Хуткае развіццё тэхналогій наступнага пакалення, такіх як сувязь 5G, транспартныя сродкі на новых энергіях і штучны інтэлект, прад'явіла беспрэцэдэнтныя патрабаванні да характарыстык матэрыялаў для рэгулявання тэмпературы. Гэтыя матэрыялы павінны быць высока цеплаправоднымі, але электраізаляцыйнымі, лёгкімі, але ўстойлівымі да высокіх тэмператур, а таксама спалучаць выдатныя характарыстыкі з кантраляванымі выдаткамі. Сярод многіх матэрыялаў-кандыдатаў высакаякасны ультратонкі аксід алюмінію вылучаецца сваімі выдатнымі агульнымі ўласцівасцямі.
Як вядома, характарыстыкі керамічных вырабаў у значнай ступені залежаць ад выкарыстоўваных керамічных парашкоў. Розныя метады падрыхтоўкі дазваляюць атрымаць керамічныя парашкі з рознымі фізічнымі і хімічнымі ўласцівасцямі. Такім чынам, парашкі, падрыхтаваныя рознымі метадамі, падыходзяць для розных сцэнарыяў прымянення.
Што такое высокачысты ультратонкі аксід алюмінію?
Высокачысты ультратонкі аксід алюмінію звычайна адносіцца да парашкі аксіду алюмінію з чысцінёй 4N (99.99%) або вышэй, і дыяметрам часціц D50 ≤ 1,0 мкм. Сам аксід алюмінію існуе ў розных крышталічных формах, такіх як γ, δ, θ і α, сярод якіх α-Al₂O₃ з'яўляецца адзінай тэрмадынамічна стабільнай фазай.
Калі памеры часціц высакаякаснага аксіду алюмінію памяншаюцца да мікроннага або нават нанаметравага маштабу, паверхневыя эфекты і эфекты дробнага памеру надаюць матэрыялу ўласцівасці, якія пераўзыходзяць традыцыйныя матэрыялы. Да іх адносяцца больш высокая актыўнасць спякання, лепшая дыспергаванасць і лепшыя аптычныя, цеплавыя, магнітныя і электрычныя характарыстыкі.
Спалучэнне высокай трываласці, высокай цвёрдасці, устойлівасці да высокіх тэмператур, каразійнай стойкасці і электрычнай ізаляцыі, а таксама унікальных пераваг ультратонкага памеру, робіць высакаякасны ультратонкі аксід алюмінію шырока выкарыстоўваным у перадавых галінах, у тым ліку ў падкладках інтэгральных схем, электраізаляцыйных матэрыялах, электроннай упакоўцы і аэракасмічнай прамысловасці.
Асноўныя метады атрымання высокачыстага ультратонкага аксіду алюмінію
Тэхналогія атрымання высакаякаснага ультратонкага аксіду алюмінію з'яўляецца ключавым фактарам, які абмяжоўвае яго прадукцыйнасць і прымяненне. У цяперашні час асноўныя метады атрымання можна падзяліць на тры катэгорыі: газафазныя метады, вадкафазныя метады і цвёрдафазныя метады, прычым вадкафазныя метады найбольш шырока выкарыстоўваюцца ў прамысловасці.
Газафазныя метады
Газафазныя метады ўключаюць пераўтварэнне сыравіны ў газападобныя рэчывы шляхам награвання электрычнай дугай, лазернага выпарэння, награвання электронным прамянём або непасрэднага выкарыстання газаў. Унутры рэакцыйнага абсталявання адбываецца шэраг фізічных і хімічных змен. Падчас награвання і астуджэння адбываюцца зародкаўтварэнне крышталяў і рост часціц, у выніку чаго ўтвараюцца ультратонкія парашкі аксіду алюмінію.
Газафазныя метады могуць эфектыўна вырашыць праблему агламерацыі, кантралюючы тып і канцэнтрацыю рэакцыйных газаў. Тыповыя газафазныя метады ўключаюць вяснаaпіроліз і хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD).
(1) Распыляльны піроліз
Распыляльны піроліз, таксама вядомы як піроліз з полымяным распыленнем, заснаваны на атрыманні аэразольных кропель мікроннага памеру з дапамогай ультрагуку. Гэтыя кроплі затым награваюцца да тэмпературы 400–800 °C для раскладання і ўтварэння высакаякасных ультратонкіх парашкоў аксіду алюмінію.
Паколькі выпарванне, асаджэнне, сушка і раскладанне праводзяцца ў некалькі асобных этапаў, кантроль параметраў працэсу на кожным этапе (напрыклад, час знаходжання і тэмпература раскладання) дазваляе дакладна рэгуляваць памер часціц, марфалогію і хімічны склад.
Напрыклад, выкарыстоўваючы ў якасці сыравіны чысты нонагідрат нітрату алюмінію 99.997%, быў падрыхтаваны раствор нітрату алюмінію. Пры выкарыстанні распыляльнага піролізу пры тэмпературы 700°C былі атрыманы сферычныя часціцы аксіду алюмінію памерам менш за 400 нм без агламерацыі.
(2) Хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD)
Хімічная хімічна апрацоўка (ХАФ) прадугледжвае рэакцыю хларыду алюмінію з вадзяной парай у рэакцыйнай камеры для атрымання наначасціц аксіду алюмінію. Распаўсюджаныя метады ХАФ ўключаюць полымявую ХАФ і лазерную піролізную ХАФ. Перавага заключаецца ў тым, што кантроль тыпу і канцэнтрацыі рэакцыйных газаў можа эфектыўна паменшыць агламерацыю. Атрыманыя парашкі маюць невялікі памер, высокую ўдзельную плошчу паверхні і высокую чысціню. Чысціня канчатковага прадукту можа перавышаць 99,61 TP3T, прычым цяжкія металы часта знаходзяцца ніжэй за межы выяўлення.
Да недахопаў адносяцца нізкі выхад і складанасць збору парашкоў. Напрыклад, з дапамогай плазменнай металаарганічнай хімічнай апрацоўкі пры тэмпературы 1000°C і ціску 5,3 кПа ў кіслароднай атмасферы былі падрыхтаваны высакаякасныя наначасціцы аксіду алюмінію памерам 5,6 нм, што прывяло да атрымання сферычных нанапамерных парашкоў.
Вадкафазны метад
Вадкафазныя метады, якія таксама называюць вільготна-хімічнымі метадамі, шырока выкарыстоўваюцца ў лабараторыях і прамысловай вытворчасці для атрымання α-Al₂O₃. Гэтыя метады ўключаюць падрыхтоўку парашкоў з аднародных раствораў рэагентаў шляхам фізічных і хімічных пераўтварэнняў.
Яны дазваляюць сінтэз на малекулярным узроўні, дакладны кантроль хімічнага складу, наладжвальную форму і памер часціц, добрую дыспергаванасць і магчымасць дадаваць сляды актыўных кампанентаў. Распаўсюджаныя метады ўключаюць асаджэнне, працэсы Баера і мадыфікаваныя працэсы Баера, золь-гель метад, метад алкаголяту алюмінію, мікраэмульсійны метад і г.д.
(1) Метад асадкавання
Метад асаджэння змешвае розныя рэчывы ў растворы, дадаючы асадак для ўтварэння нерастваральнага злучэння. Гэты папярэднік асадка прамываецца, сушыцца і кальцынуецца для атрымання парашкападобных часціц. Варыянты ўключаюць прамое асаджэнне, гамагеннае асаджэнне і гідролізнае асаджэнне.
Напрыклад, пры выкарыстанні нітрату алюмінію і бікарбанату амонію ў якасці сыравіны сумеснае асаджэнне дало парашкі Al₂O₃ памерам 20–30 нм. Даданне PEG6000 палепшыла дысперснасць парашка.
(2) Метады Баера і мадыфікаваныя метады Баера
Працэс Баера — найбольш распаўсюджаны вадкафазны метад. Ён выкарыстоўвае змены растваральнасці гідраксіду алюмінію ў шчолачных растворах. Гідраксід алюмінію пераўтвараецца ў алюмінат натрыю з дапамогай канцэнтраванага NaOH. Нерастваральныя прымешкі аддзяляюцца, затым разводзяць і затраўліваюць для паўторнага асаджэння гідраксіду алюмінію. Пасля кальцынацыі і дэгідратацыі атрымліваецца парашок аксіду алюмінію.
Традыцыйная кампанія Bayer вырабляе аксід алюмінію з чысцінёй <98,51 TP3T. Працэс просты і шырока выкарыстоўваецца (951 TP3T у алюмініевых кампаніях). Яго недахопы ўключаюць складанасці ў кантролі растварэння сыравіны, утварэнне прымешак SiO₂ сілікат падчас асаджэння, зніжэнне выхаду, павелічэнне кошту і цяжкасці з выдаленнем прымешак.
Мадыфікаваны працэс Баера ачышчае алюмінат натрыю шляхам выдалення Si, Fe і іншых прымешак, а таксама кантралюе ўмовы раскладання. У выніку атрымліваецца высакаякасны гідраксід алюмінію, які пасля высокатэмпературнай кальцынацыі і драбнення дае высакаякасны аксід алюмінію.
(3) Золь-гель метад
Золь-гель метад рэагуе з солямі алюмінію пры нізкай тэмпературы для атрымання золь-папярэдніка. Канцэнтрацыя ўтварае гель, які затым падвяргаецца тэрмічнай апрацоўцы для атрымання ультратонкіх парашкоў аксіду алюмінію. Перавагі ўключаюць нізкую тэмпературу сінтэзу, кіраваны працэс, высокую чысціню, малы памер часціц і вузкае размеркаванне памераў. Недахопы ўключаюць высокі кошт сыравіны, працяглы вытворчы цыкл, дакладны кантроль рэакцыі і магчымае ўтварэнне таксічных газаў.
Напрыклад, выкарыстоўваючы недарагі металічны алюмініевы парашок у якасці крыніцы алюмінію і дыспергатар 3 мас. % PEG600, негідралітычны золь-гель сінтэз даў ультрадысперсныя парашкі α-Al₂O₃ са сярэднім памерам часціц <100 нм.
(4) Метад з алкаголятам алюмінію
Алкагольны метад — гэта ітэрацыя гідролізу солі спірту. Алюміній рэагуе ў ізапрапаноле з утварэннем ізапрапаксіду алюмінію, які гідралізуецца для гідратацыі аксіду алюмінію. Пасля паспявання, фільтравання, сушкі, дэгідратацыі і актывацыі атрымліваюць парашкі аксіду алюмінію з высокай актыўнасцю спякання.
Перавагі ўключаюць мяккія ўмовы, стабільныя ўласцівасці прадукту і высокую чысціню. Праблемы ўключаюць неабходнасць вакуумнай дыстыляцыі для ачысткі алкаголяту алюмінію, дакладны кантроль тэмпературы і вакууму, высокае спажыванне энергіі і рызыкі бяспекі з-за зацвярдзення падчас астуджэння.
(5) Сінергічны метад каардынацыі аніёнаў — распыляльнай сублімацыйнай сушкі
Каб вырашыць праблемы моцнай агламерацыі, дрэннай крышталізацыі і нізкай актыўнасці спякання ў традыцыйных працэсах, даследчыкі прапанавалі спалучаць каардынацыю аніёнаў і распыляльную сублімацыйную сушку. Аптымізацыя гідролізу і золь-гель працэсаў шляхам увядзення сульфатных і цытратных іонаў забяспечвае двайную стабілізацыю (электрастатычную + стэрычную), а распыляльная сублімацыйная сушка ператварае золь у парашок без пашкоджанняў. Кантраляваная тэрмічная апрацоўка дае ультратонкія парашкі з выдатнай дысперснасцю, цякучасцю, вузкім размеркаваннем памераў, нізкай аб'ёмнай шчыльнасцю і высокай удзельнай паверхняй.
(6) Новыя метады вадкай фазы
Новыя метады распыляльнага асаджэння дазваляюць атрымліваць нанаметровыя парашкі α-Al₂O₃ з высокай актыўнасцю спякання, слабой агламерацыяй і добрай дысперснасцю. Напрыклад, парашкі-папярэднікі, пракаленыя пры тэмпературы 1150°C на працягу 2 гадзін, ператвараліся з аморфнага стану ў α-Al₂O₃. Да пераваг адносяцца лепшы кантакт і плошча рэакцыі падчас асаджэння, што паляпшае дысперснасць.
(7) Метад крышталізацыі-кальцынацыі сульфату амонія і алюмінію
Традыцыйны метад прадугледжвае атрыманне сульфату амонія-алюмінія з сульфату алюмінію, а затым кальцынацыю для атрымання аксіду алюмінію. Чысціня сыравіны вызначае канчатковую чысціню парашка. Перавагі ўключаюць лёгкадаступную, недарагую сыравіну і перапрацоўваемы маткавы раствор. Недахопы ўключаюць няпоўную кальцынацыю, якая прыводзіць да рэшткавага сульфату, выкідаў аміяку і SO₃, а таксама да забруджвання навакольнага асяроддзя.
03 Цвёрдафазныя метады
Для вытворчасці парашка α-Al₂O₃ распаўсюджаныя цвёрдафазныя метады. Яны простыя, высокапрадукцыйныя, танныя і лёгка прамысловыя. Аднак яны спажываюць шмат энергіі, маюць нізкую эфектыўнасць і ўтвараюць парашкі з нераўнамерным памерам часціц і абмежаванымі функцыянальнымі ўласцівасцямі. Такім чынам, атрыманне дробнага α-Al₂O₃ высокай чысціні з дапамогай цвёрдафазных метадаў з'яўляецца складанай задачай.
Роля Абсталяванне і апрацоўка ультратонкіх парашкоў
Апрацоўка ультратонкага парашка з'яўляецца неабходнай пасляапрацоўкай пры падрыхтоўцы высокачыстага ультратонкага аксіду алюмінію. Яна асабліва падыходзіць для парашкоў-папярэднікаў, атрыманых метадамі газафазнай, вадкафазнай або цвёрдафазнай апрацоўкі.
пасля кальцынацыі.
Гэты працэс выкарыстоўвае высокаэнергетычныя механічныя сілы, удар паветранага патоку або драбненне ў асяроддзі для разбурэння цвёрдых агламератаў, памяншэння памеру часціц да D50 ≤ 1,0 мкм або нават субмікроннага/нанаўзроўню, а таксама паляпшэння ўдзельнай плошчы паверхні, дысперснасці і актыўнасці спякання.
Гэта таксама аптымізуе размеркаванне памераў часціц і цякучасць, забяспечваючы высакаякасную сыравіну для наступнага фарміравання і ўшчыльнення керамікі. Аднастайнасць мікраструктуры і агульныя характарыстыкі канчатковага прадукту непасрэдна залежаць ад гэтага працэсу.
Агульнае абсталяванне ўключае ў сябе струменевыя млыны, змяшаны шаравыя млыны, і вібрацыйныя млыны. У прамысловай вытворчасці пераважней выкарыстоўваць струменевыя млыны. У іх выкарыстоўваецца інэртны газ пад высокім ціскам для стварэння звышгукавых патокаў, што выклікае сутыкненні часціц і самаздрабненне без забруджвання. Гэта ідэальна падыходзіць для аксіду алюмінію чысцінёй 4N+, дасягаючы дакладнага размеркавання памераў часціц і сферычных або амаль сферычных часціц з высокім выхадам і адносна нізкім спажываннем энергіі.
Шаровыя млыны з перамешваннем у асноўным выкарыстоўваюцца для мокрага або лабараторнага высокаэнергетычнага драбнення. Высокашчыльныя асяроддзі забяспечваюць нанаўзроўневую драбнільнасць. Вібрацыйныя млыны з'яўляюцца дапаможным абсталяваннем для дробнамаштабнай дакладнай апрацоўкі. Аптымізацыя такіх параметраў, як паток паветра, суадносіны асяроддзя і час знаходжання, дазваляе пераадолець абмежаванні памеру часціц, якія існуюць у папярэдніх метадах падрыхтоўкі, што спрыяе стабільнай прамысловай вытворчасці высакаякаснага ультратонкага аксіду алюмінію.
Заключэнне
Высокачысты ультратонкі аксід алюмінію з'яўляецца ключавым базавым матэрыялам у галіне цеплавога менеджменту. Дасягненні ў тэхналогіі яго атрымання непасрэдна ўплываюць на новыя галіны прамысловасці, такія як 5G, транспартныя сродкі на новых энергіях і штучны інтэлект. Газафазныя, вадкафазныя і цвёрдафазныя метады ў спалучэнні з апрацоўкай ультратонкіх парашкоў забяспечваюць розныя шляхі атрымання высокапрадукцыйных парашкоў.
Зазіраючы ў будучыню, з пастаянным прагрэсам у матэрыялазнаўстве і зялёнай вытворчасці, тэхналогіі падрыхтоўкі стануць больш эфектыўнымі, экалагічна чыстымі і інтэлектуальнымі. Палепшацца характарыстыкі парашка, знізяцца выдаткі, а высокатэхналагічныя галіны прамысловасці атрымаюць значны штуршок. Дзякуючы сумесным намаганням даследчыкаў і кампаній гэты перадавы матэрыял знойдзе сваё месца ў больш высакаякасных сферах прымянення.
«Дзякуй за чытанне. Спадзяюся, мой артыкул будзе карысным. Калі ласка, пакіньце каментар ніжэй. Вы таксама можаце звязацца з прадстаўніком службы падтрымкі кліентаў Zelda онлайн, калі ў вас ёсць дадатковыя пытанні».
— Апублікавана Эмілі Чэн