulfúrico.
(3) Lixiviação ácida assistida por agente redutor
Se o CeO2 for lixiviado diretamente com ácido, o efeito não será o ideal. Se for adicionado um agente redutor para reduzir o Ce4+ a Ce3+, a taxa de lixiviação das terras raras pode ser melhorada. A utilização do agente redutor H2O2 para auxiliar a lixiviação com ácido clorídrico de resíduos de pó de polimento de terras raras pode melhorar significativamente os resultados experimentais.
Seis caminhos de processo para vidro de quartzo de alta pureza
O vidro de quartzo tem uma elevada pureza, elevada transmitância espectral, baixo coeficiente de expansão térmica e excelente resistência ao choque térmico, à corrosão e à radiação ultravioleta profunda. É amplamente utilizado em campos de fabrico industrial de ponta, como a ótica, aeroespacial e semicondutores.
O vidro de quartzo pode ser classificado de acordo com o processo de preparação. Existem dois tipos principais de matérias-primas para preparar vidro de quartzo. O primeiro tipo é a areia de quartzo de alta pureza, que é utilizada para fusão elétrica e refinação de gás para preparar vidro de quartzo fundido a altas temperaturas superiores a 1800°C; o segundo tipo são compostos que contêm silício, que são utilizados para preparar vidro de quartzo sintético através de reações químicas.
Método de fusão elétrica
O método de fusão elétrica consiste em fundir a matéria-prima de quartzo em pó no cadinho através de aquecimento elétrico e, em seguida, formar o vidro de quartzo através de um processo de vitrificação de arrefecimento rápido. Os principais métodos de aquecimento incluem a resistência, o arco e a indução de média frequência.
Método de refinação de gás
Industrialmente, o método de refinação de gás é um pouco posterior ao método de fusão elétrica. Utiliza uma chama de hidrogénio-oxigénio para derreter o quartzo natural e depois acumula-o gradualmente na superfície do alvo do vidro de quartzo. O vidro de quartzo fundido produzido pelo método de refinação de gás é utilizado principalmente para fontes de luz elétrica, indústria de semicondutores, lâmpadas esféricas de xénon, etc. Atualmente, o método de refinação de gás é normalmente utilizado para preparar lingotes de quartzo, e depois os lingotes de quartzo são processados a frio ou a quente para fazer os produtos de vidro de quartzo necessários.
Método CVD
O princípio do método CVD é aquecer o líquido volátil SiCl4 para o tornar gasoso e, em seguida, deixar o SiCl4 gasoso entrar na chama de hidrogénio-oxigénio formada pela combustão de hidrogénio e oxigénio sob o acionamento do gás transportador (O2), reagir com o vapor de água a alta temperatura para formar partículas amorfas, depositar-se no substrato de deposição rotativo e, em seguida, fundir a alta temperatura para formar vidro de quartzo.
Método PCVD
O processo PCVD foi proposto pela primeira vez pela Corning na década de 1960. Utiliza plasma para substituir a chama de hidrogénio-oxigénio como fonte de calor para preparar vidro de quartzo. A temperatura da chama de plasma utilizada no processo PCVD é muito mais elevada do que a das chamas comuns. A sua temperatura central pode atingir os 15.000 K, e a temperatura média é de 4.000 a 5.000 K. O gás de trabalho pode ser selecionado adequadamente de acordo com os requisitos específicos do processo.
Método CVD de duas etapas
O método CVD tradicional é também chamado de método de uma etapa ou método direto. Como o vapor de água está envolvido na reação, o teor de hidroxila no vidro de quartzo preparado pelo método CVD de uma etapa é geralmente elevado e difícil de controlar. Para superar esta deficiência, os engenheiros melhoraram o método CVD de uma etapa e desenvolveram o método CVD de duas etapas, também chamado de método de síntese indireta.
Modificação térmica
O método de modificação térmica amolece primeiro o material base do vidro de quartzo através do aquecimento e, em seguida, obtém o produto desejado através de métodos como o afundamento e o estiramento. No forno de modificação térmica, o corpo do forno é aquecido por aquecimento por indução eletromagnética. A corrente alternada passada pela bobina de indução no forno gera um campo eletromagnético alternado no espaço, e o campo eletromagnético atua no elemento de aquecimento para gerar corrente e calor. À medida que a temperatura aumenta, o material de base do vidro de quartzo amolece e, nesse momento, pode formar-se uma haste/tubo de vidro de quartzo puxando-o para baixo com um trator. Ajustando a temperatura no forno e a velocidade de extração, é possível extrair varões/tubos de vidro de quartzo de diferentes diâmetros. A disposição da bobina e a estrutura do forno de aquecimento por indução eletromagnética têm uma grande influência no campo de temperaturas do forno. Na produção real, o campo de temperatura no forno necessita de ser rigorosamente controlado para garantir a qualidade dos produtos de vidro de quartzo.