کیفیت قطعات فلزی چاپ سه بعدی شده به پودر بستگی دارد
کیفیت پودر فلز به عنوان ماده اولیه، کیفیت محصول نهایی را تا حد زیادی تعیین می‌کند. به طور کلی، تمیزی، مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات پودر از عوامل کلیدی محدود کننده عملکرد شکل‌دهی قطعات هستند.
مورفولوژی پودر مستقیماً بر چگالی و سیالیت حجمی تأثیر می‌گذارد که به نوبه خود بر فرآیند تغذیه و پخش پودر و عملکرد نهایی قطعات تأثیر می‌گذارد. در تولید افزودنی ذوب بستر پودر، مکانیسم پخش پودر، ذرات پودر را به طور یکنواخت در ناحیه شکل‌دهی پخش می‌کند و سیالیت خوب کلید دستیابی به یک بستر پودر یکنواخت و صاف است. پودرهای کروی و نزدیک به کروی دارای سیالیت خوب، چگالی حجمی بالا، چگالی بالا و ساختار یکنواخت هستند و پودرهای مواد اولیه ترجیحی برای تولید افزودنی ذوب بستر پودر هستند.
با این حال، اگر پودر توخالی و پودر ماهواره‌ای در پودرهای کروی و نزدیک به کروی وجود داشته باشد، عملکرد نهایی قطعات کاهش می‌یابد. پودر توخالی سهم بیشتری در پودرهایی با اندازه ذرات بزرگتر از 70 میکرومتر دارد که باعث ایجاد نقص‌هایی مانند منافذ در قطعات شکل‌دهی شده می‌شود که رفع آنها دشوار است. پودر ماهواره‌ای سیالیت پودر را کاهش داده و مانع تجمع یکنواخت پودر در طول پخش لایه‌های پودر پیوسته می‌شود و در نتیجه باعث ایجاد نقص در قطعه می‌شود. بنابراین، پودرهای فلزی برای تولید افزودنی همجوشی بستر پودر باید نسبت پودر توخالی و پودر ماهواره‌ای را در مواد اولیه پودر به حداقل برسانند.
توزیع اندازه ذرات پودر برای توصیف ترکیب و تغییرات ذرات با اندازه ذرات مختلف در سیستم ذرات پودر استفاده می‌شود و پارامتر مهمی است که برای توصیف ویژگی‌های ذرات پودر استفاده می‌شود.
اندازه ذرات پودر مستقیماً بر کیفیت پخش پودر، سرعت شکل‌دهی، دقت شکل‌دهی و یکنواختی سازمانی فرآیند تولید افزودنی تأثیر می‌گذارد. برای فرآیندهای مختلف، اندازه ذرات پودر انتخاب شده متفاوت است. به طور کلی، فناوری ذوب انتخابی لیزری (SLM) پودرهایی با اندازه ذرات 15 تا 45 میکرومتر و فناوری ذوب انتخابی پرتو الکترونی (SEBM) پودرهایی با اندازه ذرات 45 تا 106 میکرومتر را انتخاب می‌کند.
از دیدگاه ترمودینامیک و سینتیک، هرچه ذرات پودر کوچکتر باشند، مساحت سطح ویژه آنها بزرگتر و نیروی محرکه تف‌جوشی آنها بیشتر است، یعنی ذرات کوچک پودر برای شکل‌دهی قطعات مناسب‌ترند. با این حال، پودرهایی با ذرات خیلی ریز منجر به کاهش سیالیت، چگالی سست و رسانایی الکتریکی پودر می‌شوند و شکل‌پذیری پودر کاهش می‌یابد و کروی شدن در طول فرآیند چاپ مستعد رخ دادن است. اندازه ذرات خیلی درشت پودر، فعالیت تف‌جوشی پودر، یکنواختی پخش پودر و دقت شکل‌دهی را کاهش می‌دهد.
بنابراین، با توجه به الزامات عملکرد قطعات نهایی، پودرهای درشت و ریز به درستی با هم تطبیق داده می‌شوند تا چگالی حجمی و سیالیت پودرها بهبود یابد، که برای تولید افزودنی ذوب بستر پودر مناسب است. محققان معتقدند که در محدوده کلی اندازه ذرات فرآیند تولید افزودنی ذوب بستر پودر لیزری، استفاده از توزیع گسترده‌تر اندازه ذرات می‌تواند پر شدن ذرات کوچک را در شکاف‌های بین ذرات بزرگ افزایش داده و چگالی بستر پودر را در طول فرآیند لایه‌گذاری پودر بهبود بخشد.
از وضعیت تحقیقات فعلی در مورد تأثیر تغییرات ویژگی‌های پودر بر کیفیت شکل‌دهی، تغییرات در اندازه پودر، مورفولوژی و حالت سطح بر پخش پودر و کیفیت شکل‌دهی پودر تأثیر می‌گذارد. از نظر چگالی شکل‌دهی، توزیع معقول اندازه ذرات، کروی بودن بالاتر و کاهش چسبندگی بین ذرات می‌تواند چگالی سست و کیفیت پخش پودر پودر را بهبود بخشد، تعداد منافذ و عیوب ذوب نشده در نمونه شکل‌دهی را بیشتر کاهش دهد و چگالی شکل‌دهی را بهبود بخشد.
اصلاح - کامل‌تر کردن نانوآلومینا
نانوآلومینا نوع جدیدی از مواد معدنی ریز با عملکرد بالا است. از زمان تولید پودر نانوآلومینا در اواسط دهه 1980، مردم درک خود را از این ماده پیشرفته عمیق‌تر کرده‌اند و بسیاری از ویژگی‌های آن، مانند سختی بالا، استحکام بالا، مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر خوردگی و سایر ویژگی‌های عالی را کشف کرده‌اند. بنابراین، به طور گسترده در هوافضا، دفاع ملی، صنایع شیمیایی، میکروالکترونیک و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در کاربرد عملی نانوآلومینا، اصلاح پودر همیشه یک کار بسیار مهم بوده است.
چرا اصلاح می‌شود؟
اول از همه، نانوآلومینا به عنوان یک نانوماده با ویژگی‌های بسیار زیاد، به دلیل اندازه ذرات بسیار کوچک و انرژی سطحی بالا، به راحتی تجمع می‌یابد. اگر پدیده تجمع به طور خاص جدی باشد، تأثیر زیادی بر ویژگی‌های نانوماده آلومینا خواهد داشت.
علاوه بر این، نانوآلومینا می‌تواند به عنوان یک بیوفیلم برای تحقیقات پزشکی روی داروهای بیولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد، اما بار سطحی کریستال با بار سطحی متعادل به دلیل وجود نقص‌های شبکه‌ای به طور ناهموار توزیع می‌شود. تجمع نقص‌های بار سطحی و نواحی بار فضایی در سطح میکرون منجر به یک گشتاور دوقطبی شبکه‌ای می‌شود. هنگامی که مواد بیولوژیکی با سطح چنین پودرهایی تماس پیدا می‌کنند، غنی‌سازی رخ می‌دهد و در نتیجه انسداد منافذ و آلودگی غشاء ایجاد می‌شود.
علاوه بر این، عایق بودن و استحکام بالای آلومینا به عنوان پرکننده در موادی مانند پوشش‌ها و لاستیک برای بهبود سختی، عایق‌بندی، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر سایش مواد استفاده می‌شود. با این حال، آلومینا یک ماده قطبی است و سازگاری ضعیفی با مواد پلیمری غیرقطبی دارد.
بنابراین، اصلاح سطح آلومینا توجه زیادی را به خود جلب کرده است.
اصلاح سطح به عملیات سطحی ذرات جامد با روش‌های فیزیکی یا شیمیایی اشاره دارد، یعنی فرآیند تغییر هدفمند خواص فیزیکی و شیمیایی و مورفولوژی سطح ذرات با توجه به نیازهای کاربردی. در حال حاضر، دو روش اصلاح کاربردی وجود دارد. روش اول اصلاح آلی سطح نامیده می‌شود زیرا عمدتاً از اصلاح‌کننده‌های آلی استفاده می‌کند و روش دوم اصلاح پوشش معدنی یا اصلاح پوشش سطح است.
اصلاح آلی سطح
هدف از اصلاح آلی سطح ذرات پودر فوق ریز، آبگریز کردن سطح ذرات با پیوند دادن گروه‌های آلی مربوطه و در نتیجه بهبود عملکرد پراکندگی و سازگاری بین سطحی آن در ماتریس‌های آلی مانند رزین‌ها، لاستیک‌ها و رنگ‌ها و در نتیجه بهبود فرآیند پردازش محصول و خواص جامع مکانیک مواد کامپوزیت است. بر اساس نوع ساختار شیمیایی، اصلاح‌کننده‌ها به اسیدهای چرب بالاتر یا نمک‌های آنها، اسیدهای چرب پایین‌تر و عوامل اتصال تقسیم می‌شوند.
(1) اصلاح پوشش فیزیکی
اصلاح پوشش فیزیکی یا اصلاح عملیات پوشش روشی است که در آن از ماده آلی (تا زمانی که یک پلیمر، رزین، سورفکتانت، ترکیب پلیمری محلول در آب یا محلول در روغن و صابون اسید چرب و غیره باشد) برای پوشاندن سطح ذرات برای دستیابی به هدف اصلاح استفاده می‌شود. این فرآیندی است که به سادگی سطح ذرات را اصلاح می‌کند.
(2) اصلاح شیمیایی سطح
اصلاح شیمیایی سطح با واکنش شیمیایی یا جذب شیمیایی بین اصلاح‌کننده سطح و سطح ذرات حاصل می‌شود. این پرکاربردترین روش اصلاح در تولید است.
(3) اصلاح پیوندی
اصلاح پیوندی یک فرآیند اصلاح است که در آن اولفین‌های مونومر یا پلی‌اولفین‌ها تحت شرایط تحریک خارجی خاصی به سطح پودر وارد می‌شوند. گاهی اوقات، لازم است اولفین مونومر پس از ورود، تحریک شود تا اولفین مونومر متصل به سطح پلیمریزه شود.
اصلاح پوشش سطحی
اصلاح پوشش سطحی به فناوری اصلاح پوشش یکنواخت سطح ذرات پودر آلومینای فوق ریز با ذرات جامد کوچکتر یا لایه‌های جامد اشاره دارد و در نتیجه ترکیب سطح، ساختار، ظاهر و عملکرد اصلی ذرات را تغییر می‌دهد.
با توجه به محیط و شکل واکنش پوشش، ماهیت و روش پوشش اصلاح شده بین ذرات، روش‌های اصلاح پوشش سطحی را می‌توان به روش رسوب شیمیایی، روش پوشش هیدرولیز، روش سل-ژل، روش تبخیر حلال، روش مکانوشیمیایی و روش فاز گازی تقسیم کرد. در میان آنها، سه روش اول، همگی روش‌های واکنش محلولی هستند، یعنی محلول نمک محلول توسط عوامل رسوب‌دهنده و هیدرولیز رسوب داده می‌شود و سپس روی سطح پودر ذرات اصلاح‌شده پوشش داده می‌شود.
مزایای استفاده از پرکننده عالی سولفات باریم در اصلاح نایلون چیست؟
سولفات باریم که با نام باریت نیز شناخته می‌شود، یک ترکیب معدنی بی‌رنگ، بی‌بو و غیرسمی با فرمول شیمیایی BaSO4 است. این ترکیب به دلیل چگالی بالا، سفیدی زیاد، پایداری شیمیایی خوب و مقاومت در برابر اسید و باز شناخته شده است و در آب و اکثر اسیدها نامحلول است. این ویژگی‌ها باعث می‌شود سولفات باریم در بسیاری از زمینه‌های صنعتی، به ویژه در زمینه اصلاح پلاستیک، به ویژه در اصلاح نایلون (PA)، که در آن سولفات باریم مزایای منحصر به فردی را نشان می‌دهد، به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد.
نایلون، به عنوان یک ماده پلیمری با خواص مکانیکی عالی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر اسید و باز و خود روانکاری، به طور گسترده در بسیاری از زمینه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، معایب نایلون مانند جذب آب بالا و پایداری ابعادی ضعیف، دامنه کاربرد آن را محدود می‌کند. بنابراین، اصلاح نایلون برای بهبود عملکرد آن بسیار مهم است. سولفات باریم به عنوان یک پرکننده خنثی، نقش‌های متعددی در اصلاح نایلون، مانند تقویت، سفت شدن و بهبود براقیت، ایفا می‌کند.
اثر تقویت کنندگی
افزودن سولفات باریم به عنوان یک پرکننده معدنی می‌تواند به طور قابل توجهی استحکام (مدول) و سختی نایلون را بهبود بخشد و برای قطعات صنعتی که به مدول بالا نیاز دارند (مانند چرخ دنده‌ها و یاتاقان‌ها) مناسب است. نتایج تجربی مربوطه نشان می‌دهد که با افزایش مقدار نانو سولفات باریم، مدول خمشی و مدول کششی نایلون بهبود می‌یابد. به طور خاص، هنگامی که کسر جرمی نانو سولفات باریم مقدار مشخصی (مانند 3٪) باشد، خواص مکانیکی نایلون به بهترین حالت خود می‌رسد. این اثر تقویت کنندگی عمدتاً به دلیل استحکام سولفات باریم و پیوند خوب آن با ماتریس نایلون است.
پایداری ابعادی: کاهش انقباض و تاب برداشتن نایلون در حین پردازش یا استفاده و بهبود دقت ابعادی.
دمای تغییر شکل حرارتی (HDT): با محدود کردن حرکت زنجیره‌های پلیمری، پایداری حرارتی مواد را بهبود می‌بخشد و کاربرد نایلون را در محیط‌های با دمای بالا (مانند قطعات موتور خودرو) گسترش می‌دهد.
اثر سفت کنندگی
سولفات باریم علاوه بر اثر تقویت کنندگی، می‌تواند اثر سفت کنندگی نیز بر نایلون داشته باشد. برهمکنش بین ذرات نانو سولفات باریم و ماتریس نایلون، یک لایه انتقال الاستیک تشکیل می‌دهد که می‌تواند به طور مؤثر تنش روی سطح مشترک را منتقل و کاهش دهد، در نتیجه انرژی ضربه خارجی را جذب و پراکنده کرده و چقرمگی ماده را بهبود بخشد. با این حال، شایان ذکر است که وقتی محتوای سولفات باریم تا حد مشخصی افزایش می‌یابد، عملکرد ماده به دلیل وقوع تجمع کاهش می‌یابد.
براقیت بهبود یافته
سولفات باریم توانایی انعکاس نور قوی در محدوده طول موج‌های فرابنفش و مادون قرمز را دارد که آن را قادر می‌سازد تا درخشندگی بالایی را در فرمول‌های رنگ‌آمیزی پلاستیک نشان دهد. هنگامی که سولفات باریم با اندازه ذرات مناسب برای پر کردن با نایلون انتخاب شود، براقیت سطح محصولات فرآوری شده می‌تواند به طور قابل توجهی بهبود یابد. علاوه بر این، ضریب شکست سولفات باریم مشابه پلیمرهایی مانند نایلون است، بنابراین می‌تواند درخشندگی و رنگ رنگدانه رنگی را حفظ کند.
کاربرد عملی
در کاربردهای عملی، سولفات باریم معمولاً به طور یکنواخت به شکل نانومتر با ترکیب مذاب در ماتریس نایلون پراکنده می‌شود. این روش از اثر اندازه، مساحت سطح ویژه بزرگ و نیروی بین سطحی قوی نانو سولفات باریم استفاده می‌کند و به طور کامل سختی، پایداری ابعادی و پایداری حرارتی سولفات باریم را با چقرمگی، فرآیندپذیری و خواص دی‌الکتریک نایلون ترکیب می‌کند و در نتیجه عملکرد جامع عالی را به دست می‌آورد.
سولفات باریم بهبود قابل توجهی در بهبود سختی و براقیت در اصلاح نایلون نشان داده است. با کنترل منطقی محتوا و توزیع اندازه ذرات سولفات باریم، می‌توان خواص مکانیکی نایلون را بهینه کرد، دوام و زیبایی محصول را بهبود بخشید، عملکرد و هزینه را متعادل کرد، طراحی فرمول را برای سناریوهای خاص بهینه کرد و در نتیجه دامنه کاربرد نایلون را گسترش داد.
هنگام تهیه تک بلورهای کاربید سیلیکون با کیفیت بالا به چه نکاتی باید توجه کنیم؟
روش‌های فعلی برای تهیه تک بلورهای کاربید سیلیکون عمدتاً شامل موارد زیر است: انتقال بخار فیزیکی (PVT)، رشد محلول دانه بالایی (TSSG) و رسوب بخار شیمیایی در دمای بالا (HT-CVD).
در میان آنها، روش PVT مزایای تجهیزات ساده، کنترل آسان عملیات، قیمت پایین تجهیزات و هزینه عملیاتی را دارد و به روش اصلی مورد استفاده در تولید صنعتی تبدیل شده است.
1. فناوری آلایش پودر کاربید سیلیکون
آلایش مقدار مناسبی از عنصر Ce در پودر کاربید سیلیکون می‌تواند به رشد پایدار تک بلور 4H-SiC منجر شود. تجربه ثابت کرده است که آلایش عنصر Ce در پودر می‌تواند سرعت رشد بلورهای کاربید سیلیکون را افزایش داده و باعث رشد سریع‌تر بلورها شود. این روش می‌تواند جهت‌گیری کاربید سیلیکون را کنترل کند و جهت رشد بلور را منفردتر و منظم‌تر کند. از تولید ناخالصی‌ها در بلور جلوگیری می‌کند، ایجاد نقص را کاهش می‌دهد و دستیابی به بلورهای تک بلور و بلورهای با کیفیت بالا را آسان‌تر می‌کند. این روش می‌تواند از خوردگی پشت بلور جلوگیری کرده و سرعت تک بلوری بلور را افزایش دهد.
۲. فناوری کنترل گرادیان میدان دمایی محوری و شعاعی
گرادیان دمایی محوری عمدتاً بر شکل رشد کریستال و راندمان رشد کریستال تأثیر می‌گذارد. گرادیان دمایی بسیار کم منجر به ظهور ناخالصی‌ها در طول فرآیند رشد کریستال می‌شود و همچنین بر سرعت انتقال مواد فاز گازی تأثیر می‌گذارد و در نتیجه سرعت رشد کریستال کاهش می‌یابد. گرادیان‌های دمایی محوری و شعاعی مناسب به رشد سریع کریستال‌های SiC کمک کرده و پایداری کیفیت کریستال را حفظ می‌کنند.
۳. فناوری کنترل نابجایی صفحه پایه (BPD)
دلیل اصلی تشکیل نقص‌های BPD این است که تنش برشی در کریستال از تنش برشی بحرانی کریستال SiC بیشتر می‌شود و در نتیجه سیستم لغزش فعال می‌شود. از آنجا که BPD عمود بر جهت رشد کریستال است، عمدتاً در طول فرآیند رشد کریستال و فرآیند خنک‌سازی کریستال بعدی ایجاد می‌شود.
۴. فناوری کنترل تنظیم نسبت اجزای فاز گازی
در فرآیند رشد کریستال، افزایش نسبت کربن-سیلیکون به نسبت اجزای فاز گازی در محیط رشد، اقدامی مؤثر برای دستیابی به رشد پایدار یک کریستال واحد است. از آنجا که نسبت بالای کربن-سیلیکون می‌تواند تجمع گام بزرگ را کاهش داده و وراثت اطلاعات رشد را روی سطح کریستال بذر حفظ کند، می‌تواند مانع از تولید پلی‌مورف‌ها شود.
5. فناوری کنترل تنش کم
در طول فرآیند رشد کریستال، وجود تنش باعث خم شدن صفحه کریستالی داخلی کریستال SiC می‌شود که منجر به کیفیت پایین کریستال یا حتی ترک خوردن کریستال می‌شود و تنش زیاد منجر به افزایش جابجایی صفحه پایه ویفر می‌شود. این نقص‌ها در طول فرآیند اپیتاکسی وارد لایه اپیتاکسی می‌شوند و به طور جدی بر عملکرد دستگاه بعدی تأثیر می‌گذارند.
با نگاهی به آینده، فناوری آماده‌سازی تک کریستال SiC با کیفیت بالا در چندین جهت توسعه خواهد یافت:
اندازه بزرگ
آماده‌سازی تک کریستال‌های کاربید سیلیکون با اندازه بزرگ می‌تواند راندمان تولید را بهبود بخشد و هزینه‌ها را کاهش دهد، در عین حال نیازهای دستگاه‌های پرقدرت را نیز برآورده کند.
کیفیت بالا
تک کریستال‌های کاربید سیلیکون با کیفیت بالا کلید دستیابی به دستگاه‌های با کارایی بالا هستند. در حال حاضر، اگرچه کیفیت تک بلورهای کاربید سیلیکون به میزان قابل توجهی بهبود یافته است، اما هنوز برخی نقص‌ها مانند میکرولوله‌ها، نابجایی‌ها و ناخالصی‌ها وجود دارد. این نقص‌ها بر عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه تأثیر می‌گذارند.
کم‌هزینه
هزینه آماده‌سازی تک بلورهای کاربید سیلیکون بالا است که کاربرد آنها را در برخی زمینه‌ها محدود می‌کند. هزینه آماده‌سازی تک بلورهای کاربید سیلیکون را می‌توان با بهینه‌سازی فرآیند رشد، بهبود راندمان تولید و کاهش هزینه‌های مواد اولیه کاهش داد.
هوشمند
با توسعه فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی و کلان‌داده، فناوری رشد بلور کاربید سیلیکون به تدریج هوشمند خواهد شد. فرآیند رشد را می‌توان از طریق حسگرها، سیستم‌های کنترل خودکار و سایر تجهیزات به صورت بلادرنگ رصد و کنترل کرد تا پایداری و کنترل‌پذیری فرآیند رشد بهبود یابد. در عین حال، می‌توان از تجزیه و تحلیل کلان‌داده و سایر فناوری‌ها برای تجزیه و تحلیل و بهینه‌سازی داده‌های رشد برای بهبود کیفیت و راندمان تولید بلورها استفاده کرد.
فناوری آماده‌سازی تک بلورهای کاربید سیلیکون با کیفیت بالا یکی از نقاط داغ در تحقیقات فعلی مواد نیمه‌هادی است. با پیشرفت مداوم علم و فناوری، فناوری رشد کریستال کاربید سیلیکون به توسعه و بهبود خود ادامه خواهد داد و پایه محکم‌تری برای کاربرد کاربید سیلیکون در دماهای بالا، فرکانس بالا، توان بالا و سایر زمینه‌ها فراهم می‌کند.
چگونه می‌توان بین استحکام و هزینه تالک در اصلاح پلاستیک تعادل برقرار کرد؟
در صنعت پلاستیک امروزی، پلاستیک‌های اصلاح‌شده به دلیل عملکرد عالی و زمینه‌های کاربرد گسترده، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. تالک، به عنوان یک پرکننده معدنی معدنی مهم، نقش حیاتی در اصلاح پلاستیک ایفا می‌کند.
تالک نه تنها می‌تواند به طور مؤثر خواص فیزیکی محصولات پلاستیکی را بهبود بخشد، بلکه هزینه‌های تولید آنها را نیز تا حدی کاهش می‌دهد. با این حال، چگونگی کنترل منطقی هزینه‌ها ضمن تضمین استحکام، به یک مسئله مهم در اصلاح پلاستیک تبدیل شده است. هنگامی که پودر تالک در اصلاح پلاستیک استفاده می‌شود، چگونه می‌توان با تنظیم مقدار پودر تالک اضافه شده و ویژگی‌های آن، رابطه بین مدول خمشی، استحکام ضربه و غیره و هزینه را متعادل کرد؟
تالک یک ماده معدنی سیلیکات منیزیم طبیعی با ساختار پوسته پوسته است. در اصلاح پلاستیک، تالک می‌تواند به طور قابل توجهی سفتی، سختی سطح، مقاومت خزش حرارتی، عایق الکتریکی و پایداری ابعادی محصولات پلاستیکی را بهبود بخشد. در عین حال، می‌تواند استحکام ضربه پلاستیک‌ها را نیز افزایش داده و سیالیت و خواص پردازش پلاستیک‌ها را بهبود بخشد. این اثر تقویتی عمدتاً از ساختار میکرو-پولکی تالک ناشی می‌شود که می‌تواند نقاط اتصال فیزیکی مؤثری را در ماتریس پلاستیک تشکیل دهد و در نتیجه عملکرد کلی پلاستیک را بهبود بخشد.
مدول خمشی یک شاخص مهم برای اندازه‌گیری توانایی پلاستیک‌ها در مقاومت در برابر تغییر شکل خمشی است. افزودن پودر تالک به پلاستیک‌ها می‌تواند مدول خمشی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. این به این دلیل است که ساختار سفت و سخت پودر تالک می‌تواند ظرفیت پشتیبانی اسکلت پلاستیک‌ها را افزایش دهد و احتمال خم شدن و تغییر شکل آن را در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی کاهش دهد. با این حال، باید توجه داشت که با افزایش مقدار پودر تالک اضافه شده، ویسکوزیته سیستم نیز افزایش می‌یابد که ممکن است بر عملکرد پردازش پلاستیک تأثیر بگذارد. بنابراین، در کاربردهای عملی، لازم است که به طور جامع بهبود مدول خمشی و تعادل عملکرد پردازش را در نظر گرفت.
مقاومت ضربه‌ای یک شاخص مهم برای اندازه‌گیری توانایی پلاستیک‌ها در مقاومت در برابر بارهای ضربه‌ای است. افزودن مقدار مناسبی از پودر تالک به پلاستیک‌ها می‌تواند مقاومت ضربه‌ای را تا حدی بهبود بخشد. با این حال، وقتی مقدار پودر تالک اضافه شده خیلی زیاد باشد، ممکن است باعث کاهش نیروی اتصال گرانشی بین مولکول‌های پلاستیک شود و در نتیجه بر مقاومت ضربه تأثیر بگذارد. بنابراین، در حالی که به دنبال استحکام بالا هستیم، لازم است مقدار پودر تالک اضافه شده را به طور معقول کنترل کنیم تا از تأثیر منفی بر مقاومت ضربه جلوگیری شود.
در اصلاح پلاستیک، کلید ایجاد تعادل بین استحکام و هزینه در انتخاب معقول انواع تالک، اندازه ذرات و مقدار افزودنی نهفته است. در اینجا چند استراتژی خاص ارائه شده است:
1. انتخاب تالک با کیفیت بالا
تالک با کیفیت بالا دارای خلوص بالاتر و ساختار پولکی کامل‌تری است که می‌تواند عملکرد پلاستیک‌ها را به طور مؤثرتری بهبود بخشد. اگرچه قیمت تالک با کیفیت بالا نسبتاً بالا است، اما بهبود عملکردی که به همراه دارد اغلب می‌تواند افزایش هزینه را جبران کند و حتی ارزش افزوده بالاتری را به همراه داشته باشد.
2. بهینه سازی توزیع اندازه ذرات تالک
توزیع مناسب اندازه ذرات می‌تواند یکنواختی پراکندگی تالک را در ماتریس پلاستیک بهبود بخشد و در نتیجه نقش تقویت‌کننده را به طور مؤثرتری ایفا کند. در عین حال، توزیع معقول اندازه ذرات همچنین می‌تواند ویسکوزیته سیستم را کاهش داده و عملکرد پردازش را بهبود بخشد.
۳. کنترل دقیق مقدار افزودنی
با کنترل دقیق مقدار افزودنی تالک، می‌توان ضمن جلوگیری از تأثیر منفی بر خواصی مانند مقاومت ضربه، استحکام را تضمین کرد. علاوه بر این، مقدار افزودنی معقول می‌تواند هزینه‌های تولید را نیز کاهش داده و مزایای اقتصادی را بهبود بخشد.
۴. استفاده از تالک اصلاح‌شده
تالک اصلاح‌شده دارای میل ترکیبی قوی‌تر و پراکندگی بهتری است که می‌تواند عملکرد پلاستیک‌ها را به طور مؤثرتری بهبود بخشد. اگرچه قیمت تالک اصلاح‌شده نسبتاً بالاست، اما بهبود عملکرد و بهبود عملکرد پردازشی که به همراه دارد، اغلب می‌تواند افزایش هزینه را جبران کند.
۱۴ روش پوشش‌دهی سطحی پودرهای فوق ریز
پودرهای فوق ریز معمولاً به ذراتی با اندازه ذرات میکرومتر یا نانومتر اطلاق می‌شوند. در مقایسه با مواد معمولی فله‌ای، آنها سطح ویژه بزرگتر، فعالیت سطحی و انرژی سطحی بالاتری دارند، بنابراین خواص نوری، حرارتی، الکتریکی، مغناطیسی، کاتالیزوری و سایر خواص عالی را نشان می‌دهند. پودرهای فوق ریز در سال‌های اخیر به عنوان یک ماده کاربردی به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و به طور فزاینده‌ای در زمینه‌های مختلف توسعه اقتصادی ملی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
با این حال، به دلیل مشکلات منحصر به فرد تجمع و پراکندگی پودرهای فوق ریز، آنها بسیاری از خواص عالی خود را از دست داده‌اند که کاربرد صنعتی پودرهای فوق ریز را به طور جدی محدود می‌کند.
روش‌های پوشش سطح پودرهای فوق ریز
1. روش اختلاط مکانیکی. از نیروهای مکانیکی مانند اکستروژن، ضربه، برش و اصطکاک برای توزیع یکنواخت اصلاح‌کننده روی سطح بیرونی ذرات پودر استفاده کنید، به طوری که اجزای مختلف بتوانند برای تشکیل یک پوشش به یکدیگر نفوذ و پخش شوند. روش‌های اصلی که در حال حاضر استفاده می‌شوند عبارتند از سنگ‌زنی گلوله‌ای، سنگ‌زنی همزن و ضربه جریان هوای پرسرعت.
2. روش واکنش فاز جامد. چندین نمک فلزی یا اکسید فلزی را طبق فرمول مخلوط و آسیاب کنید و سپس آنها را کلسینه کنید تا مستقیماً از طریق واکنش فاز جامد، پودرهای پوشش داده شده فوق ریز به دست آورید.
3. روش هیدروترمال. در یک سیستم بسته با دما و فشار بالا، از آب به عنوان واسطه برای به دست آوردن یک محیط فیزیکی و شیمیایی خاص که در شرایط فشار عادی قابل دستیابی نیست، استفاده می‌شود، به طوری که پیش ماده واکنش به طور کامل حل شده و به درجه خاصی از فوق اشباع می‌رسد و در نتیجه یک واحد رشد تشکیل می‌شود و سپس هسته‌زایی و تبلور برای به دست آوردن یک پودر کامپوزیت انجام می‌شود.
4. روش سل-ژل. ابتدا، پیش ماده اصلاح کننده در آب (یا یک حلال آلی) حل می‌شود تا یک محلول یکنواخت تشکیل شود و حل شونده و حلال هیدرولیز یا الکلی می‌شوند تا یک سل اصلاح کننده (یا پیش ماده آن) به دست آید. سپس ذرات پوشش داده شده پیش تصفیه شده به طور یکنواخت با سل مخلوط می‌شوند تا ذرات به طور یکنواخت در سل پراکنده شوند و سل برای تبدیل به ژل تحت عملیات قرار می‌گیرد و در دمای بالا کلسینه می‌شود تا پودری با پوشش اصلاح کننده روی سطح به دست آید و در نتیجه اصلاح سطح پودر حاصل شود.
5. روش رسوب. یک رسوب دهنده را به محلولی حاوی ذرات پودر اضافه کنید، یا ماده‌ای را اضافه کنید که می‌تواند باعث تولید رسوب دهنده در سیستم واکنش شود، به طوری که یون‌های اصلاح شده تحت یک واکنش رسوبی قرار گیرند و روی سطح ذرات رسوب کنند و در نتیجه ذرات را بپوشانند.
6. روش انعقاد ناهمگن (همچنین به عنوان "روش هتروفلوکولاسیون" شناخته می‌شود). روشی که بر اساس این اصل پیشنهاد شده است که ذرات با بارهای مخالف روی سطح می‌توانند یکدیگر را جذب کرده و منعقد شوند.
7. روش پوشش میکروامولسیون. ابتدا، پودر فوق‌العاده ریز مورد نظر برای پوشش‌دهی توسط هسته آب ریز تهیه شده توسط میکروامولسیون نوع W/O (آب در روغن) تهیه می‌شود و سپس پودر با پلیمریزاسیون میکروامولسیون پوشش داده شده و اصلاح می‌شود.
8. روش هسته‌زایی غیر یکنواخت. طبق نظریه فرآیند تبلور LAMER، لایه پوشش توسط هسته‌زایی و رشد غیر یکنواخت ذرات اصلاح‌کننده روی ماتریس ذرات پوشش داده شده تشکیل می‌شود.
9. روش آبکاری شیمیایی. این روش به فرآیند رسوب فلز با روش شیمیایی بدون اعمال جریان خارجی اشاره دارد. سه روش وجود دارد: روش جایگزینی، روش آبکاری تماسی و روش کاهش.
10. روش سیال فوق بحرانی. این یک فناوری جدید است که هنوز در دست تحقیق است. در شرایط فوق بحرانی، کاهش فشار می‌تواند منجر به فوق اشباع شود و می‌تواند به نرخ فوق اشباع بالایی دست یابد، به طوری که حل‌شونده جامد از محلول فوق بحرانی متبلور می‌شود.
11. رسوب بخار شیمیایی. در دمای نسبتاً بالا، گاز مخلوط با سطح زیرلایه واکنش می‌دهد و باعث می‌شود برخی از اجزای موجود در گاز مخلوط تجزیه شوند و پوششی از فلز یا ترکیب روی زیرلایه تشکیل دهند.
12. روش انرژی بالا. روش پوشش‌دهی نانوذرات با استفاده از مادون قرمز، فرابنفش، اشعه گاما، تخلیه کرونا، پلاسما و غیره، در مجموع به عنوان روش انرژی بالا شناخته می‌شود. روش انرژی بالا اغلب از برخی مواد با گروه‌های عاملی فعال برای دستیابی به پوشش سطحی نانوذرات تحت عمل ذرات پرانرژی استفاده می‌کند.
13. روش تجزیه حرارتی اسپری. اصل فرآیند، اسپری کردن محلول مخلوطی از چندین نمک حاوی یون‌های مثبت مورد نیاز به داخل یک مه، ارسال آن به یک محفظه واکنش گرم شده تا دمای تعیین شده و تولید ذرات پودر کامپوزیت ریز از طریق واکنش است.
14. روش میکروکپسولاسیون. روشی برای اصلاح سطح که یک فیلم یکنواخت با ضخامت مشخص روی سطح پودر را می‌پوشاند. اندازه ذرات میکروکپسول‌هایی که معمولاً تهیه می‌شوند 2 تا 1000 میکرومتر و ضخامت ماده دیواره 0.2 تا 10 میکرومتر است.
پودر نیکل فوق ریز: اندازه کوچک، اثر بزرگ!
پودر نیکل فوق ریز عموماً به نیکلی با اندازه ذرات کمتر از ۱ میکرومتر اشاره دارد. بر اساس اندازه ذرات، پودر نیکل فوق ریز اغلب به پودر نیکل میکرونی (اندازه ذرات متوسط ≥ ۱ میکرومتر)، پودر نیکل زیر میکرونی (اندازه ذرات متوسط ۰.۱-۱.۰ میکرومتر) و پودر نیکل نانو (اندازه ذرات متوسط ۰.۰۰۱-۰.۱۰۰ میکرومتر) تقسیم می‌شود. پودر نیکل فوق ریز دارای ویژگی‌های اندازه کوچک، فعالیت سطحی بالا، رسانایی خوب و رسانایی مغناطیسی عالی است. این پودر به طور گسترده در کاربید سیمانی، خازن‌های سرامیکی چند لایه تراشه، مواد مغناطیسی، کاتالیزورهای با راندمان بالا، دوغاب‌های رسانا، مواد جاذب، مواد محافظ الکترومغناطیسی و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شود. بسیاری از زمینه‌ها به خلوص، پراکندگی و کروی بودن پودر نیکل نیاز بالایی دارند، بنابراین تهیه پودر نیکل فوق ریز کروی با کروی بودن خوب، خلوص بالا و پراکندگی بالا به تمرکز تحقیقاتی فعلی در تهیه پودر نیکل تبدیل شده است.
پودر نیکل فوق ریز به دلیل سطح ویژه بالا، رسانایی عالی، فعالیت کاتالیزوری و خواص مغناطیسی، به طور گسترده در بسیاری از زمینه‌های فناوری پیشرفته و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
حوزه‌های الکترونیک و نیمه‌هادی
خازن‌های سرامیکی چندلایه (MLCC): پودر نیکل فوق ریز ماده‌ای کلیدی برای الکترودهای داخلی MLCC است که جایگزین آلیاژ پالادیوم/نقره، فلز گرانبهای سنتی، شده و هزینه‌های تولید را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، در حالی که نیازهای قطعات الکترونیکی با فرکانس بالا و کوچک را برآورده می‌کند.
خمیر و بسته‌بندی رسانا: به دلیل رسانایی و پراکندگی بالا، در خمیرهای الکترونیکی و پوشش‌های رسانای برد مدار چاپی (PCB) برای بهبود رسانایی و عملکرد اتلاف حرارت دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.
مواد نیمه‌هادی: به عنوان یک پرکننده رسانا در بسته‌بندی تراشه، رسانایی حرارتی و پایداری مکانیکی ماده را افزایش می‌دهد.
ذخیره و تبدیل انرژی
باتری‌های لیتیوم-یون: به عنوان یک ماده الکترود مثبت (مانند LiNiO2)، به طور قابل توجهی چگالی انرژی باتری و عمر چرخه را بهبود می‌بخشد، به ویژه برای وسایل نقلیه با انرژی جدید و سیستم‌های ذخیره انرژی.
پیل‌های سوختی: به عنوان کاتالیزور (مانند کاتالیزور واکنش هیدروژن-اکسیژن) برای بهبود راندمان واکنش، کاهش استفاده از فلز گرانبهای پلاتین و کاهش هزینه‌ها استفاده می‌شوند.
ابرخازن‌ها: ظرفیت ذخیره‌سازی بار مواد الکترود را از طریق بهینه‌سازی نانوساختار افزایش می‌دهند.
کاتالیز و حفاظت از محیط زیست
پتروشیمی‌ها: به عنوان یک کاتالیزور کارآمد در هیدروژناسیون، دهیدروژناسیون و سایر واکنش‌ها برای بهبود بازده و خلوص محصول، مانند هیدروژناسیون تولوئن برای تولید متیل سیکلوهگزان استفاده می‌شوند.
حفاظت از محیط زیست: برای تصفیه گازهای زائد و فاضلاب، تخریب کاتالیزوری آلاینده‌ها و کاهش انتشار مواد مضر استفاده می‌شوند.
کاتالیز انرژی‌های نو: در تولید انرژی هیدروژن، تولید کارآمد هیدروژن از طریق واکنش اصلاح بخار (SMR) توسعه انرژی پاک را ارتقا می‌دهد.
مواد مغناطیسی و فناوری جذب موج
سیال مغناطیسی و محیط ذخیره‌سازی: در مایع حامل پراکنده می‌شوند تا سیال مغناطیسی تشکیل دهند، یا در دستگاه‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی با چگالی بالا (مانند دیسک‌های کوانتومی) استفاده می‌شوند.
مواد محافظ الکترومغناطیسی و جاذب امواج: پودر نیکل فوق ریز خواص الکتریکی و مغناطیسی عالی دارد. مواد محافظ امواج الکترومغناطیسی را می‌توان با ترکیب پودر نیکل فوق ریز با مواد ماتریس پلیمری تهیه کرد. مواد کامپوزیتی چند جزئی مانند مس و نیکل خواص جذب و محافظ امواج خوبی در ناحیه فرکانس بالا دارند و می‌توانند به عنوان مواد مخفی در ناحیه فرکانس بالا استفاده شوند. بر اساس پوشش رسانای پودر نیکل فوق ریز، به طور گسترده در فناوری مخفی نظامی و تجهیزات الکترونیکی غیرنظامی استفاده می‌شود.
هوافضا و تولید پیشرفته
آلیاژهای دما بالا: به عنوان افزودنی برای بهبود مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژها، مناسب برای قطعات موتور هواپیما.
کاربید سیمانی: جایگزین کبالت به عنوان یک فلز پیوند دهنده، مورد استفاده در ابزارهای برش و قطعات مقاوم در برابر سایش، کاهش هزینه‌ها و بهبود عملکرد.
زیست پزشکی و مواد جدید
حامل‌های دارو و تشخیص و درمان: از پاسخ مغناطیسی و زیست سازگاری آن برای دارورسانی هدفمند و تشخیص نشانگر مغناطیسی استفاده کنید.
چاپ سه‌بعدی و مواد کامپوزیتی: به عنوان پرکننده برای قالب‌گیری تزریقی فلز (MIM)، خواص مکانیکی و دقت قالب‌گیری قطعات پیچیده را بهبود می‌بخشد.
مزیت پودر نیکل فوق ریز این است که جایگزین مواد فلزی گرانبهای گران‌تر می‌شود و هزینه‌های تولید را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. با این حال، این زمینه‌های کاربردی نیاز به پودر نانو نیکل مورد استفاده با ساختار کروی منظم، اندازه کوچک و توزیع اندازه ذرات یکنواخت، پراکندگی خوب، چگالی ضربه بالا، توانایی آنتی‌اکسیدانی قوی و سایر خواص دارند که این امر نیز چالشی برای فرآیند تهیه پودر نانو نیکل ایجاد می‌کند.
مزایای مواد کربنی در رسانایی حرارتی و اتلاف گرما
در صنایع الکترونیک و اپتوالکترونیک فعلی، با پیشرفت دستگاه‌های الکترونیکی و محصولات آنها به سمت ادغام بالا و محاسبات بالا، توان تلف شده دو برابر شده است. اتلاف گرما به تدریج به یک عامل کلیدی محدود کننده توسعه پایدار صنعت الکترونیک تبدیل شده است. یافتن مواد مدیریت گرما با رسانایی حرارتی عالی برای نسل بعدی مدارهای مجتمع و طراحی محصولات الکترونیکی سه بعدی بسیار مهم است.
رسانایی حرارتی مواد سرامیکی سنتی (مانند نیترید بور، نیترید آلومینیوم) و مواد فلزی (مانند مس، آلومینیوم) حداکثر تنها چند صد وات بر (m·K) است. در مقایسه، رسانایی حرارتی مواد کربنی مانند الماس، گرافیت، گرافن، نانولوله‌های کربنی و فیبر کربن حتی شگفت‌انگیزتر است. به عنوان مثال، گرافیت دارای رسانایی حرارتی نظری تا ۴۱۸۰ وات بر متر کلوین در جهت موازی با لایه کریستالی است که تقریباً ۱۰ برابر مواد فلزی سنتی مانند مس، نقره و آلومینیوم است. علاوه بر این، مواد کربنی همچنین دارای خواص عالی مانند چگالی کم، ضریب انبساط حرارتی کم و خواص مکانیکی خوب در دمای بالا هستند.
گرافن
گرافن یک ماده سطحی اتم کربن تک لایه است که از گرافیت جدا شده است. این ماده دارای یک ساختار صفحه‌ای دو بعدی به شکل لانه زنبوری است که از اتم‌های کربن تک لایه تشکیل شده است که به صورت شش ضلعی‌های منظم و محکم چیده شده‌اند. این ساختار بسیار پایدار است. اتصال بین اتم‌های کربن درون گرافن بسیار انعطاف‌پذیر است. هنگامی که نیروی خارجی به گرافن اعمال می‌شود، سطح اتم کربن خم شده و تغییر شکل می‌دهد، به طوری که اتم‌های کربن برای تطبیق با نیروی خارجی مجبور به تنظیم مجدد نیستند و در نتیجه پایداری ساختاری را حفظ می‌کنند. این ساختار شبکه‌ای پایدار به گرافن رسانایی حرارتی عالی می‌دهد.
نانولوله‌های کربنی
از زمان کشف نانولوله‌های کربنی در سال ۱۹۹۱، این ماده مورد توجه بوده و بسیاری از دانشمندان را برای مطالعه رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی جذب کرده است. نانولوله‌های کربنی از ورق‌های گرافیتی تک لایه یا چند لایه که به هم پیچیده شده‌اند ساخته شده‌اند و به سه نوع تقسیم می‌شوند: تک دیواره، دو دیواره و چند دیواره.
این ساختار ویژه به نانولوله‌های کربنی رسانایی حرارتی بسیار بالایی می‌دهد. برخی از محققان محاسبه کرده‌اند که رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی تک جداره در دمای اتاق ۳۹۸۰ وات بر (m·K)، رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی دو جداره ۳۵۸۰ وات بر (m·K) و رسانایی حرارتی نانولوله‌های کربنی چند جداره ۲۸۶۰ وات بر (m·K) است.
الماس
ساختار بلوری الماس، چیدمانی نزدیک از اتم‌های کربن در چهاروجهی‌ها است و همه الکترون‌ها در پیوند شرکت می‌کنند. بنابراین، رسانایی حرارتی دمای اتاق آن به اندازه ۲۰۰۰ تا ۲۱۰۰ وات بر (m·K) است که یکی از مواد با بهترین رسانایی حرارتی در طبیعت است. این ویژگی، آن را در زمینه اتلاف حرارت بالا غیرقابل جایگزین می‌کند.
فیبر کربن
فیبر کربن با کربنیزاسیون در دمای بالا برای تشکیل یک ساختار گرافیت توربواستراتیک عمل می‌کند. اگر شبکه گرافیت محوری آن بسیار جهت‌دار باشد، می‌تواند به رسانایی حرارتی فوق العاده بالایی دست یابد. برای مثال، رسانایی حرارتی الیاف کربن مبتنی بر قیر مزوفاز 1100 وات بر (m·K) است و رسانایی حرارتی الیاف کربن رشد یافته در بخار می‌تواند به 1950 وات بر (m·K) برسد.
گرافیت
گرافیت دارای ساختار کریستالی شش ضلعی است که از شش وجه و دو صفحه پایه فشرده تشکیل شده است. لایه اول شبکه شش ضلعی اتم‌های کربن به اندازه 1/2 خط مورب شش ضلعی نامنظم است و به موازات لایه دوم همپوشانی دارد. لایه سوم و لایه اول در موقعیت خود تکرار می‌شوند و یک توالی ABAB... را تشکیل می‌دهند. رسانایی حرارتی گرافیت طبیعی در امتداد صفحه کریستالی (002) 2200 وات بر (m·K) است و رسانایی حرارتی درون صفحه‌ای گرافیت پیرولیتیک با جهت‌گیری بالا نیز می‌تواند به 2000 وات بر (m·K) برسد.
مواد کربنی فوق همگی رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارند، بنابراین در زمینه الزامات اتلاف حرارت بالا توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. در ادامه، نگاهی به چندین ماده رسانا/هدردهنده گرما مبتنی بر کربن کلاسیک می‌اندازیم.
مواد کربنی، با ساختار کریستالی منحصر به فرد و خواص فیزیکی و شیمیایی خود، مزایای غیرقابل جایگزینی را در زمینه رسانایی حرارتی و اتلاف گرما نشان داده‌اند. با پیشرفت فناوری آماده‌سازی و گسترش سناریوهای کاربردی، انتظار می‌رود مواد مبتنی بر کربن مانند گرافن و الماس، راه‌حل‌های اتلاف گرما را در صنایعی مانند الکترونیک و هوافضا به سطح بالاتری ارتقا دهند.
کاربرد آماده‌سازی پودر بر اساس فناوری پلاسمای حرارتی در مواد مدیریت حرارتی
کوچک‌سازی و ادغام دستگاه‌های الکترونیکی، الزامات اتلاف حرارت بالاتری را برای مواد مدیریت حرارتی مبتنی بر پلیمر مطرح می‌کند. توسعه پرکننده‌های جدید با رسانایی حرارتی بالا برای ساخت مسیرهای رسانایی حرارتی مؤثر، کلید دستیابی به مواد مدیریت حرارتی با کارایی بالا است.
فناوری پلاسمای حرارتی به دلیل دمای بالا، جو واکنش قابل کنترل، چگالی انرژی بالا و آلودگی کم، مزایای زیادی در تهیه پودرهای کروی نانو و میکرونی شکل، مانند پودر سیلیکون کروی و پودر آلومینا، دارد.
فناوری پلاسمای حرارتی
پلاسما علاوه بر جامد، مایع و گاز، حالت چهارم ماده است. این یک توده کلی خنثی از نظر الکتریکی است که از الکترون‌ها، کاتیون‌ها و ذرات خنثی تشکیل شده است. با توجه به دمای ذرات سنگین در پلاسما، پلاسما را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: پلاسمای داغ و پلاسمای سرد.
دمای یون‌های سنگین در پلاسمای داغ می‌تواند به 3×103 تا 3×104 کلوین برسد که اساساً به حالت تعادل ترمودینامیکی موضعی می‌رسد. در این حالت، پلاسمای حرارتی رابطه زیر را دارد: دمای الکترون Te = دمای پلاسما Th = دمای تحریک Tex = دمای واکنش یونیزاسیون Treac، بنابراین پلاسمای حرارتی دمای ترمودینامیکی یکنواختی دارد.
تهیه پودرهای کروی با پلاسما
بر اساس ویژگی‌های دمای بالا و سرعت خنک شدن سریع پلاسمای حرارتی با فرکانس بالا، از فناوری رسوب فیزیکی بخار برای تهیه نانوپودرها استفاده می‌شود.
دو روش اصلی برای تهیه پودرهای کروی با پلاسما وجود دارد.
یکی عبور پودرهای مواد اولیه با شکل نامنظم و اندازه بزرگ به قوس دمای بالای پلاسمای حرارتی و استفاده از محیط دمای بالای تولید شده توسط پلاسمای حرارتی برای گرم کردن و ذوب سریع ذرات مواد اولیه (یا ذوب سطح) است. به دلیل کشش سطحی، پودر ذوب شده یک کره تشکیل می‌دهد و با سرعت خنک شدن مناسب جامد می‌شود تا یک پودر کروی به دست آید. روش دوم استفاده از پودرها یا پیش‌سازهای نامنظم به عنوان مواد اولیه و پلاسمای حرارتی به عنوان منبع حرارتی با دمای بالا است. مواد اولیه با ذرات فعال موجود در آن واکنش می‌دهند و به سرعت خنک و رسوب می‌شوند تا مواد پودری ایده‌آل تولید شوند.
با بهره‌گیری از ویژگی‌های دمای بالا، انرژی بالا، اتمسفر قابل کنترل و عدم آلودگی پلاسمای حرارتی، می‌توان پودرهای کروی با خلوص بالا، کرویت بالا و اندازه‌های مختلف را با کنترل پارامترهای فرآیند آماده‌سازی مانند تغذیه، سرعت خنک‌سازی و توان پلاسما تهیه کرد. بنابراین، استفاده از فناوری پلاسما برای تهیه پودرهای کروی به طور فزاینده‌ای در انرژی، هوافضا، صنایع شیمیایی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است.
زمینه‌های کاربرد اصلی و ویژگی‌های میکروپودر سیلیکون
پودر سیلیس یک ماده غیرفلزی معدنی با دی اکسید سیلیکون به عنوان جزء اصلی است. این ماده از کوارتز کریستالی، کوارتز ذوب شده و غیره به عنوان مواد اولیه ساخته شده و با سنگ زنی، درجه بندی دقیق، حذف ناخالصی و سایر فرآیندها فرآوری می‌شود. دارای خواص دی الکتریک عالی، ضریب انبساط حرارتی پایین و رسانایی حرارتی بالا است. به طور گسترده در لمینت‌های روکش مس، ترکیبات قالب گیری اپوکسی، مواد عایق، چسب‌ها، پوشش‌ها، سرامیک و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شود.
1. لمینت روکش مس
لمینت روکش مس یک بستر مهم برای ساخت بردهای مدار چاپی با ساختار "فویل مس + لایه عایق دی الکتریک (رزین و مواد تقویت کننده) + فویل مس" است. این یک ماده اولیه بالادستی برای سیستم‌های مدار مختلف است.
انتخاب پرکننده‌ها برای لمینت‌های روکش مس شامل میکروپودر سیلیکون، هیدروکسید آلومینیوم، هیدروکسید منیزیم، پودر تالک، پودر میکا و سایر مواد است. در میان آنها، میکروپودر سیلیکون از مزایای نسبی در مقاومت در برابر حرارت، خواص مکانیکی، خواص الکتریکی و پراکندگی در سیستم‌های رزینی برخوردار است. می‌توان از آن برای بهبود مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر رطوبت، بهبود استحکام لایه‌های نازک روکش مسی، کاهش ضریب انبساط حرارتی، بهبود پایداری ابعادی، بهبود دقت موقعیت‌یابی سوراخکاری و صافی دیواره داخلی، بهبود چسبندگی بین لایه‌ها یا بین لایه‌های عایق و فویل مسی و غیره استفاده کرد، بنابراین در پرکننده‌های لایه‌ای روکش مسی مورد توجه قرار می‌گیرد.
میکروپودر سیلیکون کروی بهترین عملکرد را دارد اما هزینه بالایی دارد و فقط در زمینه لایه‌های روکش مسی رده بالا استفاده می‌شود. از نظر رسانایی حرارتی، پر شدن، انبساط حرارتی و خواص دی‌الکتریک، عملکرد میکروپودر سیلیکون کروی بهتر است، اما از نظر قیمت، میکروپودر سیلیکون زاویه‌دار پایین‌تر است. بنابراین، با توجه به عملکرد و هزینه جامع، میکروپودر سیلیکون کروی در حال حاضر عمدتاً در زمینه لایه‌های روکش مسی رده بالا، مانند لایه‌های روکش مسی با فرکانس بالا و سرعت بالا، حامل‌های IC و غیره استفاده می‌شود و هرچه سناریوی کاربرد بالاتر باشد، نسبت افزایشی بالاتر است.
۲. آمیزه قالب‌گیری اپوکسی
آمیزه قالب‌گیری اپوکسی یک آمیزه قالب‌گیری پودری است که از رزین اپوکسی به عنوان رزین پایه، رزین فنولیک با کارایی بالا به عنوان عامل پخت، پودر سیلیکون به عنوان پرکننده و انواع افزودنی‌ها ساخته شده است. این ماده‌ای ضروری برای بسته‌بندی نیمه‌هادی مانند مدارهای مجتمع است (بیش از ۹۷٪ بسته‌بندی نیمه‌هادی از آمیزه قالب‌گیری اپوکسی استفاده می‌کند).
۳. ماده عایق الکتریکی
پودر سیلیکون مورد استفاده در محصولات عایق الکتریکی می‌تواند به طور موثری ضریب انبساط خطی محصول پخت شده و میزان انقباض را در طول فرآیند پخت کاهش دهد، تنش داخلی را کاهش دهد و استحکام مکانیکی ماده عایق را بهبود بخشد و در نتیجه خواص مکانیکی و الکتریکی ماده عایق را به طور موثری بهبود و ارتقا بخشد. بنابراین، الزامات عملکردی مشتریان در این زمینه برای میکروپودر سیلیکون بیشتر در ضریب انبساط خطی پایین، عایق‌بندی بالا و استحکام مکانیکی بالا منعکس می‌شود، در حالی که الزامات مربوط به خواص دی‌الکتریک و رسانایی حرارتی آن نسبتاً کم است.
در زمینه مواد عایق الکتریکی، محصولات میکروپودر سیلیکونی تک‌خصوصی با اندازه ذرات متوسط ۵ تا ۲۵ میکرومتر معمولاً بر اساس ویژگی‌های محصولات عایق الکتریکی و الزامات فرآیند تولید آنها انتخاب می‌شوند و الزامات بالایی برای سفیدی محصول، توزیع اندازه ذرات و غیره در نظر گرفته می‌شود.
۴. چسب‌ها
میکروپودر سیلیکونی پر شده با رزین چسب می‌تواند به طور موثری ضریب انبساط خطی محصول پخت شده و میزان انقباض در طول پخت را کاهش دهد، استحکام مکانیکی چسب را بهبود بخشد، مقاومت حرارتی، ضد نفوذپذیری و عملکرد اتلاف گرما را بهبود بخشد و در نتیجه اثر اتصال و آب‌بندی را بهبود بخشد.
توزیع اندازه ذرات میکروپودر سیلیکون بر ویسکوزیته و رسوب چسب تأثیر می‌گذارد و در نتیجه بر فرآیندپذیری چسب و ضریب انبساط خطی پس از پخت تأثیر می‌گذارد.
۵. سرامیک‌های لانه زنبوری
حامل‌های سرامیکی لانه زنبوری برای تصفیه اگزوز خودرو و فیلتر اگزوز خودرو از جنس کوردیریت DPF برای تصفیه اگزوز موتور دیزل از آلومینا، میکروپودر سیلیکون و سایر مواد از طریق مخلوط کردن، قالب‌گیری اکستروژن، خشک کردن، تف‌جوشی و سایر فرآیندها ساخته می‌شوند. میکروپودر سیلیکون کروی می‌تواند سرعت قالب‌گیری و پایداری محصولات سرامیکی لانه زنبوری را بهبود بخشد.