Avantages des matériaux en carbone en termes de conductivité thermique et de dissipation de la chaleur
Dans les industries actuelles de l'électronique et de l'optoélectronique, à mesure que les appareils électroniques et leurs produits évoluent vers une intégration et un calcul intensifs, la puissance dissipée a doublé. La dissipation thermique est progressivement devenue un frein majeur au développement durable de l'industrie électronique. Trouver des matériaux de gestion thermique dotés d'une excellente conductivité thermique est crucial pour la prochaine génération de circuits intégrés et la conception de produits électroniques tridimensionnels.
La conductivité thermique des matériaux céramiques traditionnels (tels que le nitrure de bore et le nitrure d'aluminium) et des matériaux métalliques (tels que le cuivre et l'aluminium) n'est que de quelques centaines de W/(m·K) au maximum. En comparaison, la conductivité thermique des matériaux carbonés tels que le diamant, le graphite, le graphène, les nanotubes de carbone et la fibre de carbone est encore plus impressionnante. Par exemple, le graphite présente une conductivité thermique théorique allant jusqu'à 4 180 W/m·K dans la direction parallèle à la couche cristalline, soit près de dix fois celle des matériaux métalliques traditionnels tels que le cuivre, l'argent et l'aluminium. De plus, les matériaux carbonés présentent d'excellentes propriétés, telles qu'une faible densité, un faible coefficient de dilatation thermique et de bonnes propriétés mécaniques à haute température.
Graphène
Le graphène est un matériau à surface d'atomes de carbone monocouche, détaché du graphite. Sa structure plane bidimensionnelle en nid d'abeille est composée d'atomes de carbone monocouches étroitement disposés en hexagones réguliers. Cette structure est très stable. La connexion entre les atomes de carbone à l'intérieur du graphène est très flexible. Lorsqu'une force externe est appliquée au graphène, la surface des atomes de carbone se courbe et se déforme, évitant ainsi aux atomes de carbone de se réorganiser pour s'adapter à la force externe, préservant ainsi la stabilité structurelle. Cette structure réticulaire stable confère au graphène une excellente conductivité thermique.
Nanotubes de carbone
Depuis leur découverte en 1991, les nanotubes de carbone ont suscité un intérêt croissant, attirant de nombreux scientifiques vers l'étude de leur conductivité thermique. Les nanotubes de carbone sont constitués de feuilles de graphite monocouches ou multicouches enroulées, et se divisent en trois types : monoparoi, biparoi et multiparoi.
Cette structure particulière confère aux nanotubes de carbone une conductivité thermique extrêmement élevée. Des chercheurs ont calculé que la conductivité thermique des nanotubes de carbone monoparois à température ambiante est de 3980 W/(m·K), celle des nanotubes de carbone biparois de 3580 W/(m·K) et celle des nanotubes de carbone multiparois de 2860 W/(m·K).
Diamant
La structure cristalline du diamant est un arrangement serré d'atomes de carbone en tétraèdres, où tous les électrons participent à la liaison. Par conséquent, sa conductivité thermique à température ambiante peut atteindre 2000 à 2100 W/(m·K), ce qui en fait l'un des matériaux présentant la meilleure conductivité thermique naturelle. Cette caractéristique le rend irremplaçable dans le domaine de la dissipation thermique haut de gamme.
Fibre de carbone
La fibre de carbone est traitée par carbonisation à haute température pour former une structure en graphite turbostratique. Si son réseau axial de graphite est fortement orienté, elle peut atteindre une conductivité thermique ultra-élevée. Par exemple, la conductivité thermique d'une fibre de carbone à base de brai mésophasé est de 1 100 W/(m·K), tandis que celle d'une fibre de carbone obtenue par croissance en phase vapeur peut atteindre 1 950 W/(m·K).
Graphite
Le graphite présente une structure cristalline hexagonale, composée de six facettes et de deux plans de base compacts. La première couche de la grille hexagonale d'atomes de carbone est décalée de la moitié de la diagonale hexagonale et chevauche parallèlement la deuxième couche. La troisième couche et la première couche se répètent en position, formant une séquence ABAB... La conductivité thermique du graphite naturel le long du plan cristallin (002) est de 2 200 W/(m·K), et la conductivité thermique dans le plan du graphite pyrolytique hautement orienté peut également atteindre 2 000 W/(m·K).
Les matériaux carbonés mentionnés ci-dessus présentent tous une conductivité thermique extrêmement élevée, ce qui a suscité un vif intérêt dans le domaine des exigences élevées en matière de dissipation thermique. Examinons maintenant quelques matériaux classiques à base de carbone, conducteurs et dissipateurs de chaleur.
Les matériaux à base de carbone, grâce à leur structure cristalline unique et à leurs propriétés physiques et chimiques, présentent des avantages irremplaçables en matière de conductivité et de dissipation thermiques. Grâce aux progrès des technologies de préparation et à l'élargissement des applications, les matériaux à base de carbone tels que le graphène et le diamant devraient propulser les solutions de dissipation thermique à un niveau supérieur dans des secteurs tels que l'électronique et l'aérospatiale.
Application de la préparation de poudre basée sur la technologie du plasma thermique dans les matériaux de gestion thermique
La miniaturisation et l'intégration des dispositifs électroniques imposent des exigences de dissipation thermique plus élevées aux matériaux de gestion thermique à base de polymères. Le développement de nouvelles charges à haute conductivité thermique, permettant de construire des chemins de conduction thermique efficaces, est essentiel pour obtenir des matériaux de gestion thermique hautes performances.
La technologie du plasma thermique présente de grands avantages pour la préparation de poudres sphériques de taille nanométrique et micrométrique, telles que la poudre de silicium sphérique et la poudre d'alumine, grâce à sa température élevée, son atmosphère de réaction contrôlable, sa densité énergétique élevée et sa faible pollution.
Technologie du plasma thermique
Le plasma est le quatrième état de la matière, après le solide, le liquide et le gaz. C'est un agrégat globalement électriquement neutre composé d'électrons, de cations et de particules neutres. Selon la température des particules lourdes dans le plasma, le plasma peut être divisé en deux catégories : le plasma chaud et le plasma froid.
La température des ions lourds dans le plasma chaud peut atteindre 3×103 à 3×104K, ce qui correspond à l'équilibre thermodynamique local. Dans cet état, le plasma thermique présente la relation suivante : température électronique Te = température du plasma Th = température d'excitation Tex = température de réaction d'ionisation Treac. Le plasma thermique présente donc une température thermodynamique uniforme.
Préparation plasma de poudres sphériques
Grâce aux caractéristiques de température élevée et de refroidissement rapide du plasma thermique haute fréquence, la technologie de dépôt physique en phase vapeur est utilisée pour préparer des nanopoudres.
Il existe deux principales méthodes de préparation de poudres sphériques par plasma.
La première consiste à faire passer des poudres de matière première de forme irrégulière et de grande taille dans l'arc haute température du plasma thermique, puis à utiliser l'environnement à haute température généré par le plasma thermique pour chauffer et faire fondre rapidement les particules de matière première (ou faire fondre leur surface). Grâce à la tension superficielle, la poudre fondue forme une sphère et se solidifie à une vitesse de refroidissement appropriée pour obtenir une poudre sphérique. La seconde consiste à utiliser des poudres irrégulières ou des précurseurs comme matières premières et le plasma thermique comme source de chaleur à haute température. Les matières premières réagissent avec les particules actives qu'elles contiennent et sont rapidement refroidies et déposées pour générer des poudres idéales.
Grâce aux caractéristiques de haute température, de haute énergie, d'atmosphère contrôlable et d'absence de pollution du plasma thermique, des poudres sphériques de haute pureté, de haute sphéricité et de différentes tailles peuvent être préparées en contrôlant les paramètres du processus de préparation tels que l'alimentation, la vitesse de refroidissement et la puissance du plasma. Par conséquent, l'utilisation de la technologie plasma pour la préparation de poudres sphériques est de plus en plus répandue dans les secteurs de l'énergie, de l'aérospatiale, de la chimie et d'autres secteurs.
Principaux domaines d'application et caractéristiques de la micropoudre de silicium
La poudre de silice est un matériau inorganique non métallique dont le principal composant est le dioxyde de silicium. Elle est composée de quartz cristallin, de quartz fondu, etc., et est traitée par broyage, calibrage de précision, élimination des impuretés, etc. Elle présente d'excellentes propriétés diélectriques, un faible coefficient de dilatation thermique et une conductivité thermique élevée. Elle est largement utilisée dans les stratifiés cuivrés, les composés de moulage époxy, les matériaux isolants, les adhésifs, les revêtements, les céramiques et d'autres domaines.
1. Stratifié cuivré
Le stratifié cuivré est un substrat important pour la fabrication de circuits imprimés composés d'une structure « feuille de cuivre + couche d'isolation diélectrique (résine et matériau de renfort) + feuille de cuivre ». C'est un matériau de base en amont pour divers systèmes de circuits.
Les charges pour les stratifiés cuivrés sont la micropoudre de silicium, l'hydroxyde d'aluminium, l'hydroxyde de magnésium, le talc, la poudre de mica et d'autres matériaux. Parmi ces matériaux, la micropoudre de silicium présente des avantages relatifs en termes de résistance à la chaleur, de propriétés mécaniques, de propriétés électriques et de dispersibilité dans les systèmes de résine. Elle peut être utilisée pour améliorer la résistance à la chaleur et à l'humidité, renforcer la rigidité des stratifiés cuivrés minces, réduire le coefficient de dilatation thermique, améliorer la stabilité dimensionnelle, améliorer la précision du positionnement du perçage et le lissage des parois internes, ainsi que l'adhérence entre les couches ou entre les couches isolantes et les feuilles de cuivre. Elle est donc privilégiée dans les charges pour stratifiés cuivrés.
La micropoudre de silicium sphérique offre les meilleures performances, mais son coût est élevé. Elle est réservée aux stratifiés cuivrés haut de gamme. En termes de conductivité thermique, de remplissage, de dilatation thermique et de propriétés diélectriques, la micropoudre de silicium sphérique est plus performante, mais son prix est inférieur à celui de la micropoudre de silicium angulaire. Par conséquent, compte tenu de ses performances et de son coût, la micropoudre de silicium sphérique est actuellement principalement utilisée dans les stratifiés cuivrés haut de gamme, tels que les stratifiés cuivrés haute fréquence et haute vitesse, les supports de circuits intégrés, etc. Plus le scénario d'application est complexe, plus le taux d'ajout est élevé.
2. Composé de moulage époxy
Le composé de moulage époxy est un composé de moulage en poudre composé de résine époxy comme résine de base, de résine phénolique haute performance comme agent de durcissement, de poudre de silicium comme charge et de divers additifs. C'est un matériau essentiel pour l'encapsulation de semi-conducteurs tels que les circuits intégrés (plus de 97 % des encapsulations de semi-conducteurs utilisent du composé de moulage époxy).
3. Matériau d'isolation électrique
La poudre de silicium utilisée dans les produits d'isolation électrique permet de réduire efficacement le coefficient de dilatation linéaire du produit durci et le taux de retrait pendant le processus de durcissement, de réduire les contraintes internes et d'améliorer la résistance mécanique du matériau isolant, améliorant ainsi ses propriétés mécaniques et électriques. Par conséquent, les exigences fonctionnelles des clients dans ce domaine pour la micropoudre de silicium se traduisent principalement par un faible coefficient de dilatation linéaire, une isolation élevée et une résistance mécanique élevée, tandis que les exigences en matière de propriétés diélectriques et de conductivité thermique sont relativement faibles.
Dans le domaine des matériaux d'isolation électrique, les micropoudres de silicium à spécification unique, d'une granulométrie moyenne de 5 à 25 µm, sont généralement sélectionnées en fonction des caractéristiques des produits d'isolation électrique et des exigences de leur procédé de production. Des exigences élevées sont imposées en matière de blancheur, de granulométrie, etc.
4. Adhésifs
L'ajout de micropoudre de silicium à une résine adhésive permet de réduire efficacement le coefficient de dilatation linéaire du produit durci et le taux de retrait pendant le durcissement, d'améliorer la résistance mécanique de l'adhésif, sa résistance à la chaleur, sa perméabilité et sa dissipation thermique, améliorant ainsi l'adhérence et l'étanchéité.
La granulométrie de la micropoudre de silicium influence la viscosité et la sédimentation de l'adhésif, ce qui affecte sa mise en œuvre et son coefficient de dilatation linéaire après durcissement.
5. Céramiques alvéolaires
Les supports en céramique alvéolaire pour la purification des gaz d'échappement automobiles et les filtres à particules diesel en cordiérite sont fabriqués à partir d'alumine, de micropoudres de silicium et d'autres matériaux par mélange, moulage par extrusion, séchage, frittage, etc. La micropoudre de silicium sphérique améliore le taux de moulage et la stabilité des produits en céramique alvéolaire.
Modification du revêtement en dioxyde de titane
La modification du revêtement du dioxyde de titane (dioxyde de titane) est un moyen important d'améliorer ses performances (dispersibilité, résistance aux intempéries, brillance, stabilité chimique, etc.). Les méthodes courantes de modification des revêtements comprennent principalement trois catégories : les revêtements inorganiques, les revêtements organiques et les revêtements composites. Voici une classification spécifique et une brève introduction :
Modification des revêtements inorganiques
En déposant une couche d'oxydes ou de sels inorganiques à la surface des particules de dioxyde de titane, une barrière physique est formée pour améliorer sa stabilité chimique et ses propriétés optiques.
1. Revêtement d'oxyde
Principe : Utiliser l'hydrate d'oxydes métalliques (tels que SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, etc.) pour précipiter à la surface du dioxyde de titane afin de former une couche de revêtement uniforme.
Procédé : Généralement, par dépôt en phase liquide, des sels métalliques (tels que le silicate de sodium et le sulfate d'aluminium) sont ajoutés à la suspension de dioxyde de titane, puis le pH est ajusté pour précipiter et enrober l'hydrate d'oxyde métallique.
2. Revêtement d'oxyde composite
Principe : Revêtement de deux ou plusieurs oxydes métalliques (tels que Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, etc.) combinant les avantages de chaque composant.
Caractéristiques : Meilleures performances globales. Par exemple, le revêtement Al₂O₃-SiO₂ peut améliorer simultanément la dispersibilité et la résistance aux intempéries, ce qui le rend adapté aux peintures automobiles et aux revêtements de bobines très exigeants.
3. Revêtement salin
Principe : Utilisation de sels métalliques (tels que phosphates, silicates, sulfates, etc.) pour former une couche de sel peu soluble à la surface du dioxyde de titane.
Modification de revêtement organique
La réaction de composés organiques avec les groupes hydroxyles présents à la surface du dioxyde de titane permet la formation d'une couche moléculaire organique améliorant sa compatibilité avec les milieux organiques.
1. Revêtement par agent de couplage
Principe : Grâce à la structure amphiphile des molécules d’agents de couplage (tels que les silanes, les titanates, les aluminates), une extrémité se combine au groupe hydroxyle à la surface du dioxyde de titane, tandis que l’autre extrémité réagit avec la matrice organique (telle que la résine, le polymère).
Agent de couplage silane : Améliore la dispersibilité du dioxyde de titane dans les systèmes aqueux, couramment utilisés dans les revêtements et encres à base d’eau.
Agent de couplage titanate/aluminate : Améliore la compatibilité dans les systèmes huileux tels que les plastiques et les caoutchoucs, et réduit l’agglomération pendant le traitement.
2. Revêtement tensioactif
Principe : Les tensioactifs (tels que les acides gras, les sulfonates, les sels d’ammonium quaternaire, etc.) se fixent à la surface du dioxyde de titane par adsorption physique ou réaction chimique pour former une couche de charge ou couche hydrophobe.
Fonction :
Tensioactifs anioniques (tels que l'acide stéarique) : Améliorent la dispersibilité en milieu huileux, couramment utilisés dans les plastiques et le caoutchouc.
Tensioactifs cationiques (tels que le chlorure de dodécyltriméthylammonium) : Adaptés aux systèmes polaires pour améliorer la stabilité.
3. Revêtement polymère
Principe : Greffage de polymères (tels que les acrylates, les résines époxy, les siloxanes, etc.) à la surface du dioxyde de titane par polymérisation.
Fonction :
Formation d'une couche de revêtement épaisse pour mieux isoler l'érosion chimique et améliorer la résistance aux intempéries et les propriétés mécaniques.
Améliore la compatibilité avec des résines spécifiques, adaptées aux matériaux composites et revêtements hautes performances.
4. Revêtement silicone
Principe : Exploitation de la faible énergie de surface du polysiloxane (huile de silicone, résine de silicone, etc.) pour enrober les particules de dioxyde de titane.
Fonction : Réduction de la tension superficielle, amélioration de la dispersibilité et de la fluidité, couramment utilisé dans les encres et les cosmétiques.
III. Modification des revêtements composites
Combinant les avantages des revêtements inorganiques et organiques, le double revêtement est réalisé par étapes ou simultanément pour obtenir des performances complémentaires.
1. Revêtement inorganique d'abord, puis organique ensuite.
2. Revêtement synchrone inorganique-organique.
Autres technologies de revêtement spéciales.
1. Nano-revêtement.
2. Revêtement de microcapsules.
Principe : Encapsulation de particules de dioxyde de titane dans des microcapsules polymères, libération du dioxyde de titane par contrôle des conditions de rupture de la capsule (température, pH, etc.). Convient aux revêtements intelligents et aux systèmes à libération lente.
Matériaux en alliage de magnésium dans l'économie à basse altitude
Matériau léger, l'alliage de magnésium est devenu un choix idéal pour les avions économiques basse altitude grâce à sa faible densité, sa résistance élevée, ses capacités d'absorption des chocs et de protection contre les ondes électromagnétiques. Comparé aux matériaux traditionnels, l'alliage de magnésium est plus léger, permet de prolonger considérablement le temps de vol et d'améliorer l'efficacité énergétique. De plus, ses capacités d'absorption des chocs et de protection électromagnétique améliorent la sécurité de fonctionnement et la compatibilité électromagnétique des avions dans des environnements complexes.
Avion électrique à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL)
Cadre de fuselage : La densité de l'alliage de magnésium représente seulement les deux tiers de celle de l'alliage d'aluminium et le quart de celle de l'acier. Son utilisation pour le cadre du fuselage permet de réduire considérablement le poids de l'avion, d'améliorer sa capacité de charge et son autonomie. Par exemple, l'eVTOL cargo de 2 tonnes de Fengfei Aviation utilise de l'alliage de magnésium pour la fabrication de certains composants du cadre du fuselage, ce qui permet d'obtenir un avion léger tout en garantissant sa résistance structurelle.
Structure de l'aile : L'alliage de magnésium présente une résistance spécifique élevée et permet de maintenir la stabilité structurelle de l'aile sous de fortes charges aérodynamiques, tout en réduisant son poids, ce qui contribue à améliorer les performances de vol de l'avion.
Carter moteur : L'alliage de magnésium présente une bonne conductivité thermique et un excellent blindage électromagnétique. Il permet de dissiper efficacement la chaleur générée par le fonctionnement du générateur, de protéger le circuit interne du moteur des interférences électromagnétiques, de prolonger sa durée de vie et d'améliorer son efficacité. Par exemple, le carter moteur de la voiture volante électrique intelligente Traveler X2 de Xiaopeng Huitian est en alliage de magnésium.
Compartiment batterie : L'alliage de magnésium peut être utilisé pour la fabrication des compartiments batterie. Sa faible densité contribue à réduire le poids total de l'avion, et son blindage électromagnétique protège la batterie des interférences électromagnétiques externes, garantissant ainsi la sécurité et la stabilité de fonctionnement de la batterie.
Support de tableau de bord : Le support de tableau de bord en alliage de magnésium offre une bonne rigidité et une bonne stabilité, et peut accueillir divers appareils et écrans du tableau de bord de l'eVTOL. Parallèlement, sa légèreté contribue à réduire le poids total de l'appareil.
Drone
Cadre du fuselage : L'alliage de magnésium à faible densité permet de réduire considérablement le poids du drone, d'augmenter son endurance et sa capacité de charge. Sa résistance spécifique élevée garantit la résistance du fuselage à diverses contraintes en vol. Par exemple, le drone multirotor « Hybrid Flyer » doté d'un cadre en alliage de magnésium est environ 30 % plus léger qu'un cadre en matériau traditionnel, et son endurance est également prolongée.
Ailes et empennages : Ils peuvent être utilisés pour fabriquer la structure de support interne ou le revêtement global des ailes et des empennages, tout en garantissant la résistance structurelle et les performances aérodynamiques, réduisant la résistance au vol et la consommation d'énergie des drones, et améliorant l'efficacité et la flexibilité du vol.
Support de circuit imprimé de commande : Fournit un support stable au circuit imprimé de commande. Sa légèreté contribue à abaisser le centre de gravité du drone et à améliorer la stabilité en vol. De plus, le blindage électromagnétique réduit les interférences électromagnétiques entre les circuits imprimés et assure une transmission précise des signaux de commande.
Boîtier de capteur : utilisé pour encapsuler divers capteurs, tels que des caméras, des modules GPS, etc., tout en les protégeant, réduisant ainsi le poids de la charge utile des drones, permettant ainsi aux drones d'emporter davantage d'équipements ou de prolonger leur durée de vol. La résistance à la corrosion des alliages de magnésium permet de s'adapter aux exigences de fonctionnement des capteurs dans différents environnements.
Hélices : les alliages de magnésium peuvent être utilisés pour la fabrication d'hélices. Leur faible densité et leur résistance spécifique élevée contribuent à améliorer l'efficacité de rotation des hélices, à réduire la consommation d'énergie et le poids, et donc à améliorer les performances globales des drones.
La légèreté, le faible coût et les réserves élevées du magnésium le rendent plus avantageux que les matériaux traditionnels. Il devrait permettre de résoudre le problème du coût élevé des matières premières et de la faible efficacité opérationnelle dans la construction économique à basse altitude. Grâce aux progrès constants de la technologie de production des alliages de magnésium, la production à grande échelle réduira encore les coûts, favorisant ainsi son application à grande échelle dans le domaine de la basse altitude.
Propriétés des matériaux composites en fibre de verre
La fibre de verre est un matériau composé de nombreuses fibres de verre extrêmement fines. Elle est obtenue en forçant le verre fondu à travers un tamis, qui le fila en fils, puis les assembla pour former des fibres de verre.
Les composites en fibre de verre sont des matériaux plastiques renforcés constitués de fibres de verre noyées dans une matrice de résine. Ils présentent une excellente résistance spécifique, sont légers et possèdent des propriétés mécaniques proches de celles du métal. Ils sont inoxydables et résistent longtemps aux environnements acides, alcalins, humides et salins, et ont une durée de vie supérieure à celle des matériaux métalliques traditionnels. Leurs performances peuvent être optimisées en ajustant la disposition des fibres et le type de résine, et peuvent être transformés en formes complexes. Non conducteurs et transparents aux ondes électromagnétiques, ils conviennent à la fabrication de composants fonctionnels spécifiques tels que les équipements électriques et les radômes. Comparée aux matériaux composites haut de gamme comme la fibre de carbone, la fibre de verre est moins chère et constitue un choix économique et performant.
Matériaux composites en fibre de verre utilisés en économie basse altitude
Largement utilisés dans le domaine des drones
Fuselage et composants structurels : Le plastique renforcé de fibres de verre (PRFV) est largement utilisé dans les composants structurels clés tels que le fuselage, les ailes et la queue des drones en raison de sa légèreté et de sa haute résistance.
Matériaux pour pales : Dans la fabrication des hélices de drones, la fibre de verre est utilisée en combinaison avec des matériaux tels que le nylon pour accroître la rigidité et la durabilité.
Matériaux importants pour les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL)
Cadre de fuselage et ailes : Les avions eVTOL ont des exigences de légèreté extrêmement élevées, et les matériaux composites renforcés de fibres de verre sont souvent utilisés en combinaison avec la fibre de carbone pour optimiser la structure du fuselage et réduire les coûts.
Composants fonctionnels : La fibre de verre est également utilisée dans les composants avioniques eVTOL (tels que les amplificateurs de puissance RF), et sa résistance aux hautes températures et ses propriétés isolantes en font un choix idéal.
Matériau de base stratégique pour l'économie basse altitude, la fibre de verre offre de vastes perspectives d'application dans les drones, les eVTOL et d'autres domaines. Avec le soutien des politiques et les progrès technologiques, la demande du marché continuera de croître et deviendra une force importante dans la promotion du développement de l’économie de basse altitude.
L'or négligé : la poudre de polissage aux terres rares
La poudre de polissage à base de cérium et de terres rares est actuellement la poudre de polissage la plus répandue. Elle offre d'excellentes performances de polissage et peut améliorer la finition de surface des produits ou des pièces. Elle est surnommée « la reine des poudres de polissage ». L'industrie de la transformation du verre et l'industrie électronique sont les principaux domaines d'application en aval de la poudre de polissage aux terres rares. Les déchets de poudre de polissage aux terres rares défectueux après polissage représentent environ 70 % de la production annuelle. Ces déchets proviennent principalement des résidus de poudre de polissage aux terres rares, des liquides résiduaires, des fragments de verre provenant du polissage des pièces, de la pellicule abrasive (polymère organique) des tissus de polissage, de l'huile et d'autres impuretés. La proportion de terres rares est de 50 %. L'élimination de la poudre de polissage aux terres rares défectueux est devenue un problème majeur pour les entreprises d'application en aval.
Actuellement, les méthodes couramment utilisées pour recycler les déchets de poudre de polissage aux terres rares sont la séparation physique et la séparation chimique.
Méthode de séparation physique
(1) Méthode de flottation
Ces dernières années, la technologie de flottation a été largement utilisée dans le traitement des déchets solides. En raison de la différence d'hydrophilie des composants de la poudre de polissage de terres rares usagées, différents agents de flottation sont sélectionnés pour améliorer l'affinité des composants en solution aqueuse, laissant les particules hydrophiles dans l'eau et permettant ainsi la séparation. Cependant, la taille des particules de poudre de polissage affecte le taux de récupération par flottation, et la pureté de récupération est insuffisante.
Lors de la flottation, différents collecteurs sont sélectionnés, et l'efficacité d'élimination des impuretés varie considérablement. Yang Zhiren et al. ont constaté qu'à un pH de l'acide styrènephosphonique de 5, le taux de récupération de l'oxyde de cérium et de l'oxyde de lanthane après flottation atteint 95 %, tandis que celui du fluorure de calcium et de la fluoroapatite n'est que de 20 % au maximum. Les particules d'un diamètre inférieur à 5 microns doivent être séparées davantage pour éliminer les impuretés en raison d'un faible effet de flottation.
(2) Méthode de séparation magnétique
La poudre de polissage de terres rares usagées possède un magnétisme. Mishima et al. ont conçu un dispositif à champ magnétique vertical pour récupérer les boues de polissage de terres rares. Avec un débit de 20 mm/s, un temps de circulation de 30 min, une concentration de 5 % et un pH de 3, le rendement de séparation du dioxyde de cérium et du floculant de fer peut atteindre 80 %. En modifiant la direction du champ magnétique pour un gradient horizontal et en ajoutant une solution de MnCl₂, le dioxyde de silicium et l'oxyde d'aluminium, aux propriétés magnétiques opposées, peuvent être séparés du dioxyde de cérium.
(3) Autres méthodes
Takahashi et al. ont congelé à -10 °C les boues de poudre usagée dont les particules ne se déposaient pas facilement, puis les ont décongelée à 25 °C. Les impuretés et les oxydes de terres rares ont formé une couche, facilitant l'agrégation et la récupération des substances utiles dans les déchets.
Méthode de séparation chimique
La méthode chimique utilise principalement le procédé de récupération après dissolution acide et grillage alcalin, et utilise un agent réducteur comme réactif auxiliaire pour obtenir des matières premières de poudre de polissage de terres rares par élimination des impuretés, extraction et précipitation. Cette méthode offre un taux de récupération élevé des terres rares, mais le processus est long et coûteux. Un excès d'acide ou de base forte produit une grande quantité d'eaux usées. (1) Traitement alcalin
L'oxyde d'aluminium et le dioxyde de silicium sont les principales impuretés des déchets de poudre de polissage de terres rares. Utiliser une solution de NaOH à 4 mol/L pour faire réagir les déchets de poudre de polissage de terres rares pendant 1 heure à 60 °C afin d'éliminer les impuretés de dioxyde de silicium et d'oxyde d'aluminium.
(2) Traitement acide
Lors de la récupération des terres rares à partir des déchets de poudre de polissage, l'acide nitrique, l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique sont souvent utilisés pour la lixiviation. Le dioxyde de cérium, principal composant des déchets de poudre de polissage de terres rares, est légèrement soluble dans l'acide sulfurique.
(3) Lixiviation acide assistée par un agent réducteur
L'effet de la lixiviation directe du CeO2 par l'acide n'est pas optimal. L'ajout d'un agent réducteur pour réduire le Ce4+ en Ce3+ permet d'améliorer le taux de lixiviation des terres rares. L'utilisation de l'agent réducteur H2O2 pour faciliter la lixiviation à l'acide chlorhydrique des déchets de poudre de polissage de terres rares peut améliorer considérablement les résultats expérimentaux.
Six procédés pour le verre de quartz de haute pureté
Le verre de quartz présente une grande pureté, une transmittance spectrale élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et une excellente résistance aux chocs thermiques, à la corrosion et aux ultraviolets profonds. Il est largement utilisé dans les secteurs de la fabrication industrielle haut de gamme tels que l'optique, l'aérospatiale et les semi-conducteurs.
Le verre de quartz peut être classé selon son procédé de préparation. Il existe deux principaux types de matières premières pour sa préparation. Le premier type est le sable de quartz de haute pureté, utilisé pour la fusion électrique et l'affinage au gaz afin de préparer du verre de quartz fondu à des températures supérieures à 1800 °C ; le second type est constitué de composés contenant du silicium, utilisés pour préparer du verre de quartz synthétique par réactions chimiques.
Méthode de fusion électrique
La méthode de fusion électrique consiste à faire fondre la poudre de quartz dans un creuset par chauffage électrique, puis à former du verre de quartz par vitrification et refroidissement rapide. Les principales méthodes de chauffage sont la résistance, l'arc électrique et l'induction à moyenne fréquence.
Méthode d'affinage au gaz
Sur le plan industriel, la méthode d'affinage au gaz est légèrement plus avancée que la méthode de fusion électrique. Le quartz naturel est fondu à l'aide d'une flamme hydrogène-oxygène, qui l'accumule progressivement à la surface de la cible en verre de quartz. Le verre de quartz fondu produit par raffinage au gaz est principalement utilisé pour les sources lumineuses électriques, l'industrie des semi-conducteurs, les lampes sphériques au xénon, etc. À l'origine, les tubes et creusets en verre de quartz transparent de gros calibre étaient directement fondus avec du sable de quartz de haute pureté sur un équipement spécial utilisant une flamme hydrogène-oxygène. Aujourd'hui, le raffinage au gaz est couramment utilisé pour préparer des lingots de quartz, qui sont ensuite traités à froid ou à chaud pour fabriquer les produits en verre de quartz requis.
Méthode CVD
Le principe de la méthode CVD consiste à chauffer du SiCl4 liquide volatil pour le transformer en gaz, puis à laisser le SiCl4 gazeux pénétrer dans la flamme hydrogène-oxygène formée par la combustion d'hydrogène et d'oxygène sous l'action d'un gaz porteur (O2). Ce dernier réagit avec la vapeur d'eau à haute température pour former des particules amorphes, se dépose sur un substrat de dépôt rotatif, puis fond à haute température pour former du verre de quartz.
Méthode PCVD
Le procédé PCVD a été proposé pour la première fois par Corning dans les années 1960. Il utilise le plasma pour remplacer la flamme hydrogène-oxygène comme source de chaleur pour la préparation du verre de quartz. La température de la flamme plasma utilisée dans le procédé PCVD est bien supérieure à celle des flammes ordinaires. Sa température à cœur peut atteindre 15 000 K, avec une température moyenne comprise entre 4 000 et 5 000 K. Le gaz de travail peut être sélectionné en fonction des exigences spécifiques du procédé.
Méthode CVD en deux étapes
La méthode CVD traditionnelle est également appelée méthode en une étape ou méthode directe. La vapeur d'eau étant impliquée dans la réaction, la teneur en hydroxyles du verre de quartz préparé par la méthode CVD en une étape est généralement élevée et difficile à contrôler. Afin de pallier ce défaut, les ingénieurs ont amélioré la méthode CVD en une étape et développé la méthode CVD en deux étapes, également appelée méthode de synthèse indirecte.
Modification thermique
La modification thermique consiste d'abord à ramollir le matériau de base en verre de quartz par chauffage, puis à obtenir le produit souhaité par des méthodes telles que l'enfonçage et l'étirage. Dans le four de modification thermique, le corps du four est chauffé par induction électromagnétique. Le courant alternatif traversant la bobine d'induction génère un champ électromagnétique alternatif dans l'espace, lequel agit sur l'élément chauffant pour générer du courant et de la chaleur. À mesure que la température augmente, le matériau de base en verre de quartz se ramollit, ce qui permet de former une tige/un tube en verre de quartz par traction. En ajustant la température et la vitesse d'étirage du four, des tiges/tubes de verre de quartz de différents diamètres peuvent être étirés. La disposition des bobines et la structure du four à induction électromagnétique ont une influence majeure sur le champ thermique du four. En production, ce champ thermique doit être strictement contrôlé pour garantir la qualité des produits en verre de quartz.
Quels sont les types et les larges applications de la bentonite ?
La bentonite est principalement divisée en plusieurs types, tels que la bentonite sodique, la bentonite calcique, la bentonite hydrogénée et la bentonite organique, selon la nature des cations intercouches.
Bentonite sodique : Elle présente d’excellentes propriétés de gonflement, d’absorption d’eau, d’adhérence et de plasticité, ce qui en fait le type de bentonite le plus utilisé.
Bentonite calcique : Comparée à la bentonite sodique, son gonflement et son adhérence sont légèrement inférieurs, mais son prix est plus abordable et elle convient à certaines applications nécessitant de faibles performances.
Bentonite hydrogénée : Elle possède des propriétés chimiques particulières et peut exercer des propriétés uniques dans certaines conditions spécifiques, comme la stabilité à haute température.
Bentonite organique : Grâce à sa modification organique, elle offre une meilleure dispersibilité, suspension et stabilité, et convient aux applications haut de gamme.
Largement utilisée pour la bentonite
La polyvalence de la bentonite lui confère un rôle important dans de nombreux domaines, et son large éventail d’applications est remarquable.
Secteur de la construction : La bentonite est largement utilisée dans la production de matériaux d'isolation phonique et thermique pour les bâtiments, de revêtements imperméables, de matériaux muraux et autres produits grâce à son excellente expansion et son excellente adhérence, contribuant ainsi fortement au développement durable du secteur de la construction.
Secteur de la protection de l'environnement : La bentonite possède une forte capacité d'adsorption et peut absorber des substances nocives telles que les ions de métaux lourds et les polluants organiques présents dans l'eau. C'est un matériau important pour la protection de l'environnement. Elle peut également être utilisée dans la construction de couches anti-infiltration dans les décharges afin de prévenir efficacement les fuites de lixiviats.
Secteur métallurgique : La bentonite est principalement utilisée comme matériau de revêtement de four dans l'industrie métallurgique. Elle résiste aux températures élevées et à l'érosion, et protège le corps du four des scories à haute température.
Secteur agricole : La bentonite améliore la structure et la fertilité des sols. Son ajout améliore la perméabilité à l'air et la rétention d'eau du sol, favorisant ainsi la croissance des cultures.
Industrie de la fonderie : La bentonite est utilisée comme revêtement et adhésif dans l'industrie de la fonderie pour améliorer la qualité de surface et la résistance des pièces moulées.
Industrie alimentaire : La bentonite est principalement utilisée pour le blanchiment et la purification dans l'industrie alimentaire, notamment pour la décoloration des huiles et des graisses, la purification des solutions sucrées, etc.
Forage pétrolier : La bentonite est une matière première importante pour les boues de forage pétrolier, permettant d'ajuster la viscosité, la force de cisaillement et la perte d'eau de la boue, améliorant ainsi l'efficacité du forage.
Demande d'équipements de production de poudre de bentonite
Avec l'expansion continue des domaines d'application de la bentonite, la demande d'équipements de production de poudre de bentonite augmente également. Lors du choix d'un équipement de broyage, il est nécessaire de prendre en compte de nombreux facteurs tels que les performances de l'équipement, la capacité de production, la consommation d'énergie et le service après-vente.
Lors du choix de la poudre minérale pour les plastiques, tenez compte de ces 11 indicateurs
Les matériaux en poudre minérale couramment utilisés dans l'industrie des plastiques comprennent le carbonate de calcium (calcium lourd, calcium léger, nano-calcium), le talc, le kaolin, la wollastonite, la poudre de brucite, la poudre de mica, la poudre de barytine, le sulfate de baryum et de nombreuses autres variétés. Dans le but principal d'augmenter le remplissage, il peut généralement être utilisé pour des dizaines à des centaines de phr. Dans le but d'améliorer les performances et de réduire les coûts, il peut généralement être utilisé pour des dizaines de pièces.
Les propriétés des charges minérales inorganiques ont de nombreux effets sur les produits en plastique, notamment la composition et les propriétés physiques et chimiques, la taille et la distribution des particules, la forme des particules et les propriétés de surface, ainsi que la densité, la dureté, la blancheur, etc., qui ont un impact sur les performances et les exigences des paramètres de processus des plastiques.
1. Caractéristiques de forme géométrique
L'influence des particules de charge de différentes formes géométriques sur la résistance de leurs produits en plastique est généralement fibreuse> en flocons> en colonnes> cubique> sphérique. Les charges en flocons aident à améliorer la résistance mécanique des produits, mais ne sont pas propices au traitement de moulage.
2. Taille des particules et caractéristiques de surface
En général, plus la taille des particules des charges minérales non métalliques inorganiques est petite, meilleures sont les propriétés mécaniques des plastiques lorsqu'elles sont uniformément dispersées. Cependant, tout en réduisant la taille des particules de charge, la technologie de traitement devient plus compliquée et le coût augmente en conséquence.
3. Surface spécifique
Plus la surface spécifique est grande, meilleure est l'affinité entre la charge et la résine, mais plus il est difficile d'activer la surface de la charge et plus le coût est élevé. Cependant, pour des particules de charge du même volume, plus la surface est rugueuse, plus la surface spécifique est grande.
4. Densité
Les particules de différentes formes ont des tailles et des distributions de particules différentes. Lorsque la masse est la même, la densité apparente des particules ayant la même densité réelle peut ne pas être la même en raison de différents volumes d'empilement.
5. Dureté
Une dureté élevée peut améliorer la résistance à l'usure des produits, mais elle usera l'équipement de traitement. Les gens ne veulent pas que les avantages de l'utilisation de charges soient compensés par l'usure de l'équipement de traitement. Pour les charges d'une certaine dureté, l'intensité d'usure de la surface métallique de l'équipement de traitement augmente avec l'augmentation de la taille des particules de charge, et son intensité d'usure a tendance à être stable après une certaine taille de particule.
6. Couleur
Afin d'éviter des changements évidents dans la couleur de la matrice du matériau de remplissage ou des effets néfastes sur la coloration de la matrice, la plupart des exigences de production exigent que la blancheur soit aussi élevée que possible.
7. Valeur d'absorption d'huile
La valeur d'absorption d'huile de la charge affecte la quantité de plastifiant utilisée dans le système de remplissage et la transformabilité du matériau. Les charges à faible valeur d'absorption d'huile ont une bonne transformabilité du système de remplissage et sont faciles à mélanger avec des résines, ce qui peut réduire la quantité de plastifiant utilisée.
8. Propriétés optiques
Certains produits peuvent utiliser l'absorption de lumière des charges pour augmenter la température, comme les serres en plastique agricoles.
9. Propriétés électriques
À l'exception du graphite, la plupart des charges minérales inorganiques sont des isolants électriques.
10. Composition chimique
L'activité chimique, les propriétés de surface (effets), les propriétés thermiques, les propriétés optiques, les propriétés électriques, les propriétés magnétiques, etc. des charges minérales inorganiques dépendent dans une large mesure de la composition chimique.
11. Effet thermochimique
Les polymères sont faciles à brûler, mais la plupart des charges minérales inorganiques, en raison de leur propre incombustibilité, réduisent les substances combustibles après avoir été ajoutées à la matrice polymère et retardent la combustion de la matrice. Charge ignifuge respectueuse de l'environnement.
En bref, le rôle des charges minérales non métalliques inorganiques dans les composites polymères peut être résumé comme l'augmentation, l'amélioration et l'apport de nouvelles fonctions. Cependant, comme les charges minérales non métalliques inorganiques et les polymères organiques ont une faible compatibilité, les charges minérales non métalliques inorganiques sont modifiées pour améliorer leur compatibilité avec les polymères organiques et éviter la dispersion inégale des contraintes causée par l'ajout direct.