Aplicación de la preparación de polvos basada en tecnología de plasma térmico en materiales de gestión térmica
La miniaturización e integración de dispositivos electrónicos plantea mayores requisitos de disipación de calor para los materiales de gestión térmica basados en polímeros. El desarrollo de nuevos rellenos de alta conductividad térmica para construir vías de conducción térmica eficaces es clave para lograr materiales de gestión térmica de alto rendimiento.
La tecnología de plasma térmico ofrece grandes ventajas en la preparación de polvos esféricos de tamaño nanométrico y micrométrico, como el polvo esférico de silicio y el polvo de alúmina, gracias a su alta temperatura, atmósfera de reacción controlable, alta densidad energética y baja contaminación.
Tecnología de plasma térmico
El plasma es el cuarto estado de la materia, después del sólido, el líquido y el gas. Es un agregado eléctricamente neutro compuesto por electrones, cationes y partículas neutras. Según la temperatura de las partículas pesadas en el plasma, este se puede dividir en dos categorías: plasma caliente y plasma frío.
La temperatura de los iones pesados en el plasma caliente puede alcanzar de 3×10⁻¹ a 3×10⁻¹ K, lo que básicamente alcanza el estado de equilibrio termodinámico local. En este estado, el plasma térmico presenta la siguiente relación: temperatura del electrón Te = temperatura del plasma Th = temperatura de excitación Tex = temperatura de reacción de ionización Treac, por lo que el plasma térmico presenta una temperatura termodinámica uniforme.
Preparación de polvos esféricos con plasma
Debido a las características de alta temperatura y rápida velocidad de enfriamiento del plasma térmico de alta frecuencia, se utiliza la tecnología de deposición física de vapor para preparar nanopolvos.
Existen dos métodos principales para preparar polvos esféricos con plasma.
Uno consiste en introducir polvos de materia prima de forma irregular y gran tamaño en el arco de alta temperatura del plasma térmico y utilizar el entorno de alta temperatura generado por el plasma térmico para calentar y fundir rápidamente las partículas de materia prima (o fundir la superficie). Debido a la tensión superficial, el polvo fundido forma una esfera y se solidifica a una velocidad de enfriamiento adecuada para obtener un polvo esférico. El segundo método consiste en utilizar polvos irregulares o precursores como materia prima y plasma térmico como fuente de calor de alta temperatura. Las materias primas reaccionan con las partículas activas que contienen y se enfrían y depositan rápidamente para generar polvos ideales.
Gracias a las características de alta temperatura, alta energía, atmósfera controlable y ausencia de contaminación del plasma térmico, se pueden preparar polvos esféricos de alta pureza, alta esfericidad y diferentes tamaños controlando parámetros como la alimentación, la velocidad de enfriamiento y la potencia del plasma durante el proceso de preparación. Por lo tanto, el uso de la tecnología de plasma para preparar polvos esféricos se ha extendido cada vez más en los sectores energético, aeroespacial, químico y otros.
Principales áreas de aplicación y características del micropolvo de silicio
El polvo de sílice es un material inorgánico no metálico cuyo componente principal es el dióxido de silicio. Está hecho de cuarzo cristalino, cuarzo fundido, etc., como materia prima, y se procesa mediante molienda, clasificación de precisión, eliminación de impurezas y otros procesos. Posee excelentes propiedades dieléctricas, bajo coeficiente de expansión térmica y alta conductividad térmica. Se utiliza ampliamente en laminados revestidos de cobre, compuestos de moldeo epóxicos, materiales aislantes, adhesivos, recubrimientos, cerámica y otros campos.
1. Laminado revestido de cobre
El laminado revestido de cobre es un sustrato importante para la fabricación de placas de circuito impreso con una estructura de lámina de cobre + capa de aislamiento dieléctrico (resina y material de refuerzo) + lámina de cobre. Es un material básico para diversos sistemas de circuitos.
Las opciones de relleno para laminados revestidos de cobre incluyen micropolvo de silicio, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, talco en polvo, mica en polvo y otros materiales. Entre ellos, el micropolvo de silicio presenta ventajas relativas en cuanto a resistencia térmica, propiedades mecánicas, propiedades eléctricas y dispersabilidad en sistemas de resina. Se puede utilizar para mejorar la resistencia térmica y la resistencia a la humedad, aumentar la rigidez de laminados delgados revestidos de cobre, reducir el coeficiente de expansión térmica, mejorar la estabilidad dimensional, optimizar la precisión de posicionamiento de la perforación y la suavidad de la pared interna, mejorar la adhesión entre capas o entre capas aislantes y láminas de cobre, etc., por lo que es ideal para rellenos de laminados revestidos de cobre.
El micropolvo de silicio esférico ofrece el mejor rendimiento, pero su coste es elevado, y solo se utiliza en el campo de laminados revestidos de cobre de alta gama. En cuanto a conductividad térmica, relleno, expansión térmica y propiedades dieléctricas, el micropolvo de silicio esférico ofrece un mejor rendimiento, pero el micropolvo de silicio angular es inferior en precio. Por lo tanto, considerando su rendimiento y costo integrales, el micropolvo de silicio esférico se utiliza actualmente principalmente en el campo de los laminados revestidos de cobre de alta gama, como los de alta frecuencia y alta velocidad, portadores de circuitos integrados, etc., y cuanto mayor sea el escenario de aplicación, mayor será la proporción de adición.
2. Compuesto de moldeo epóxico
El compuesto de moldeo epóxico es un compuesto de moldeo en polvo compuesto por resina epóxica como resina base, resina fenólica de alto rendimiento como agente de curado, polvo de silicio como relleno y diversos aditivos. Es un material esencial para el encapsulado de semiconductores, como los circuitos integrados (más del 97% de los encapsulados de semiconductores utilizan compuesto de moldeo epóxico).
3. Material de aislamiento eléctrico
El polvo de silicio utilizado en productos de aislamiento eléctrico puede reducir eficazmente el coeficiente de expansión lineal del producto curado y la tasa de contracción durante el proceso de curado, reducir la tensión interna y mejorar la resistencia mecánica del material aislante, mejorando así sus propiedades mecánicas y eléctricas. Por lo tanto, los requisitos funcionales de los clientes en este campo para el micropolvo de silicio se reflejan principalmente en un bajo coeficiente de expansión lineal, un alto aislamiento y una alta resistencia mecánica, mientras que los requisitos en cuanto a sus propiedades dieléctricas y conductividad térmica son relativamente bajos.
En el campo de los materiales de aislamiento eléctrico, los productos de micropolvo de silicio de especificación única con un tamaño promedio de partícula de 5-25 µm se suelen seleccionar según las características de los productos de aislamiento eléctrico y los requisitos de su proceso de producción. Se imponen altos requisitos en cuanto a la blancura del producto, la distribución del tamaño de partícula, etc.
4. Adhesivos
El micropolvo de silicio enriquecido con resina adhesiva puede reducir eficazmente el coeficiente de expansión lineal del producto curado y la tasa de contracción durante el curado, mejorar la resistencia mecánica del adhesivo, la resistencia térmica, la antipermeabilidad y la disipación térmica, mejorando así la adhesión y el sellado.
La distribución del tamaño de partícula del micropolvo de silicio afectará la viscosidad y la sedimentación del adhesivo, lo que afectará a su procesabilidad y al coeficiente de expansión lineal después del curado.
5. Cerámica de nido de abeja
Los soportes cerámicos de nido de abeja para la purificación de gases de escape de automóviles y los filtros de escape de automóviles de cordierita (DPF) para la purificación de gases de escape de motores diésel están fabricados con alúmina, micropolvo de silicio y otros materiales mediante procesos de mezcla, moldeo por extrusión, secado, sinterización y otros. El micropolvo de silicio esférico puede mejorar la velocidad de moldeo y la estabilidad de los productos cerámicos de nido de abeja.
Modificación del recubrimiento de dióxido de titanio
La modificación del recubrimiento de dióxido de titanio (dióxido de titanio) es un método importante para mejorar su rendimiento (como dispersabilidad, resistencia a la intemperie, brillo, estabilidad química, etc.). Los métodos comunes de modificación de recubrimientos incluyen principalmente tres categorías: recubrimiento inorgánico, recubrimiento orgánico y recubrimiento compuesto. A continuación, se presenta una clasificación específica y una breve introducción:
Modificación del recubrimiento inorgánico
Al recubrir la superficie de las partículas de dióxido de titanio con una capa de óxidos o sales inorgánicas, se forma una barrera física que mejora su estabilidad química y propiedades ópticas.
1. Recubrimiento de óxido
Principio: Se utiliza el hidrato de óxidos metálicos (como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, etc.) para precipitar sobre la superficie del dióxido de titanio y formar una capa de recubrimiento uniforme.
Proceso: Generalmente, mediante el método de deposición en fase líquida, se añaden sales metálicas (como silicato de sodio y sulfato de aluminio) a la suspensión de dióxido de titanio y se ajusta el pH para precipitar y recubrir el hidrato de óxido metálico.
2. Recubrimiento de óxido compuesto
Principio: Recubrimiento de dos o más óxidos metálicos (como Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, etc.), combinando las ventajas de cada componente.
Características: Mejor rendimiento general; por ejemplo, el recubrimiento de Al₂O₃-SiO₂ puede mejorar simultáneamente la dispersabilidad y la resistencia a la intemperie, siendo adecuado para pinturas automotrices y recubrimientos de bobinas de alta demanda.
3. Recubrimiento de sal
Principio: Utiliza sales metálicas (como fosfatos, silicatos, sulfatos, etc.) para formar una capa de sal poco soluble sobre la superficie del dióxido de titanio.
Modificación del recubrimiento orgánico
Mediante la reacción de compuestos orgánicos con los grupos hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio, se forma una capa molecular orgánica que mejora su compatibilidad con los medios orgánicos.
1. Recubrimiento con agente de acoplamiento
Principio: Utilizando la estructura anfifílica de las moléculas de agentes de acoplamiento (como silanos, titanatos y aluminatos), un extremo se combina con el grupo hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio y el otro extremo reacciona con la matriz orgánica (como resina o polímero).
Agente de acoplamiento de silano: Mejora la dispersabilidad del dióxido de titanio en sistemas a base de agua, comúnmente utilizado en recubrimientos y tintas a base de agua.
Agente de acoplamiento de titanato/aluminato: Mejora la compatibilidad en sistemas oleosos como plásticos y cauchos, y reduce la aglomeración durante el procesamiento.
2. Recubrimiento con tensioactivos
Principio: Los tensioactivos (como ácidos grasos, sulfonatos, sales de amonio cuaternario, etc.) se adhieren a la superficie del dióxido de titanio mediante adsorción física o reacción química para formar una capa de carga o capa hidrófoba.
Función:
Tensioactivos aniónicos (como el ácido esteárico): Mejoran la dispersabilidad en medios oleosos, comúnmente utilizados en plásticos y caucho.
Tensioactivos catiónicos (como el cloruro de dodeciltrimetilamonio): Adecuados para sistemas polares para mejorar la estabilidad.
3. Recubrimiento polimérico
Principio: Injertan polímeros (como acrilatos, resinas epoxi, siloxanos, etc.) en la superficie del dióxido de titanio mediante reacciones de polimerización.
Función:
Forman una capa de recubrimiento gruesa para aislar aún más la erosión química y mejorar la resistencia a la intemperie y las propiedades mecánicas.
Mejoran la compatibilidad con resinas específicas, adecuado para materiales compuestos y recubrimientos de alto rendimiento.
4. Recubrimiento de silicona
Principio: Aprovechan las características de baja energía superficial del polisiloxano (aceite de silicona, resina de silicona, etc.) para recubrir partículas de dióxido de titanio.
Función: Reducen la tensión superficial, mejoran la dispersabilidad y la suavidad, comúnmente utilizado en tintas y cosméticos.
III. Modificación del recubrimiento compuesto
Combinando las ventajas de los recubrimientos inorgánicos y orgánicos, el doble recubrimiento se realiza por etapas o simultáneamente para lograr un rendimiento complementario.
1. Recubrimiento inorgánico primero y luego orgánico
2. Recubrimiento sincronizado inorgánico-orgánico
Otras tecnologías de recubrimiento especiales
1. Nanorecubrimiento
2. Recubrimiento de microcápsulas
Principio: Encapsular partículas de dióxido de titanio en microcápsulas de polímero y liberar el dióxido de titanio controlando las condiciones de ruptura de la cápsula (como la temperatura y el pH). Ideal para recubrimientos inteligentes y sistemas de liberación lenta.
Materiales de aleación de magnesio en la economía de baja altitud
Como material ligero, la aleación de magnesio se ha convertido en la opción ideal para aeronaves económicas de baja altitud gracias a su baja densidad, alta resistencia, capacidad de absorción de impactos y blindaje contra ondas electromagnéticas. En comparación con los materiales tradicionales, la aleación de magnesio es más ligera, puede prolongar significativamente la autonomía de vuelo y mejorar la eficiencia energética. Además, su capacidad de absorción de impactos y blindaje electromagnético también puede mejorar la seguridad operativa y la compatibilidad electromagnética de las aeronaves en entornos complejos.
Aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL)
Marco de fusibles: La densidad de la aleación de magnesio es solo 2/3 de la de la aleación de aluminio y 1/4 de la del acero. Su uso en el marco del fuselaje puede reducir significativamente el peso de la aeronave, mejorar la capacidad de carga y la autonomía. Por ejemplo, el eVTOL de carga de 2 toneladas de Fengfei Aviation utiliza aleación de magnesio para fabricar algunos componentes del marco del fuselaje, lo que logra un peso ligero eficaz a la vez que garantiza la resistencia estructural.
Estructura del ala: La aleación de magnesio posee una alta resistencia específica y puede mantener la estabilidad estructural del ala bajo grandes cargas aerodinámicas, a la vez que reduce su peso, lo que contribuye a mejorar el rendimiento de vuelo de la aeronave.
Carcasa del motor: La aleación de magnesio posee buena conductividad térmica y propiedades de apantallamiento electromagnético, lo que permite disipar eficazmente el calor generado por el funcionamiento del generador, proteger el circuito interno del motor de interferencias electromagnéticas, prolongar su vida útil y mejorar su eficiencia operativa. Por ejemplo, la carcasa del motor del coche volador eléctrico inteligente Traveler X2 de Xiaopeng Huitian está fabricada con aleación de magnesio.
Compartimento de la batería: La aleación de magnesio se puede utilizar para fabricar compartimentos de batería. Su baja densidad ayuda a reducir el peso total de la aeronave y su apantallamiento electromagnético evita que la batería sufra interferencias electromagnéticas externas, garantizando así la seguridad y la estabilidad de su funcionamiento.
Soporte del panel de instrumentos: El soporte del panel de instrumentos, fabricado en aleación de magnesio, ofrece buena rigidez y estabilidad, y puede soportar diversos dispositivos y pantallas del panel de instrumentos eVTOL. Al mismo tiempo, su ligereza también ayuda a reducir el peso total de la aeronave.
UAV
Fuselaje: La aleación de magnesio tiene una baja densidad, lo que reduce significativamente el peso del dron, aumenta su resistencia y capacidad de carga, y su alta resistencia específica garantiza que el fuselaje soporte diversas tensiones durante el vuelo. Por ejemplo, el dron multirrotor "Hybrid Flyer" con un armazón de aleación de magnesio es aproximadamente un 30 % más ligero que el armazón de material tradicional, lo que también prolonga su vida útil.
Alas y colas: Se pueden utilizar para fabricar la estructura de soporte interna o el revestimiento general de las alas y colas, garantizando al mismo tiempo la resistencia estructural y el rendimiento aerodinámico, reduciendo la resistencia al vuelo y el consumo de energía de los drones, y mejorando la eficiencia y flexibilidad del vuelo.
Soporte de la placa de circuito de control: Proporciona un soporte estable para la placa de circuito de control. Su ligereza ayuda a bajar el centro de gravedad del dron y mejora la estabilidad de vuelo. Asimismo, el blindaje electromagnético reduce la interferencia electromagnética entre las placas de circuito y garantiza la transmisión precisa de las señales de control.
Carcasa de sensor: Se utiliza para encapsular diversos sensores, como cámaras, módulos GPS, etc., protegiéndolos, reduciendo el peso de la carga útil de los drones, permitiéndoles transportar más equipos o prolongar su tiempo de vuelo. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de magnesio se adapta a los requisitos de funcionamiento de los sensores en diferentes entornos.
Hélices: Las aleaciones de magnesio se pueden utilizar para fabricar hélices. Su baja densidad y alta resistencia específica ayudan a mejorar la eficiencia de rotación de la hélice, reducir el consumo de energía, el peso y, por lo tanto, mejorar el rendimiento general de los drones.
Su ligereza, bajo costo y alta reserva de magnesio lo hacen más ventajoso que los materiales tradicionales, y se espera que resuelva el problema del alto costo de las materias primas y la baja eficiencia operativa en la construcción económica a baja altitud. Con el continuo avance de la tecnología de producción de aleaciones de magnesio, la producción a gran escala reducirá aún más los costos, promoviendo así su aplicación a gran escala en el campo de baja altitud.
Propiedades del material compuesto de fibra de vidrio
La fibra de vidrio es un material compuesto por numerosas fibras de vidrio extremadamente finas. Se fabrica forzando el vidrio fundido a través de un tamiz, que lo hila en hilos que luego se combinan para formar fibras de vidrio.
Los compuestos de fibra de vidrio son un material plástico reforzado compuesto por fibras de vidrio incrustadas en una matriz de resina. Los compuestos de fibra de vidrio tienen una excelente resistencia específica, son ligeros, pero tienen propiedades mecánicas similares a las del metal; son inoxidables y pueden soportar entornos ácidos, alcalinos, húmedos y con niebla salina durante mucho tiempo, y tienen una vida útil más larga que los materiales metálicos tradicionales. Su rendimiento se puede optimizar ajustando la disposición de las fibras y el tipo de resina, y se pueden procesar en formas complejas. Son no conductores y transparentes a las ondas electromagnéticas, y son adecuados para componentes funcionales especiales como equipos eléctricos y radomos. En comparación con materiales compuestos de alta gama como la fibra de carbono, la fibra de vidrio es más económica y constituye una opción económica de alto rendimiento.
Materiales compuestos de fibra de vidrio utilizados en la economía de baja altitud
Ampliamente utilizados en drones
Fuselaje y componentes estructurales: El plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) se utiliza ampliamente en componentes estructurales clave como el fuselaje, las alas y la cola de los drones, gracias a su ligereza y alta resistencia.
Materiales de las palas: En la fabricación de hélices para drones, la fibra de vidrio se utiliza en combinación con materiales como el nailon para aumentar la rigidez y la durabilidad.
Materiales importantes para aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL)
Bisagra y alas: Las aeronaves eVTOL tienen requisitos extremadamente altos de ligereza, por lo que los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio se utilizan a menudo en combinación con fibra de carbono para optimizar la estructura del fuselaje y reducir costos.
Componentes funcionales: La fibra de vidrio también se utiliza en dispositivos de aviónica eVTOL (como amplificadores de potencia de RF), y su resistencia a altas temperaturas y propiedades de aislamiento la convierten en una opción ideal.
Como material básico estratégico en la economía de baja altitud, la fibra de vidrio tiene amplias posibilidades de aplicación en drones, eVTOL y otros campos. Con el apoyo de políticas y el progreso tecnológico, su demanda de mercado seguirá creciendo y se convertirá en una fuerza importante en la promoción del desarrollo de la economía de baja altitud.
El oro olvidado: polvo de pulido de tierras raras
El polvo de pulido a base de cerio y tierras raras es el más común en la actualidad. Ofrece un excelente rendimiento de pulido y puede mejorar el acabado superficial de productos o piezas. Se le conoce como el "rey de los polvos de pulido". La industria de procesamiento de vidrio y la industria electrónica son las principales aplicaciones posteriores del polvo de pulido de tierras raras. Los residuos de polvo de pulido de tierras raras que fallan después del pulido representan aproximadamente el 70% de la producción anual. Los componentes residuales provienen principalmente de residuos de polvo de pulido de tierras raras, líquidos residuales, fragmentos de vidrio de las piezas de pulido, película de pulido (polímero orgánico) del paño de pulido, aceite y otras impurezas, con una proporción de componentes de tierras raras del 50%. La eliminación del polvo de pulido de tierras raras defectuoso se ha convertido en un problema importante para las empresas de aplicaciones posteriores.
Actualmente, los métodos más utilizados para reciclar los residuos de polvo de pulido de tierras raras son la separación física y la separación química.
Método de separación física
(1) Método de flotación
En los últimos años, la tecnología de flotación se ha utilizado ampliamente en el tratamiento de residuos sólidos. Debido a la diferencia en la hidrofilicidad de los componentes del polvo de pulido de tierras raras residual, se seleccionan diferentes agentes de flotación para mejorar la afinidad de los componentes en solución acuosa, dejando las partículas hidrófilas en el agua y logrando así el objetivo de separación. Sin embargo, el tamaño de las partículas del polvo de pulido afecta la tasa de recuperación por flotación, y la pureza de recuperación es insuficiente.
Durante la flotación, se seleccionan diferentes colectores, y el efecto de eliminación de impurezas varía considerablemente. Yang Zhiren et al. descubrieron que cuando el pH del ácido estirenofosfónico es de 5, la tasa de recuperación de óxido de cerio y óxido de lantano después de la flotación alcanza el 95%, mientras que la tasa de recuperación de fluoruro de calcio y fluoroapatita es de tan solo el 20% como máximo. Las partículas con un diámetro inferior a 5 micras deben separarse aún más para eliminar las impurezas debido a su bajo efecto de flotación.
(2) Método de separación magnética
El polvo de pulido de tierras raras residual presenta magnetismo. Basándose en esto, Mishima et al. Diseñaron un dispositivo con un campo magnético vertical para recuperar lodos de pulido de tierras raras. Con un caudal de 20 mm/s, un tiempo de circulación de 30 min, una concentración del 5 % y un pH de 3, la eficiencia de separación del dióxido de cerio y el floculante de hierro puede alcanzar el 80 %. Si se cambia la dirección del campo magnético a un gradiente horizontal y se añade una solución de MnCl₂, se pueden separar del dióxido de cerio el dióxido de silicio y el óxido de aluminio, con propiedades magnéticas opuestas.
(3) Otros métodos
Takahashi et al. congelaron a -10 °C los lodos de polvo residual, cuyas partículas no sedimentaban fácilmente, y luego los descongelaron a 25 °C. Las impurezas y los óxidos de tierras raras formaron una capa que facilitó la agregación y la recuperación de sustancias útiles en los residuos.
Método de separación química
El método químico adopta principalmente el proceso de recuperación tras la disolución ácida y la tostación alcalina, y utiliza un agente reductor como reactivo auxiliar para obtener materias primas de polvo de pulido de tierras raras mediante la eliminación de impurezas, la extracción y la precipitación. Este método ofrece una alta tasa de recuperación de tierras raras, pero el proceso es largo y costoso. El exceso de ácido o álcali fuerte produce una gran cantidad de aguas residuales. (1) Tratamiento alcalino
El óxido de aluminio y el dióxido de silicio son las principales impurezas de los residuos de polvo de pulido de tierras raras. Utilice una solución de NaOH de 4 mol/L para reaccionar con los residuos de polvo de pulido de tierras raras durante 1 hora a 60 °C para eliminar las impurezas de dióxido de silicio y óxido de aluminio de los residuos de polvo de pulido de tierras raras.
(2) Tratamiento ácido
Para recuperar elementos de tierras raras de los residuos de polvo de pulido, se suelen utilizar ácidos nítrico, sulfúrico y clorhídrico para la lixiviación. El dióxido de cerio, el principal componente de los residuos de polvo de pulido de tierras raras, es ligeramente soluble en ácido sulfúrico.
(3) Lixiviación ácida asistida por agente reductor
Si el CeO₂ se lixivia directamente con ácido, el efecto no es óptimo. Si se añade un agente reductor para reducir el Ce₄ a Ce₃, se puede mejorar la velocidad de lixiviación de tierras raras. El uso del agente reductor H₂O₂ para asistir la lixiviación con ácido clorhídrico de los residuos de polvo de pulido de tierras raras puede mejorar significativamente los resultados experimentales.
Seis rutas de proceso para vidrio de cuarzo de alta pureza
El vidrio de cuarzo posee alta pureza, alta transmitancia espectral, bajo coeficiente de expansión térmica y excelente resistencia al choque térmico, la corrosión y la radiación ultravioleta profunda. Se utiliza ampliamente en sectores de fabricación industrial de alta gama, como la óptica, la industria aeroespacial y los semiconductores.
El vidrio de cuarzo se clasifica según su proceso de preparación. Existen dos tipos principales de materias primas para su preparación. El primer tipo es la arena de cuarzo de alta pureza, que se utiliza para la fusión eléctrica y el refinado con gas para preparar vidrio de cuarzo fundido a altas temperaturas superiores a 1800 °C; el segundo tipo son los compuestos que contienen silicio, que se utilizan para preparar vidrio de cuarzo sintético mediante reacciones químicas.
Método de fusión eléctrica
El método de fusión eléctrica consiste en fundir la materia prima de cuarzo en polvo en un crisol mediante calentamiento eléctrico y, posteriormente, formar el vidrio de cuarzo mediante un proceso de vitrificación con enfriamiento rápido. Los principales métodos de calentamiento incluyen la resistencia, el arco eléctrico y la inducción de media frecuencia.
Método de refinado con gas
Industrialmente, el método de refinado con gas es ligeramente posterior al método de fusión eléctrica. Utiliza una llama de hidrógeno y oxígeno para fundir cuarzo natural y acumularlo gradualmente sobre la superficie del cristal de cuarzo. El cristal de cuarzo fundido producido mediante el método de refinación con gas se utiliza principalmente en fuentes de luz eléctrica, la industria de semiconductores, lámparas esféricas de xenón, etc. Inicialmente, los tubos y crisoles de cuarzo transparente de gran calibre se fundían directamente con arena de cuarzo de alta pureza en equipos especiales utilizando una llama de hidrógeno y oxígeno. Actualmente, el método de refinación con gas se utiliza comúnmente para preparar lingotes de cuarzo, que posteriormente se procesan en frío o en caliente para obtener los productos de cristal de cuarzo necesarios.
Método CVD
El principio del método CVD consiste en calentar el SiCl₄ líquido volátil para convertirlo en gas. Posteriormente, se deja que el SiCl₄ gaseoso entre en la llama de hidrógeno y oxígeno formada por la combustión de hidrógeno y oxígeno bajo la acción del gas portador (O₂). Reacciona con vapor de agua a alta temperatura para formar partículas amorfas, se deposita sobre el sustrato de deposición giratorio y finalmente se funde a alta temperatura para formar cristal de cuarzo.
Método PCVD
El proceso PCVD fue propuesto por primera vez por Corning en la década de 1960. Utiliza plasma para reemplazar la llama de hidrógeno-oxígeno como fuente de calor para la preparación de vidrio de cuarzo. La temperatura de la llama de plasma utilizada en el proceso PCVD es mucho más alta que la de las llamas convencionales. Su temperatura central puede alcanzar los 15000 K, con una temperatura promedio de 4000 a 5000 K. El gas de trabajo se puede seleccionar adecuadamente según los requisitos específicos del proceso.
Método CVD de dos pasos
El método CVD tradicional también se denomina método de un solo paso o método directo. Dado que en la reacción interviene vapor de agua, el contenido de hidroxilo en el vidrio de cuarzo preparado mediante el método CVD de un solo paso suele ser alto y difícil de controlar. Para superar esta deficiencia, los ingenieros mejoraron el método CVD de un solo paso y desarrollaron el método CVD de dos pasos, también conocido como método de síntesis indirecta.
Modificación Térmica
El método de modificación térmica primero ablanda el material base de vidrio de cuarzo mediante calentamiento y luego obtiene el producto deseado mediante métodos como el hundimiento y el trefilado. En el horno de modificación térmica, el cuerpo del horno se calienta mediante calentamiento por inducción electromagnética. La corriente alterna que pasa por la bobina de inducción del horno genera un campo electromagnético alterno en el espacio, que actúa sobre el elemento calefactor para generar corriente y calor. A medida que aumenta la temperatura, el material base de vidrio de cuarzo se ablanda, momento en el que se puede formar una varilla/tubo de vidrio de cuarzo mediante el trefilado con un tractor. Ajustando la temperatura en el horno y la velocidad de trefilado, se pueden trefilar varillas/tubos de vidrio de cuarzo de diferentes diámetros. La disposición de las bobinas y la estructura del horno de calentamiento por inducción electromagnética influyen considerablemente en el campo de temperatura del horno. En la producción real, el campo de temperatura del horno debe controlarse estrictamente para garantizar la calidad de los productos de vidrio de cuarzo.
¿Cuáles son los tipos y amplias aplicaciones de la bentonita?
La bentonita se divide principalmente en varios tipos, como bentonita sódica, bentonita cálcica, bentonita hidrogenada y bentonita orgánica, según la diferencia de cationes intercalados.
Bentonita sódica: Presenta excelentes propiedades de hinchamiento, absorción de agua, adhesión y plasticidad, y es el tipo de bentonita más utilizado.
Bentonita cálcica: Comparada con la bentonita sódica, presenta un hinchamiento y adhesión ligeramente menores, pero su precio es más económico y resulta adecuada para aplicaciones con bajos requisitos de rendimiento.
Bentonita hidrogenada: Posee propiedades químicas especiales y puede exhibir propiedades únicas en ciertas condiciones específicas, como la estabilidad a altas temperaturas.
Bentonita orgánica: Mediante modificación orgánica, presenta mejor dispersabilidad, suspensión y estabilidad, y es adecuada para aplicaciones de alta gama.
Amplia aplicación de la bentonita
La versatilidad de la bentonita la convierte en un producto clave en diferentes campos, y su amplia gama de aplicaciones es sorprendente.
Sector de la construcción: La bentonita se utiliza ampliamente en la producción de materiales de aislamiento acústico y térmico para edificios, revestimientos impermeabilizantes, materiales para paredes y otros productos, gracias a su excelente expansión y adhesión, lo que contribuye significativamente al desarrollo sostenible de la industria de la construcción.
Sector de la protección ambiental: La bentonita posee una gran capacidad de adsorción y puede adsorber sustancias nocivas como iones de metales pesados y contaminantes orgánicos en el agua. Es un material importante en el ámbito de la protección ambiental. Asimismo, la bentonita se puede utilizar en la construcción de capas antifiltración en vertederos para prevenir eficazmente la fuga de lixiviados.
Sector metalúrgico: La bentonita se utiliza principalmente como material de revestimiento para hornos en la industria metalúrgica. Es resistente a altas temperaturas y a la erosión, y protege el cuerpo del horno de la escoria de alta temperatura.
Sector agrícola: La bentonita mejora la estructura y la fertilidad del suelo. Al añadir bentonita, se puede mejorar la permeabilidad al aire y la retención de agua del suelo, y se puede promover el crecimiento de los cultivos.
Industria de la fundición: La bentonita se utiliza como recubrimiento y adhesivo en la industria de la fundición para mejorar la calidad superficial y la resistencia de las piezas fundidas.
Industria alimentaria: La bentonita se utiliza principalmente para el blanqueo y la purificación en la industria alimentaria, como la decoloración de aceites y grasas, la purificación de soluciones azucaradas, etc.
Perforación petrolera: La bentonita es una materia prima importante para el lodo de perforación petrolera, ya que permite ajustar la viscosidad, la fuerza de corte y la pérdida de agua del lodo, mejorando así la eficiencia de la perforación.
Demanda de equipos para la fabricación de polvo de bentonita
Con la continua expansión de las áreas de aplicación de la bentonita, la demanda de equipos para la fabricación de polvo de bentonita también está en aumento. Al elegir un equipo de molienda, es necesario considerar múltiples factores como el rendimiento del equipo, la capacidad de producción, el consumo de energía y el servicio posventa.
Al elegir polvo mineral para plásticos, tenga en cuenta estos 11 indicadores
Los materiales minerales en polvo más comunes que se utilizan en la industria del plástico incluyen carbonato de calcio (calcio pesado, calcio ligero, nanocalcio), talco, caolín, wollastonita, polvo de brucita, polvo de mica, polvo de barita, sulfato de bario y muchas otras variedades. Para el propósito principal de incrementar el relleno, generalmente se puede utilizar en decenas a cientos de phr. Para el propósito de mejorar el rendimiento y reducir los costos, generalmente se puede utilizar en docenas de piezas.
Las propiedades de los rellenos minerales inorgánicos tienen muchos efectos en los productos plásticos, incluida la composición y las propiedades físicas y químicas, el tamaño y la distribución de las partículas, la forma de las partículas y las propiedades de la superficie, así como la densidad, la dureza, la blancura, etc., que tienen un impacto en el rendimiento y los requisitos de los parámetros del proceso de los plásticos.
1. Características de la forma geométrica
La influencia de las partículas de relleno de diferentes formas geométricas en la resistencia de sus productos plásticos es generalmente fibrosa> en escamas> columnar> cúbica> esférica. Los rellenos en escamas ayudan a mejorar la resistencia mecánica de los productos, pero no son propicios para el procesamiento de moldeo.
2. Tamaño de partícula y características de la superficie
En términos generales, cuanto menor sea el tamaño de partícula de los rellenos minerales inorgánicos no metálicos, mejores serán las propiedades mecánicas de los plásticos cuando se dispersen uniformemente. Sin embargo, al reducir el tamaño de partícula de las partículas de relleno, la tecnología de procesamiento se vuelve más complicada y el costo aumenta en consecuencia.
3. Área de superficie específica
Cuanto mayor sea el área de superficie específica, mejor será la afinidad entre el relleno y la resina, pero más difícil será activar la superficie del relleno y mayor será el costo. Sin embargo, para partículas de relleno del mismo volumen, cuanto más rugosa sea la superficie, mayor será el área de superficie específica.
4. Densidad
Las partículas de diferentes formas tienen diferentes tamaños y distribuciones de partículas. Cuando la masa es la misma, la densidad aparente de partículas con la misma densidad real puede no ser la misma debido a los diferentes volúmenes de apilamiento.
5. Dureza
Una alta dureza puede mejorar la resistencia al desgaste de los productos, pero desgastará el equipo de procesamiento. La gente no quiere que los beneficios de usar rellenos se vean compensados por el desgaste del equipo de procesamiento. Para los rellenos de cierta dureza, la intensidad del desgaste de la superficie metálica del equipo de procesamiento aumenta con el aumento del tamaño de partícula del relleno, y su intensidad de desgaste tiende a ser estable después de un cierto tamaño de partícula.
6. Color
Para evitar cambios obvios en el color de la matriz del material relleno o efectos adversos en la coloración de la matriz, la mayoría de los requisitos de producción requieren que la blancura sea lo más alta posible.
7. Valor de absorción de aceite
El valor de absorción de aceite del relleno afecta la cantidad de plastificante utilizado en el sistema de llenado y la procesabilidad del material. Los rellenos con valores bajos de absorción de aceite tienen una buena procesabilidad del sistema de llenado y son fáciles de mezclar con resinas, lo que puede reducir la cantidad de plastificante utilizado.
8. Propiedades ópticas
Algunos productos pueden utilizar la absorción de luz de los rellenos para aumentar la temperatura, como los invernaderos de plástico agrícola.
9. Propiedades eléctricas
A excepción del grafito, la mayoría de los rellenos minerales inorgánicos son aislantes eléctricos.
10. Composición química
La actividad química, las propiedades superficiales (efectos), las propiedades térmicas, las propiedades ópticas, las propiedades eléctricas, las propiedades magnéticas, etc. de los rellenos minerales inorgánicos dependen en gran medida de la composición química.
11. Efecto termoquímico
Los polímeros son fáciles de quemar, pero la mayoría de los rellenos minerales inorgánicos, debido a su propia incombustibilidad, reducen las sustancias combustibles después de ser añadidos a la matriz polimérica y retrasan la combustión de la matriz. Relleno retardante de llama respetuoso con el medio ambiente.
En resumen, el papel de los rellenos minerales no metálicos inorgánicos en los compuestos poliméricos se puede resumir como aumentar, mejorar y dar nuevas funciones. Sin embargo, debido a que los rellenos minerales no metálicos inorgánicos y los polímeros orgánicos tienen poca compatibilidad, los rellenos minerales no metálicos inorgánicos se modifican para mejorar su compatibilidad con los polímeros orgánicos y evitar la dispersión desigual de la tensión causada por la adición directa.
Características y aplicaciones de tres productos comunes de micropolvo de silicio
El polvo de sílice se obtiene a partir de cuarzo cristalino, cuarzo fundido y otras materias primas mediante molienda, clasificación de precisión, eliminación de impurezas y otros procesos para producir polvo de dióxido de silicio.
1. Clasificación del micropolvo de silicio
Según la morfología de las partículas, se puede dividir en micropolvo de silicio angular y micropolvo de silicio esférico. Según las diferentes materias primas, se puede dividir en micropolvo de silicio cristalino angular y micropolvo de silicio fundido angular. El rendimiento y el precio de los micropolvos de silicio cristalino, fundido y esférico aumentan a su vez.
El micropolvo de silicio cristalino está hecho de bloques de cuarzo natural, arena de cuarzo, etc. como materias primas, y se procesa mediante molienda, clasificación de precisión, eliminación de impurezas y otros procesos.
El micropolvo de silicio fundido está hecho de cuarzo fundido, vidrio y otros materiales como materias primas principales, y se produce mediante molienda, clasificación de precisión y eliminación de impurezas.
El micropolvo de silicio esférico está hecho de micropolvo de silicio angular seleccionado (hecho de bloques de cuarzo/arena de cuarzo, bloques de cuarzo fundido/arena de cuarzo, materiales de vidrio) como materia prima, y se procesa en materiales de polvo de dióxido de silicio esférico mediante el método de llama. Además, también se puede preparar mediante el método de combustión y explosión y el método de fase líquida.
2. Aplicación del micropolvo de silicio
(1) Laminado revestido de cobre
Los laminados revestidos de cobre ordinarios generalmente utilizan micropolvo de silicio angular, que juega principalmente un papel en la reducción de costos. Algunos polvos fundidos tienen un mejor rendimiento. Por ejemplo, los laminados revestidos de cobre con niveles técnicos más altos, como alta frecuencia y alta velocidad, sustratos HDI, etc., generalmente utilizan micropolvo de silicio esférico modificado de alto rendimiento (generalmente con un tamaño de partícula medio de menos de 3 um).
Por ejemplo, el micropolvo de silicio cristalino tiene un proceso simple y un bajo costo, y se utiliza principalmente para laminados revestidos de cobre para uso doméstico con requisitos relativamente bajos de precisión y densidad del producto, velocidad de transmisión de señales, etc.
El micropolvo de silicio fundido tiene un buen rendimiento, un costo moderado, una pérdida dieléctrica baja y un coeficiente de expansión lineal, y se puede utilizar en laminados revestidos de cobre utilizados en teléfonos inteligentes, tabletas, automóviles, comunicaciones de red y equipos industriales.
El micropolvo de silicio esférico tiene excelentes propiedades como buena fluidez, baja tensión, pequeña área de superficie específica y alta densidad de empaquetamiento. Los laminados revestidos de cobre de alta frecuencia y alta velocidad, como las supercomputadoras y las comunicaciones 5G, requieren baja pérdida de transmisión, bajo retraso de transmisión, alta resistencia al calor y alta confiabilidad. El micropolvo de silicio esférico se necesita como un relleno funcional clave, y se requiere que el contenido de impurezas del polvo sea bajo y la tasa de llenado sea alta.
(2) Compuesto de moldeo de epoxi
En general, los compuestos de moldeo de epoxi de gama baja y media utilizan principalmente micropolvo de silicio angular, mientras que los compuestos de moldeo de epoxi de gama alta son principalmente micropolvo de silicio esférico. El micropolvo de silicio esférico es beneficioso para mejorar la fluidez y aumentar la dosis de relleno, reducir el coeficiente de expansión térmica y reducir el desgaste de los equipos y moldes.