Keunggulan bahan karbon dalam konduktivitas termal dan pembuangan panas
Dalam industri elektronik dan optoelektronik saat ini, seiring dengan perkembangan perangkat elektronik dan produknya menuju integrasi tinggi dan komputasi tinggi, daya yang terbuang menjadi dua kali lipat. Disipasi panas secara bertahap menjadi faktor utama yang membatasi pembangunan berkelanjutan industri elektronik. Menemukan material manajemen panas dengan konduktivitas termal yang sangat baik sangat penting untuk sirkuit terpadu generasi berikutnya dan desain produk elektronik tiga dimensi.
Konduktivitas termal material keramik tradisional (seperti boron nitrida, aluminium nitrida) dan material logam (seperti tembaga, aluminium) paling banyak hanya beberapa ratus W/(m·K). Sebagai perbandingan, konduktivitas termal material karbon seperti berlian, grafit, grafena, karbon nanotube, dan serat karbon bahkan lebih menakjubkan. Misalnya, grafit memiliki konduktivitas termal teoritis hingga 4180W/mk dalam arah sejajar dengan lapisan kristal, yang hampir 10 kali lipat dari material logam tradisional seperti tembaga, perak, dan aluminium. Selain itu, material karbon juga memiliki sifat-sifat yang sangat baik seperti kepadatan rendah, koefisien ekspansi termal rendah, dan sifat mekanik suhu tinggi yang baik.
Grafena
Grafena adalah material permukaan atom karbon satu lapis yang terkelupas dari grafit. Ia memiliki struktur bidang dua dimensi berbentuk sarang lebah yang tersusun dari atom-atom karbon satu lapis yang tersusun rapat dalam segi enam beraturan. Strukturnya sangat stabil. Hubungan antara atom-atom karbon di dalam graphene sangat fleksibel. Ketika gaya eksternal diterapkan pada graphene, permukaan atom karbon akan membengkok dan berubah bentuk, sehingga atom-atom karbon tidak harus menata ulang untuk beradaptasi dengan gaya eksternal, sehingga mempertahankan stabilitas struktural. Struktur kisi yang stabil ini memberikan graphene konduktivitas termal yang sangat baik.
Karbon nanotube
Sejak ditemukannya karbon nanotube pada tahun 1991, ia telah menjadi fokus, menarik banyak ilmuwan untuk mempelajari konduktivitas termal karbon nanotube. Karbon nanotube terbuat dari lembaran grafit satu lapis atau banyak lapis yang digulung, dan dibagi menjadi tiga jenis: berdinding tunggal, berdinding ganda, dan berdinding banyak.
Struktur khusus ini memberikan karbon nanotube konduktivitas termal yang sangat tinggi. Beberapa peneliti telah menghitung bahwa konduktivitas termal karbon nanotube berdinding tunggal pada suhu ruangan adalah 3980 W/(m·K), konduktivitas termal karbon nanotube berdinding ganda adalah 3580 W/(m·K), dan konduktivitas termal karbon nanotube berdinding banyak adalah 2860 W/(m·K).
Berlian
Struktur kristal berlian adalah susunan atom karbon yang rapat dalam tetrahedron, dan semua elektron berpartisipasi dalam ikatan. Oleh karena itu, konduktivitas termal suhu ruangannya setinggi 2000~2100 W/(m·K), yang merupakan salah satu bahan dengan konduktivitas termal terbaik di alam. Fitur ini membuatnya tak tergantikan di bidang pembuangan panas kelas atas.
Serat karbon
Serat karbon diolah dengan karbonisasi suhu tinggi untuk membentuk struktur grafit turbostratik. Jika kisi grafit aksialnya berorientasi tinggi, ia dapat mencapai konduktivitas termal yang sangat tinggi. Misalnya, konduktivitas termal serat karbon berbasis pitch mesofase adalah 1100 W/(m·K), dan konduktivitas termal serat karbon yang tumbuh dengan uap dapat mencapai 1950 W/(m·K).
Grafit
Grafit memiliki struktur kristal heksagonal, yang terdiri dari enam sisi dan dua bidang dasar yang rapat. Lapisan pertama kisi heksagonal atom karbon terhuyung-huyung sejauh 1/2 dari garis diagonal heksagonal dan tumpang tindih secara paralel dengan lapisan kedua. Lapisan ketiga dan lapisan pertama diulang pada posisinya, membentuk urutan ABAB... Konduktivitas termal grafit alami sepanjang bidang kristal (002) adalah 2200 W/(m·K), dan konduktivitas termal dalam bidang grafit pirolitik yang berorientasi tinggi juga dapat mencapai 2000 W/(m·K).
Semua material karbon di atas memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi, sehingga telah menarik banyak perhatian di bidang persyaratan pembuangan panas yang tinggi. Selanjutnya, mari kita lihat beberapa material konduktif/pembuang panas berbasis karbon klasik.
Material karbon, dengan struktur kristal dan sifat fisik dan kimianya yang unik, telah menunjukkan keunggulan yang tak tergantikan di bidang konduktivitas termal dan pembuangan panas. Dengan kemajuan teknologi persiapan dan perluasan skenario aplikasi, material berbasis karbon seperti grafena dan berlian diharapkan dapat meningkatkan solusi pembuangan panas dalam industri seperti elektronik dan kedirgantaraan ke tingkat yang lebih tinggi.
Aplikasi sediaan serbuk berdasarkan teknologi plasma termal pada material manajemen termal
Miniaturisasi dan integrasi perangkat elektronik mengedepankan persyaratan pembuangan panas yang lebih tinggi untuk bahan manajemen termal berbasis polimer. Pengembangan pengisi konduktivitas termal tinggi baru untuk membangun jalur konduksi termal yang efektif adalah kunci untuk mencapai bahan manajemen termal berkinerja tinggi.
Teknologi plasma termal memiliki keuntungan besar dalam persiapan bubuk bulat berbentuk nano dan mikron, seperti bubuk silikon bulat dan bubuk alumina, karena suhunya yang tinggi, atmosfer reaksi yang dapat dikontrol, kepadatan energi yang tinggi, dan polusi yang rendah.
Teknologi plasma termal
Plasma adalah keadaan materi keempat selain padat, cair, dan gas. Ini adalah agregat netral secara elektrik yang secara keseluruhan terdiri dari elektron, kation, dan partikel netral. Menurut suhu partikel berat dalam plasma, plasma dapat dibagi menjadi dua kategori: plasma panas dan plasma dingin.
Suhu ion berat dalam plasma panas dapat mencapai 3×103 hingga 3×104K, yang pada dasarnya mencapai keadaan kesetimbangan termodinamika lokal. Dalam keadaan ini, plasma termal memiliki hubungan berikut: suhu elektron Te = suhu plasma Th = suhu eksitasi Tex = suhu reaksi ionisasi Treac, sehingga plasma termal memiliki suhu termodinamika yang seragam.
Pembuatan plasma serbuk bulat
Berdasarkan karakteristik suhu tinggi dan laju pendinginan cepat plasma termal frekuensi tinggi, teknologi deposisi uap fisik digunakan untuk membuat serbuk nano.
Ada dua cara utama untuk membuat serbuk bulat dengan plasma.
Salah satunya adalah dengan melewatkan serbuk bahan baku yang bentuknya tidak beraturan dan berukuran besar ke dalam busur plasma termal bersuhu tinggi, dan menggunakan lingkungan bersuhu tinggi yang dihasilkan oleh plasma termal untuk memanaskan dan melelehkan partikel bahan baku dengan cepat (atau melelehkan permukaan). Karena tegangan permukaan, serbuk yang meleleh membentuk bola dan memadat pada laju pendinginan yang sesuai untuk mendapatkan serbuk bulat. Yang kedua adalah dengan menggunakan serbuk atau prekursor yang tidak beraturan sebagai bahan baku dan plasma termal sebagai sumber panas bersuhu tinggi. Bahan baku bereaksi dengan partikel aktif di dalamnya dan didinginkan serta diendapkan dengan cepat untuk menghasilkan bahan serbuk yang ideal.
Dengan memanfaatkan karakteristik suhu tinggi, energi tinggi, atmosfer terkendali, dan tidak adanya polusi plasma termal, bubuk bulat dengan kemurnian tinggi, kebulatan tinggi, dan ukuran berbeda dapat disiapkan dengan mengendalikan parameter dalam proses persiapan seperti pengumpanan, laju pendinginan, dan daya plasma. Oleh karena itu, penggunaan teknologi plasma untuk menyiapkan bubuk bulat telah semakin banyak digunakan dalam energi, kedirgantaraan, industri kimia, dan bidang lainnya.
Bidang aplikasi utama dan karakteristik bubuk mikro silikon
Bubuk silika merupakan material non-logam anorganik dengan silikon dioksida sebagai komponen utamanya. Bubuk ini terbuat dari kuarsa kristal, kuarsa lebur, dll. sebagai bahan baku, dan diproses melalui penggilingan, pemeringkatan presisi, penghilangan kotoran, dan proses lainnya. Bubuk ini memiliki sifat dielektrik yang sangat baik, koefisien ekspansi termal yang rendah, dan konduktivitas termal yang tinggi. Bubuk ini banyak digunakan dalam laminasi berlapis tembaga, senyawa cetakan epoksi, material isolasi, perekat, pelapis, keramik, dan bidang lainnya.
1. Laminasi berlapis tembaga
Laminasi berlapis tembaga merupakan substrat penting untuk pembuatan papan sirkuit cetak dengan struktur "lapisan tembaga + lapisan isolasi dielektrik (resin dan material penguat) + lapisan tembaga". Ini merupakan material dasar hulu untuk berbagai sistem sirkuit.
Pilihan pengisi untuk laminasi berlapis tembaga meliputi bubuk mikro silikon, aluminium hidroksida, magnesium hidroksida, bedak talk, bubuk mika, dan material lainnya. Di antara semuanya, bubuk mikro silikon memiliki keunggulan relatif dalam ketahanan panas, sifat mekanik, sifat listrik, dan dispersibilitas dalam sistem resin. Bubuk mikro silikon dapat digunakan untuk meningkatkan ketahanan panas dan ketahanan kelembaban, meningkatkan kekakuan laminasi berlapis tembaga tipis, mengurangi koefisien ekspansi termal, meningkatkan stabilitas dimensi, meningkatkan akurasi posisi pengeboran dan kehalusan dinding bagian dalam, meningkatkan daya rekat antar lapisan atau antara lapisan isolasi dan foil tembaga, dll., sehingga bubuk mikro silikon lebih disukai dalam pengisi laminasi berlapis tembaga.
Bubuk mikro silikon bulat memiliki kinerja terbaik tetapi biaya tinggi, dan hanya digunakan di bidang laminasi berlapis tembaga kelas atas. Dalam hal konduktivitas termal, pengisian, ekspansi termal, dan sifat dielektrik, kinerja bubuk mikro silikon bulat lebih baik, tetapi dalam hal harga, bubuk mikro silikon sudut lebih rendah. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan kinerja dan biaya yang komprehensif, bubuk mikro silikon bulat saat ini terutama digunakan di bidang laminasi berlapis tembaga kelas atas, seperti laminasi berlapis tembaga frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi, pembawa IC, dll., dan semakin tinggi skenario aplikasinya, semakin tinggi rasio penambahannya.
2. Senyawa cetakan epoksi
Senyawa cetakan epoksi adalah senyawa cetakan bubuk yang terbuat dari resin epoksi sebagai resin dasar, resin fenolik berkinerja tinggi sebagai agen pengawet, bubuk silikon sebagai pengisi, dan berbagai aditif. Ini adalah bahan penting untuk kemasan semikonduktor seperti sirkuit terpadu (lebih dari 97% kemasan semikonduktor menggunakan senyawa cetakan epoksi).
3. Bahan isolasi listrik
Bubuk silikon yang digunakan dalam produk isolasi listrik dapat secara efektif mengurangi koefisien ekspansi linier dari produk yang diawetkan dan laju penyusutan selama proses pengawetan, mengurangi tegangan internal, dan meningkatkan kekuatan mekanis bahan isolasi, sehingga secara efektif meningkatkan dan memperbaiki sifat mekanis dan listrik dari bahan isolasi. Oleh karena itu, persyaratan fungsional pelanggan di bidang ini untuk bubuk mikro silikon lebih tercermin dalam koefisien ekspansi linier rendah, isolasi tinggi dan kekuatan mekanis tinggi, sedangkan persyaratan untuk sifat dielektrik dan konduktivitas termalnya relatif rendah.
Di bidang bahan isolasi listrik, produk bubuk mikro silikon spesifikasi tunggal dengan ukuran partikel rata-rata 5-25µm biasanya dipilih sesuai dengan karakteristik produk isolasi listrik dan persyaratan proses produksinya, dan persyaratan tinggi ditempatkan pada keputihan produk, distribusi ukuran partikel, dll.
4. Perekat
Bubuk mikro silikon yang diisi dalam resin perekat dapat secara efektif mengurangi koefisien ekspansi linier dari produk yang diawetkan dan laju penyusutan selama pengawetan, meningkatkan kekuatan mekanis perekat, meningkatkan ketahanan panas, antipermeabilitas dan kinerja pembuangan panas, sehingga meningkatkan efek ikatan dan penyegelan.
Distribusi ukuran partikel bubuk mikro silikon akan memengaruhi viskositas dan sedimentasi perekat, sehingga memengaruhi kemampuan proses perekat dan koefisien ekspansi linier setelah pengawetan.
5. Keramik sarang lebah
Pembawa keramik sarang lebah untuk pemurnian gas buang mobil dan filter gas buang mobil berbahan kordierit DPF untuk pemurnian gas buang mesin diesel terbuat dari alumina, bubuk mikro silikon, dan bahan lainnya melalui proses pencampuran, pencetakan ekstrusi, pengeringan, sintering, dan proses lainnya. Bubuk mikro silikon bulat dapat meningkatkan laju pencetakan dan stabilitas produk keramik sarang lebah.
Modifikasi pelapisan titanium dioksida
Modifikasi pelapisan titanium dioksida (titanium dioksida) merupakan cara penting untuk meningkatkan kinerjanya (seperti dispersibilitas, ketahanan cuaca, kilap, stabilitas kimia, dll.). Metode modifikasi pelapisan umum terutama mencakup tiga kategori: pelapisan anorganik, pelapisan organik, dan pelapisan komposit. Berikut ini adalah klasifikasi khusus dan pengantar singkat:
Modifikasi pelapisan anorganik
Dengan melapisi lapisan oksida atau garam anorganik pada permukaan partikel titanium dioksida, penghalang fisik terbentuk untuk meningkatkan stabilitas kimianya dan sifat optiknya.
1. Pelapisan oksida
Prinsip: Gunakan hidrat oksida logam (seperti SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, dll.) untuk mengendapkan pada permukaan titanium dioksida untuk membentuk lapisan pelapis yang seragam.
Proses: Biasanya melalui metode pengendapan fase cair, garam logam (seperti natrium silikat, aluminium sulfat) ditambahkan ke bubur titanium dioksida, dan nilai pH disesuaikan untuk mengendapkan dan melapisi hidrat oksida logam.
2. Pelapisan oksida komposit
Prinsip: Melapisi dua atau lebih oksida logam (seperti Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, dll.), menggabungkan keunggulan masing-masing komponen.
Fitur: Performa keseluruhan yang lebih baik, misalnya, pelapisan Al₂O₃-SiO₂ dapat secara bersamaan meningkatkan daya sebar dan ketahanan terhadap cuaca, cocok untuk cat otomotif dan pelapis koil yang banyak diminati.
3. Pelapisan garam
Prinsip: Menggunakan garam logam (seperti fosfat, silikat, sulfat, dll.) untuk membentuk lapisan garam yang sukar larut pada permukaan titanium dioksida.
Modifikasi pelapisan organik
Melalui reaksi senyawa organik dengan gugus hidroksil pada permukaan titanium dioksida, lapisan molekul organik terbentuk untuk meningkatkan kompatibilitasnya dengan media organik.
1. Pelapisan agen penggandeng
Prinsip: Menggunakan struktur amfifilik molekul agen penggandeng (seperti silana, titanat, aluminat), salah satu ujungnya digabungkan dengan gugus hidroksil pada permukaan titanium dioksida, dan ujung lainnya bereaksi dengan matriks organik (seperti resin, polimer).
Agen penggandeng silana: Meningkatkan dispersibilitas titanium dioksida dalam sistem berbasis air, yang umum digunakan dalam pelapis dan tinta berbasis air.
Agen penggandeng titanat/aluminat: Meningkatkan kompatibilitas dalam sistem berminyak seperti plastik dan karet, dan mengurangi penggumpalan selama pemrosesan.
2. Pelapisan surfaktan
Prinsip: Surfaktan (seperti asam lemak, sulfonat, garam amonium kuarterner, dll.) menempel pada permukaan titanium dioksida melalui penyerapan fisik atau reaksi kimia untuk membentuk lapisan muatan atau lapisan hidrofobik.
Fungsi:
Surfaktan anionik (seperti asam stearat): Meningkatkan dispersibilitas dalam media berminyak, yang umum digunakan dalam plastik dan karet.
Surfaktan kationik (seperti dodecyltrimethylammonium chloride): Cocok untuk sistem polar guna meningkatkan stabilitas.
3. Pelapisan polimer
Prinsip: Mencangkok polimer (seperti akrilat, resin epoksi, siloksan, dll.) pada permukaan titanium dioksida melalui reaksi polimerisasi.
Fungsi:
Membentuk lapisan pelapis tebal untuk lebih mengisolasi erosi kimia dan meningkatkan ketahanan cuaca dan sifat mekanis.
Meningkatkan kompatibilitas dengan resin tertentu, cocok untuk bahan komposit dan pelapis berkinerja tinggi.
4. Pelapisan silikon
Prinsip: Menggunakan karakteristik energi permukaan rendah dari polisiloksan (minyak silikon, resin silikon, dll.) untuk melapisi partikel titanium dioksida.
Fungsi: Mengurangi tegangan permukaan, meningkatkan dispersibilitas dan kehalusan, yang umum digunakan dalam tinta dan kosmetik.
III. Modifikasi pelapis komposit
Menggabungkan keunggulan pelapis anorganik dan organik, pelapisan ganda dilakukan secara bertahap atau bersamaan untuk mencapai kinerja yang saling melengkapi.
1. Pelapisan anorganik terlebih dahulu, kemudian organik
2. Pelapisan sinkron anorganik-organik
Teknologi pelapisan khusus lainnya
1. Pelapisan nano
2. Pelapisan mikrokapsul
Prinsip: Enkapsulasi partikel titanium dioksida dalam mikrokapsul polimer, lepaskan titanium dioksida dengan mengendalikan kondisi pecahnya kapsul (seperti suhu, nilai pH), cocok untuk pelapis pintar dan sistem pelepasan lambat.
Bahan paduan magnesium dalam ekonomi dataran rendah
Sebagai material yang ringan, paduan magnesium telah menjadi pilihan ideal untuk pesawat ekonomis di ketinggian rendah karena kepadatannya yang rendah, kekuatan yang tinggi, kemampuan penyerapan guncangan, dan perisai gelombang elektromagnetik. Dibandingkan dengan material tradisional, paduan magnesium lebih ringan, dapat memperpanjang waktu penerbangan secara signifikan, dan meningkatkan efisiensi energi. Selain itu, kemampuan penyerapan guncangan dan perisai elektromagnetik dari paduan magnesium juga dapat meningkatkan keselamatan pengoperasian dan kompatibilitas elektromagnetik pesawat di lingkungan yang kompleks.
Pesawat lepas landas dan mendarat vertikal elektrik (eVTOL)
Rangka sekering: Kepadatan paduan magnesium hanya 2/3 dari paduan aluminium dan 1/4 dari baja. Menggunakannya untuk rangka badan pesawat dapat secara signifikan mengurangi berat pesawat, meningkatkan kapasitas beban, dan jangkauan. Misalnya, eVTOL kargo 2 ton milik Fengfei Aviation menggunakan paduan magnesium untuk memproduksi beberapa komponen rangka badan pesawat, yang secara efektif mencapai bobot yang ringan sekaligus memastikan kekuatan struktural.
Struktur sayap: Paduan magnesium memiliki kekuatan spesifik yang tinggi dan dapat mempertahankan stabilitas struktural sayap di bawah beban aerodinamis yang besar, sekaligus mengurangi berat sayap, yang membantu meningkatkan kinerja penerbangan pesawat.
Rumah motor: Paduan magnesium memiliki konduktivitas termal dan sifat pelindung elektromagnetik yang baik, yang secara efektif dapat menghilangkan panas yang dihasilkan oleh pengoperasian generator, melindungi sirkuit internal motor dari gangguan elektromagnetik, memperpanjang masa pakai motor, dan meningkatkan efisiensi pengoperasian motor. Misalnya, rumah motor mobil terbang listrik pintar Traveler X2 Xiaopeng Huitian terbuat dari bahan paduan magnesium.
Kompartemen baterai: Paduan magnesium dapat digunakan untuk memproduksi kompartemen baterai. Kepadatannya yang rendah membantu mengurangi berat keseluruhan pesawat, dan kinerja pelindung elektromagnetiknya dapat mencegah baterai terganggu oleh gangguan elektromagnetik eksternal, memastikan keamanan dan pengoperasian baterai yang stabil.
Braket panel instrumen: Braket panel instrumen paduan magnesium memiliki kekakuan dan stabilitas yang baik, dan dapat mendukung berbagai perangkat dan perangkat tampilan panel instrumen eVTOL. Pada saat yang sama, karakteristiknya yang ringan juga membantu mengurangi berat keseluruhan pesawat.
UAV
Rangka badan pesawat: Paduan magnesium memiliki kepadatan rendah, yang dapat secara signifikan mengurangi berat pesawat tanpa awak, meningkatkan daya tahan dan kapasitas beban, dan kekuatan spesifik yang tinggi dapat memastikan bahwa badan pesawat dapat menahan berbagai tekanan selama penerbangan. Misalnya, pesawat tanpa awak multi-rotor "Hybrid Flyer" dengan rangka paduan magnesium sekitar 30% lebih ringan daripada rangka material tradisional, dan waktu ketahanannya juga diperpanjang.
Sayap dan ekor: dapat digunakan untuk membuat struktur pendukung internal atau keseluruhan kulit sayap dan ekor, sekaligus memastikan kekuatan struktural dan kinerja aerodinamis, mengurangi hambatan terbang dan konsumsi energi pesawat tanpa awak, serta meningkatkan efisiensi dan fleksibilitas penerbangan.
Braket papan sirkuit kontrol: memberikan dukungan yang stabil untuk papan sirkuit kontrol. Karakteristiknya yang ringan membantu menurunkan pusat gravitasi pesawat tanpa awak dan meningkatkan stabilitas penerbangan. Pada saat yang sama, kinerja pelindung elektromagnetik dapat mengurangi interferensi elektromagnetik antara papan sirkuit dan memastikan transmisi sinyal kontrol yang akurat.
Casing sensor: digunakan untuk membungkus berbagai sensor, seperti kamera, modul GPS, dll., sekaligus melindungi sensor, mengurangi berat muatan drone, memungkinkan drone membawa lebih banyak peralatan atau memperpanjang waktu terbang, dan ketahanan korosi paduan magnesium dapat beradaptasi dengan persyaratan kerja sensor di berbagai lingkungan.
Propeler: paduan magnesium dapat digunakan untuk memproduksi baling-baling. Kepadatan rendah dan kekuatan spesifik tinggi membantu meningkatkan efisiensi putaran baling-baling, mengurangi konsumsi energi, mengurangi berat, dan dengan demikian meningkatkan kinerja drone secara keseluruhan.
Bobot magnesium yang ringan, biaya rendah, dan cadangan tinggi membuatnya lebih menguntungkan daripada material tradisional, dan diharapkan dapat memecahkan dilema biaya bahan baku yang tinggi dan efisiensi pengoperasian yang rendah dalam konstruksi ekonomi dataran rendah. Dengan kemajuan teknologi produksi paduan magnesium yang berkelanjutan, produksi skala besar akan semakin mengurangi biaya, sehingga mendorong penerapannya dalam skala besar di bidang dataran rendah.
Sifat material komposit serat kaca
Fiberglass adalah material yang terdiri dari banyak serat kaca yang sangat halus. Fiberglass dibuat dengan memaksa kaca cair melewati saringan, yang memutarnya menjadi benang dan kemudian menggabungkannya untuk membentuk serat kaca.
Komposit fiberglass adalah material plastik bertulang yang terdiri dari serat kaca yang tertanam dalam matriks resin. Komposit fiberglass memiliki kekuatan spesifik yang sangat baik, ringan tetapi memiliki sifat mekanis yang mendekati logam; komposit ini antikarat dan dapat menahan lingkungan asam, alkali, lembap, dan semprotan garam untuk waktu yang lama, dan memiliki masa pakai yang lebih lama daripada material logam tradisional; kinerjanya dapat dioptimalkan dengan menyesuaikan susunan serat dan jenis resin, dan dapat diproses menjadi bentuk yang kompleks; komposit ini tidak menghantarkan listrik dan transparan terhadap gelombang elektromagnetik, dan cocok untuk komponen fungsional khusus seperti peralatan listrik dan kubah kaca; dibandingkan dengan material komposit kelas atas seperti serat karbon, fiberglass lebih murah dan merupakan pilihan material berkinerja tinggi yang ekonomis.
Bahan komposit serat kaca yang digunakan dalam ekonomi dataran rendah
Banyak digunakan dalam bidang drone
Badan pesawat dan komponen struktural: Plastik yang diperkuat serat kaca (GFRP) banyak digunakan dalam komponen struktural utama seperti badan pesawat, sayap, dan ekor drone karena ringan dan kuat.
Bahan Bilah: Dalam pembuatan baling-baling drone, fiberglass digunakan dalam kombinasi dengan bahan seperti nilon untuk meningkatkan kekakuan dan daya tahan.
Bahan penting untuk pesawat lepas landas dan mendarat vertikal elektrik (eVTOL)
Rangka sekering dan sayap: Pesawat eVTOL memiliki persyaratan yang sangat tinggi untuk bobot yang ringan, dan bahan komposit yang diperkuat serat kaca sering digunakan dalam kombinasi dengan serat karbon untuk mengoptimalkan struktur badan pesawat dan mengurangi biaya.
Komponen fungsional: Serat kaca juga digunakan dalam perangkat avionik eVTOL (seperti penguat daya RF), dan ketahanan suhu tinggi serta sifat insulasinya menjadikannya pilihan yang ideal.
Sebagai bahan dasar yang strategis dalam ekonomi dataran rendah, serat kaca memiliki prospek aplikasi yang luas dalam drone, eVTOL, dan bidang lainnya. Dengan dukungan kebijakan dan kemajuan teknologi, permintaan pasarnya akan terus tumbuh dan menjadi kekuatan penting dalam mendorong pengembangan ekonomi dataran rendah.
Emas yang terabaikan: bubuk pemoles tanah jarang
Bubuk pemoles berbasis cerium tanah jarang merupakan bubuk pemoles tanah jarang yang umum saat ini. Bubuk ini memiliki kinerja pemolesan yang sangat baik dan dapat meningkatkan hasil akhir permukaan produk atau komponen. Bubuk ini dikenal sebagai "raja bubuk pemoles". Industri pengolahan kaca dan industri elektronik merupakan bidang aplikasi hilir utama bubuk pemoles tanah jarang. Limbah bubuk pemoles tanah jarang yang gagal setelah pemolesan mencapai sekitar 70% dari hasil produksi setiap tahun. Komponen limbah utamanya berasal dari residu limbah bubuk pemoles tanah jarang, cairan limbah, pecahan kaca dari benda kerja pemoles, kulit gerinda (polimer organik) dari kain pemoles, minyak dan kotoran lainnya, dan proporsi komponen tanah jarang adalah 50%. Cara membuang bubuk pemoles tanah jarang yang gagal telah menjadi masalah utama bagi perusahaan aplikasi hilir.
Saat ini, metode yang umum digunakan untuk mendaur ulang limbah bubuk pemoles tanah jarang adalah pemisahan fisik dan pemisahan kimia.
Metode pemisahan fisik
(1) Metode flotasi
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi flotasi telah banyak digunakan dalam pengolahan limbah padat. Karena perbedaan hidrofilisitas komponen dalam bubuk pemoles tanah jarang limbah, agen flotasi yang berbeda dipilih untuk meningkatkan afinitas komponen dalam larutan berair, meninggalkan partikel hidrofilik di dalam air, sehingga mencapai tujuan pemisahan. Namun, ukuran partikel bubuk pemoles memengaruhi laju pemulihan flotasi, dan kemurnian pemulihan tidak cukup.
Selama flotasi, kolektor yang berbeda dipilih, dan efek penghilangan pengotor sangat bervariasi. Yang Zhiren dkk. menemukan bahwa ketika pH asam stirenafosfonat adalah 5, laju pemulihan cerium oksida dan lantanum oksida setelah flotasi mencapai 95%, sedangkan laju pemulihan kalsium fluorida dan fluoroapatit paling banyak hanya 20%. Partikel dengan diameter kurang dari 5 mikron perlu dipisahkan lebih lanjut untuk menghilangkan pengotor karena efek flotasi yang buruk.
(2) Metode pemisahan magnetik
Bubuk pemoles tanah jarang limbah memiliki sifat magnet. Berdasarkan hal ini, Mishima dkk. merancang perangkat dengan medan magnet vertikal untuk memulihkan bubur pemoles tanah jarang. Ketika laju alir bubur bubuk limbah adalah 20 mm/s, waktu sirkulasi adalah 30 menit, konsentrasi bubur adalah 5%, dan pH bubur adalah 3, efisiensi pemisahan cerium dioksida dan flokulan besi dapat mencapai 80%. Jika arah medan magnet diubah menjadi gradien horizontal dan kemudian larutan MnCl2 ditambahkan, silikon dioksida dan aluminium oksida dengan sifat magnet yang berlawanan dapat dipisahkan dari cerium dioksida.
(3) Metode lain
Takahashi dkk. membekukan bubur bubuk limbah yang partikelnya tidak mudah mengendap pada suhu -10°C, dan kemudian mencairkannya dalam lingkungan bersuhu 25°C. Kotoran dan oksida tanah jarang membentuk lapisan, yang memfasilitasi agregasi dan pemulihan zat-zat bermanfaat dalam limbah.
Metode pemisahan kimia
Metode kimia terutama mengadopsi proses pemulihan setelah pelarutan asam dan pemanggangan alkali, dan menggunakan zat pereduksi sebagai reagen tambahan untuk mendapatkan bahan baku bubuk pemoles tanah jarang melalui penghilangan pengotor, ekstraksi, dan pengendapan. Metode ini memiliki tingkat pemulihan tanah jarang yang tinggi, tetapi prosesnya lama dan biayanya tinggi. Asam kuat atau alkali kuat yang berlebihan menghasilkan sejumlah besar air limbah. (1) Pengolahan alkali
Aluminium oksida dan silikon dioksida merupakan pengotor utama dalam limbah bubuk pemoles tanah jarang. Gunakan larutan NaOH 4 mol/L untuk bereaksi dengan limbah bubuk pemoles tanah jarang selama 1 jam pada suhu 60°C untuk menghilangkan pengotor silikon dioksida dan aluminium oksida dalam limbah bubuk pemoles tanah jarang.
(2) Pengolahan asam
Saat memulihkan unsur tanah jarang dari limbah bubuk pemoles, asam nitrat, asam sulfat, dan asam klorida sering digunakan untuk pelindian. Serium dioksida, komponen utama limbah bubuk pemoles tanah jarang, sedikit larut dalam asam sulfat.
(3) Pelindian asam dengan bantuan agen pereduksi
Jika CeO2 dilindi secara langsung dengan asam, efeknya tidak ideal. Jika agen pereduksi ditambahkan untuk mereduksi Ce4+ menjadi Ce3+, laju pelindian tanah jarang dapat ditingkatkan. Penggunaan agen pereduksi H2O2 untuk membantu pelindian asam klorida pada limbah bubuk pemoles tanah jarang dapat meningkatkan hasil eksperimen secara signifikan.
Enam jalur proses untuk kaca kuarsa dengan kemurnian tinggi
Kaca kuarsa memiliki kemurnian tinggi, transmitansi spektral tinggi, koefisien ekspansi termal rendah, dan ketahanan yang sangat baik terhadap guncangan termal, korosi, dan radiasi ultraviolet yang dalam. Kaca ini banyak digunakan dalam bidang manufaktur industri kelas atas seperti optik, kedirgantaraan, dan semikonduktor.
Kaca kuarsa dapat diklasifikasikan menurut proses persiapannya. Ada dua jenis bahan baku utama untuk menyiapkan kaca kuarsa. Jenis pertama adalah pasir kuarsa dengan kemurnian tinggi, yang digunakan untuk peleburan listrik dan pemurnian gas untuk menyiapkan kaca kuarsa lebur pada suhu tinggi melebihi 1800°C; jenis kedua adalah senyawa yang mengandung silikon, yang digunakan untuk menyiapkan kaca kuarsa sintetis melalui reaksi kimia.
Metode peleburan listrik
Metode peleburan listrik adalah melelehkan bahan baku kuarsa bubuk dalam wadah dengan pemanasan listrik, dan kemudian membentuk kaca kuarsa melalui proses vitrifikasi pendinginan cepat. Metode pemanasan utama meliputi resistansi, busur, dan induksi frekuensi menengah.
Metode pemurnian gas
Secara industri, metode pemurnian gas sedikit lebih lambat daripada metode peleburan listrik. Metode ini menggunakan nyala api hidrogen-oksigen untuk melelehkan kuarsa alami, dan kemudian secara bertahap menumpuknya pada permukaan target kaca kuarsa. Kaca kuarsa lebur yang diproduksi dengan metode pemurnian gas terutama digunakan untuk sumber cahaya listrik, industri semikonduktor, lampu xenon bulat, dll. Pada awalnya, tabung kaca kuarsa transparan berkaliber besar dan wadah peleburan langsung dilebur dengan pasir kuarsa dengan kemurnian tinggi pada peralatan khusus menggunakan nyala api hidrogen-oksigen. Sekarang metode pemurnian gas umumnya digunakan untuk menyiapkan ingot kuarsa, dan kemudian ingot kuarsa diproses dingin atau panas untuk membuat produk kaca kuarsa yang dibutuhkan.
Metode CVD
Prinsip metode CVD adalah memanaskan cairan SiCl4 yang mudah menguap untuk membuatnya menjadi gas, dan kemudian membiarkan SiCl4 yang berbentuk gas memasuki nyala api hidrogen-oksigen yang terbentuk oleh pembakaran hidrogen dan oksigen di bawah dorongan gas pembawa (O2), bereaksi dengan uap air pada suhu tinggi untuk membentuk partikel amorf, mengendap pada substrat pengendapan yang berputar, dan kemudian meleleh pada suhu tinggi untuk membentuk kaca kuarsa. Metode PCVD
Proses PCVD pertama kali diusulkan oleh Corning pada tahun 1960-an. Proses ini menggunakan plasma untuk menggantikan nyala api hidrogen-oksigen sebagai sumber panas untuk menyiapkan kaca kuarsa. Suhu nyala api plasma yang digunakan dalam proses PCVD jauh lebih tinggi daripada nyala api biasa. Suhu intinya dapat mencapai 15000K, dan suhu rata-ratanya adalah 4000~5000K. Gas kerja dapat dipilih dengan tepat sesuai dengan persyaratan proses tertentu.
Metode CVD dua langkah
Metode CVD tradisional juga disebut metode satu langkah atau metode langsung. Karena uap air terlibat dalam reaksi, kandungan hidroksil dalam kaca kuarsa yang disiapkan dengan metode CVD satu langkah umumnya tinggi dan sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kekurangan ini, para insinyur menyempurnakan metode CVD satu langkah dan mengembangkan metode CVD dua langkah, yang juga disebut metode sintesis tidak langsung.
Modifikasi Termal
Metode modifikasi termal pertama-tama melunakkan bahan dasar kaca kuarsa dengan memanaskannya, lalu memperoleh produk yang diinginkan melalui metode seperti penenggelaman palung dan penarikan. Dalam tungku modifikasi termal, badan tungku dipanaskan dengan pemanasan induksi elektromagnetik. Arus bolak-balik yang dialirkan melalui kumparan induksi dalam tungku menghasilkan medan elektromagnetik bolak-balik di ruang angkasa, dan medan elektromagnetik tersebut bekerja pada elemen pemanas untuk menghasilkan arus dan panas. Saat suhu naik, bahan dasar kaca kuarsa melunak, dan pada saat ini, batang/tabung kaca kuarsa dapat dibentuk dengan menariknya ke bawah menggunakan traktor. Dengan menyesuaikan suhu dalam tungku dan kecepatan penarikan, batang/tabung kaca kuarsa dengan diameter berbeda dapat ditarik. Susunan kumparan dan struktur tungku dari tungku pemanas induksi elektromagnetik memiliki pengaruh besar pada medan suhu dalam tungku. Dalam produksi aktual, medan suhu dalam tungku perlu dikontrol secara ketat untuk memastikan kualitas produk kaca kuarsa.
Apa saja jenis dan aplikasi luas bentonit?
Bentonit terbagi menjadi beberapa jenis, seperti bentonit natrium, bentonit kalsium, bentonit hidrogen, dan bentonit organik, berdasarkan perbedaan kation antarlapisan.
Bentonit natrium: Bentonit ini memiliki daya kembang, daya serap air, daya rekat, dan plastisitas yang sangat baik, dan merupakan jenis bentonit yang paling banyak digunakan.
Bentonit kalsium: Dibandingkan dengan bentonit natrium, daya kembang dan daya rekatnya sedikit lebih lemah, tetapi harganya lebih ekonomis, dan cocok untuk beberapa kesempatan dengan persyaratan kinerja yang rendah.
Bentonit hidrogen: Bentonit ini memiliki sifat kimia khusus dan dapat memberikan sifat unik dalam kondisi tertentu, seperti stabilitas suhu tinggi.
Bentonit organik: Melalui modifikasi organik, bentonit ini memiliki dispersibilitas, suspensi, dan stabilitas yang lebih baik, dan cocok untuk bidang aplikasi tingkat tinggi.
Aplikasi bentonit yang luas
Fleksibilitas bentonit membuatnya memainkan peran penting dalam berbagai bidang, dan jangkauan bidang aplikasinya yang luas sungguh menakjubkan.
Bidang konstruksi: Bentonit banyak digunakan dalam produksi bahan insulasi suara dan insulasi panas bangunan, pelapis kedap air, bahan dinding, dan produk lainnya karena sifatnya yang mengembang dan melekat dengan baik, sehingga memberikan dukungan kuat bagi pembangunan hijau di industri konstruksi.
Bidang perlindungan lingkungan: Bentonit memiliki kapasitas penyerapan yang kuat dan dapat menyerap zat-zat berbahaya seperti ion logam berat dan polutan organik dalam air. Bentonit merupakan bahan penting dalam bidang perlindungan lingkungan. Pada saat yang sama, bentonit juga dapat digunakan dalam konstruksi lapisan antirembesan di tempat pembuangan sampah untuk mencegah kebocoran lindi tempat pembuangan sampah secara efektif.
Bidang metalurgi: Bentonit terutama digunakan sebagai bahan pelapis tungku dalam industri metalurgi. Bentonit tahan terhadap suhu tinggi dan erosi, serta melindungi badan tungku dari terak suhu tinggi.
Bidang pertanian: Bentonit memiliki fungsi memperbaiki struktur tanah dan meningkatkan kesuburan tanah. Dengan menambahkan bentonit, permeabilitas udara dan retensi air tanah dapat ditingkatkan, dan pertumbuhan tanaman dapat ditingkatkan.
Industri pengecoran: Bentonit digunakan sebagai pelapis dan perekat dalam industri pengecoran untuk meningkatkan kualitas permukaan dan kekuatan coran.
Industri makanan: Bentonit terutama digunakan untuk pemutihan dan pemurnian dalam industri makanan, seperti penghilangan warna minyak dan lemak, pemurnian larutan gula, dll.
Pengeboran minyak: Bentonit merupakan bahan baku penting untuk lumpur pengeboran minyak, yang dapat menyesuaikan viskositas, gaya geser, dan kehilangan air dari lumpur serta meningkatkan efisiensi pengeboran.
Permintaan untuk peralatan pembuatan bubuk bentonit
Dengan perluasan area aplikasi bentonit yang berkelanjutan, permintaan untuk peralatan pembuatan bubuk bentonit juga meningkat. Saat memilih peralatan penggilingan, perlu mempertimbangkan beberapa faktor seperti kinerja peralatan, kapasitas produksi, konsumsi energi, dan layanan purnajual.
Saat memilih bubuk mineral untuk plastik, perhatikan 11 indikator ini
Bahan bubuk mineral umum yang digunakan dalam industri plastik meliputi kalsium karbonat (kalsium berat, kalsium ringan, kalsium nano), bedak, kaolin, wollastonit, bubuk brusit, bubuk mika, bubuk barit, barium sulfat, dan banyak jenis lainnya. Untuk tujuan utama penambahan pengisian, umumnya dapat digunakan hingga puluhan hingga ratusan phr. Untuk tujuan peningkatan kinerja dan pengurangan biaya, umumnya dapat digunakan hingga puluhan bagian.
Sifat pengisi mineral anorganik memiliki banyak pengaruh pada produk plastik, termasuk komposisi dan sifat fisik dan kimia, ukuran dan distribusi partikel, bentuk partikel dan sifat permukaan, serta kepadatan, kekerasan, keputihan, dll., yang berdampak pada kinerja dan persyaratan parameter proses plastik.
1. Karakteristik bentuk geometris
Pengaruh partikel pengisi dengan bentuk geometris yang berbeda pada kekuatan produk plastiknya umumnya berserat> serpihan> kolom> kubik> bulat. Pengisi serpihan membantu meningkatkan kekuatan mekanis produk, tetapi tidak kondusif untuk pemrosesan pencetakan.
2. Ukuran partikel dan karakteristik permukaan
Secara umum, semakin kecil ukuran partikel pengisi mineral nonlogam anorganik, semakin baik sifat mekanis plastik saat terdispersi secara merata. Namun, saat mengurangi ukuran partikel pengisi, teknologi pemrosesan menjadi lebih rumit dan biayanya pun meningkat.
3. Luas permukaan spesifik
Semakin besar luas permukaan spesifik, semakin baik afinitas antara pengisi dan resin, tetapi semakin sulit untuk mengaktifkan permukaan pengisi dan semakin tinggi biayanya. Namun, untuk partikel pengisi dengan volume yang sama, semakin kasar permukaannya, semakin besar luas permukaan spesifiknya.
4. Kepadatan
Partikel dengan bentuk yang berbeda memiliki ukuran dan distribusi partikel yang berbeda. Jika massanya sama, kepadatan partikel dengan kepadatan sebenarnya yang sama mungkin tidak sama karena volume penumpukan yang berbeda.
5. Kekerasan
Kekerasan yang tinggi dapat meningkatkan ketahanan aus produk, tetapi akan membuat peralatan pemrosesan menjadi aus. Orang tidak ingin manfaat penggunaan pengisi diimbangi oleh keausan peralatan pemrosesan. Untuk bahan pengisi dengan kekerasan tertentu, intensitas keausan permukaan logam peralatan pemrosesan meningkat seiring dengan peningkatan ukuran partikel bahan pengisi, dan intensitas keausannya cenderung stabil setelah ukuran partikel tertentu.
6. Warna
Untuk menghindari perubahan warna matriks material yang diisi atau efek buruk pada pewarnaan matriks, sebagian besar persyaratan produksi mengharuskan tingkat keputihan setinggi mungkin.
7. Nilai penyerapan minyak
Nilai penyerapan minyak bahan pengisi memengaruhi jumlah plasticizer yang digunakan dalam sistem pengisian dan kemampuan proses material. Bahan pengisi dengan nilai penyerapan minyak yang rendah memiliki kemampuan proses sistem pengisian yang baik dan mudah dicampur dengan resin, yang dapat mengurangi jumlah plasticizer yang digunakan.
8. Sifat optik
Beberapa produk dapat menggunakan penyerapan cahaya bahan pengisi untuk meningkatkan suhu, seperti rumah kaca plastik pertanian.
9. Sifat listrik
Kecuali grafit, sebagian besar bahan pengisi mineral anorganik adalah isolator listrik.
10. Komposisi kimia
Aktivitas kimia, sifat permukaan (efek), sifat termal, sifat optik, sifat listrik, sifat magnetik, dll. dari pengisi mineral anorganik sangat bergantung pada komposisi kimia.
11. Efek termokimia
Polimer mudah terbakar, tetapi sebagian besar pengisi mineral anorganik, karena sifatnya yang tidak mudah terbakar, mengurangi zat yang mudah terbakar setelah ditambahkan ke matriks polimer dan menunda pembakaran matriks. Pengisi tahan api yang ramah lingkungan.
Singkatnya, peran pengisi mineral non-logam anorganik dalam komposit polimer dapat diringkas sebagai peningkatan, peningkatan, dan pemberian fungsi baru. Namun, karena pengisi mineral non-logam anorganik dan polimer organik memiliki kompatibilitas yang buruk, pengisi mineral non-logam anorganik dimodifikasi untuk meningkatkan kompatibilitasnya dengan polimer organik dan menghindari dispersi tegangan yang tidak merata yang disebabkan oleh penambahan langsung.