Модификация порошкового покрытия на основе диоксида титана
Модификация поверхности порошка диоксида титана (титановых белил) — важный метод улучшения его характеристик (таких как диспергируемость, атмосферостойкость, блеск и химическая стабильность). Распространенные методы модификации поверхности можно разделить на три основных типа: неорганические покрытия, органические покрытия и композитные покрытия. Ниже приводится подробная классификация и краткое описание этих методов:
Модификация неорганическими покрытиями
Этот метод заключается в нанесении на поверхность частиц диоксида титана слоя неорганических оксидов или солей, образующих физический барьер для повышения его химической стабильности и оптических свойств.
1. Оксидное покрытие
Принцип: Гидраты оксидов металлов (такие как SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ и т. д.) осаждаются на поверхность частиц диоксида титана, образуя равномерный слой покрытия.
Процесс: Обычно используется метод осаждения в жидкой фазе, при котором соли металлов (например, силикат натрия, сульфат алюминия) добавляются в суспензию диоксида титана, а pH регулируется для осаждения гидратов оксидов металлов на поверхность.
2. Композитное оксидное покрытие
Принцип: Нанесение покрытия из двух или более оксидов металлов (например, Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂ и т. д.), объединяющего преимущества каждого компонента.
Особенности: Превосходные общие характеристики; например, покрытие Al₂O₃-SiO₂ может одновременно улучшить диспергируемость и атмосферостойкость, что подходит для сложных автомобильных покрытий и рулонных покрытий.
3. Солевое покрытие
Принцип: Использование солей металлов (например, фосфатов, силикатов, сульфатов и т. д.) для формирования нерастворимого солевого слоя на поверхности частиц диоксида титана.
Модификация органических покрытий
Этот метод включает реакцию органических соединений с гидроксильными группами на поверхности диоксида титана, в результате чего образуется органический молекулярный слой, улучшающий его совместимость с органическими средами. 1. Нанесение покрытия с использованием связующего агента
Принцип: Используя амфифильную структуру связующих агентов (таких как силаны, титанаты и алюминаты), один конец молекулы связывается с гидроксильными группами на поверхности диоксида титана, а другой реагирует с органической матрицей (например, смолой, полимером).
Функции:
Силановые связующие агенты: улучшают диспергируемость диоксида титана в водных системах, обычно используемых в покрытиях и чернилах на водной основе.
Титанатно-алюминатные связующие агенты: улучшают совместимость в масляных системах, таких как пластики и резина, уменьшая агломерацию в процессе переработки.
2. Покрытие поверхностно-активными веществами
Принцип: Поверхностно-активные вещества (такие как жирные кислоты, сульфонаты и четвертичные аммониевые соли) связываются с поверхностью диоксида титана посредством физической адсорбции или химической реакции, образуя заряженный или гидрофобный слой.
3. Покрытие полимерами
Принцип: Прививка полимеров (таких как акрилаты, эпоксидные смолы и силоксаны) на поверхность диоксида титана посредством реакций полимеризации.
Функции:
Формирование толстого слоя покрытия, обеспечивающего дополнительную защиту от химического воздействия и улучшающего атмосферостойкость и механические свойства.
Повышение совместимости со специальными смолами, что делает его пригодным для высокопроизводительных композитов и покрытий.
4. Покрытие кремнийорганическими соединениями
Принцип: Использование низкой поверхностной энергии полисилоксанов (силиконового масла, силиконовой смолы и т. д.) для покрытия частиц диоксида титана.
Функции: Снижение поверхностного натяжения, улучшение диспергируемости и смазывающей способности, широко используется в чернилах и косметике.
Модификация композитных покрытий
Сочетая преимущества неорганических и органических покрытий, двухкомпонентный процесс нанесения покрытия (последовательный или одновременный) обеспечивает взаимодополняющие характеристики.
1. Последовательное неорганико-органическое покрытие
Процесс: Сначала формируется физический барьер с помощью неорганических оксидов (например, SiO₂), затем проводится органическая модификация с помощью связующих агентов или полимеров.
Характеристики: Обеспечивает баланс между атмосферостойкостью и совместимостью, подходит для высокоэффективных архитектурных покрытий или автомобильных красок OEM. 2. Одновременное неорганико-органическое покрытие
Процесс: Неорганические и органические агенты покрытия одновременно вводятся в одну и ту же реакционную систему для формирования структуры типа «ядро-оболочка».
Характеристики: Слой покрытия обладает более высокой адгезией и значительно улучшенными характеристиками, подходит для высокотехнологичных применений (например, аэрокосмических покрытий, нанокомпозитов).
Другие специальные технологии покрытий
1. Покрытие на основе наночастиц
Принцип: Использование наночастиц (например, нано-SiO₂, нано-ZnO) для покрытия усиливает защиту от УФ-излучения и прозрачность, что широко используется в солнцезащитных косметических средствах и оптических покрытиях.
2. Микрокапсулирование
Принцип: Инкапсуляция частиц диоксида титана в полимерные микрокапсулы с последующим высвобождением диоксида титана путем контроля условий разрыва капсулы (например, температуры, pH), что подходит для интеллектуальных покрытий и систем с контролируемым высвобождением.
Выбор различных методов нанесения покрытия зависит от области применения (например, покрытия, пластики, чернила, косметика) и требований к эксплуатационным характеристикам (атмосферостойкость, диспергируемость, совместимость и т. д.).
Шесть основных методов модификации нанооксида цинка
Нанооксид цинка — это новый тип функционального тонкодисперсного неорганического химического материала. Благодаря малому размеру частиц и большой удельной площади поверхности он обладает уникальными физико-химическими свойствами в химии, оптике, биологии и электронике. Он широко используется в антимикробных добавках, катализаторах, резине, красителях, чернилах, покрытиях, стекле, пьезокерамике, оптоэлектронике и в бытовой химии, открывая большие перспективы для разработки и применения.
Однако из-за большой удельной площади поверхности и высокой удельной поверхностной энергии нанооксид цинка обладает сильной поверхностной полярностью, склонен к самоагломерации и трудно равномерно диспергируется в органических средах, что существенно ограничивает его наноэффект. Поэтому диспергирование и модификация поверхности порошков нанооксида цинка являются необходимыми этапами обработки перед применением наноматериалов в матрицах.
1. Модификация поверхностно-активными веществами
Модификация поверхностно-активными веществами включает электростатическое взаимодействие поверхностно-активных веществ с образованием органического покрытия на поверхности наноматериалов, что улучшает их совместимость с органическими матрицами.
Хотя модификация поверхностно-активными веществами — простой процесс, её эффективность, как правило, низкая, что затрудняет формирование стабильного и прочного покрытия на поверхности наноматериалов.
2. Механохимическая модификация
Механохимическая модификация использует механические силы для изменения физических и химических свойств наноматериалов, тем самым повышая их сродство и реакционную способность по отношению к другим веществам.
Однако механохимическая модификация обычно занимает много времени и, как правило, даёт неудовлетворительные результаты для наноматериалов.
3. Высокоэнергетическая модификация
Высокоэнергетическая модификация включает полимеризацию мономеров органических соединений с использованием плазменной или радиационной обработки, которые затем покрывают поверхность наноматериала.
Высокоэнергетическая модификация обычно обеспечивает лучшие результаты, чем два предыдущих метода, но имеет такие недостатки, как высокое энергопотребление и технические сложности.
4. Эстерификация и модификация
Эстерификация — это метод модификации поверхности, при котором карбоксильные группы модификаторов, таких как высшие жирные кислоты или ненасыщенные органические кислоты, взаимодействуют с гидроксильными группами на поверхности наноматериала, обеспечивая этерификацию.
Метод этерификации прост, но его модифицирующий эффект незначителен, и обычно его необходимо использовать в сочетании с аппретом.
5. Прививка полимера
Прививка полимера включает в себя сначала прививку полимерного мономера на поверхность наноматериала, затем инициирование реакции полимеризации для удлинения углеродной цепи и, наконец, покрытие полимером всего наноматериала.
Метод прививки полимера сложен в применении, и на эффект модификации влияют различные факторы, что затрудняет его широкое применение.
6. Модификация аппретом
Аппрет на основе кремния или металла имеет две различные группы с каждой стороны, которые могут связываться с неорганическими и органическими матрицами. Эти три компонента работают вместе, обеспечивая химическую модификацию наноматериала. Нанооксид цинка был модифицирован силановым связующим агентом APS. Как модифицированный, так и немодифицированный нанооксид цинка были диспергированы в безводном этаноле для приготовления печатных красок, используемых в качестве материалов для электронно-транспортного слоя в фотоэлектрических элементах. Затем были сравнены эксплуатационные характеристики двух красок. Результаты показали, что модифицированный нанооксид цинка лучше диспергируется в безводном этаноле и сохраняет агломерацию в течение 12 месяцев. Материал электронно-транспортного слоя, приготовленный с этим агентом, демонстрирует более высокую эффективность переноса электронов и может соответствовать стандартам производительности устройств при меньшей толщине.
Нанооксид цинка был химически модифицирован с использованием силановых связующих агентов, содержащих глицилокси- и аминофункциональные группы. Как модифицированный, так и немодифицированный нанооксид цинка были включены в эпоксидные покрытия для испытаний на атмосферостойкость. Результаты показали, что эпоксидные покрытия, включающие нанооксид цинка, модифицированный глицилоксисилановым связующим агентом, демонстрируют значительно меньшие изменения контактного угла, цвета и карбонильных групп после 450 часов ускоренного атмосферного воздействия, демонстрируя значительно улучшенную атмосферостойкость по сравнению с эпоксидными покрытиями, содержащими немодифицированный нанооксид цинка.
Метод с применением связующего агента является наиболее перспективным методом модификации благодаря простоте процесса, хорошему эффекту модификации и низкой стоимости.
Сравнивая различные методы модификации поверхности, упомянутые выше, и учитывая как эффект модификации, так и сложность, можно увидеть, что метод этерификации и метод с применением связующего агента более подходят для модификации поверхности наноматериалов.
Кальцинированный глинозем стал важным фактором развития керамической промышленности.
Прокаленный глинозем – неорганический неметаллический материал, получаемый из промышленного глинозема, прокаленного при высоких температурах. Он обладает множеством замечательных свойств. Во-первых, его высокая твёрдость – одна из его отличительных черт. Его твёрдость по шкале Мооса достигает 9, уступая только алмазу. Это делает керамические изделия из него исключительно износостойкими, сохраняя хороший внешний вид и структурную стабильность в течение длительного времени. Во-вторых, он обладает превосходной термостойкостью, способным выдерживать температуры, превышающие тысячи градусов Цельсия, без деформации и повреждений, что делает его особенно полезным в области высокотемпературной керамики. Кроме того, прокаленный глинозем обладает превосходной химической стабильностью и не подвержен химическим реакциям с другими веществами, что обеспечивает стабильные эксплуатационные характеристики керамических изделий.
Основные функции прокаленного глинозема в глазурях
Благодаря высокой чистоте, высокой твёрдости и превосходной химической стабильности прокаленный глинозем широко используется в глазурях, особенно для бытовой керамики, архитектурной керамики и керамики специального назначения. На практике он не только значительно повышает твёрдость и износостойкость глазурованной поверхности, эффективно уменьшая царапины и износ в процессе эксплуатации, тем самым продлевая срок службы керамических изделий, но и повышает химическую стабильность глазури, снижая риск кислотной и щелочной коррозии, а также повышая устойчивость изделия к образованию пятен и долговечность. Более того, добавление кальцинированного глинозема позволяет регулировать температуру плавления и вязкость глазури, улучшая её текучесть, предотвращая такие дефекты, как поры и усадка глазури, и обеспечивая более гладкую и ровную поверхность. Кроме того, его уникальные оптические свойства позволяют контролировать блеск глазури, придавая матовым глазурям изысканную текстуру и улучшая равномерность блеска глянцевых глазурей, что позволяет удовлетворить требования к дизайну различных керамических изделий.
В пигментном производстве прокаленный глинозем может служить стабильным носителем для пигментов на основе оксидов металлов (таких как оксид железа и оксид кобальта), препятствовать улетучиванию или диффузии пигментов при высоких температурах и предотвращать выцветание и выцветание глазури. Особенно в высокотемпературных глазурях он может фиксировать концентрацию цвета и постоянство тона, способствуя достижению насыщенных и долговечных декоративных эффектов в керамике. Он является ключевым фактором, способствующим разработке керамических цветных глазурей с высокими эксплуатационными характеристиками и высокой стабильностью.
Механизм действия оксидов редкоземельных элементов в магнезиально-кальциевых огнеупорах
Свойства элемента определяют его характеристики, и редкоземельные элементы не являются исключением. Их характеристики тесно связаны с их свойствами. Основными факторами, определяющими их физические свойства (такие как твёрдость, кристаллическая структура и температура плавления), являются их атомные и ионные радиусы. Редкоземельные металлы имеют высокие температуры плавления, которые увеличиваются с увеличением атомного номера, хотя эта тенденция не всегда постоянна. Редкоземельные элементы обычно теряют свои внешние s- и d-орбитальные электроны, образуя валентное состояние +3, образуя таким образом оксиды редкоземельных элементов. Это валентное состояние +3 является характерной степенью окисления редкоземельных элементов. Оксиды редкоземельных элементов имеют температуры плавления выше 2000 °C и являются нелетучими. Они являются полупроводниками смешанной проводимости с электронной и ионной проводимостью. Электронная проводимость относится к проводимости электронов и дырок, в то время как ионная проводимость относится к перемещению ионов кислорода внутри кислородных вакансий, по сути, к проводимости ионов кислорода.
Помимо использования редкоземельных элементов непосредственно в качестве компонентов матрицы или функциональных центров, основанных на оптических и магнитных свойствах 4f-электронов, их химические свойства, такие как химическая активность и большой ионный радиус, также могут быть использованы для модификации микроструктуры материала, тем самым улучшая его характеристики. Функциональная полупроводниковая керамика, легированная редкоземельными элементами, является ярким примером. Добавление оксидов редкоземельных элементов в огнеупорные материалы не только повышает и улучшает прочность и ударную вязкость материала, но и снижает температуру спекания и производственные затраты.
Благодаря своей нетоксичности, высокой эффективности и уникальным физико-химическим свойствам соединения редкоземельных элементов находят все более широкое применение в самых разных областях: от основных применений в металлургии, химической инженерии и керамике до современных применений в высокопроизводительных композитных материалах, таких как хранение водорода и люминесценция. Исследования применения оксидов редкоземельных элементов в керамических материалах привлекли всеобщее внимание. Исследования показали, что добавление оксидов редкоземельных элементов значительно улучшает характеристики керамических материалов, обеспечивая их качество и эксплуатационные характеристики в различных областях применения. Кроме того, оксиды редкоземельных элементов в качестве флюсов могут способствовать спеканию, улучшать микроструктуру керамики, а также обеспечивать легирование и модификацию.
Оксиды редкоземельных элементов в качестве добавок улучшают свойства огнеупорных материалов, демонстрируя свои уникальные и значительные преимущества в повышении эксплуатационных характеристик и придании им новых функций. Добавление небольших количеств оксидов редкоземельных элементов увеличивает плотность магнезиально-кальциевых огнеупоров, улучшая их плотность и коррозионную стойкость.
Оксиды редкоземельных элементов используются в качестве добавок в магнезиально-кальциевые огнеупоры для улучшения их спекаемости, компактности, микроструктуры, кристаллического фазового состава, прочности на изгиб при комнатной температуре и вязкости разрушения, тем самым удовлетворяя требованиям рынка к эксплуатационным характеристикам магнезиально-кальциевых огнеупоров. Существует три основных механизма добавления оксидов редкоземельных элементов в магнезиально-кальциевые огнеупоры. (1) Добавки в качестве флюсов могут способствовать спеканию. Температура спекания магниево-кальциевых огнеупорных материалов, как правило, высока, и существует множество факторов, не способствующих уплотнению в процессе спекания. Добавление оксидов редкоземельных элементов может решить эту проблему. Благодаря уникальным свойствам оксидов редкоземельных элементов, добавление оксидов редкоземельных элементов в огнеупорные материалы может изменить их внутреннюю структуру, тем самым способствуя спеканию магниево-кальциевых огнеупорных материалов. (2) Оксиды редкоземельных элементов могут улучшить микроструктуру магниево-кальциевых огнеупорных материалов. Добавление оксидов редкоземельных элементов может улучшить внутреннюю микроструктуру огнеупорных материалов. Это снижает скорость миграции границ зерен, подавляет рост зерен и способствует формированию плотной структуры. (3) Модификация легирования оксидов редкоземельных элементов. Легирование оксидов редкоземельных элементов в процессе приготовления огнеупорных материалов приведет к изменению кристаллической формы образца, тем самым вызывая изменение его объема. Это изменение может значительно улучшить его сопротивление изгибу и ударную вязкость. Исследования по добавлению добавок для улучшения и оптимизации свойств материалов в процессе производства огнеупоров всегда привлекали внимание. В настоящее время основное внимание уделяется проблеме, связанной с тем, что магнезиально-кальциевый песок трудно спекается и легко гидратируется. В качестве основных добавок используются ZrO2, Fe2O3, Al2O3, оксиды редкоземельных элементов и т.д.
Применение сульфата бария в 10 отраслях промышленности
Сульфат бария — незнакомый термин для большинства людей, и даже те, кто не знаком с химией, могут посчитать его опасным химическим веществом. Однако сульфат бария повсеместно встречается в нашей повседневной жизни, часто встречаясь в виде промышленных товаров. Например, большинство пластиковых изделий в наших домах, кондиционеры, пластиковые автомобильные детали, пакеты в супермаркетах, краски, покрытия и стекло могут содержать сульфат бария.
Применение сульфата бария в десяти основных отраслях промышленности
1. Нефтяная промышленность: баритовый порошок зернистостью 200 и 325 меш для добавок в буровые растворы для нефтяных и газовых месторождений.
2. Химическая промышленность: заводы по производству баритовой соли используют барит в качестве сырья для производства литопона, осажденного сульфата бария и карбоната бария.
3. Лакокрасочная промышленность: барит может использоваться в качестве наполнителя в красках и покрытиях, заменяя более дорогостоящее сырье, такое как осажденный сульфат бария, литопон, диоксид титана и активированный диоксид кремния. Подходит для регулирования вязкости краски и достижения яркого и стабильного цвета.
4. Производство пластмасс: Барит может использоваться в качестве наполнителя в АБС-пластике, придавая ему яркий блеск, а также повышая прочность, жесткость и износостойкость.
5. Производство резины: Баритовый порошок с размером ячеек менее 500 широко используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, снижая затраты и повышая твердость, кислото- и щелочестойкость, а также водостойкость. Он также обеспечивает отличное армирование натурального и синтетического каучука.
6. Бумажная промышленность: Высокодисперсный баритовый порошок может использоваться в качестве наполнителя и покрытия для белых досок и мелованной бумаги для повышения белизны и укрывистости поверхности. Характеристики продукта: 325 меш, 400 меш, 600 меш, 800 меш, 1250 меш, 1500 меш, 2000 меш, 2500 меш, 3000 меш, 4000 меш, 5000 меш, 6000 меш.
7. Цементная промышленность
Добавление композитных минерализаторов на основе барита и флюорита в цементное производство может повысить белизну и прочность цемента. Баритовый цемент может использоваться для производства баритового цемента, баритового раствора и баритового бетона, которые могут применяться в зданиях, требующих защиты от рентгеновского излучения.
8. Стекольная промышленность
Барит может использоваться в качестве раскислителя, осветлителя и флюса для повышения оптической стабильности, блеска и прочности стекла.
9. Строительная промышленность
Барит может использоваться в качестве заполнителя для бетона, дорожного покрытия, для армирования подземных трубопроводов в болотистых районах, а также в качестве замены свинцовым листам в защитных сооружениях на ядерных объектах, атомных электростанциях и рентгеновских лабораториях, продлевая срок службы дорожных покрытий.
10. Керамическая промышленность
Баритовый порошок также может использоваться в качестве высококачественного наполнителя в керамической и других отраслях промышленности. В настоящее время использование сульфата бария в керамической промышленности сокращается, в то время как использование порошка волластонита увеличивается.
Все десять упомянутых выше отраслей промышленности имеют решающее значение для жизнеобеспечения людей. Это свидетельствует о значимости и широком спектре применения сульфата бария – неорганического неметаллического минерального порошка.
Широко используется в керамической промышленности - черный тальк
Черный тальк обычно состоит из талька, кварца, кальцита, сепиолита и органического углерода, а его цвет варьируется от черного до серовато-черного.
Основными химическими компонентами черного талька являются оксид магния, оксид кремния, оксид алюминия, оксид железа, оксид титана, оксид натрия и оксид калия.
Применение черного талька
(1) Сырье для керамической промышленности
Черный тальк по своим технологическим свойствам не уступает другим материалам. Высокобелый фарфор и костяной фарфор, обожженный с черным тальком, также называют тальковым или магниевым фарфором.
(2) Наполнители для резиновых изделий
Черный тальк, используемый в качестве наполнителя для резиновых изделий, обладает хорошей диспергируемостью и определенными армирующими свойствами.
(3) Наполнители для пластмассовых изделий
В качестве наполнителей для пластмассовых изделий используются два вида черного талька: черный тальковый порошок и прокаленный тальковый порошок.
(4) Наполнители для покрытий
Благодаря мягкой текстуре, низкой абразивности и хорошей суспендируемости и диспергируемости тальк начал применяться в производстве покрытий.
(5) Прочее
Помимо широкого применения в вышеуказанных отраслях, черный тальк также может использоваться в качестве наполнителя и адсорбента в таких отраслях, как производство гидроизоляционного сырья, удобрений, пестицидов и продуктов тонкого органического синтеза.
Прокаливание и отбеливание черного талька
Основная цель обработки черного талька — повышение его белизны. Естественная белизна черного талька составляет около 50% или даже ниже, что ограничивает его широкое применение в таких отраслях, как производство керамики и резины. В качестве наполнителя тальк должен обладать высокой степенью белизны. Для расширения сферы его применения необходимо принять соответствующие меры для повышения его белизны. Прокаливание, которое повышает его белизну и изменяет его физические свойства, повышает его добавленную стоимость.
В настоящее время основным методом повышения белизны черного талька является прокаливание. Основная цель прокалки — удаление органического углерода из талька, достижение белизны, отвечающей промышленным требованиям и расширяющей сферу его применения. После прокалки белизна достигает 95%, что обеспечивает превосходные огнестойкость, термостойкость, изоляционные, адгезионные, адсорбционные и смазывающие свойства. Тальк подходит для применения в бумажной промышленности, производстве керамики, пластмасс, красок, покрытий, фармацевтике, косметике, аэрокосмической промышленности, машиностроении, электронике, компьютерах и архитектурном декоре.
Процесс прокалки черного талька
Прокалка и измельчение — два процесса, используемых для получения высокобелого и сверхтонкого черного талька. В зависимости от порядка их проведения различают два основных процесса: прокалка с последующим сверхтонким измельчением и сверхтонкое измельчение с последующим прокалкой.
Процесс прокалки перед измельчением
Преимуществами являются простота и низкая стоимость обработки. Однако после сверхтонкого измельчения и классификации полученный тальк имеет белизну около 85%, что ниже желаемых 95% после прокаливания.
Процесс измельчения перед прокаливанием
Преимуществом является более высокая однородность белизны после прокаливания, превышающая 92%. Однако этот процесс склонен к агломерации или образованию красновато-белых разводов.
Применение карбида кремния
Карбид кремния обладает такими важными характеристиками, как широкая ширина запрещенной зоны, высокая напряженность электрического поля пробоя, высокая теплопроводность и высокая скорость дрейфа электронов при насыщении. Он отвечает требованиям научно-технического развития к устройствам, работающим в сложных условиях, таких как высокие температуры, мощность, высокое напряжение и частота. Он широко используется в силовой электронике, транспортных средствах на новых источниках энергии, системах накопления энергии, интеллектуальном производстве, фотоэлектрических системах, железнодорожном транспорте и других областях. Можно сказать, что «всё может быть карбидом кремния».
Применение карбида кремния в транспортных средствах на новых источниках энергии
В секторе транспортных средств на новых источниках энергии применение технологии карбида кремния становится ключевым фактором повышения производительности электромобилей и гибридных транспортных средств. Устройства из карбида кремния, благодаря своей высокой теплопроводности, высокой напряженности электрического поля пробоя и превосходным механическим свойствам, значительно повышают эффективность и надежность систем электропривода, зарядных устройств и систем управления энергопотреблением.
Применение карбида кремния в системах интеллектуального вождения и Интернета транспортных средств
В условиях стремительного развития систем интеллектуального вождения и Интернета транспортных средств технология карбида кремния, обладая превосходными характеристиками, постепенно проникает в такие ключевые области, как сенсорные системы, блоки обработки данных и коммуникационные модули, значительно повышая производительность и надежность систем.
Применение карбида кремния в фотоэлектрических системах
В фотоэлектрических системах основные компоненты, такие как инверторы, контроллеры MPPT и модули преобразования энергии, предъявляют многочисленные требования к силовым устройствам, включая высокую эффективность, устойчивость к высоким напряжениям, работу в условиях высоких температур и миниатюризацию. Традиционные кремниевые устройства значительно снижают эффективность в условиях высокого напряжения и высоких температур, что делает их неспособными удовлетворить растущие требования к плотности мощности фотоэлектрических электростанций.
Применение карбида кремния в системах связи 5G
В таких приложениях, как беспроводная связь и радиолокационные системы, радиочастотные устройства служат основой передачи и обработки сигналов, и их производительность критически важна для стабильности системы. Радиочастотные устройства на основе полуизолирующего карбида кремния благодаря своей широкой запрещенной зоне обладают такими преимуществами, как низкие потери, высокая пропускная способность и высокая плотность мощности, что делает их ключевым компонентом для систем связи 5G и военных систем связи следующего поколения.
Применение карбида кремния в электросетях
Карбид кремния может значительно улучшить работу электросетей, повышая эффективность и пропускную способность систем передачи и распределения электроэнергии. Подложки из карбида кремния могут работать при более высоких температурах, напряжениях и частотах, что позволяет уменьшить габариты и повысить эффективность таких компонентов, как преобразователи, коммутационные устройства и трансформаторы, тем самым снижая потери энергии и улучшая качество электроэнергии.
Применение карбида кремния в маловысотных летательных аппаратах
Новые летательные аппараты, представленные eVTOL (электрическими самолетами вертикального взлета и посадки), стали ключевым элементом мировой экономики низковысотных летательных аппаратов и, как ожидается, станут новой отраслью с оборотом в триллионы долларов. SiC MOSFET-транзисторы благодаря своему высокому КПД и легкому весу выводят eVTOL из экспериментальной стадии в коммерческую эксплуатацию. Устройства на основе SiC MOSFET стали ключевым компонентом систем электропитания eVTOL, а их улучшенная производительность и снижение стоимости будут способствовать масштабному применению в этой отрасли.
Применение карбида кремния в искусственном интеллекте (ИИ)
Электроснабжение становится последним узким местом, угрожающим развитию искусственного интеллекта (ИИ). Стремительный рост вычислительной мощности ИИ сопровождается ростом энергопотребления, что существенно влияет на обычный спрос на электроэнергию в обществе. Например, центры обработки данных США могут потреблять до 9% электроэнергии, вырабатываемой в стране, что примерно эквивалентно годовой выработке 40 атомных электростанций средней мощности.
При таком высоком уровне потребления электроэнергии даже снижение энергопотребления на 0,1% является существенным фактором. Чтобы решить эту острую проблему дефицита электроэнергии, глобальная отраслевая экосистема активно изучает все возможные варианты. Например, компания ON Semiconductor разработала новую серию силовых кремниевых траншейных MOSFET и SiC MOSFET.
Применение карбида кремния в робототехнике
Роботы и транспортные средства на новых источниках энергии имеют высокую степень сходства в своей технической архитектуре. Автомобильные чипы могут быть использованы в робототехнике, но они должны адаптироваться к иным требованиям к производительности. Например, силовые полупроводники, помимо автомобильных систем, также обладают техническими возможностями, применимыми в контроллерах приводов двигателей роботизированных сочленений. Спрос на эффективное управление мощностью на этом развивающемся рынке робототехники стремительно растёт.
Оксид алюминия — «спаситель» материалов катодных аккумуляторов
Базовая структура литий-ионных аккумуляторов включает положительный электрод, отрицательный электрод, электролит, сепаратор и корпус аккумулятора. Материал положительного электрода является основным материалом литий-ионных аккумуляторов, определяя плотность энергии, напряжение, срок службы и безопасность аккумулятора.
В настоящее время, хотя оксид лития-кобальта (LiCoO2), оксид лития-марганца (LiMn2O4), фосфат лития-железа (LiFePO4) и тройные материалы (Li-Ni-Co-Mn-O) являются четырьмя коммерчески доступными материалами для положительных электродов литий-ионных аккумуляторов, они имеют определенные недостатки в плане безопасности, циклических характеристик, сохранения емкости и других аспектов. Для повышения стабильности материалов положительных электродов исследователи используют различные методы модификации, такие как легирование, нанесение поверхностного покрытия и два общих метода.
Как оксид алюминия улучшает характеристики положительного электрода?
Покрытие из оксида алюминия на материалах положительных электродов может эффективно улучшить циклическую стабильность, срок службы и термическую стабильность материалов положительных электродов. Основные эффекты Al2O3 на материалы положительного электрода:
(1) Поглотитель фтороводорода (HF)
LiPF6 — широко используемый электролит в электролитах. Под высоким напряжением гексафторфосфат лития (LiPF6) реагирует со следовыми количествами воды с образованием HF.
(2) Физический защитный барьер
Нанесение слоя Al2O3 на поверхность материала положительного электрода позволяет изолировать материал положительного электрода от электролита и предотвратить возникновение вредных побочных реакций между материалом положительного электрода и электролитом.
(3) Повышение термической стабильности материалов положительного электрода
Термическая стабильность — один из ключевых факторов при оценке производительности литий-ионных аккумуляторов. В процессе заряда и разряда литиевых аккумуляторов высвобождение решеточного кислорода в материале положительного электрода приводит к окислению электролита, что снижает его термическую стабильность.
(4) Повышение скорости диффузии ионов лития
Хотя оксид алюминия не является хорошим проводником электронов и ионов, он может реагировать с остаточным литием на поверхности материала положительного электрода во время заряда и разряда, образуя LiAlO2, который является хорошим проводником и может увеличить скорость диффузии ионов лития. Это обусловлено главным образом тем, что LiAlO2 снижает энергетический барьер диффузии ионов лития.
(5) Реакция с LiPF6 с образованием электролитной добавки LiPO2F2
Оксид алюминия, нанесенный на поверхность материала положительного электрода, может реагировать с литиевой солью (LiPF6) в электролите с образованием дифторфосфата лития (LiPO2F2), который является стабильной электролитной добавкой, способной значительно улучшить циклируемость, безопасность и скоростные характеристики материала положительного электрода.
(6) Подавление эффекта Яна-Теллера
Эффект Яна-Теллера является основной причиной растворения ионов марганца в материале положительного электрода, что может привести к разрушению структуры материала положительного электрода и затруднить диффузию ионов лития, тем самым снижая электрохимические характеристики материала положительного электрода.
Пять основных технологий нанесения покрытий
Метод пропитки: добавьте материал положительного электрода в раствор или золь, содержащий прекурсор алюминия, для образования однородной суспензии, затем высушите и прокалите для получения материала положительного электрода с покрытием из оксида алюминия.
Метод осаждения: смешайте материал положительного электрода с раствором, например, нитратом алюминия или хлоридом алюминия, равномерно распределите, отрегулируйте значение pH смешанного раствора для формирования слоя покрытия на поверхности материала положительного электрода и, наконец, получите материал положительного электрода с покрытием из оксида алюминия путем фильтрации, промывки, сушки и термической обработки.
Процесс сухого нанесения покрытия: оксид алюминия и материалы положительного электрода могут быть непосредственно смешаны для формирования шероховатого слоя покрытия на поверхности материала положительного электрода. Хотя равномерное покрытие на поверхности материала положительного электрода невозможно, это положительно влияет на улучшение электрохимических характеристик материала положительного электрода.
Метод распыления: Метод распыления использует ионы Ar+ для бомбардировки материала мишени (Al), в результате чего атомы Al распыляются и осаждаются на поверхности материала положительного электрода.
Технология атомно-слоевого осаждения (ALD): Используя триметилалюминий и другие материалы в качестве источника алюминия, оксид алюминия наносится на поверхность материала положительного электрода. Толщину покрытия можно точно контролировать, а увеличение толщины достигается за счет увеличения количества циклов ALD.
Качество металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, зависит от порошка
Качество металлического порошка, используемого в качестве сырья, во многом определяет качество конечного продукта. В целом, чистота, морфология и распределение размеров частиц порошка являются ключевыми факторами, ограничивающими производительность формования деталей.
Морфология порошка напрямую влияет на насыпную плотность и текучесть, что, в свою очередь, влияет на процесс подачи и распределения порошка, а также на конечные характеристики деталей. В аддитивном производстве методом плавления в порошковой среде механизм распределения порошка равномерно распределяет частицы порошка в зоне формования, а хорошая текучесть является ключом к получению равномерного и плоского слоя порошка. Сферические и близкие к сферическим порошки обладают хорошей текучестью, высокой насыпной плотностью, высокой плотностью и однородной структурой и являются предпочтительным сырьем для аддитивного производства методом плавления в порошковой среде.
Однако наличие полых и сателлитных частиц в сферических и близких к сферическим порошках снижает конечные характеристики деталей. В порошках с размером частиц более 70 мкм преобладают полые частицы, что приводит к появлению трудноустранимых дефектов, таких как поры, в формованных деталях; наличие примесей в порошке снижает текучесть порошка и препятствует равномерному накоплению порошка при нанесении сплошных слоев порошка, что приводит к дефектам деталей. Поэтому металлические порошки для аддитивного производства методом плавления в слое порошка должны быть максимально малы по содержанию полых частиц и примесей в исходном порошке.
Распределение размеров частиц порошка используется для характеристики состава и изменения частиц с различными размерами в системе частиц порошка и является важным параметром, используемым для описания характеристик частиц порошка.
Размер частиц порошка напрямую влияет на качество нанесения порошка, скорость и точность формования, а также на организационную однородность процесса аддитивного производства. Для различных процессов выбранный размер частиц порошка различен. Как правило, технология селективного лазерного плавления (SLM) выбирает порошки с размером частиц 15–45 мкм, а технология селективного электронно-лучевого плавления (SEBM) – с размером частиц 45–106 мкм.
С точки зрения термодинамики и кинетики, чем меньше частицы порошка, тем больше их удельная поверхность и тем выше движущая сила спекания, то есть мелкие частицы порошка способствуют формованию деталей. Однако порошки со слишком мелкими частицами приводят к снижению текучести, насыпной плотности и электропроводности порошка, ухудшают формуемость порошка, а также склонны к сфероидизации в процессе печати. Слишком крупный размер частиц порошка снижает его спекаемость, равномерность распределения и точность формования.
Таким образом, в соответствии с требованиями к характеристикам конечных деталей, крупнозернистый и мелкозернистый порошок должным образом подбираются для улучшения насыпной плотности и текучести порошков, что благоприятствует аддитивному производству методом лазерной наплавки порошков. Исследователи полагают, что в общем диапазоне размеров частиц процесса лазерной наплавки порошков использование более широкого распределения размеров частиц может улучшить заполнение мелких частиц в промежутках между крупными частицами и повысить плотность порошкового слоя в процессе укладки порошка.
Согласно текущему статусу исследований влияния изменений характеристик порошка на качество формования, изменения размера порошка, морфологии и состояния поверхности влияют на распределение порошка и качество формования порошка. С точки зрения плотности формования, разумное распределение размеров частиц, более высокая сферичность и сниженная когезия между частицами могут улучшить насыпную плотность и качество распределения порошка, дополнительно уменьшить количество пор и непроплавленных дефектов в формуемом образце и повысить плотность формования.
Модификация – повышение совершенства нанооксида алюминия
Нанооксид алюминия — это новый тип высокофункционального тонкодисперсного неорганического материала. С момента получения порошка нанооксида алюминия в середине 1980-х годов исследователи углубляли свои знания об этом высокотехнологичном материале и открыли множество его характеристик, таких как высокая твердость, прочность, термостойкость, коррозионная стойкость и другие превосходные характеристики. Поэтому он широко используется в аэрокосмической промышленности, национальной обороне, химической промышленности, микроэлектронике и других областях.
В практическом применении нанооксида алюминия модификация порошка всегда была очень важной задачей.
Зачем его модифицировать?
Прежде всего, будучи наноматериалом с множеством характеристик, нанооксид алюминия очень легко агломерируется благодаря чрезвычайно малому размеру частиц и высокой поверхностной энергии. Если явление агломерации особенно серьёзно, оно окажет значительное влияние на характеристики наноматериала оксида алюминия.
Кроме того, нанооксид алюминия может быть использован в качестве биопленки для медицинских исследований биологических препаратов, однако поверхностный заряд кристалла со сбалансированным поверхностным зарядом распределен неравномерно из-за наличия дефектов кристаллической решетки. Накопление дефектов поверхностного заряда и областей пространственного заряда на микронном уровне приводит к возникновению дипольного момента, похожего на сетку. При контакте биологических материалов с поверхностью таких порошков происходит обогащение, что приводит к закупорке пор и загрязнению мембраны.
Кроме того, благодаря своим изоляционным свойствам и высокой прочности оксид алюминия используется в качестве наполнителя в таких материалах, как покрытия и резина, для повышения твердости, теплоизоляции, пластичности и износостойкости материалов. Однако оксид алюминия является полярным веществом и плохо совместим с неполярными полимерными материалами.
Поэтому поверхностная модификация оксида алюминия привлекает большое внимание.
Модификация поверхности — это обработка поверхности твердых частиц физическими или химическими методами, то есть процесс целенаправленного изменения физико-химических свойств и морфологии поверхности частиц в соответствии с требованиями конкретного применения. В настоящее время существует два наиболее практичных метода модификации. Первый метод называется поверхностной органической модификацией, поскольку в нём используются преимущественно органические модификаторы, а второй – поверхностной органической модификацией.
Поверхностная органическая модификация
Цель поверхностной органической модификации ультрадисперсных порошковых частиц – сделать поверхность частиц гидрофобной путём связывания соответствующих органических групп, что улучшает их дисперсионные свойства и совместимость с поверхностью раздела в органических матрицах, таких как смолы, резина и краски, а также, следовательно, технологический процесс переработки продукции и комплексные механические свойства композитных материалов. В зависимости от типа химической структуры модификаторы подразделяются на высшие жирные кислоты или их соли, низшие жирные кислоты и связующие агенты.
(1) Физическая модификация покрытия
Физическая модификация покрытия или модификация обработки покрытия – это метод использования органических веществ (полимеров, смол, поверхностно-активных веществ, водорастворимых или маслорастворимых полимерных соединений, жирнокислотных мыл и т. д.) для нанесения покрытия на поверхность частиц с целью модификации. Это процесс простой модификации поверхности частиц.
(2) Химическая модификация поверхности
Химическая модификация поверхности достигается посредством химической реакции или химической адсорбции между модификатором поверхности и поверхностью частицы. Это наиболее широко используемый метод модификации в производстве.
(3) Прививочная модификация
Прививочная модификация — это процесс модификации, при котором мономерные олефины или полиолефины вводятся в поверхность порошка при определенных условиях внешнего возбуждения. Иногда после введения необходимо возбудить мономерный олефин для полимеризации мономерного олефина, связанного с поверхностью.
Модификация поверхностного покрытия
Модификация поверхностного покрытия относится к технологии модификации, заключающейся в равномерном покрытии поверхности частиц ультрадисперсного порошка оксида алюминия более мелкими твердыми частицами или твердыми пленками, тем самым изменяя состав поверхности, структуру, внешний вид и исходные функции частиц.
В зависимости от среды и формы реакции покрытия, природы и способа формирования модифицированного покрытия между частицами, методы модификации поверхностного покрытия можно разделить на метод химического осаждения, метод гидролизного покрытия, золь-гель метод, метод испарения растворителя, механохимический метод и газофазный метод. Из них первые три метода являются методами реакции растворения, то есть раствор растворимой соли осаждается с помощью осаждающих агентов и гидролиза, а затем наносится на поверхность частиц порошка, подлежащего модификации.