Quels sont les avantages de l’utilisation d’un excellent sulfate de baryum comme charge dans la modification du nylon ?
Le sulfate de baryum, également connu sous le nom de barytine, est un composé inorganique incolore, inodore et non toxique, de formule chimique BaSO4. Il est reconnu pour sa densité élevée, sa blancheur élevée, sa bonne stabilité chimique et sa résistance aux acides et aux bases, et est insoluble dans l'eau et la plupart des acides. Ces caractéristiques expliquent son utilisation fréquente dans de nombreux secteurs industriels, notamment dans la modification des plastiques, notamment du nylon (PA), où il présente des avantages uniques.
Le nylon, matériau polymère doté d'excellentes propriétés mécaniques, de résistance à l'usure, de résistance aux acides et aux bases et d'autolubrification, est largement utilisé dans de nombreux secteurs industriels. Cependant, ses inconvénients, tels qu'une forte absorption d'eau et une faible stabilité dimensionnelle, limitent son champ d'application. Il est donc particulièrement important de modifier le nylon pour améliorer ses performances. En tant que charge neutre, le sulfate de baryum joue de multiples rôles dans la modification du nylon, notamment en renforçant, en durcissant et en améliorant la brillance.
Effet de renforcement
En tant que charge inorganique, l'ajout de sulfate de baryum peut améliorer significativement la rigidité (module) et la dureté du nylon, et convient aux pièces industrielles nécessitant un module élevé (comme les engrenages et les roulements). Des résultats expérimentaux pertinents montrent qu'une augmentation de la teneur en sulfate de baryum nanométrique améliore les modules de flexion et de traction du nylon. En particulier, lorsque la fraction massique de sulfate de baryum nanométrique atteint une certaine valeur (par exemple 3 %), les propriétés mécaniques du nylon sont optimales. Cet effet de renforcement est principalement dû à la rigidité du sulfate de baryum et à sa bonne liaison à l'interface avec la matrice de nylon.
Stabilité dimensionnelle : réduction du retrait et du gauchissement du nylon lors de la transformation ou de l'utilisation, et amélioration de la précision dimensionnelle.
Température de déformation à chaud (HDT) : limitation du mouvement des chaînes polymères, amélioration de la stabilité thermique des matériaux et élargissement des applications du nylon dans les environnements à haute température (comme les pièces de moteurs automobiles).
Effet de renforcement
Outre son effet de renforcement, le sulfate de baryum peut également renforcer le nylon. L'interaction entre les nanoparticules de sulfate de baryum et la matrice de nylon forme une couche de transition élastique, capable de transmettre et de relâcher efficacement les contraintes à l'interface, absorbant et dispersant ainsi l'énergie d'impact externe et améliorant la ténacité du matériau. Cependant, il convient de noter qu'une augmentation de la teneur en sulfate de baryum entraîne une diminution des performances du matériau en raison de l'agglomération.
Brillance améliorée
Le sulfate de baryum possède une forte capacité de réflexion de la lumière dans les gammes de longueurs d'onde ultraviolettes et infrarouges, ce qui lui permet d'obtenir une brillance élevée dans les formules de coloration des plastiques. En sélectionnant des particules de sulfate de baryum de granulométrie appropriée pour le remplissage du nylon, la brillance de surface des produits transformés peut être considérablement améliorée. De plus, l'indice de réfraction du sulfate de baryum est similaire à celui des polymères tels que le nylon, ce qui lui permet de conserver la brillance et la teinte du pigment colorant.
Applications pratiques
Dans les applications pratiques, le sulfate de baryum est généralement dispersé uniformément dans la matrice de nylon sous forme de nanomètres par mélange à l'état fondu. Cette méthode exploite l'effet de taille, la grande surface spécifique et la forte force interfaciale du sulfate de baryum nanométrique, et combine parfaitement la rigidité, la stabilité dimensionnelle et la stabilité thermique du sulfate de baryum avec la ténacité, l'aptitude à la transformation et les propriétés diélectriques du nylon, obtenant ainsi d'excellentes performances globales.
Le sulfate de baryum a montré des améliorations significatives de la résistance, de la ténacité et de la brillance lors de la modification du nylon. Un contrôle rationnel de la teneur et de la granulométrie du sulfate de baryum permet d'optimiser les propriétés mécaniques du nylon, d'améliorer la durabilité et l'esthétique du produit, d'équilibrer performances et coûts, d'optimiser la formulation pour des scénarios spécifiques et d'élargir ainsi le champ d'application du nylon.
À quoi devons-nous prêter attention lors de la préparation de monocristaux de carbure de silicium de haute qualité ?
Les méthodes actuelles de préparation de monocristaux de carbure de silicium comprennent principalement : le transport physique en phase vapeur (PVT), la croissance de la solution de germination supérieure (TSSG) et le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HT-CVD).
Parmi elles, la méthode PVT présente les avantages d'un équipement simple, d'un contrôle opérationnel aisé, d'un prix d'équipement et d'un coût d'exploitation réduits, et est devenue la méthode principale utilisée en production industrielle.
1. Technologie de dopage de la poudre de carbure de silicium
Le dopage d'une quantité appropriée de Ce dans la poudre de carbure de silicium permet d'obtenir une croissance stable du monocristal de 4H-SiC. La pratique a démontré que le dopage de Ce dans la poudre permet d'augmenter la vitesse de croissance des cristaux de carbure de silicium et d'accélérer leur croissance ; il permet de contrôler l'orientation du carbure de silicium, rendant la direction de croissance cristalline plus uniforme et plus régulière ; il inhibe la formation d'impuretés dans le cristal, réduit la formation de défauts et facilite l'obtention de monocristaux et de cristaux de haute qualité ; il inhibe la corrosion de la face arrière du cristal et augmente le taux de monocristallisation.
2. Technologie de contrôle du gradient de température axial et radial
Le gradient de température axial affecte principalement la forme et l'efficacité de la croissance cristalline. Un gradient de température trop faible entraîne l'apparition d'impuretés pendant le processus de croissance cristalline et affecte également la vitesse de transport des substances en phase gazeuse, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de croissance cristalline. Des gradients de température axiaux et radiaux appropriés favorisent la croissance rapide des cristaux de SiC et maintiennent la stabilité de leur qualité.
3. Technologie de contrôle des dislocations du plan basal (DBP)
La principale cause de la formation de défauts DBP est une contrainte de cisaillement supérieure à la contrainte de cisaillement critique du cristal de SiC, ce qui entraîne l'activation du système de glissement. La DBP étant perpendiculaire à la direction de croissance cristalline, elle est principalement générée pendant le processus de croissance cristalline et son refroidissement ultérieur.
4. Technologie de contrôle de l'ajustement du rapport des composants en phase gazeuse
Lors du processus de croissance cristalline, l'augmentation du rapport carbone-silicium des composants en phase gazeuse dans l'environnement de croissance est une mesure efficace pour obtenir une croissance stable d'un monocristal. Un rapport carbone-silicium élevé, capable de réduire l'agrégation par étapes importantes et de préserver l'héritage des informations de croissance à la surface du cristal germe, peut inhiber la génération de polymorphes.
5. Technologie de contrôle des faibles contraintes
Pendant le processus de croissance cristalline, la présence de contraintes provoque une courbure du plan cristallin interne du cristal de SiC, ce qui entraîne une mauvaise qualité du cristal, voire sa fissuration. De fortes contraintes entraînent une augmentation de la dislocation du plan basal de la plaquette. Ces défauts pénètrent dans la couche épitaxiale pendant le processus et affectent sérieusement les performances du dispositif ultérieur.
À l'avenir, la technologie de préparation de monocristaux de SiC de haute qualité évoluera dans plusieurs directions :
Grande taille
La préparation de monocristaux de carbure de silicium de grande taille peut améliorer l'efficacité de la production et réduire les coûts, tout en répondant aux besoins des dispositifs haute puissance.
Haute qualité
Des monocristaux de carbure de silicium de haute qualité sont essentiels pour obtenir des dispositifs hautes performances. Bien que la qualité des monocristaux de carbure de silicium ait été considérablement améliorée, certains défauts, tels que des microtubes, des dislocations et des impuretés, subsistent. Ces défauts affectent les performances et la fiabilité du dispositif.
Faible coût
Le coût de préparation des monocristaux de carbure de silicium est élevé, ce qui limite leur application dans certains domaines. Il est possible de réduire ce coût en optimisant le processus de croissance, en améliorant l'efficacité de la production et en réduisant le coût des matières premières.
Intelligent
Grâce au développement de technologies telles que l'intelligence artificielle et le big data, la technologie de croissance des cristaux de carbure de silicium deviendra progressivement intelligente. Le processus de croissance peut être surveillé et contrôlé en temps réel grâce à des capteurs, des systèmes de contrôle automatique et d'autres équipements afin d'améliorer sa stabilité et sa contrôlabilité. Parallèlement, l'analyse du big data et d'autres technologies peuvent être utilisées pour analyser et optimiser les données de croissance afin d'améliorer la qualité et l'efficacité de la production des cristaux.
La technologie de préparation de monocristaux de carbure de silicium de haute qualité est l'un des points forts de la recherche actuelle sur les matériaux semi-conducteurs. Avec les progrès continus de la science et de la technologie, la technologie de croissance des cristaux de carbure de silicium continuera de se développer et de s'améliorer, offrant une base plus solide pour l'application du carbure de silicium dans les domaines de la haute température, de la haute fréquence, de la haute puissance et d'autres domaines.
Comment équilibrer la résistance et le coût du talc dans la modification du plastique ?
Dans l'industrie actuelle des plastiques, les plastiques modifiés suscitent un vif intérêt pour leurs excellentes performances et leurs nombreux domaines d'application. Le talc, charge minérale inorganique importante, joue un rôle essentiel dans la modification des plastiques.
Le talc permet non seulement d'améliorer efficacement les propriétés physiques des produits plastiques, mais aussi de réduire leurs coûts de production dans une certaine mesure. Cependant, la maîtrise des coûts tout en garantissant la résistance est devenue un enjeu majeur dans la modification des plastiques. Lorsque le talc est utilisé dans la modification des plastiques, comment équilibrer le module de flexion, la résistance aux chocs, etc., et le coût en ajustant la quantité de talc ajoutée et ses caractéristiques ?
Le talc est un silicate de magnésium naturel à structure feuilletée. Dans la modification des plastiques, le talc peut améliorer significativement la rigidité, la dureté superficielle, la résistance au fluage thermique, l'isolation électrique et la stabilité dimensionnelle des produits plastiques. Parallèlement, il peut également augmenter la résistance aux chocs des plastiques et améliorer leur fluidité et leurs propriétés de mise en œuvre. Cet effet de renforcement provient principalement de la structure micro-feuilletée du talc, qui permet de former des points de réticulation physique efficaces dans la matrice plastique, améliorant ainsi les performances globales du plastique.
Le module de flexion est un indicateur important pour mesurer la capacité des plastiques à résister aux déformations par flexion. L'ajout de talc aux plastiques peut améliorer considérablement ce module. En effet, la structure rigide du talc améliore la capacité de support du squelette des plastiques, réduisant ainsi leur risque de flexion et de déformation sous l'effet de forces externes. Cependant, il convient de noter qu'une augmentation de la quantité de talc ajoutée entraîne une augmentation de la viscosité du système, ce qui peut affecter les performances de mise en œuvre du plastique. Par conséquent, dans les applications pratiques, il est nécessaire de prendre en compte de manière exhaustive l'amélioration du module de flexion et l'équilibre des performances de mise en œuvre.
La résistance aux chocs est un indicateur important pour mesurer la capacité des plastiques à résister aux charges d'impact. L'ajout d'une quantité appropriée de talc aux plastiques peut améliorer la résistance aux chocs dans une certaine mesure. Cependant, une quantité de talc ajoutée trop importante peut entraîner une diminution de la force de liaison gravitationnelle entre les molécules de plastique, affectant ainsi la résistance aux chocs. Par conséquent, pour obtenir une résistance élevée, il est nécessaire de contrôler judicieusement la quantité de talc ajoutée afin d'éviter tout impact négatif sur la résistance aux chocs.
En modification des plastiques, la clé de l'équilibre résistance/coût réside dans une sélection judicieuse des variétés de talc, de la granulométrie et de la quantité ajoutée. Voici quelques stratégies spécifiques :
1. Choisir un talc de haute qualité
Un talc de haute qualité présente une pureté supérieure et une structure en paillettes plus complète, ce qui permet d'améliorer efficacement les performances des plastiques. Bien que son prix soit relativement élevé, l'amélioration des performances qu'il apporte compense souvent l'augmentation du coût et apporte même une plus grande valeur ajoutée.
2. Optimiser la distribution granulométrique du talc
Une distribution granulométrique appropriée peut améliorer l'uniformité de la dispersion du talc dans la matrice plastique, jouant ainsi un rôle de renforcement plus efficace. Parallèlement, une distribution granulométrique raisonnable peut également réduire la viscosité du système et améliorer les performances de mise en œuvre.
3. Contrôle précis de la quantité ajoutée
Un contrôle précis de la quantité de talc ajoutée permet de garantir la résistance du système tout en évitant tout impact négatif sur les propriétés telles que la résistance aux chocs. De plus, une quantité raisonnable d'ajout peut également réduire les coûts de production et accroître les avantages économiques.
4. Utilisation de talc modifié
Le talc modifié présente une plus forte affinité d'interface et une meilleure dispersibilité, ce qui permet d'améliorer plus efficacement les performances des plastiques. Bien que son prix soit relativement élevé, l'amélioration des performances et des performances de mise en œuvre qu'il apporte compense souvent son augmentation de coût.
14 méthodes de revêtement de surface de poudre ultrafine
Les poudres ultrafines sont généralement des particules d'une granulométrie de l'ordre du micromètre ou du nanomètre. Comparées aux matériaux conventionnels en vrac, elles présentent une surface spécifique, une activité de surface et une énergie de surface supérieures, ce qui leur confère d'excellentes propriétés optiques, thermiques, électriques, magnétiques, catalytiques et autres. Ces dernières années, les poudres ultrafines ont été largement étudiées comme matériaux fonctionnels et leur utilisation est de plus en plus répandue dans divers secteurs du développement économique national.
Cependant, en raison de problèmes spécifiques d'agglomération et de dispersion, les poudres ultrafines ont perdu de nombreuses propriétés intéressantes, ce qui limite considérablement leur application industrielle.
Méthodes de revêtement de surface des poudres ultrafines
1. Méthode de mélange mécanique. Utiliser des forces mécaniques telles que l'extrusion, l'impact, le cisaillement et la friction pour répartir uniformément le modificateur sur la surface externe des particules de poudre, afin que les différents composants puissent pénétrer et se diffuser les uns dans les autres pour former un revêtement. Les principales méthodes actuellement utilisées sont le broyage à billes, le broyage par agitation et l'impact à flux d'air à grande vitesse.
2. Méthode de réaction en phase solide. Mélanger et broyer plusieurs sels ou oxydes métalliques selon la formule, puis les calciner pour obtenir directement des poudres enrobées ultrafines par réaction en phase solide.
3. Méthode hydrothermale. Dans un système fermé à haute température et haute pression, l'eau est utilisée comme milieu pour créer un environnement physique et chimique spécifique, impossible à obtenir dans des conditions de pression normales. Ainsi, le précurseur de réaction est entièrement dissous et atteint un certain degré de sursaturation, formant ainsi une unité de croissance, puis nucléé et cristallisé pour obtenir une poudre composite.
4. Méthode sol-gel. Le précurseur du modificateur est d'abord dissous dans de l'eau (ou un solvant organique) pour former une solution uniforme. Le sol et le solvant sont ensuite hydrolysés ou alcoolisés pour obtenir un sol modificateur (ou son précurseur). Les particules enrobées prétraitées sont ensuite mélangées uniformément au sol pour une dispersion uniforme. Le sol est ensuite transformé en gel, puis calciné à haute température pour obtenir une poudre enrobée d'un modificateur en surface, ce qui permet de modifier la surface de la poudre.
5. Méthode de précipitation. Ajouter un précipitant à une solution contenant des particules de poudre, ou ajouter une substance capable de déclencher la génération d'un précipitant dans le système réactionnel, afin que les ions modifiés subissent une réaction de précipitation et précipitent à la surface des particules, les enrobant ainsi.
6. Méthode de coagulation hétérogène (également appelée « méthode d'hétérofloculation »). Cette méthode repose sur le principe selon lequel des particules de charges opposées à la surface peuvent s'attirer et coaguler.
7. Méthode d'enrobage par microémulsion. La poudre ultrafine à enrober est d'abord préparée à partir du minuscule noyau d'eau fourni par la microémulsion eau-dans-huile (E/H), puis enrobée et modifiée par polymérisation en microémulsion.
8. Méthode de nucléation non uniforme. Selon la théorie du procédé de cristallisation LAMER, la couche d'enrobage est formée par la nucléation et la croissance non uniformes des particules modificatrices sur la matrice de particules enrobées.
9. Méthode de placage chimique. Il s'agit du procédé de précipitation des métaux par voie chimique sans application de courant externe. Il existe trois méthodes : la méthode de remplacement, la méthode de placage par contact et la méthode de réduction.
10. Méthode du fluide supercritique. Il s'agit d'une nouvelle technologie encore en cours de recherche. En conditions supercritiques, la réduction de la pression peut entraîner une sursaturation et atteindre un taux de sursaturation élevé, permettant ainsi la cristallisation du soluté solide à partir de la solution supercritique.
11. Dépôt chimique en phase vapeur. À une température relativement élevée, le mélange gazeux interagit avec la surface du substrat, provoquant la décomposition de certains de ses composants et la formation d'un revêtement métallique ou composite sur le substrat.
12. Méthode à haute énergie. Le revêtement de nanoparticules par infrarouge, ultraviolet, rayons gamma, décharge corona, plasma, etc. est collectivement appelé méthode à haute énergie. Cette méthode utilise souvent des substances possédant des groupes fonctionnels actifs pour réaliser le revêtement de surface des nanoparticules sous l'action de particules à haute énergie.
13. Méthode de décomposition thermique par pulvérisation. Le principe du procédé consiste à pulvériser une solution mixte de plusieurs sels contenant les ions positifs requis sous forme de brouillard, à l'envoyer dans une chambre de réaction chauffée à une température définie et à générer de fines particules de poudre composite par réaction.
14. Méthode de microencapsulation. Méthode de modification de surface qui recouvre la poudre d'un film uniforme d'une certaine épaisseur. La granulométrie des microcapsules généralement préparées est comprise entre 2 et 1 000 µm, et l'épaisseur de la paroi est comprise entre 0,2 et 10 µm.
Poudre de nickel ultrafine : petite taille, grand effet !
La poudre de nickel ultrafine désigne généralement le nickel dont la granulométrie est inférieure à 1 μm. Selon la granulométrie, on distingue souvent la poudre de nickel micronique (granulométrie moyenne ≥ 1 μm), la poudre de nickel submicronique (granulométrie moyenne 0,1-1,0 μm) et la poudre de nickel nanométrique (granulométrie moyenne 0,001-0,100 μm). La poudre de nickel ultrafine se caractérise par sa petite taille, sa forte activité de surface, sa bonne conductivité et son excellente conductivité magnétique. Elle est largement utilisée dans les carbures cémentés, les condensateurs céramiques multicouches, les matériaux magnétiques, les catalyseurs à haut rendement, les boues conductrices, les matériaux absorbants, les matériaux de blindage électromagnétique, etc. De nombreux domaines exigent des poudres de nickel de haute pureté, de haute dispersibilité et de sphéricité. C'est pourquoi la préparation de poudres de nickel ultrafines sphériques présentant une bonne sphéricité, une grande pureté et une forte dispersibilité est devenue un axe de recherche majeur dans ce domaine. La poudre de nickel ultrafine est largement utilisée dans de nombreux secteurs industriels et de haute technologie en raison de sa surface spécifique élevée, de son excellente conductivité, de son activité catalytique et de ses propriétés magnétiques.
Secteurs de l'électronique et des semi-conducteurs
Condensateurs céramiques multicouches (MLCC) : La poudre de nickel ultrafine est un matériau essentiel pour les électrodes internes des MLCC. Elle remplace l'alliage traditionnel palladium/argent, un métal précieux, et réduit considérablement les coûts de fabrication, tout en répondant aux besoins des composants électroniques haute fréquence et miniaturisés.
Pâte conductrice et emballage : Grâce à sa conductivité et sa dispersibilité élevées, elle est utilisée dans les pâtes électroniques et les revêtements conducteurs des circuits imprimés (PCB) afin d'améliorer la conductivité et la dissipation thermique des appareils électroniques.
Matériaux semi-conducteurs : Utilisée comme charge conductrice dans les emballages de puces, elle améliore la conductivité thermique et la stabilité mécanique du matériau.
Stockage et conversion d'énergie
Batteries lithium-ion : Utilisée comme matériau d'électrode positive (comme le LiNiO2), elle améliore considérablement la densité énergétique et la durée de vie des batteries, notamment pour les véhicules à énergies nouvelles et les systèmes de stockage d'énergie.
Piles à combustible : Utilisées comme catalyseur (par exemple, pour la réaction hydrogène-oxygène) pour améliorer l’efficacité des réactions, réduire l’utilisation du platine, un métal précieux, et diminuer les coûts.
Supercondensateurs : Améliorent la capacité de stockage de charge des matériaux d’électrode grâce à l’optimisation des nanostructures.
Catalyse et protection de l’environnement
Pétrochimie : Utilisées comme catalyseur efficace dans l’hydrogénation, la déshydrogénation et d’autres réactions pour améliorer le rendement et la pureté du produit, comme l’hydrogénation du toluène pour produire du méthylcyclohexane.
Protection de l’environnement : Utilisées pour le traitement des gaz résiduaires et des eaux usées, la dégradation catalytique des polluants et la réduction des émissions de substances nocives.
Catalyse des nouvelles énergies : Dans la production d’hydrogène, la production efficace d’hydrogène par réaction de reformage à la vapeur (SMR) favorise le développement d’énergies propres.
Matériaux magnétiques et technologie d’absorption d’ondes
Fluide magnétique et milieu de stockage : Dispersé dans le liquide porteur pour former un fluide magnétique, ou utilisé dans des dispositifs de stockage magnétique haute densité (tels que les disques quantiques).
Matériaux de blindage électromagnétique et d'absorption des ondes : la poudre de nickel ultrafine présente d'excellentes propriétés électriques et magnétiques. Ces matériaux peuvent être obtenus en combinant de la poudre de nickel ultrafine à des matrices polymères. Les matériaux composites multicomposants, tels que le cuivre et le nickel, présentent de bonnes propriétés d'absorption et de blindage des ondes dans la plage des hautes fréquences et peuvent être utilisés comme matériaux furtifs dans cette plage. Ce revêtement conducteur à base de poudre de nickel ultrafine est largement utilisé dans les technologies de furtivité militaire et les équipements électroniques civils.
Aérospatiale et fabrication haut de gamme
Alliages haute température : additifs pour améliorer la résistance aux hautes températures et à la corrosion des alliages, adaptés aux pièces de moteurs d'avion.
Carbure cémenté : remplace le cobalt comme liant, utilisé dans les outils de coupe et les pièces résistantes à l'usure, réduisant ainsi les coûts et améliorant les performances.
Biomédecine et nouveaux matériaux
Transporteurs de médicaments, diagnostic et traitement : exploiter sa réactivité magnétique et sa biocompatibilité pour l'administration ciblée de médicaments et la détection de marqueurs magnétiques.
Impression 3D et matériaux composites : Utilisée comme charge pour le moulage par injection de métal (MIM), elle améliore les propriétés mécaniques et la précision de moulage des pièces complexes.
L'avantage de la poudre de nickel ultrafine est qu'elle remplace les métaux précieux plus coûteux, réduisant ainsi considérablement les coûts de production. Cependant, ces domaines d'application exigent que la poudre de nickel nanométrique utilisée présente une structure sphérique régulière, une petite taille et une distribution granulométrique uniforme, une bonne dispersibilité, une densité après tassement élevée, un fort pouvoir antioxydant, entre autres propriétés, ce qui complique également son processus de préparation.
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.