Mecanismo de acción de los óxidos de tierras raras en refractarios de magnesia-calcio
Las propiedades de un elemento determinan su rendimiento, y las tierras raras no son la excepción. Su rendimiento está estrechamente relacionado con sus propiedades. Los principales factores que determinan sus propiedades físicas (como la dureza, la estructura cristalina y el punto de fusión) son sus radios atómicos e iónicos. Los metales de tierras raras tienen puntos de fusión altos que aumentan con el número atómico, aunque esta tendencia no es muy constante. Los elementos de tierras raras suelen perder sus electrones orbitales s y d externos, formando un estado de valencia +3, lo que da lugar a óxidos de tierras raras. Este estado de valencia +3 es el estado de oxidación característico de los elementos de tierras raras. Los óxidos de tierras raras tienen puntos de fusión superiores a 2000 °C y son no volátiles. Son semiconductores conductores mixtos con conductividad tanto electrónica como iónica. La conductividad electrónica se refiere a la conducción de electrones y huecos, mientras que la conductividad iónica se refiere al movimiento de iones de oxígeno dentro de las vacantes de oxígeno, esencialmente la conducción de iones de oxígeno.
Además de utilizar tierras raras directamente como componentes de matriz o centros funcionales basados en las propiedades ópticas y magnéticas de los electrones 4f, sus propiedades químicas, como su reactividad química y su amplio radio iónico, también pueden aprovecharse para modificar la microestructura del material, mejorando así su rendimiento. Las cerámicas semiconductoras funcionales dopadas con tierras raras son un ejemplo destacado. La adición de óxidos de tierras raras a materiales refractarios no solo mejora la resistencia y tenacidad inherentes del material, sino que también reduce las temperaturas de sinterización y los costes de producción.
Gracias a su no toxicidad, alta eficiencia y propiedades físicas y químicas únicas, los compuestos de tierras raras se utilizan cada vez más en una amplia gama de aplicaciones, evolucionando desde aplicaciones primarias en metalurgia, ingeniería química y cerámica hasta aplicaciones avanzadas en materiales compuestos de alto rendimiento, como el almacenamiento de hidrógeno y la luminiscencia. La investigación sobre la aplicación de óxidos de tierras raras en materiales cerámicos ha despertado un gran interés. Diversos estudios han demostrado que la adición de óxidos de tierras raras mejora significativamente el rendimiento de los materiales cerámicos, garantizando su calidad y rendimiento en diversas aplicaciones. Además, los óxidos de tierras raras, como fundentes, pueden promover la sinterización, mejorar la microestructura de la cerámica y proporcionar dopaje y modificación.
Los óxidos de tierras raras, como aditivos, mejoran las propiedades de los materiales refractarios, demostrando sus beneficios únicos y significativos al mejorar el rendimiento y otorgar nuevas funciones. La adición de pequeñas cantidades de óxidos de tierras raras aumenta la densidad de los refractarios de magnesia-calcio, mejorando su densidad y resistencia a la corrosión.
Los óxidos de tierras raras se utilizan como aditivos en refractarios de magnesia-calcio para mejorar su sinterabilidad, compacidad, microestructura, composición de la fase cristalina, resistencia a la flexión a temperatura ambiente y tenacidad a la fractura, cumpliendo así con los requisitos de rendimiento del mercado para refractarios de magnesia-calcio. Existen tres mecanismos principales para la adición de óxidos de tierras raras a los materiales refractarios de magnesio-calcio. (1) Los aditivos como fundentes pueden promover la sinterización. La temperatura de sinterización de los materiales refractarios de magnesio-calcio suele ser alta, y existen muchos factores que dificultan la densificación durante el proceso. La adición de óxidos de tierras raras puede solucionar este problema. Debido a las propiedades únicas de estos óxidos, su adición a los materiales refractarios puede modificar su estructura interna, promoviendo así la sinterización. (2) Los óxidos de tierras raras pueden mejorar la microestructura de los materiales refractarios de magnesio-calcio. Esto reduce la velocidad de migración del límite de grano, inhibe el crecimiento del grano y favorece la formación de una estructura densa. (3) Modificación por dopaje de los óxidos de tierras raras. El dopaje de óxidos de tierras raras durante la preparación de materiales refractarios modifica la forma cristalina de la muestra, lo que a su vez modifica su volumen. Este cambio puede mejorar considerablemente su resistencia a la flexión y tenacidad. La investigación sobre la adición de aditivos para mejorar y optimizar las propiedades relevantes de los materiales en el proceso de preparación de refractarios siempre ha atraído la atención del público. La investigación actual se centra en el problema de la dificultad de sinterización y la facilidad de hidratación de las materias primas de arena de magnesia y calcio. Los principales aditivos incluyen ZrO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, óxidos de tierras raras, etc.
Aplicación del sulfato de bario en 10 industrias
El sulfato de bario es un término desconocido para la mayoría de las personas, e incluso quienes no están familiarizados con la química podrían considerarlo una sustancia química peligrosa. Sin embargo, el sulfato de bario es omnipresente en nuestra vida diaria, a menudo presente en productos manufacturados. Por ejemplo, la mayoría de los productos plásticos de nuestros hogares, aires acondicionados, piezas de plástico para automóviles, bolsas de supermercado, pinturas, recubrimientos y vidrio pueden contener sulfato de bario.
Aplicación del sulfato de bario en diez industrias principales
1. Industria petrolera: Polvo de barita de malla 200 y 325 para aditivos de lodos de perforación en yacimientos de petróleo y gas.
2. Industria química: Las plantas de sal de barita utilizan barita como materia prima para producir litopón, sulfato de bario precipitado y carbonato de bario.
3. Industria de pinturas y recubrimientos: La barita se puede utilizar como relleno en pinturas y recubrimientos, reemplazando materias primas más costosas como el sulfato de bario precipitado, el litopón, el dióxido de titanio y la sílice activada. Es adecuada para controlar la viscosidad de la pintura y lograr un color brillante y estable. 4. Industria del plástico: La barita se puede utilizar como relleno en materias primas de plástico ABS, aportando un brillo intenso y mejorando la resistencia, la rigidez y la resistencia al desgaste.
5. Industria del caucho: El polvo de barita con un tamaño de malla inferior a 500 se utiliza ampliamente como relleno en productos de caucho, lo que reduce los costos y mejora la dureza, la resistencia a ácidos y álcalis, y la impermeabilidad. También proporciona un excelente refuerzo para caucho natural y sintético.
6. Industria del papel: El polvo de barita de alta finura se puede utilizar como relleno y como relleno de recubrimiento en pizarras blancas y papel estucado para mejorar la blancura y la cobertura de la superficie. Especificaciones del producto: malla 325, malla 400, malla 600, malla 800, malla 1250, malla 1500, malla 2000, malla 2500, malla 3000, malla 4000, malla 5000, malla 6000.
7. Industria del Cemento
La adición de mineralizadores compuestos de barita y fluorita a la producción de cemento puede aumentar su blancura y resistencia. Se puede utilizar para fabricar cemento de bario, mortero de barita y hormigón de barita, que se puede utilizar en edificios que requieren protección contra rayos X.
8. Industria del Vidrio
Se puede utilizar como desoxidante, clarificador y fundente para aumentar la estabilidad óptica, el brillo y la resistencia del vidrio.
9. Industria de la Construcción
Se puede utilizar como agregado de hormigón, material de pavimentación, para reforzar tuberías enterradas en zonas pantanosas y como sustituto de las láminas de plomo en el blindaje de instalaciones nucleares, centrales atómicas y laboratorios de rayos X, prolongando la vida útil de las superficies de las carreteras.
10. Industria Cerámica
El polvo de barita también se puede utilizar como relleno de alta calidad en la cerámica y otras industrias. Actualmente, el uso de sulfato de bario en la industria cerámica está disminuyendo, mientras que el de polvo de wollastonita está aumentando.
Las aplicaciones en las diez industrias mencionadas son cruciales y esenciales para la subsistencia de las personas. Esto demuestra la importancia y la amplia gama de aplicaciones del sulfato de bario, un polvo mineral inorgánico no metálico.
Ampliamente utilizado en la industria cerámica - Talco negro
El talco negro se compone típicamente de talco, cuarzo, calcita, sepiolita y carbono orgánico, y su color varía del negro al negro grisáceo.
Los principales componentes químicos del talco negro son óxido de magnesio, óxido de silicio, óxido de aluminio, óxido de hierro, óxido de titanio, óxido de sodio y óxido de potasio.
Aplicación del talco negro
(1) Materias primas para la industria cerámica
El rendimiento de procesamiento del talco negro es insuperable con el de otros materiales. La porcelana blanca y la porcelana de hueso cocidas con talco negro también se denominan porcelana de talco o porcelana de magnesio.
(2) Rellenos para productos de caucho
Como relleno para productos de caucho, el talco negro en polvo presenta buena dispersabilidad y ciertas propiedades de refuerzo.
(3) Rellenos para productos plásticos
Los rellenos plásticos utilizan dos tipos de talco negro: talco negro en polvo y talco calcinado.
(4) Rellenos para recubrimientos
Debido a su textura suave, baja abrasividad y buena suspensión y dispersabilidad, el talco se ha comenzado a utilizar en recubrimientos.
(5) Otros
Además de su amplio uso en las industrias mencionadas, el talco negro también se puede emplear como relleno y adsorbente en industrias como la de materias primas para impermeabilización, fertilizantes, pesticidas y productos químicos finos.
Calcinación y blanqueamiento del talco negro
El objetivo principal del procesamiento del talco negro es mejorar su blancura. Su blancura natural es de alrededor del 50 % o incluso inferior, lo que limita su uso generalizado a aplicaciones en industrias como la cerámica y el caucho. Como relleno, el talco debe poseer un alto grado de blancura. Para ampliar sus aplicaciones, se deben tomar las medidas adecuadas para mejorar su blancura. La calcinación, que aumenta su blancura y altera sus propiedades físicas, aumenta su valor añadido.
Actualmente, el principal método para mejorar la blancura del talco negro es la calcinación. El objetivo principal de la calcinación es eliminar el carbono orgánico del talco, logrando una blancura que cumple con los requisitos industriales y amplía sus aplicaciones. Tras la calcinación, la blancura alcanza el 95%, lo que resulta en excelentes propiedades de resistencia al fuego, resistencia al calor, aislamiento, adhesión, adsorción y lubricación. Es adecuado para aplicaciones en la fabricación de papel, cerámica, plásticos, pinturas, recubrimientos, productos farmacéuticos, cosméticos, industria aeroespacial, maquinaria, electrónica, informática y decoración arquitectónica.
Proceso de Calcinación de Talco Negro
La calcinación y la molienda son dos procesos utilizados en el procesamiento ultrafino y de alta blancura del talco negro. Dependiendo del orden en que se realicen, existen dos procesos principales: calcinación seguida de molienda ultrafina y molienda ultrafina seguida de calcinación.
Proceso de Calcinación antes de la molienda
Las ventajas son la simplicidad y los bajos costos de procesamiento. Sin embargo, tras la molienda ultrafina y la clasificación, el producto de talco resultante tiene una blancura de aproximadamente el 85%, inferior a la blancura deseada del 95% después de la calcinación. Proceso de molienda previa a la calcinación
Las ventajas son una mayor uniformidad de blancura tras la calcinación, con una blancura superior al 92 %. Sin embargo, este proceso es propenso a la aglomeración o a la formación de manchas de color blanco rojizo.
Aplicaciones del carburo de silicio
El carburo de silicio posee características importantes como un amplio ancho de banda prohibida, un alto campo eléctrico de ruptura, una alta conductividad térmica y una alta tasa de deriva de saturación electrónica. Cumple con los requisitos de desarrollo científico y tecnológico para escenarios complejos como alta temperatura, alta potencia, alto voltaje y alta frecuencia. Se ha utilizado ampliamente en electrónica de potencia, vehículos de nuevas energías, almacenamiento de energía, fabricación inteligente, energía fotovoltaica, transporte ferroviario y otros campos. Se puede decir que "todo es carburo de silicio".
Aplicaciones del carburo de silicio en vehículos de nuevas energías
En el sector de los vehículos de nuevas energías, la aplicación de la tecnología de carburo de silicio se está convirtiendo en un factor clave para mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos e híbridos. Los dispositivos de carburo de silicio, con su alta conductividad térmica, alta intensidad de campo eléctrico de ruptura y excelentes propiedades mecánicas, mejoran significativamente la eficiencia y la fiabilidad de los sistemas de propulsión eléctrica, los sistemas de carga y los sistemas de gestión energética.
Aplicaciones del carburo de silicio en la conducción inteligente y el internet de los vehículos
En el contexto del rápido desarrollo de la conducción inteligente y el internet de los vehículos, la tecnología del carburo de silicio, con su rendimiento superior, se está incorporando gradualmente a áreas clave como sistemas de sensores, unidades de procesamiento de datos y módulos de comunicación, mejorando significativamente el rendimiento y la fiabilidad del sistema.
Aplicaciones del carburo de silicio en sistemas fotovoltaicos
En los sistemas fotovoltaicos, los componentes principales, como inversores, controladores MPPT y módulos de conversión de almacenamiento de energía, imponen múltiples exigencias a los dispositivos de potencia, como alta eficiencia, resistencia a alta tensión, funcionamiento a alta temperatura y miniaturización. Los dispositivos de silicio tradicionales experimentan una degradación significativa de su eficiencia en entornos de alta tensión y alta temperatura, lo que les impide satisfacer los crecientes requisitos de densidad de potencia de las centrales fotovoltaicas.
Aplicaciones del carburo de silicio en las comunicaciones 5G
En aplicaciones como las comunicaciones inalámbricas y los sistemas de radar, los dispositivos de radiofrecuencia (RF) son el núcleo de la transmisión y el procesamiento de señales, y su rendimiento es crucial para la estabilidad del sistema. Los dispositivos de radiofrecuencia (RF) basados en carburo de silicio semiaislante, gracias a sus amplias propiedades de ancho de banda, ofrecen ventajas como bajas pérdidas, alto ancho de banda y alta densidad de potencia, lo que los convierte en un elemento clave para los sistemas de comunicaciones militares y 5G de próxima generación.
Aplicaciones del carburo de silicio en redes eléctricas
El carburo de silicio puede optimizar significativamente las redes eléctricas al mejorar la eficiencia y la capacidad de transmisión y distribución de energía. Los sustratos de carburo de silicio pueden operar a temperaturas, voltajes y frecuencias más altas, lo que reduce el tamaño y la eficiencia de componentes como convertidores, conmutadores y transformadores, reduciendo así las pérdidas de energía y mejorando la calidad de la energía.
Aplicaciones del carburo de silicio en aeronaves de baja altitud
Las nuevas aeronaves, representadas por los eVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico), se han convertido en un punto focal de la economía global de baja altitud y se espera que se conviertan en una nueva industria de un billón de dólares. Los dispositivos MOSFET de SiC, gracias a sus avances en eficiencia e innovaciones en ligereza, están impulsando los eVTOL desde la fase experimental hasta la operación comercial. Los dispositivos MOSFET de carburo de silicio (SiC) se han convertido en un componente esencial de los sistemas de energía eVTOL, y su rendimiento mejorado y la reducción de costos impulsarán a la industria hacia aplicaciones a gran escala.
Aplicaciones del carburo de silicio en la inteligencia artificial (IA)
La electricidad se está convirtiendo en el último obstáculo que amenaza el avance de la inteligencia artificial (IA). El rápido crecimiento de la potencia computacional de la IA se acompaña de un aumento del consumo de energía, lo que impacta significativamente la demanda energética social. Si tomamos como ejemplo los centros de datos de EE. UU., para 2030 podrían consumir hasta el 9 % de la generación eléctrica del país, aproximadamente el equivalente a la producción anual de 40 centrales nucleares de tamaño mediano.
Con un consumo de electricidad tan grande, incluso una reducción del 0,1 % en el consumo de energía es un factor significativo. Para ayudar a abordar esta apremiante escasez de electricidad, el ecosistema industrial global está explorando activamente todas las opciones posibles. Por ejemplo, ON Semiconductor ha desarrollado una nueva serie de MOSFET de potencia de trinchera de silicio y MOSFET de SiC.
Aplicación del carburo de silicio en la industria robótica
Los robots y los vehículos de nuevas energías comparten un alto grado de similitud en su arquitectura técnica. Los chips automotrices pueden transferirse a aplicaciones robóticas, pero deben adaptarse a diferentes requisitos de rendimiento. Por ejemplo, los semiconductores de potencia, además de los sistemas automotrices, también tienen capacidades técnicas aplicables a los controladores de accionamiento de motores para articulaciones robóticas. La demanda de un control de potencia eficiente en este mercado emergente de la robótica está creciendo rápidamente.
Alúmina, el "salvador" de los materiales para baterías catódicas
La estructura básica de las baterías de iones de litio comprende el electrodo positivo, el electrodo negativo, el electrolito, el separador y la carcasa. El material del electrodo positivo es el núcleo de las baterías de iones de litio y determina su densidad energética, voltaje, ciclo de vida y seguridad.
Actualmente, si bien el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), el óxido de litio y manganeso (LiMn₂O₄), el fosfato de litio y hierro (LiFePO₄) y los materiales ternarios (Li-Ni-Co-Mn-O₄) son cuatro materiales comercializados para electrodos positivos de baterías de iones de litio, presentan ciertas deficiencias en cuanto a seguridad, rendimiento del ciclo, retención de capacidad y otros aspectos. Para mejorar la estabilidad de los materiales de los electrodos positivos, los investigadores utilizan diferentes métodos de modificación, como el dopaje y el recubrimiento superficial, y dos métodos comunes.
¿Cómo mejora la alúmina el rendimiento del electrodo positivo?
El recubrimiento de alúmina sobre materiales de electrodos positivos puede mejorar eficazmente la estabilidad del ciclo, el ciclo de vida y la estabilidad térmica de dichos materiales. Los principales efectos del Al₂O₃ en los materiales de los electrodos positivos son:
(1) Eliminación de fluoruro de hidrógeno (HF)
El LiPF₆ es un electrolito de uso común en electrolitos. A alta tensión, el hexafluorofosfato de litio (LiPF₆) reacciona con trazas de agua para generar HF.
(2) Barrera de protección física
Recubrir con una capa de Al₂O₃ la superficie del material del electrodo positivo puede aislarlo del electrolito e inhibir la aparición de reacciones secundarias perjudiciales entre este y el electrolito.
(3) Mejora de la estabilidad térmica de los materiales de los electrodos positivos
La estabilidad térmica es uno de los factores clave para evaluar el rendimiento de las baterías de iones de litio. Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de litio, la liberación de oxígeno reticular en el material del electrodo positivo provoca la oxidación del electrolito, lo que reduce su estabilidad térmica.
(4) Mejora de la velocidad de difusión de los iones de litio
Aunque el óxido de aluminio no es un buen conductor de electrones e iones, puede reaccionar con el litio residual en la superficie del material del electrodo positivo durante el proceso de carga y descarga para generar LiAlO₂, que es un buen conductor de iones y puede aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio. Esto se debe principalmente a que el LiAlO₂ reduce la barrera energética de difusión de los iones de litio.
(5) Reacción con LiPF₆ para generar el aditivo electrolítico LiPO₂F₆
El óxido de aluminio que recubre la superficie del material del electrodo positivo puede reaccionar con la sal de litio (LiPF₆) del electrolito para generar difluorofosfato de litio (LiPO₂F₆), un aditivo electrolítico estable que puede mejorar significativamente la estabilidad del ciclo, la seguridad y el rendimiento del material del electrodo positivo.
(6) Inhibición del efecto Jahn-Teller
El efecto Jahn-Teller es la principal causa de la disolución de iones de Mn en el material del electrodo positivo, lo que puede provocar el colapso de su estructura y dificultar la difusión de iones de litio, lo que reduce su rendimiento electroquímico.
Cinco tecnologías principales de recubrimiento
Método de impregnación: Añadir el material del electrodo positivo a la solución o sol que contiene el precursor de aluminio para formar una suspensión uniforme. Posteriormente, secar y calcinar para formar un material de electrodo positivo recubierto de alúmina.
Método de precipitación: Mezclar uniformemente el material del electrodo positivo con una solución como nitrato de aluminio o cloruro de aluminio. Ajustar el pH de la solución para formar una capa de recubrimiento sobre la superficie del material del electrodo positivo y, finalmente, generar un material de electrodo positivo recubierto de alúmina mediante filtración, lavado, secado y tratamiento térmico.
Proceso de recubrimiento en seco: La alúmina y los materiales del electrodo positivo se pueden mezclar directamente para formar una capa de recubrimiento rugosa sobre la superficie del material del electrodo positivo. Aunque no se puede lograr un recubrimiento uniforme sobre la superficie del material del electrodo positivo, este tiene un efecto positivo en la mejora del rendimiento electroquímico de dicho material.
Método de pulverización catódica: Este método utiliza iones Ar+ para bombardear el material objetivo (Al), de modo que los átomos de Al se pulverizan y se depositan sobre la superficie del material del electrodo positivo.
Tecnología de deposición de capas atómicas (ALD): Utilizando trimetilaluminio y otros materiales como fuente de aluminio, se recubre la superficie del material del electrodo positivo con óxido de aluminio. El espesor se puede controlar con precisión, y el aumento del espesor del recubrimiento se logra incrementando el número de ciclos de ALD.
La calidad de las piezas metálicas impresas en 3D depende del polvo.
Como materia prima, la calidad del polvo metálico determina en gran medida la calidad del producto final. En general, la limpieza, la morfología y la distribución granulométrica del polvo son factores clave que limitan el rendimiento del conformado de las piezas.
La morfología del polvo afecta directamente la densidad aparente y la fluidez, lo que a su vez afecta el proceso de alimentación y distribución del polvo, así como el rendimiento final de las piezas. En la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo, el mecanismo de distribución del polvo distribuye las partículas de manera uniforme en el área de conformado, y una buena fluidez es clave para obtener un lecho de polvo uniforme y plano. Los polvos esféricos y casi esféricos presentan buena fluidez, alta densidad aparente, alta densidad y estructura uniforme, y son la materia prima preferida para la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo.
Sin embargo, si los polvos esféricos y casi esféricos contienen polvo hueco y polvo satélite, el rendimiento final de las piezas se verá reducido. El polvo hueco representa una mayor proporción en polvos con un tamaño de partícula superior a 70 µm, lo que provoca defectos como poros difíciles de eliminar en las piezas conformadas. El polvo satélite reduce su fluidez y dificulta su acumulación uniforme durante la distribución de capas continuas, causando defectos en las piezas. Por lo tanto, los polvos metálicos para la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo deben minimizar la proporción de polvo hueco y polvo satélite en las materias primas.
La distribución del tamaño de partícula del polvo se utiliza para caracterizar la composición y los cambios de partículas con diferentes tamaños en el sistema de partículas de polvo, y es un parámetro importante para describir las características de las partículas de polvo.
El tamaño de partícula del polvo afecta directamente la calidad de distribución, la velocidad y la precisión del conformado, y la uniformidad organizativa del proceso de fabricación aditiva. El tamaño de partícula seleccionado varía según el proceso. En general, la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM) selecciona polvos con un tamaño de partícula de 15 a 45 µm, mientras que la tecnología de fusión selectiva por haz de electrones (SEBM) selecciona polvos con un tamaño de partícula de 45 a 106 µm.
Desde la perspectiva termodinámica y cinética, cuanto más pequeñas sean las partículas de polvo, mayor será su área superficial específica y mayor será la fuerza impulsora de sinterización. Es decir, las partículas de polvo pequeñas favorecen el conformado de piezas. Sin embargo, los polvos con partículas demasiado finas reducirán su fluidez, densidad y conductividad eléctrica, y su conformabilidad se deteriorará, además de ser propensos a la esferoidización durante el proceso de impresión. Un tamaño de partícula demasiado grueso reducirá la actividad de sinterización, la uniformidad de la distribución y la precisión del conformado.
Por lo tanto, según los requisitos de rendimiento de las piezas finales, la combinación de polvos gruesos y finos mejora la densidad aparente y la fluidez, lo que favorece la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo. Los investigadores consideran que, dentro del rango general de tamaño de partícula del proceso de fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo láser, una distribución más amplia del tamaño de partícula puede aumentar la capacidad de relleno de partículas pequeñas en los espacios entre partículas grandes y mejorar la densidad del lecho de polvo durante el proceso de aplicación.
Según el estado actual de la investigación sobre la influencia de los cambios en las características del polvo en la calidad del conformado, los cambios en el tamaño, la morfología y el estado de la superficie del polvo afectan su dispersión y calidad de conformado. En cuanto a la densidad de conformado, una distribución adecuada del tamaño de partícula, una mayor esfericidad y una menor cohesión entre las partículas pueden mejorar la densidad de holgura y la calidad de la dispersión del polvo, reducir aún más el número de poros y defectos no fusionados en la muestra de conformado y mejorar la densidad de conformado.
Modificación: haciendo que la nanoalúmina sea más perfecta
La nanoalúmina es un nuevo tipo de material inorgánico fino de alta funcionalidad. Desde la producción del polvo de nanoalúmina a mediados de la década de 1980, se ha profundizado en el conocimiento de este material de alta tecnología y se han descubierto muchas de sus características, como alta dureza, alta resistencia, resistencia al calor, resistencia a la corrosión y otras excelentes características. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, la defensa nacional, la industria química, la microelectrónica y otros campos.
En la aplicación práctica de la nanoalúmina, la modificación del polvo siempre ha sido un trabajo muy importante.
¿Por qué se modifica?
En primer lugar, al ser un nanomaterial con múltiples características, la nanoalúmina es muy fácil de aglomerar debido a su tamaño de partícula extremadamente pequeño y su gran energía superficial. Si el fenómeno de aglomeración es particularmente grave, tendrá un gran impacto en las características de la nanoalúmina.
Además, la nanoalúmina puede utilizarse como biopelícula para la investigación médica de fármacos biológicos, pero la carga superficial del cristal, con carga superficial equilibrada, se distribuye de forma desigual debido a la presencia de defectos reticulares. La acumulación de defectos de carga superficial y áreas de carga espacial a nivel micrométrico genera un momento dipolar reticular. Cuando los materiales biológicos entran en contacto con la superficie de estos polvos, se produce un enriquecimiento, lo que provoca el bloqueo de los poros y la contaminación de la membrana.
Además, el aislamiento y la alta resistencia de la alúmina se utilizan como relleno en materiales como recubrimientos y caucho para mejorar la dureza, el aislamiento, la ductilidad y la resistencia al desgaste de los materiales. Sin embargo, la alúmina es una sustancia polar y presenta poca compatibilidad con materiales poliméricos apolares.
Por lo tanto, la modificación superficial de la alúmina ha atraído mucha atención.
La modificación superficial se refiere al tratamiento superficial de partículas sólidas mediante métodos físicos o químicos, es decir, al proceso de modificar deliberadamente las propiedades físicas y químicas y la morfología superficial de la partícula según las necesidades de la aplicación. Actualmente, existen dos métodos de modificación más prácticos. El primer método se denomina modificación orgánica superficial, ya que utiliza principalmente modificadores orgánicos. El segundo método es la modificación del recubrimiento inorgánico o modificación del recubrimiento superficial.
Modificación orgánica superficial
El objetivo de la modificación orgánica superficial de partículas de polvo ultrafino es hidrofobicizar su superficie mediante la unión de los grupos orgánicos correspondientes, mejorando así su rendimiento de dispersión y la compatibilidad interfacial en matrices orgánicas como resinas, cauchos y pinturas, optimizando así el proceso de procesamiento del producto y las propiedades mecánicas integrales de los materiales compuestos. Según su estructura química, los modificadores se dividen en ácidos grasos superiores o sus sales, ácidos grasos inferiores y agentes de acoplamiento.
(1) Modificación física del recubrimiento
La modificación física del recubrimiento o modificación del tratamiento de recubrimiento es un método que utiliza materia orgánica (siempre que se trate de un polímero, resina, surfactante, compuesto polimérico soluble en agua o aceite, jabón de ácido graso, etc.) para recubrir la superficie de las partículas y lograr el objetivo de la modificación. Se trata de un proceso para modificar simplemente la superficie de las partículas.
(2) Modificación química de la superficie
La modificación química de la superficie se logra mediante una reacción química o adsorción química entre el modificador de superficie y la superficie de la partícula. Es el método de modificación más utilizado en la producción.
(3) Modificación por injerto
La modificación por injerto es un proceso de modificación en el que se introducen olefinas monoméricas o poliolefinas en la superficie del polvo bajo ciertas condiciones de excitación externa. En ocasiones, es necesario excitar la olefina monomérica después de la introducción para polimerizarla.
Modificación del recubrimiento de la superficie
La modificación del recubrimiento de la superficie se refiere a la tecnología de modificación que consiste en recubrir uniformemente la superficie de partículas ultrafinas de polvo de alúmina con partículas sólidas más pequeñas o películas sólidas, modificando así la composición, estructura, apariencia y función original de la superficie.
Según el entorno y la forma de la reacción de recubrimiento, la naturaleza y el método del recubrimiento modificado entre partículas, los métodos de modificación del recubrimiento de la superficie se pueden dividir en método de precipitación química, método de recubrimiento por hidrólisis, método sol-gel, método de evaporación del disolvente, método mecanoquímico y método en fase gaseosa. Entre ellos, los tres primeros métodos son todos métodos de reacción en solución, es decir, la solución de sal soluble se precipita mediante agentes precipitantes e hidrólisis y luego se recubre sobre la superficie del polvo de partículas que se va a modificar.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar un excelente relleno de sulfato de bario en la modificación del nailon?
El sulfato de bario, también conocido como barita, es un compuesto inorgánico incoloro, inodoro y no tóxico, con la fórmula química BaSO₄. Es conocido por su alta densidad, alta blancura, buena estabilidad química y resistencia a ácidos y álcalis, además de ser insoluble en agua y la mayoría de los ácidos. Estas características hacen que el sulfato de bario se utilice ampliamente en diversos sectores industriales, especialmente en la modificación de plásticos, en particular en la modificación del nailon (PA), donde presenta ventajas únicas.
El nailon, como material polimérico con excelentes propiedades mecánicas, resistencia al desgaste, resistencia a ácidos y álcalis y autolubricación, se utiliza ampliamente en diversos sectores industriales. Sin embargo, sus desventajas, como la alta absorción de agua y la baja estabilidad dimensional, limitan su campo de aplicación. Por lo tanto, es especialmente importante modificar el nailon para mejorar su rendimiento. Como relleno neutro, el sulfato de bario desempeña múltiples funciones en la modificación del nailon, como el fortalecimiento, la tenacidad y la mejora del brillo.
Efecto de refuerzo
Como relleno inorgánico, la adición de sulfato de bario puede mejorar significativamente la rigidez (módulo) y la dureza del nailon, y es adecuado para piezas industriales que requieren un alto módulo (como engranajes y rodamientos). Resultados experimentales relevantes muestran que, al aumentar el contenido de nanosulfato de bario, se mejoran el módulo de flexión y el módulo de tracción del nailon. En particular, cuando la fracción másica de nanosulfato de bario alcanza un valor determinado (por ejemplo, el 3%), las propiedades mecánicas del nailon alcanzan su máximo potencial. Este efecto de refuerzo se debe principalmente a la rigidez del sulfato de bario y a su buena unión en la interfaz con la matriz del nailon.
Estabilidad dimensional: reduce la contracción y la deformación del nailon durante el procesamiento o el uso, y mejora la precisión dimensional.
Temperatura de deformación térmica (HDT): al limitar el movimiento de las cadenas de polímero, mejora la estabilidad térmica de los materiales y amplía la aplicación del nailon en entornos de alta temperatura (como piezas de motores de automóviles).
Efecto de endurecimiento
Además del efecto de refuerzo, el sulfato de bario también puede tener un efecto de endurecimiento sobre el nailon. La interacción entre las nanopartículas de sulfato de bario y la matriz de nailon forma una capa de transición elástica que transmite y relaja eficazmente la tensión en la interfaz, absorbiendo y dispersando así la energía del impacto externo y mejorando la tenacidad del material. Sin embargo, cabe destacar que cuando el contenido de sulfato de bario aumenta hasta cierto punto, el rendimiento del material se reduce debido a la aglomeración.
Brillo mejorado
El sulfato de bario posee una gran capacidad de reflexión de la luz en los rangos de longitud de onda ultravioleta e infrarroja, lo que le permite mostrar un alto brillo en fórmulas de coloración de plásticos. Al seleccionar sulfato de bario del tamaño de partícula adecuado para el relleno de nailon, el brillo superficial de los productos procesados puede mejorar significativamente. Además, el índice de refracción del sulfato de bario es similar al de polímeros como el nailon, por lo que conserva el brillo y el tono del pigmento colorante.
Aplicación práctica
En aplicaciones prácticas, el sulfato de bario se suele dispersar uniformemente en la matriz de nailon en forma de nanómetros mediante mezcla en estado fundido. Este método aprovecha el efecto del tamaño, la gran superficie específica y la elevada fuerza interfacial del nanosulfato de bario, combinando a la perfección la rigidez, la estabilidad dimensional y la estabilidad térmica del sulfato de bario con la tenacidad, la procesabilidad y las propiedades dieléctricas del nailon, obteniendo así un excelente rendimiento integral.
El sulfato de bario ha demostrado una mejora significativa en la dureza y el brillo de la modificación del nailon. Mediante un control racional del contenido y la distribución del tamaño de partícula del sulfato de bario, es posible optimizar las propiedades mecánicas del nailon, mejorar la durabilidad y la estética del producto, equilibrar el rendimiento y el coste, optimizar el diseño de fórmulas para escenarios específicos y, por lo tanto, ampliar el rango de aplicación del nailon.
¿A qué debemos prestar atención al preparar monocristales de carburo de silicio de alta calidad?
Los métodos actuales para la preparación de monocristales de carburo de silicio incluyen principalmente: transporte físico de vapor (PVT), crecimiento de la solución de siembra superior (TSSG) y deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD).
Entre ellos, el método PVT ofrece las ventajas de un equipo sencillo, un control de operación fácil, un bajo precio y un bajo costo operativo, y se ha convertido en el principal método utilizado en la producción industrial.
1. Tecnología de dopaje de polvo de carburo de silicio
La dopación de una cantidad adecuada de Ce en polvo de carburo de silicio permite lograr un crecimiento estable del monocristal de 4H-SiC. La práctica ha demostrado que la dopación de Ce en polvo puede aumentar la velocidad de crecimiento de los cristales de carburo de silicio y acelerar su crecimiento; permite controlar la orientación del carburo de silicio, haciendo que la dirección de crecimiento del cristal sea más uniforme y regular; inhibe la generación de impurezas en el cristal, reduce la generación de defectos y facilita la obtención de cristales monocristalinos de alta calidad; inhibe la corrosión de la parte posterior del cristal y aumenta la velocidad de crecimiento del monocristal.
2. Tecnología de control de gradiente de temperatura axial y radial
El gradiente de temperatura axial afecta principalmente la forma y la eficiencia del crecimiento cristalino. Un gradiente de temperatura demasiado bajo provocará la aparición de impurezas durante el proceso de crecimiento cristalino y afectará la velocidad de transporte de sustancias en fase gaseosa, lo que resultará en una disminución de la velocidad de crecimiento cristalino. Los gradientes de temperatura axial y radial adecuados favorecen el rápido crecimiento de los cristales de SiC y mantienen la estabilidad de su calidad.
3. Tecnología de control de dislocación del plano basal (BPD)
La principal causa de la formación de defectos BPD es que la tensión de corte en el cristal supera la tensión de corte crítica del cristal de SiC, lo que provoca la activación del sistema de deslizamiento. Dado que la BPD es perpendicular a la dirección de crecimiento cristalino, se genera principalmente durante el proceso de crecimiento cristalino y su posterior enfriamiento.
4. Tecnología de control del ajuste de la relación de componentes en fase gaseosa
En el proceso de crecimiento cristalino, aumentar la relación carbono-silicio entre los componentes en fase gaseosa en el entorno de crecimiento es una medida eficaz para lograr un crecimiento estable de un monocristal. Dado que una alta relación carbono-silicio puede reducir la agregación escalonada y mantener la herencia de la información de crecimiento en la superficie del cristal semilla, puede inhibir la generación de polimorfos.
5. Tecnología de control de baja tensión
Durante el proceso de crecimiento cristalino, la presencia de tensión provocará la curvatura del plano cristalino interno del cristal de SiC, lo que resultará en una mala calidad del cristal o incluso su agrietamiento. Una tensión elevada provocará un aumento de la dislocación del plano basal de la oblea. Estos defectos penetrarán en la capa epitaxial durante el proceso y afectarán gravemente el rendimiento del dispositivo.
De cara al futuro, la tecnología de preparación de monocristales de SiC de alta calidad se desarrollará en varias direcciones:
Gran tamaño
La preparación de monocristales de carburo de silicio de gran tamaño puede mejorar la eficiencia de la producción y reducir los costos, a la vez que satisface las necesidades de los dispositivos de alta potencia.
Alta calidad
Los monocristales de carburo de silicio de alta calidad son la clave para lograr dispositivos de alto rendimiento. Actualmente, aunque la calidad de los monocristales de carburo de silicio ha mejorado considerablemente, aún presentan algunos defectos, como microtubos, dislocaciones e impurezas. Estos defectos afectan el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo.
Bajo coste
El coste de preparación de los monocristales de carburo de silicio es elevado, lo que limita su aplicación en algunos campos. Este coste se puede reducir optimizando el proceso de crecimiento, mejorando la eficiencia de la producción y reduciendo los costes de las materias primas.
Inteligencia
Con el desarrollo de tecnologías como la inteligencia artificial y el big data, la tecnología de crecimiento de cristales de carburo de silicio se volverá gradualmente inteligente. El proceso de crecimiento se puede monitorizar y controlar en tiempo real mediante sensores, sistemas de control automático y otros equipos para mejorar la estabilidad y la controlabilidad del proceso. Al mismo tiempo, se pueden utilizar el análisis de big data y otras tecnologías para analizar y optimizar los datos de crecimiento y mejorar la calidad y la eficiencia de la producción de los cristales.
La tecnología de preparación de monocristales de carburo de silicio de alta calidad es uno de los puntos clave en la investigación actual de materiales semiconductores. Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, la tecnología de crecimiento de cristales de carburo de silicio continuará desarrollándose y mejorando, proporcionando una base más sólida para la aplicación del carburo de silicio en alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y otros campos.
¿Cómo equilibrar la resistencia y el costo del talco en la modificación de plásticos?
En la industria actual del plástico, los plásticos modificados han atraído mucha atención por su excelente rendimiento y sus amplios campos de aplicación. El talco, como importante relleno mineral inorgánico, desempeña un papel vital en la modificación de plásticos.
El talco no solo puede mejorar eficazmente las propiedades físicas de los productos plásticos, sino también reducir sus costos de producción en cierta medida. Sin embargo, controlar razonablemente los costos y garantizar la resistencia se ha convertido en un tema importante en la modificación de plásticos. Cuando se utiliza talco en la modificación de plásticos, ¿cómo se puede equilibrar la relación entre el módulo de flexión, la resistencia al impacto, etc., y el costo ajustando la cantidad de talco añadido y sus características?
El talco es un mineral de silicato de magnesio natural con una estructura escamosa. En la modificación de plásticos, el talco puede mejorar significativamente la rigidez, la dureza superficial, la resistencia a la fluencia térmica, el aislamiento eléctrico y la estabilidad dimensional de los productos plásticos. Al mismo tiempo, también puede aumentar la resistencia al impacto de los plásticos y mejorar la fluidez y las propiedades de procesamiento. Este efecto de refuerzo se debe principalmente a la estructura microescamosa del talco, que puede formar puntos de reticulación física eficaces en la matriz plástica, mejorando así su rendimiento general.
El módulo de flexión es un indicador importante para medir la capacidad de los plásticos para resistir la deformación por flexión. Añadir talco a los plásticos puede mejorar significativamente dicho módulo. Esto se debe a que la estructura rígida del talco mejora la capacidad de soporte estructural de los plásticos, reduciéndolos a la flexión y deformación al ser sometidos a fuerzas externas. Sin embargo, cabe destacar que a medida que aumenta la cantidad de talco añadido, también aumenta la viscosidad del sistema, lo que puede afectar el rendimiento del procesamiento del plástico. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es necesario considerar exhaustivamente la mejora del módulo de flexión y el equilibrio del rendimiento del procesamiento.
La resistencia al impacto es un indicador importante para medir la capacidad de los plásticos para resistir cargas de impacto. Añadir una cantidad adecuada de talco a los plásticos puede mejorar la resistencia al impacto hasta cierto punto. Sin embargo, una cantidad excesiva de talco añadido puede provocar una disminución de la fuerza de unión gravitacional entre las moléculas del plástico, lo que afecta a la resistencia al impacto. Por lo tanto, al buscar una alta resistencia, es necesario controlar razonablemente la cantidad de talco añadido para evitar un impacto negativo en la resistencia al impacto.
En la modificación de plásticos, la clave para equilibrar la resistencia y el coste reside en la selección adecuada de las variedades de talco, el tamaño de partícula y la cantidad añadida. A continuación, se presentan algunas estrategias específicas:
1. Elegir talco de alta calidad
El talco de alta calidad presenta una mayor pureza y una estructura de escamas más completa, lo que puede mejorar eficazmente el rendimiento de los plásticos. Aunque el precio del talco de alta calidad es relativamente alto, la mejora del rendimiento que aporta a menudo puede compensar el aumento del coste e incluso aportar un mayor valor añadido.
2. Optimizar la distribución del tamaño de partícula del talco
Una distribución adecuada del tamaño de partícula puede mejorar la uniformidad de la dispersión del talco en la matriz plástica, desempeñando así un papel de refuerzo más eficaz. Al mismo tiempo, una distribución adecuada del tamaño de partícula también puede reducir la viscosidad del sistema y mejorar el rendimiento del procesamiento.
3. Control preciso de la cantidad añadida
Un control preciso de la cantidad añadida de talco permite garantizar la resistencia, evitando impactos negativos en propiedades como la resistencia al impacto. Además, una cantidad añadida razonable puede reducir los costos de producción y mejorar los beneficios económicos.
4. Uso de talco modificado
El talco modificado presenta una mayor afinidad interfacial y una mejor dispersabilidad, lo que mejora el rendimiento de los plásticos. Si bien el precio del talco modificado es relativamente alto, la mejora del rendimiento y del procesamiento que aporta a menudo compensa el aumento del costo.