열전도도 및 방열에 있어서 탄소소재의 장점
현재 전자 및 광전자 산업에서 전자 장치와 그 제품이 고집적화 및 고성능 컴퓨팅으로 발전함에 따라 소비 전력은 두 배로 증가했습니다. 방열은 점차 전자 산업의 지속 가능한 발전을 저해하는 핵심 요인이 되었습니다. 차세대 집적 회로 및 3차원 전자 제품 설계에 있어 우수한 열전도도를 가진 열 관리 소재를 찾는 것은 매우 중요합니다.
기존 세라믹 소재(예: 질화붕소, 질화알루미늄)와 금속 소재(예: 구리, 알루미늄)의 열전도도는 기껏해야 수백 W/(m·K)에 불과합니다. 이에 비해 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유와 같은 탄소 소재의 열전도도는 훨씬 더 놀랍습니다. 예를 들어, 흑연은 결정층에 평행한 방향으로 최대 4180W/m·K의 이론 열전도도를 가지며, 이는 구리, 은, 알루미늄과 같은 기존 금속 소재의 거의 10배에 달합니다. 탄소 소재는 낮은 밀도, 낮은 열팽창 계수, 우수한 고온 기계적 특성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다.
그래핀
그래핀은 흑연에서 벗겨낸 단층 탄소 원자 표면 소재입니다. 단층 탄소 원자가 정육각형으로 촘촘하게 배열된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 가지고 있습니다. 이 구조는 매우 안정적이며, 그래핀 내부 탄소 원자 간의 연결은 매우 유연합니다. 외부 힘이 그래핀에 가해지면 탄소 원자 표면이 휘어지고 변형되어 탄소 원자가 외부 힘에 적응하기 위해 재배열할 필요가 없어 구조적 안정성을 유지합니다. 이러한 안정적인 격자 구조 덕분에 그래핀은 뛰어난 열전도도를 보입니다.
탄소 나노튜브
1991년 탄소 나노튜브가 발견된 이후, 많은 과학자들이 탄소 나노튜브의 열전도도 연구에 관심을 가져왔습니다. 탄소 나노튜브는 단층 또는 다층 흑연 시트가 말려 만들어진 구조로, 단일벽, 이중벽, 다중벽의 세 가지 유형으로 나뉩니다.
탄소 나노튜브는 이러한 특수 구조로 인해 매우 높은 열전도도를 갖습니다. 일부 연구자들은 상온에서 단일벽 탄소 나노튜브의 열전도도가 3980 W/(m·K), 이중벽 탄소 나노튜브의 열전도도는 3580 W/(m·K), 다중벽 탄소 나노튜브의 열전도도는 2860 W/(m·K)라고 계산했습니다.
다이아몬드
다이아몬드의 결정 구조는 탄소 원자가 사면체 형태로 밀집되어 배열된 구조이며, 모든 전자가 결합에 참여합니다. 따라서 상온 열전도도는 2000~2100 W/(m·K)로 자연계에서 가장 뛰어난 열전도도를 가진 재료 중 하나입니다. 이러한 특징은 고급 방열 분야에서 탄소 나노튜브를 대체할 수 없는 재료가 되게 합니다.
탄소 섬유
탄소 섬유는 고온 탄화 처리를 통해 터보스트랫(turbostratic) 흑연 구조를 형성합니다. 축 방향 흑연 격자가 고배향성을 가지면 매우 높은 열전도도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 메조상 피치 기반 탄소 섬유의 열전도도는 1100 W/(m·K)이고, 기상 성장 탄소 섬유의 열전도도는 1950 W/(m·K)에 도달할 수 있습니다.
흑연
흑연은 6개의 면과 2개의 조밀 기저면으로 구성된 육방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. 탄소 원자로 구성된 육각형 격자의 첫 번째 층은 육각형 대각선의 1/2만큼 엇갈리게 배열되어 두 번째 층과 평행하게 겹쳐집니다. 세 번째 층과 첫 번째 층은 위치가 반복되어 ABAB… 배열을 형성합니다. 천연 흑연의 (002) 결정면을 따른 열전도도는 2200 W/(m·K)이며, 고배향 열분해 흑연의 면내 열전도도는 2000 W/(m·K)에 달할 수 있습니다.
위의 탄소 재료는 모두 매우 높은 열전도도를 가지고 있어 고방열 요구 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 다음으로, 몇 가지 대표적인 탄소 기반 전도성/방열 재료를 살펴보겠습니다.
독특한 결정 구조와 물리적, 화학적 특성을 가진 탄소 재료는 열전도도 및 방열 분야에서 대체할 수 없는 이점을 보여주었습니다. 제조 기술의 발전과 응용 분야 확대에 따라 그래핀과 다이아몬드와 같은 탄소 기반 재료는 전자 및 항공우주 산업과 같은 산업에서 방열 솔루션을 한 단계 더 발전시킬 것으로 기대됩니다.
열 관리 소재에 대한 열 플라즈마 기술 기반 분말 제조의 적용
전자 기기의 소형화 및 집적화는 폴리머 기반 열 관리 재료에 대한 더욱 높은 방열 요구 사항을 제시합니다. 효과적인 열 전도 경로를 구축하기 위한 새로운 고열전도성 필러의 개발은 고성능 열 관리 재료 달성의 핵심입니다.
열 플라즈마 기술은 고온, 제어 가능한 반응 분위기, 높은 에너지 밀도, 낮은 오염으로 인해 구형 실리콘 분말 및 알루미나 분말과 같은 나노 및 마이크론 크기의 구형 분말을 제조하는 데 큰 이점을 제공합니다.
열 플라즈마 기술
플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 네 번째 상태입니다. 전자, 양이온, 그리고 중성 입자로 구성된 전체적으로 전기적으로 중성인 집합체입니다. 플라즈마 내 중입자의 온도에 따라 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 나눌 수 있습니다.
고온 플라즈마 내 중이온의 온도는 3×103K에서 3×104K에 도달할 수 있으며, 이는 기본적으로 국소 열역학적 평형 상태에 도달합니다. 이 상태에서 열플라즈마는 다음과 같은 관계를 갖습니다. 전자 온도 Te = 플라즈마 온도 Th = 여기 온도 Tex = 이온화 반응 온도 Treac 이므로, 열플라즈마는 균일한 열역학적 온도를 갖습니다.
구형 분말의 플라즈마 제조
고주파 열플라즈마의 고온 및 빠른 냉각 속도의 특성을 바탕으로 물리 기상 증착 기술을 사용하여 나노분말을 제조합니다.
플라즈마를 이용하여 구형 분말을 제조하는 주요 방법은 두 가지입니다.
첫 번째는 불규칙한 모양과 큰 크기의 원료 분말을 열플라즈마의 고온 아크에 통과시키고, 열플라즈마에 의해 생성된 고온 환경을 이용하여 원료 입자를 빠르게 가열하여 용융(또는 표면을 용융)시키는 것입니다. 표면 장력으로 인해 용융된 분말은 구형을 형성하고 적절한 냉각 속도로 응고되어 구형 분말을 얻습니다. 두 번째는 불규칙한 분말 또는 전구체를 원료로 사용하고 열플라즈마를 고온 열원으로 사용하는 것입니다. 원료는 그 안의 활성 입자와 반응하여 급속 냉각 및 증착되어 이상적인 분말 재료를 생성합니다.
고온, 고에너지, 제어 가능한 분위기, 그리고 열 플라즈마의 무공해 특성을 활용하여, 공급, 냉각 속도, 플라즈마 전력과 같은 제조 공정의 매개변수를 제어함으로써 고순도, 고구형도, 그리고 다양한 크기의 구형 분말을 제조할 수 있습니다. 따라서 구형 분말을 제조하기 위한 플라즈마 기술은 에너지, 항공우주, 화학 산업 및 기타 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
실리콘 미세분말의 주요 응용 분야 및 특성
실리카 분말은 이산화규소를 주성분으로 하는 무기 비금속 재료입니다. 결정질 석영, 용융 석영 등을 원료로 하여 분쇄, 정밀 분급, 불순물 제거 등의 공정을 거쳐 제조됩니다. 우수한 유전 특성, 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도도를 지닙니다. 구리 피복 적층판, 에폭시 몰딩 컴파운드, 절연재, 접착제, 코팅제, 세라믹 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다.
1. 구리 피복 적층판
구리 피복 적층판은 "구리박 + 유전체 절연층(수지 및 보강재) + 구리박" 구조의 인쇄 회로 기판 제조에 중요한 기판입니다. 다양한 회로 시스템의 상류 기초 소재입니다.
구리 피복 적층판용 필러로는 실리콘 미세 분말, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 활석 분말, 운모 분말 등이 있습니다. 그중에서도 실리콘 미세 분말은 내열성, 기계적 특성, 전기적 특성, 수지 시스템에서의 분산성 측면에서 상대적으로 우수한 장점을 가지고 있습니다. 내열성 및 내습성 향상, 얇은 구리 피복 적층판의 강성 향상, 열팽창 계수 감소, 치수 안정성 향상, 드릴링 위치 정확도 및 내벽 평활도 향상, 층간 또는 절연층과 구리박 사이의 접착력 향상 등에 사용될 수 있어 구리 피복 적층판 필러에 선호됩니다.
구형 실리콘 미세분말은 성능이 우수하지만 비용이 많이 들고, 고급 구리 피복 적층판 분야에만 사용됩니다. 열전도도, 충진, 열팽창 및 유전 특성 측면에서 구형 실리콘 미세분말의 성능이 우수하지만, 가격 측면에서는 각진 실리콘 미세분말이 낮습니다. 따라서 종합적인 성능과 비용을 고려할 때, 구형 실리콘 미세분말은 현재 고주파 및 고속 구리 피복 적층판, IC 캐리어 등과 같은 고급 구리 피복 적층판 분야에 주로 사용되고 있으며, 적용 분야가 다양할수록 첨가 비율이 높아집니다.
2. 에폭시 몰딩 컴파운드
에폭시 몰딩 컴파운드는 에폭시 수지를 베이스 수지로, 고성능 페놀 수지를 경화제로, 실리콘 파우더를 필러로, 그리고 다양한 첨가제를 사용하여 만든 분말 형태의 몰딩 컴파운드입니다. 집적 회로와 같은 반도체 패키징에 필수적인 소재입니다(반도체 패키징의 97% 이상이 에폭시 몰딩 컴파운드를 사용합니다).
3. 전기 절연 재료
전기 절연 제품에 사용되는 실리콘 파우더는 경화된 제품의 선팽창 계수와 경화 과정에서 발생하는 수축률을 효과적으로 감소시키고, 내부 응력을 줄이며, 절연 재료의 기계적 강도를 향상시켜 절연 재료의 기계적 및 전기적 특성을 효과적으로 개선합니다. 따라서 이 분야 고객의 실리콘 미세 분말에 대한 기능적 요구 사항은 낮은 선팽창 계수, 높은 절연성, 높은 기계적 강도에 더 많이 반영되는 반면, 유전 특성과 열전도도에 대한 요구 사항은 상대적으로 낮습니다.
전기 절연 재료 분야에서는 평균 입자 크기가 5~25µm인 단일 규격 실리콘 미분말 제품이 일반적으로 전기 절연 제품의 특성 및 생산 공정 요건에 따라 선정되며, 제품의 백색도, 입자 크기 분포 등에 대한 엄격한 기준이 적용됩니다.
4. 접착제
접착 수지에 충진된 실리콘 미분말은 경화물의 선팽창 계수와 경화 중 수축률을 효과적으로 감소시키고, 접착제의 기계적 강도를 향상시키며, 내열성, 투수성 및 방열 성능을 개선하여 접착 및 밀봉 효과를 향상시킵니다.
실리콘 미분말의 입자 크기 분포는 접착제의 점도 및 침강성에 영향을 미쳐, 접착제의 가공성과 경화 후 선팽창 계수에 영향을 미칩니다.
5. 허니콤 세라믹
자동차 배기가스 정화용 허니콤 세라믹 캐리어와 디젤 엔진 배기가스 정화용 코디어라이트 소재 자동차 배기 필터(DPF)는 알루미나, 실리콘 미분말 및 기타 재료를 혼합, 압출 성형, 건조, 소결 등의 공정을 거쳐 제조됩니다. 구형 실리콘 미분말은 허니콤 세라믹 제품의 성형 속도와 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
이산화티타늄 코팅 개질
이산화티타늄(이산화티타늄)의 코팅 개질은 이산화티타늄의 성능(분산성, 내후성, 광택도, 화학적 안정성 등)을 향상시키는 중요한 수단입니다. 일반적인 코팅 개질 방법은 주로 무기 코팅, 유기 코팅, 복합 코팅의 세 가지 범주로 나뉩니다. 다음은 구체적인 분류와 간략한 소개입니다.
무기 코팅 개질
이산화티타늄 입자 표면에 무기 산화물 또는 염층을 코팅함으로써 물리적 장벽을 형성하여 화학적 안정성과 광학적 특성을 향상시킵니다.
1. 산화물 코팅
원리: 금속 산화물(예: SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ 등)의 수화물을 사용하여 이산화티타늄 표면에 침전시켜 균일한 코팅층을 형성합니다.
공정: 일반적으로 액상 증착법을 통해 이산화티타늄 슬러리에 금속염(예: 규산나트륨, 황산알루미늄)을 첨가하고 pH 값을 조절하여 금속 산화물 수화물을 침전시켜 코팅합니다.
2. 복합 산화물 코팅
원리: 두 가지 이상의 금속 산화물(예: Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂ 등)을 코팅하여 각 성분의 장점을 결합합니다.
특징: 전반적인 성능이 향상됩니다. 예를 들어 Al₂O₃-SiO₂ 코팅은 분산성과 내후성을 동시에 향상시켜 수요가 높은 자동차 도료 및 코일 코팅에 적합합니다.
3. 염 코팅
원리: 금속염(예: 인산염, 규산염, 황산염 등)을 사용하여 이산화티타늄 표면에 난용성 염층을 형성합니다.
유기 코팅 개질
유기 화합물과 이산화티타늄 표면의 수산기가 반응하여 유기 분자층이 형성되어 유기 매질과의 상용성이 향상됩니다.
1. 커플링제 코팅
원리: 커플링제 분자(실란, 티타네이트, 알루미네이트 등)의 양친매성 구조를 이용하여, 한쪽 말단은 이산화티타늄 표면의 하이드록시기와 결합하고 다른 쪽 말단은 유기 매트릭스(수지, 폴리머 등)와 반응합니다.
실란 커플링제: 수성 시스템에서 이산화티타늄의 분산성을 향상시키며, 수성 코팅 및 잉크에 일반적으로 사용됩니다.
티타네이트/알루미네이트 커플링제: 플라스틱 및 고무와 같은 유성 시스템에서의 상용성을 향상시키고 가공 중 응집을 줄입니다.
2. 계면활성제 코팅
원리: 계면활성제(지방산, 설폰산염, 4차 암모늄염 등)는 물리적 흡착 또는 화학 반응을 통해 이산화티타늄 표면에 부착되어 전하층 또는 소수성층을 형성합니다.
기능:
음이온성 계면활성제(예: 스테아르산): 플라스틱 및 고무에 일반적으로 사용되는 유성 매체에서의 분산성을 향상시킵니다.
양이온성 계면활성제(예: 도데실트리메틸암모늄클로라이드): 극성 시스템에 적합하여 안정성을 향상시킵니다.
3. 폴리머 코팅
원리: 중합 반응을 통해 이산화티타늄 표면에 폴리머(예: 아크릴레이트, 에폭시 수지, 실록산 등)를 접목합니다.
기능:
두꺼운 코팅층을 형성하여 화학적 침식을 더욱 차단하고 내후성과 기계적 특성을 향상시킵니다.
특정 수지와의 상용성을 향상시켜 고성능 복합 소재 및 코팅에 적합합니다.
4. 실리콘 코팅
원리: 폴리실록산(실리콘 오일, 실리콘 수지 등)의 낮은 표면 에너지 특성을 이용하여 이산화티타늄 입자를 코팅합니다.
기능: 표면 장력을 감소시키고 분산성과 평활성을 향상시키며, 잉크 및 화장품에 일반적으로 사용됩니다.
III. 복합 코팅 개질
무기 및 유기 코팅의 장점을 결합하여, 이중 코팅은 단계적으로 또는 동시에 수행되어 상호 보완적인 성능을 달성합니다.
1. 무기 코팅 후 유기 코팅
2. 무기-유기 동시 코팅
기타 특수 코팅 기술
1. 나노 코팅
2. 마이크로캡슐 코팅
원리: 이산화티타늄 입자를 폴리머 마이크로캡슐에 캡슐화하고, 캡슐 파열 조건(온도, pH 등)을 제어하여 이산화티타늄을 방출합니다. 스마트 코팅 및 서방형 시스템에 적합합니다.
저고도 경제에서의 마그네슘 합금 소재
경량 소재인 마그네슘 합금은 낮은 밀도, 높은 강도, 충격 흡수 및 전자파 차폐 성능 덕분에 저고도 경제형 항공기에 이상적인 선택으로 자리 잡았습니다. 기존 소재에 비해 마그네슘 합금은 가벼워 비행 시간을 크게 늘리고 에너지 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 마그네슘 합금의 충격 흡수 및 전자파 차폐 성능은 복잡한 환경에서 항공기의 운항 안전성과 전자파 적합성을 향상시킬 수 있습니다.
전기 수직 이착륙 항공기(eVTOL)
퓨즈 프레임: 마그네슘 합금의 밀도는 알루미늄 합금의 2/3, 강철의 1/4에 불과합니다. 마그네슘 합금을 동체 프레임에 사용하면 항공기 무게를 크게 줄이고 적재 용량과 항속 거리를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 펑페이 항공(Fengfei Aviation)의 2톤 화물 eVTOL은 일부 동체 프레임 구성품에 마그네슘 합금을 사용하여 구조적 강도를 유지하면서도 경량화를 효과적으로 달성합니다.
날개 구조: 마그네슘 합금은 높은 비강도를 가지고 있어 큰 공기역학적 하중 하에서도 날개의 구조적 안정성을 유지하는 동시에 날개 무게를 줄여 항공기의 비행 성능을 향상시킵니다.
모터 하우징: 마그네슘 합금은 우수한 열전도도와 전자파 차폐 특성을 가지고 있어 발전기 작동 시 발생하는 열을 효과적으로 방출하고, 모터 내부 회로를 전자파 간섭으로부터 보호하며, 모터의 수명을 연장하고 작동 효율을 향상시킵니다. 예를 들어, 샤오펑 후이티엔(Xiaopeng Huitian)의 트래블러 X2(Traveler X2) 스마트 전기 비행 자동차의 모터 하우징은 마그네슘 합금 소재로 제작되었습니다.
배터리실: 마그네슘 합금은 배터리실 제작에 사용될 수 있습니다. 낮은 밀도는 항공기 전체 무게를 줄이는 데 도움이 되며, 전자파 차폐 성능은 배터리가 외부 전자파 간섭에 의해 간섭받는 것을 방지하여 배터리의 안전성과 안정적인 작동을 보장합니다.
계기판 브래킷: 마그네슘 합금 계기판 브래킷은 강성과 안정성이 우수하여 eVTOL 계기판의 다양한 장치와 디스플레이 장치를 지지할 수 있습니다. 동시에, 경량 특성은 항공기 전체 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.
무인 항공기
동체 프레임: 마그네슘 합금은 밀도가 낮아 드론의 무게를 크게 줄이고, 항속 거리와 하중 용량을 증가시키며, 높은 비강도는 비행 중 동체가 다양한 응력을 견딜 수 있도록 보장합니다. 예를 들어, 마그네슘 합금 프레임을 사용한 멀티로터 드론 "하이브리드 플라이어"는 기존 소재 프레임보다 약 30% 가벼우며 항속 시간도 연장됩니다.
날개와 꼬리: 날개와 꼬리의 내부 지지 구조 또는 전체 외피를 제작하는 데 사용되며, 구조적 강도와 공기역학적 성능을 보장하고 드론의 비행 저항과 에너지 소비를 줄이며 비행 효율과 유연성을 향상시킵니다.
제어 회로 기판 브래킷: 제어 회로 기판을 안정적으로 지지합니다. 경량 특성은 드론의 무게 중심을 낮추고 비행 안정성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 동시에 전자파 차폐 성능은 회로 기판 간의 전자파 간섭을 줄이고 제어 신호의 정확한 전송을 보장합니다.
센서 하우징: 카메라, GPS 모듈 등 다양한 센서를 보호하는 동시에 센서를 보호하는 데 사용됩니다. 드론의 탑재 중량을 줄여 드론이 더 많은 장비를 탑재하거나 비행 시간을 연장할 수 있도록 합니다. 또한, 마그네슘 합금의 내식성은 다양한 환경에서 센서의 작동 요구 사항에 맞춰 조정할 수 있습니다.
프로펠러: 마그네슘 합금은 프로펠러 제작에 사용될 수 있습니다. 낮은 밀도와 높은 비강도는 프로펠러 회전 효율을 향상시키고, 에너지 소비를 줄이며, 무게를 줄여 드론의 전반적인 성능을 향상시킵니다.
마그네슘은 가볍고, 저렴하며, 높은 비축량을 가지고 있어 기존 소재보다 유리하며, 저고도 경제 건설에서 높은 원자재 비용과 낮은 운영 효율이라는 딜레마를 해결할 것으로 기대됩니다. 마그네슘 합금 생산 기술의 지속적인 발전으로 대량 생산이 가능해져 비용을 더욱 절감하고, 저고도 분야에서의 대규모 적용을 촉진할 것입니다.
유리섬유 복합소재 특성
유리 섬유는 매우 미세한 유리 섬유로 구성된 재료입니다. 용융 유리를 체에 통과시켜 실을 만들고 결합하여 유리 섬유를 형성합니다.
유리 섬유 복합재는 수지 매트릭스에 유리 섬유를 매립한 강화 플라스틱 재료입니다. 유리 섬유 복합재는 비강도가 뛰어나고 무게는 가볍지만 금속에 가까운 기계적 특성을 가지고 있습니다. 녹이 슬지 않으며 산, 알칼리, 습기 및 소금 분무 환경을 오랫동안 견딜 수 있으며 기존 금속 재료보다 수명이 깁니다. 섬유 레이업과 수지 유형을 조정하여 성능을 최적화할 수 있으며 복잡한 모양으로 가공할 수 있습니다. 비전도성이며 전자파에 투명하며 전기 장비 및 레이돔과 같은 특수 기능 구성 요소에 적합합니다. 탄소 섬유와 같은 고급 복합 재료와 비교할 때 유리 섬유는 저렴하고 경제적인 고성능 재료 선택입니다.
저고도 경제에서 사용되는 유리 섬유 복합 재료
드론 분야에서 널리 사용
동체 및 구조적 구성 요소: 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)은 가볍고 강도가 높아 드론의 동체, 날개 및 꼬리와 같은 주요 구조적 구성 요소에 널리 사용됩니다.
블레이드 재료: 드론 프로펠러 제조에서 유리 섬유는 나일론과 같은 재료와 함께 사용되어 강성과 내구성을 높입니다.
전기 수직 이착륙 항공기(eVTOL)에 중요한 재료
퓨즈 프레임 및 날개: eVTOL 항공기는 경량에 대한 요구 사항이 매우 높고 유리 섬유 강화 복합 재료는 종종 탄소 섬유와 함께 사용되어 동체 구조를 최적화하고 비용을 절감합니다.
기능적 구성 요소: 유리 섬유는 eVTOL 항공 전자 장치(예: RF 전력 증폭기)에도 사용되며 고온 저항 및 절연 특성으로 인해 이상적인 선택입니다.
저고도 경제에서 전략적 기본 재료인 유리 섬유는 드론, eVTOL 및 기타 분야에서 광범위한 적용 가능성을 가지고 있습니다. 정책 지원과 기술의 진보에 따라, 이에 대한 시장 수요는 꾸준히 증가할 것이며, 저고도 경제 발전을 촉진하는 중요한 원동력이 될 것입니다.
소홀히 다루어진 금: 희토류 연마제
희토류 세륨 기반 연마 분말은 현재 주류 희토류 연마 분말입니다. 연마 성능이 뛰어나 제품이나 부품의 표면 마감을 개선할 수 있습니다. "연마 분말의 왕"으로 알려져 있습니다. 유리 가공 산업과 전자 산업은 희토류 연마 분말의 주요 하류 응용 분야입니다. 연마 후 실패한 희토류 연마 분말의 폐기물은 매년 생산량의 약 70%를 차지합니다. 폐기물 구성 요소는 주로 희토류 연마 분말 폐기물 잔여물, 폐액, 연마 작업물의 유리 조각, 연마 천의 연삭 피부(유기 중합체), 오일 및 기타 불순물에서 발생하며 희토류 구성 요소의 비율은 50%입니다. 실패한 희토류 연마 분말을 폐기하는 방법은 하류 응용 회사의 주요 문제가 되었습니다.
현재 희토류 연마 분말 폐기물을 재활용하는 데 일반적으로 사용되는 방법은 물리적 분리와 화학적 분리입니다.
물리적 분리 방법
(1) 부유 방법
최근 몇 년 동안 부유 기술은 고형 폐기물 처리에 널리 사용되었습니다. 폐희토류 연마 분말의 성분의 친수성 차이로 인해 수용액에서 성분의 친화성을 개선하기 위해 다양한 부유제를 선택하여 친수성 입자를 물에 남겨 분리 목적을 달성합니다. 그러나 연마 분말 입자의 크기는 부유 회수율에 영향을 미치고 회수 순도가 충분하지 않습니다.
부유 중에 다양한 수집기를 선택하고 불순물 제거 효과가 크게 다릅니다. 양지런 등은 스티렌포스폰산의 pH가 5일 때 부유 후 산화세륨과 산화란탄의 회수율이 95%에 도달하는 반면 불화칼슘과 불화인회석의 회수율은 최대 20%에 불과하다는 것을 발견했습니다. 직경이 5마이크론 미만인 입자는 부유 효과가 좋지 않아 불순물을 제거하기 위해 추가로 분리해야 합니다.
(2) 자기 분리 방법
폐희토류 연마 분말에는 자성이 있습니다. 이를 바탕으로 미시마 등은 수직 자기장을 사용하여 희토류 연마 슬러리를 회수하는 장치를 설계했습니다. 폐분말 슬러리의 유량이 20mm/s, 순환 시간이 30분, 슬러리 농도가 5%, 슬러리의 pH가 3일 때, 이산화세륨과 철 응집제의 분리 효율은 80%에 도달할 수 있습니다. 자기장 방향을 수평 구배로 변경한 다음 MnCl2 용액을 첨가하면 반대 자기적 특성을 가진 이산화규소와 산화알루미늄을 이산화세륨에서 분리할 수 있습니다.
(3) 기타 방법
타카하시 등은 입자가 침전되기 어려운 폐분말 슬러리를 -10°C에서 동결시킨 다음 25°C 환경에서 해동했습니다. 불순물과 희토류 산화물이 층을 형성하여 폐기물에서 유용한 물질의 응집과 회수를 용이하게 했습니다.
화학적 분리 방법
화학적 방법은 주로 산 용해 및 알칼리 로스팅 후 회수 공정을 채택하고, 환원제를 보조 시약으로 사용하여 불순물 제거, 추출 및 침전을 통해 희토류 연마 분말 원료를 얻습니다. 이 방법은 희토류 회수율이 높지만 공정이 길고 비용이 많이 듭니다. 과도한 강산 또는 강알칼리는 많은 양의 폐수를 생성합니다. (1) 알칼리 처리
산화 알루미늄과 이산화규소는 희토류 연마 분말 폐기물의 주요 불순물입니다. 4 mol/L NaOH 용액을 사용하여 희토류 연마 분말 폐기물과 60°C에서 1시간 동안 반응시켜 희토류 연마 분말 폐기물의 이산화규소와 산화 알루미늄 불순물을 제거합니다.
(2) 산 처리
연마 분말 폐기물에서 희토류 원소를 회수할 때 종종 질산, 황산 및 염산을 사용하여 침출합니다. 희토류 연마 분말 폐기물의 주성분인 이산화세륨은 황산에 약간 용해됩니다.
(3) 환원제 보조 산 침출
CeO2를 산으로 직접 침출하면 효과가 이상적이지 않습니다. 환원제를 첨가하여 Ce4+를 Ce3+로 환원하면 희토류 침출 속도를 개선할 수 있습니다. 환원제 H2O2를 사용하여 희토류 연마 분말 폐기물의 염산 침출을 보조하면 실험 결과를 크게 개선할 수 있습니다.
고순도 석영유리를 위한 6가지 공정 경로
석영 유리는 고순도, 고분광 투과율, 낮은 열팽창 계수, 뛰어난 열충격, 부식 및 심자외선 복사 저항성을 가지고 있습니다. 광학, 항공우주 및 반도체와 같은 고급 산업 제조 분야에서 널리 사용됩니다.
석영 유리는 제조 공정에 따라 분류할 수 있습니다. 석영 유리를 제조하는 데 사용되는 원료에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 첫 번째 유형은 고순도 석영 모래로, 1800°C를 초과하는 고온에서 용융 석영 유리를 제조하기 위해 전기 용융 및 가스 정제에 사용됩니다. 두 번째 유형은 실리콘 함유 화합물로, 화학 반응을 통해 합성 석영 유리를 제조하는 데 사용됩니다.
전기 용융법
전기 용융법은 분말 석영 원료를 도가니에서 전기 가열로 용융한 다음 급속 냉각의 유리화 공정을 통해 석영 유리를 형성하는 것입니다. 주요 가열 방법으로는 저항, 아크 및 중주파 유도가 있습니다.
가스 정제법
산업적으로 가스 정제법은 전기 용융법보다 약간 늦습니다. 수소-산소 화염을 사용하여 천연 석영을 녹인 다음 점차적으로 석영 유리 대상 표면에 축적합니다. 가스 정제법으로 생산된 용융 석영 유리는 주로 전기 광원, 반도체 산업, 구형 제논 램프 등에 사용됩니다. 초기에는 대구경 투명 석영 유리관과 도가니를 수소-산소 화염을 사용하여 특수 장비에서 고순도 석영 모래와 직접 녹였습니다. 지금은 가스 정제법을 사용하여 석영 주괴를 제조한 다음 석영 주괴를 냉간 또는 열간 가공하여 필요한 석영 유리 제품을 만듭니다.
CVD법
CVD법의 원리는 휘발성 액체 SiCl4를 가열하여 기체로 만든 다음 기체 SiCl4를 캐리어 가스(O2)의 구동 하에 수소와 산소의 연소로 형성된 수소-산소 화염에 넣고 고온에서 수증기와 반응하여 비정질 입자를 형성하고 회전 증착 기판에 증착한 다음 고온에서 용융하여 석영 유리를 형성하는 것입니다.
PCVD 방법
PCVD 공정은 1960년대에 코닝이 처음 제안했습니다. 이는 플라즈마를 사용하여 석영 유리를 제조하기 위한 열원으로 수소-산소 화염을 대체합니다. PCVD 공정에 사용되는 플라즈마 화염의 온도는 일반 화염보다 훨씬 높습니다. 핵심 온도는 최대 15000K까지 올라갈 수 있으며 평균 온도는 4000~5000K입니다. 작동 가스는 특정 공정 요구 사항에 따라 적절하게 선택할 수 있습니다.
2단계 CVD 방법
기존 CVD 방법은 1단계 방법 또는 직접 방법이라고도 합니다. 반응에 수증기가 관여하기 때문에 1단계 CVD 방법으로 제조된 석영 유리의 수산기 함량은 일반적으로 높고 제어하기 어렵습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 엔지니어는 1단계 CVD 방법을 개선하고 간접 합성 방법이라고도 하는 2단계 CVD 방법을 개발했습니다.
열 변형
열 변형 방법은 먼저 석영 유리 기본 소재를 가열하여 연화시킨 다음, 트로프 침몰 및 인발과 같은 방법을 통해 원하는 제품을 얻습니다. 열 변형로에서, 노 본체는 전자기 유도 가열에 의해 가열됩니다. 노의 유도 코일을 통과하는 교류 전류는 공간에서 교류 전자기장을 생성하고, 전자기장은 가열 소자에 작용하여 전류와 열을 생성합니다. 온도가 상승함에 따라 석영 유리 기본 소재가 연화되고, 이때 트랙터로 아래로 당겨 석영 유리 막대/관을 형성할 수 있습니다. 노의 온도와 인발 속도를 조정하여 서로 다른 직경의 석영 유리 막대/관을 인발할 수 있습니다. 전자기 유도 가열로의 코일 배열과 노 구조는 노의 온도장에 큰 영향을 미칩니다. 실제 생산에서는 석영 유리 제품의 품질을 보장하기 위해 노의 온도장을 엄격하게 제어해야 합니다.
벤토나이트의 종류와 폭넓은 활용 분야는 무엇인가요?
벤토나이트는 층간 양이온의 차이에 따라 주로 나트륨 벤토나이트, 칼슘 벤토나이트, 수소 벤토나이트, 유기 벤토나이트 등 여러 유형으로 나뉜다.
나트륨 벤토나이트: 팽윤성, 흡수성, 접착성, 가소성이 뛰어나며 가장 널리 사용되는 벤토나이트 유형이다.
칼슘 벤토나이트: 나트륨 벤토나이트에 비해 팽윤성과 접착성이 약간 약하지만 가격이 경제적이며 성능 요구 사항이 낮은 일부 경우에 적합하다.
수소 벤토나이트: 특수한 화학적 특성을 가지고 있으며 고온 안정성과 같은 특정 조건에서 고유한 특성을 발휘할 수 있다.
유기 벤토나이트: 유기 개질을 통해 분산성, 현탁성, 안정성이 더 뛰어나며 고급 응용 분야에 적합하다.
벤토나이트의 광범위한 응용 분야
벤토나이트의 다재다능함은 다양한 분야에서 중요한 역할을 하며 광범위한 응용 분야가 놀랍습니다.
건설 분야: 벤토나이트는 뛰어난 팽창성과 접착력으로 인해 건물 방음 및 단열재, 방수 코팅, 벽재 및 기타 제품 생산에 널리 사용되어 건설 산업의 녹색 발전을 강력히 지원합니다.
환경 보호 분야: 벤토나이트는 흡착 능력이 강하여 중금속 이온 및 유기 오염 물질과 같은 유해 물질을 물에서 흡착할 수 있습니다. 환경 보호 분야에서 중요한 재료입니다. 동시에 벤토나이트는 매립지의 침투 방지층을 건설하는 데에도 사용되어 매립지 침출수의 누출을 효과적으로 방지할 수 있습니다.
야금 분야: 벤토나이트는 주로 야금 산업에서 용광로 라이닝 재료로 사용됩니다. 고온 및 침식에 강하고 고온 슬래그로부터 용광로 본체를 보호합니다.
농업 분야: 벤토나이트는 토양 구조를 개선하고 토양 비옥도를 개선하는 기능이 있습니다. 벤토나이트를 첨가하면 토양의 공기 투과성과 보수성을 개선하고 작물 생장을 촉진할 수 있습니다.
주조 산업: 벤토나이트는 주조 산업에서 코팅 및 접착제로 사용되어 주조물의 표면 품질과 강도를 개선합니다.
식품 산업: 벤토나이트는 주로 식품 산업에서 표백 및 정제에 사용되며, 예를 들어 오일 및 지방의 탈색, 설탕 용액의 정제 등이 있습니다.
석유 시추: 벤토나이트는 석유 시추 진흙의 중요한 원료로, 진흙의 점도, 전단력 및 수분 손실을 조절하고 시추 효율을 개선할 수 있습니다.
벤토나이트 분말 제조 장비에 대한 수요
벤토나이트 적용 분야가 지속적으로 확대됨에 따라 벤토나이트 분말 제조 장비에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 분쇄 장비를 선택할 때는 장비 성능, 생산 용량, 에너지 소비 및 애프터 서비스와 같은 여러 요소를 고려해야 합니다.
플라스틱용 미네랄 파우더를 선택할 때 다음 11가지 지표를 살펴보세요
플라스틱 산업에서 사용되는 일반적인 미네랄 파우더 재료에는 탄산칼슘(중질 칼슘, 경질 칼슘, 나노 칼슘), 활석, 카올린, 규회석, 브루사이트 파우더, 운모 파우더, 중정석 파우더, 황산 바륨 및 기타 여러 종류가 있습니다. 증분을 채우는 주요 목적으로는 일반적으로 수십에서 수백 phr까지 사용할 수 있습니다. 성능을 개선하고 비용을 절감하기 위해 일반적으로 수십 개의 부품까지 사용할 수 있습니다.
무기 미네랄 필러의 특성은 물리적 및 화학적 구성과 특성, 입자 크기 및 분포, 입자 모양 및 표면 특성, 밀도, 경도, 백색도 등을 포함하여 플라스틱 제품에 많은 영향을 미치며, 이는 플라스틱의 성능 및 공정 매개변수 요구 사항에 영향을 미칩니다.
1. 기하학적 모양 특성
다양한 기하학적 모양의 필러 입자가 플라스틱 제품의 강도에 미치는 영향은 일반적으로 섬유질> 플레이크> 원주형> 입방체> 구형입니다. 플레이크 필러는 제품의 기계적 강도를 개선하는 데 도움이 되지만 성형 가공에는 도움이 되지 않습니다.
2. 입자 크기와 표면 특성
일반적으로 무기 비금속 미네랄 필러의 입자 크기가 작을수록 균일하게 분산될 때 플라스틱의 기계적 특성이 더 좋습니다. 그러나 필러 입자의 입자 크기를 줄이는 동안 가공 기술은 더 복잡해지고 그에 따라 비용이 증가합니다.
3. 비표면적
비표면적이 클수록 필러와 수지의 친화성이 좋지만 필러 표면을 활성화하는 것이 더 어렵고 비용이 더 많이 듭니다. 그러나 동일한 부피의 필러 입자의 경우 표면이 거칠수록 비표면적이 커집니다.
4. 밀도
모양이 다른 입자는 입자 크기와 분포가 다릅니다. 질량이 같을 때 동일한 실제 밀도를 가진 입자의 겉보기 밀도는 다른 적층 부피로 인해 같지 않을 수 있습니다.
5. 경도
높은 경도는 제품의 내마모성을 향상시킬 수 있지만 가공 장비를 마모시킵니다. 사람들은 필러 사용의 이점이 가공 장비의 마모로 상쇄되기를 원하지 않습니다. 특정 경도의 필러의 경우, 가공 장비의 금속 표면의 마모 강도는 필러 입자 크기가 증가함에 따라 증가하고, 그 마모 강도는 특정 입자 크기 이후에는 안정되는 경향이 있습니다.
6. 색상
채워진 재료 매트릭스의 색상이 눈에 띄게 변하거나 매트릭스의 채색에 부정적인 영향을 미치지 않도록 대부분의 생산 요구 사항은 백색도가 가능한 한 높아야 합니다.
7. 오일 흡수 값
필러의 오일 흡수 값은 충전 시스템에 사용되는 가소제의 양과 재료의 가공성에 영향을 미칩니다. 오일 흡수 값이 낮은 필러는 충전 시스템의 가공성이 좋고 수지와 혼합하기 쉽기 때문에 사용되는 가소제의 양을 줄일 수 있습니다.
8. 광학적 특성
일부 제품은 필러의 빛 흡수를 사용하여 온도를 높일 수 있습니다(예: 농업용 플라스틱 온실).
9. 전기적 특성
흑연을 제외한 대부분의 무기 미네랄 필러는 전기 절연체입니다.
10. 화학적 조성
무기 미네랄 필러의 화학적 활성, 표면 특성(효과), 열적 특성, 광학적 특성, 전기적 특성, 자기적 특성 등은 화학적 조성에 크게 의존합니다.
11. 열화학적 효과
폴리머는 연소하기 쉽지만 대부분의 무기 미네랄 필러는 자체의 불연성으로 인해 폴리머 매트릭스에 첨가된 후 가연성 물질을 줄이고 매트릭스의 연소를 지연시킵니다. 환경 친화적인 난연성 필러.
간단히 말해서, 폴리머 복합재에서 무기 비금속 미네랄 필러의 역할은 증가, 향상 및 새로운 기능을 제공하는 것으로 요약할 수 있습니다. 그러나 무기 비금속 미네랄 필러와 유기 폴리머는 상용성이 좋지 않기 때문에 무기 비금속 미네랄 필러는 유기 폴리머와의 상용성을 개선하고 직접 첨가로 인한 불균일한 응력 분산을 피하기 위해 개질됩니다.