Aplicações do Carboneto de Silício
O carboneto de silício possui características significativas, tais como elevada largura de banda proibida, elevado campo elétrico de rutura, elevada condutividade térmica e elevada taxa de deriva de saturação de eletrões. Pode satisfazer os requisitos de dispositivos de desenvolvimento científico e tecnológico para cenários complexos, como alta temperatura, alta potência, alta tensão e alta frequência. Tem sido amplamente utilizado em eletrónica de potência, veículos de nova energia, armazenamento de energia, fabrico inteligente, energia fotovoltaica, transporte ferroviário e outros campos. Pode dizer-se que "tudo pode ser carboneto de silício".
Aplicações do Carboneto de Silício em Veículos de Nova Energia
No setor dos veículos de nova energia, a aplicação da tecnologia de carboneto de silício está a tornar-se fundamental para melhorar o desempenho dos veículos elétricos e híbridos. Os dispositivos de carboneto de silício, com a sua elevada condutividade térmica, elevada intensidade de campo elétrico de rutura e excelentes propriedades mecânicas, aumentam significativamente a eficiência e a fiabilidade dos sistemas de acionamento elétrico, dos sistemas de carregamento e dos sistemas de gestão de energia.
Aplicações do Carbeto de Silício na Condução Inteligente e na Internet dos Veículos
No meio do rápido desenvolvimento da condução inteligente e da Internet dos Veículos, a tecnologia do carboneto de silício, com o seu desempenho superior, está gradualmente a penetrar em áreas-chave como sistemas de sensores, unidades de processamento de dados e módulos de comunicação, melhorando significativamente o desempenho e a fiabilidade do sistema.
Aplicações do Carbeto de Silício em Sistemas Fotovoltaicos
Nos sistemas fotovoltaicos, componentes essenciais como inversores, controladores MPPT e módulos de conversão de armazenamento de energia impõem múltiplas exigências aos dispositivos de energia, incluindo alta eficiência, resistência a altas tensões, operação a altas temperaturas e miniaturização. Os dispositivos de silício tradicionais sofrem uma degradação significativa da eficiência em ambientes de alta tensão e alta temperatura, tornando-os incapazes de satisfazer os crescentes requisitos de densidade de potência das centrais fotovoltaicas.
Aplicações do Carbeto de Silício nas Comunicações 5G
Em aplicações como as comunicações sem fios e os sistemas de radar, os dispositivos de RF atuam como o núcleo da transmissão e do processamento de sinal, e o seu desempenho é crucial para a estabilidade do sistema. Os dispositivos de RF baseados em carboneto de silício semi-isolante, devido às suas propriedades de ampla largura de banda, oferecem vantagens como baixa perda, alta largura de banda e alta densidade de potência, tornando-os um facilitador essencial para sistemas de comunicação 5G e militares de próxima geração.
Aplicações do Carboneto de Silício em Redes Elétricas
O carboneto de silício pode melhorar significativamente as redes elétricas, melhorando a eficiência e a capacidade de transmissão e distribuição de energia. Os substratos de carboneto de silício podem operar a temperaturas, tensões e frequências mais elevadas, tornando componentes como conversores, aparelhagem de manobra e transformadores mais pequenos e mais eficientes, reduzindo assim as perdas de energia e melhorando a qualidade da energia.
Aplicações do Carboneto de Silício em Aeronaves de Baixa Altitude
As novas aeronaves, representadas pelo eVTOL (descolagem e aterragem vertical elétrica), tornaram-se um ponto focal na economia global de baixa altitude e prevê-se que se tornem uma nova indústria de triliões de dólares. Os dispositivos MOSFET de SiC, através dos seus saltos de eficiência e inovações em baixo peso, estão a impulsionar o eVTOL da fase experimental para a operação comercial. Os dispositivos MOSFET de SiC tornaram-se um componente essencial dos sistemas de energia eVTOL, e o seu desempenho melhorado e os custos reduzidos impulsionarão a indústria para aplicações em larga escala.
Aplicações do Carboneto de Silício em Inteligência Artificial (IA)
A eletricidade está a tornar-se o mais recente estrangulamento que ameaça o avanço da inteligência artificial (IA). O rápido crescimento do poder computacional da IA é acompanhado pelo aumento do consumo de energia, o que está a ter um impacto significativo na procura social normal de energia. Tomando como exemplo os centros de dados dos EUA, em 2030 poderão consumir até 9% da geração de eletricidade do país, aproximadamente o equivalente à produção anual de 40 centrais nucleares de média dimensão.
Com uma escala tão grande de consumo de electricidade, mesmo uma redução de 0,1% no consumo de energia é um factor significativo. Para ajudar a lidar com esta urgente escassez de electricidade, o ecossistema da indústria global está a explorar activamente todas as opções possíveis. Por exemplo, a ON Semiconductor desenvolveu uma nova série de MOSFETs de silício para energia de trincheira e MOSFETs de SiC.
Aplicação do Carbeto de Silício na Indústria Robótica
Os robôs e os veículos de nova energia partilham um elevado grau de semelhança na sua arquitetura técnica. Os chips automóveis podem ser transferidos para aplicações robóticas, mas devem adaptar-se a diferentes requisitos de desempenho. Por exemplo, os semicondutores de potência, para além dos sistemas automóveis, também possuem capacidades técnicas aplicáveis aos controladores de acionamento de motores para juntas robóticas. A procura por um controlo de potência eficiente neste mercado emergente de robótica está a crescer rapidamente.
Alumina, a "salvadora" dos materiais para baterias catódicas
A estrutura básica das baterias de iões de lítio abrange o elétrodo positivo, o elétrodo negativo, o eletrólito, o separador e a caixa da bateria. O material do elétrodo positivo é o material central das baterias de iões de lítio, determinando a densidade de energia, a plataforma de tensão, a vida útil e a segurança da bateria.
Atualmente, embora o óxido de lítio-cobalto (LiCoO2), o óxido de lítio-manganês (LiMn2O4), o fosfato de ferro-lítio (LiFePO4) e os materiais ternários (Li-Ni-Co-Mn-O) sejam quatro materiais de elétrodo positivo comercializados para baterias de iões de lítio, apresentam certas deficiências em termos de segurança, desempenho do ciclo, retenção de capacidade e outros aspetos. Para melhorar a estabilidade dos materiais do elétrodo positivo, os investigadores utilizam diferentes métodos de modificação, como a dopagem, o revestimento superficial e dois métodos em comum.
Como é que a alumina melhora o desempenho do elétrodo positivo?
O revestimento de alumina em materiais do elétrodo positivo pode melhorar eficazmente a estabilidade do ciclo, a vida útil e a estabilidade térmica dos materiais do elétrodo positivo. Os principais efeitos do Al2O3 nos materiais de elétrodos positivos são:
(1) Sequestrador de fluoreto de hidrogénio (HF)
O LiPF6 é um eletrólito normalmente utilizado em eletrólitos. Sob alta tensão, o hexafluorofosfato de lítio (LiPF6) reage com vestígios de água para gerar HF.
(2) Barreira de proteção física
Revestir uma camada de Al2O3 na superfície do material do elétrodo positivo pode isolar o material do elétrodo positivo do eletrólito e inibir a ocorrência de reações colaterais prejudiciais entre o material do elétrodo positivo e o eletrólito.
(3) Melhorando a estabilidade térmica dos materiais do elétrodo positivo
A estabilidade térmica é um dos principais fatores na avaliação do desempenho das baterias de iões de lítio. Durante o processo de carga e descarga das baterias de lítio, a libertação de oxigénio reticular no material do elétrodo positivo provocará a oxidação do eletrólito, reduzindo assim a sua estabilidade térmica.
(4) Melhorando a taxa de difusão dos iões de lítio
Embora o óxido de alumínio não seja um bom condutor de eletrões e iões, pode reagir com o lítio residual na superfície do material do elétrodo positivo durante o processo de carga e descarga, gerando LiAlO2, que é um bom condutor de iões e pode aumentar a taxa de difusão dos iões de lítio. Isto ocorre principalmente porque o LiAlO2 reduz a barreira de energia de difusão dos iões de lítio.
(5) Reação com LiPF6 para gerar o aditivo eletrolítico LiPO2F2
O óxido de alumínio revestido na superfície do material do elétrodo positivo pode reagir com o sal de lítio (LiPF6) no eletrólito para gerar difluorofosfato de lítio (LiPO2F2), que é um aditivo eletrolítico estável que pode melhorar significativamente a estabilidade do ciclo, a segurança e o desempenho da taxa do material do elétrodo positivo.
(6) Inibição do Efeito Jahn-Teller
O efeito Jahn-Teller é a principal causa da dissolução dos iões Mn no material do elétrodo positivo, o que pode causar o colapso da estrutura do material do elétrodo positivo e dificultar a difusão dos iões de lítio, resultando na redução do desempenho eletroquímico do material do elétrodo positivo.
Cinco principais tecnologias de revestimento
Método de impregnação: Adicionar o material do elétrodo positivo à solução ou ao sol que contém o precursor de alumínio para formar uma pasta uniforme e, em seguida, secar e calcinar para formar um material do elétrodo positivo revestido de alumina.
Método de precipitação: Misturar o material do elétrodo positivo e uma solução como nitrato de alumínio ou cloreto de alumínio uniformemente, ajustar o valor de pH da solução misturada para formar uma camada de revestimento na superfície do material do elétrodo positivo e, finalmente, gerar um material do elétrodo positivo revestido de alumina através de filtragem, lavagem, secagem e tratamento térmico.
Processo de revestimento a seco: A alumina e os materiais do elétrodo positivo podem ser misturados diretamente para formar uma camada de revestimento rugosa na superfície do material do elétrodo positivo. Embora não seja possível obter um revestimento uniforme na superfície do material do elétrodo positivo, tem ainda assim um efeito positivo na melhoria do desempenho eletroquímico do material do elétrodo positivo.
Método de pulverização catódica: O método de pulverização catódica utiliza iões Ar+ para bombardear o material alvo (Al), de modo a que os átomos de Al sejam pulverizados e depositados na superfície do material do elétrodo positivo.
Tecnologia de deposição de camada atómica (ALD): Utilizando trimetilalumínio e outros materiais como fonte de alumínio, o óxido de alumínio é revestido na superfície do material do elétrodo positivo. A espessura pode ser controlada com precisão, e o aumento da espessura do revestimento é conseguido aumentando o número de ciclos de ALD.
A qualidade das peças metálicas impressas em 3D depende do pó
Como matéria-prima, a qualidade do pó metálico determina em grande parte a qualidade do produto final. De um modo geral, a limpeza, a morfologia e a distribuição granulométrica do pó são os principais fatores que restringem o desempenho de conformação das peças.
A morfologia do pó afeta diretamente a densidade aparente e a fluidez, que por sua vez afetam o processo de alimentação e espalhamento do pó e o desempenho final das peças. Na fabricação aditiva por fusão em leito de pó, o mecanismo de espalhamento do pó espalha as partículas de pó uniformemente na área de conformação, e uma boa fluidez é a chave para obter um leito de pó uniforme e plano. Os pós esféricos e quase esféricos apresentam boa fluidez, elevada densidade aparente, elevada densidade e estrutura uniforme, sendo as matérias-primas preferidas para o fabrico aditivo por fusão em leito de pó.
No entanto, se houver pó oco e pó satélite em pós esféricos e quase esféricos, o desempenho final das peças será reduzido. O pó oco representa uma maior proporção em pós com um tamanho de partícula superior a 70 µm, o que provocará defeitos como poros nas peças moldadas, que são difíceis de eliminar; o pó satélite reduzirá a fluidez do pó e dificultará a acumulação uniforme do pó durante o espalhamento de camadas contínuas de pó, causando defeitos nas peças. Assim sendo, os pós metálicos para fabrico aditivo por fusão em leito de pó devem minimizar a proporção de pó oco e pó satélite nas matérias-primas do pó.
A distribuição do tamanho das partículas do pó é utilizada para caracterizar a composição e as alterações das partículas com diferentes tamanhos de partículas no sistema de partículas do pó e é um parâmetro importante utilizado para descrever as características das partículas do pó.
O tamanho das partículas do pó afeta diretamente a qualidade do espalhamento do pó, a velocidade de conformação, a precisão da conformação e a uniformidade organizacional do processo de fabrico aditivo. Para diferentes processos, o tamanho das partículas do pó selecionado é diferente. Em termos gerais, a tecnologia de fusão seletiva a laser (SLM) seleciona pós com um tamanho de partícula de 15 a 45 µm, enquanto a tecnologia de fusão seletiva por feixe de eletrões (SEBM) seleciona pós com um tamanho de partícula de 45 a 106 µm.
Do ponto de vista da termodinâmica e da cinética, quanto mais pequenas forem as partículas de pó, maior será a sua área superficial específica e maior será a força motriz de sinterização, ou seja, as partículas pequenas de pó são propícias à conformação de peças. No entanto, pós com partículas muito finas resultarão numa fluidez reduzida, baixa densidade e condutividade elétrica do pó, bem como uma deterioração da conformabilidade do pó, com tendência para a esferoidização durante o processo de impressão. Partículas de pó demasiado grossas reduzirão a atividade de sinterização, a uniformidade de espalhamento do pó e a precisão da conformação.
Portanto, de acordo com os requisitos de desempenho das peças finais, os pós grossos e finos são adequadamente combinados para melhorar a densidade aparente e a fluidez dos pós, o que é propício para a fabricação aditiva por fusão em leito de pó. Os investigadores acreditam que, dentro da gama geral de tamanho de partículas do processo de fabrico aditivo por fusão em leito de pó a laser, a utilização de uma distribuição granulométrica mais ampla pode aumentar o preenchimento de partículas pequenas nos espaços entre as partículas grandes e melhorar a densidade do leito de pó durante o processo de deposição do pó.
A partir do estado atual da investigação sobre a influência das alterações das características do pó na qualidade da conformação, as alterações no tamanho, morfologia e estado da superfície do pó afetam o espalhamento e a qualidade da conformação do pó. Em termos de densidade de conformação, uma distribuição granulométrica razoável, uma maior esfericidade e uma menor coesão entre as partículas podem melhorar a densidade solta e a qualidade do espalhamento do pó, reduzir ainda mais o número de poros e defeitos não fundidos na amostra de conformação e melhorar a densidade da conformação.
Modificação - tornando a nanoalumina mais perfeita
A nanoalumina é um novo tipo de material inorgânico fino altamente funcional. Desde que o pó de nanoalumina foi produzido em meados da década de 1980, a compreensão deste material de alta tecnologia tem vindo a aprofundar e a descobrir muitas das suas características, tais como alta dureza, alta resistência, resistência ao calor, resistência à corrosão, entre outras excelentes características. Por conseguinte, é amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial, de defesa nacional, química, microelectrónica e outras.
Na aplicação prática da nanoalumina, a modificação do pó sempre foi um trabalho muito importante.
Por que razão é modificado?
Em primeiro lugar, como um nanomaterial com muitas características, a nanoalumina é muito fácil de aglomerar devido ao seu tamanho de partícula extremamente pequeno e à sua elevada energia superficial. Se o fenómeno de aglomeração for particularmente grave, terá um grande impacto nas características da alumina nanomaterial.
Além disso, a nanoalumina pode ser utilizada como biofilme para investigação médica com medicamentos biológicos, mas a carga superficial do cristal, com carga superficial equilibrada, é distribuída de forma desigual devido à presença de defeitos de rede. A acumulação de defeitos de carga superficial e de áreas de carga espacial ao nível do mícron leva a um momento dipolar em forma de grelha. Quando os materiais biológicos entram em contacto com a superfície destes pós, ocorre enriquecimento, resultando no bloqueio dos poros e na poluição da membrana.
Além disso, o isolamento e a alta resistência da alumina são utilizados como cargas em materiais como revestimentos e borracha para melhorar a dureza, o isolamento, a ductilidade e a resistência ao desgaste dos materiais. No entanto, a alumina é uma substância polar e tem uma baixa compatibilidade com materiais poliméricos apolares.
Por isso, a modificação da superfície da alumina tem atraído muita atenção.
A modificação da superfície refere-se ao tratamento da superfície de partículas sólidas por métodos físicos ou químicos, ou seja, o processo de alterar propositadamente as propriedades físicas e químicas e a morfologia da superfície da partícula de acordo com as necessidades da aplicação. Atualmente, existem dois métodos de modificação mais práticos. O primeiro método é denominado modificação orgânica de superfície, uma vez que utiliza principalmente modificadores orgânicos, e o segundo método é a modificação de revestimento inorgânico ou modificação de revestimento de superfície.
Modificação orgânica de superfície
O objetivo da modificação orgânica de superfície de partículas de pó ultrafinas é tornar a superfície da partícula hidrofóbica, ligando os grupos orgânicos correspondentes, melhorando assim o seu desempenho de dispersão e compatibilidade interfacial em matrizes orgânicas, como resinas, borrachas e tintas, melhorando assim o processo de processamento do produto e as propriedades abrangentes da mecânica dos materiais compósitos. De acordo com o tipo de estrutura química, os modificadores dividem-se em ácidos gordos superiores ou seus sais, ácidos gordos inferiores e agentes de acoplamento.
(1) Modificação física do revestimento
A modificação física de revestimento, ou modificação de tratamento de revestimento, é um método que utiliza matéria orgânica (desde que seja um polímero, resina, tensioativo, composto polimérico solúvel em água ou óleo e sabão de ácido gordo, etc.) para revestir a superfície das partículas e atingir o objetivo da modificação. É um processo para simplesmente modificar a superfície das partículas.
(2) Modificação química de superfície
A modificação química de superfície é obtida por reação química ou adsorção química entre o modificador de superfície e a superfície da partícula. É o método de modificação mais utilizado na produção.
(3) Modificação por enxerto
A modificação por enxertia é um processo de modificação no qual são introduzidas olefinas monoméricas ou poliolefinas na superfície do pó sob determinadas condições de excitação externa. Por vezes, é necessário excitar a olefina monomérica após a introdução para polimerizar a olefina monomérica aderida à superfície.
Modificação do revestimento superficial
A modificação do revestimento superficial refere-se à tecnologia de modificação que consiste em revestir uniformemente a superfície de partículas de pó de alumina ultrafinas com partículas sólidas mais pequenas ou filmes sólidos, alterando assim a composição, a estrutura, o aspeto e a função original da superfície das partículas.
De acordo com o ambiente e a forma da reação de revestimento, a natureza e o método do revestimento modificado entre as partículas, os métodos de modificação do revestimento superficial podem ser divididos em método de precipitação química, método de revestimento por hidrólise, método sol-gel, método de evaporação de solvente, método mecanoquímico e método de fase gasosa. Entre eles, os três primeiros métodos são todos métodos de reação de solução, ou seja, a solução salina solúvel é precipitada por agentes precipitantes e hidrólise e, em seguida, revestida na superfície do pó de partículas a modificar.
Quais as vantagens de utilizar o sulfato de bário como excelente carga na modificação do nylon?
O Sulfato de Bário, também conhecido por barita, é um composto inorgânico incolor, inodoro e não tóxico, com a fórmula química BaSO4. É conhecido pela sua elevada densidade, elevada brancura, boa estabilidade química e resistência a ácidos e álcalis, sendo insolúvel em água e na maioria dos ácidos. Estas características fazem com que o sulfato de bário seja amplamente utilizado em diversos setores industriais, especialmente na área da modificação de plásticos, especialmente na modificação de nylon (PA), onde apresenta vantagens únicas.
O nylon, como material polimérico com excelentes propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência a ácidos e álcalis e autolubrificação, é amplamente utilizado em diversos setores industriais. No entanto, as desvantagens do nylon, como a elevada absorção de água e a baixa estabilidade dimensional, limitam o seu leque de aplicações. Por conseguinte, é particularmente importante modificar o nylon para melhorar o seu desempenho. Como carga neutra, o sulfato de bário desempenha múltiplas funções na modificação do nylon, tais como o reforço, a tenacidade e a melhoria do brilho.
Efeito de Reforço
Como carga inorgânica, a adição de sulfato de bário pode melhorar significativamente a rigidez (módulo) e a dureza do nylon, sendo adequada para peças industriais que exijam um elevado módulo (como engrenagens e rolamentos). Resultados experimentais relevantes mostram que, com o aumento do teor de sulfato de bário nanométrico, o módulo de flexão e o módulo de tração do nylon são melhorados. Em particular, quando a fracção mássica de sulfato de bário nanométrico atinge um determinado valor (como por exemplo 3%), as propriedades mecânicas do nylon atingem o seu melhor. Este efeito de reforço deve-se principalmente à rigidez do sulfato de bário e à sua boa ligação da interface com a matriz de nylon.
Estabilidade dimensional: reduz a contração e a deformação do nylon durante o processamento ou utilização e melhora a precisão dimensional.
Temperatura de deformação térmica (HDT): ao limitar o movimento das cadeias poliméricas, melhora a estabilidade térmica dos materiais e expande a aplicação do nylon em ambientes de alta temperatura (como peças de motores de automóveis).
Efeito de tenacidade
Para além do efeito de reforço, o sulfato de bário pode também ter um efeito de tenacidade no nylon. A interação entre as nanopartículas de sulfato de bário e a matriz de nylon forma uma camada de transição elástica, que pode transmitir e relaxar eficazmente a tensão na interface, absorvendo e dispersando a energia de impacto externo e melhorando a tenacidade do material. No entanto, é de salientar que quando o teor de sulfato de bário aumenta até certo ponto, o desempenho do material será reduzido devido à ocorrência de aglomeração.
Brilho melhorado
O sulfato de bário tem uma forte capacidade de reflexão de luz nas gamas de comprimento de onda ultravioleta e infravermelho, o que lhe permite apresentar um elevado brilho nas fórmulas de coloração de plásticos. Quando o sulfato de bário com um tamanho de partícula apropriado é selecionado para ser adicionado ao nylon, o brilho da superfície dos produtos processados pode ser significativamente melhorado. Além disso, o índice de refração do sulfato de bário é semelhante ao de polímeros como o nylon, permitindo-lhe reter o brilho e a tonalidade do pigmento de coloração.
Aplicação prática
Em aplicações práticas, o sulfato de bário é geralmente disperso uniformemente na matriz de nylon sob a forma de nanómetros por mistura por fusão. Este método utiliza o efeito de tamanho, a grande área superficial específica e a forte força interfacial do nano-sulfato de bário, combinando perfeitamente a rigidez, a estabilidade dimensional e a estabilidade térmica do sulfato de bário com a tenacidade, a processabilidade e as propriedades dielétricas do nylon, obtendo assim um excelente desempenho abrangente.
O sulfato de bário demonstrou um aumento significativo da tenacidade e do brilho na modificação do nylon. Ao controlar racionalmente o teor e a distribuição do tamanho das partículas de sulfato de bário, é possível otimizar as propriedades mecânicas do nylon, melhorar a durabilidade e a estética do produto, equilibrar o desempenho e o custo, otimizar o design da fórmula para cenários específicos e, assim, alargar a gama de aplicações do nylon.
A que devemos prestar atenção ao preparar monocristais de carboneto de silício de alta qualidade?
Os métodos atuais para a preparação de monocristais de carboneto de silício incluem principalmente: transporte físico de vapor (PVT), crescimento da solução de topo (TSSG) e deposição química de vapor a alta temperatura (HT-CVD).
Entre eles, o método PVT apresenta as vantagens de equipamento simples, fácil controlo operacional, baixo custo do equipamento e custo operacional, tornando-se o principal método utilizado na produção industrial.
1. Tecnologia de dopagem de pó de carboneto de silício
A dopagem de uma quantidade adequada de elemento Ce em pó de carboneto de silício pode alcançar o efeito de crescimento estável de monocristais de 4H-SiC. A prática demonstrou que a dopagem do elemento Ce em pó pode aumentar a taxa de crescimento dos cristais de carboneto de silício e fazer com que os cristais cresçam mais rapidamente; pode controlar a orientação do carboneto de silício, tornando a direção de crescimento dos cristais mais uniforme e regular; inibir a geração de impurezas no cristal, reduzir a geração de defeitos e facilitar a obtenção de monocristais e cristais de elevada qualidade; pode inibir a corrosão da parte posterior do cristal e aumentar a taxa de monocristais do cristal.
2. Tecnologia de controlo de gradiente de campo de temperatura axial e radial
O gradiente de temperatura axial afeta principalmente a forma e a eficiência de crescimento dos cristais. Um gradiente de temperatura muito baixo levará ao aparecimento de impurezas durante o processo de crescimento dos cristais e também afetará a taxa de transporte de substâncias na fase gasosa, resultando numa diminuição da taxa de crescimento dos cristais. Os gradientes de temperatura axial e radial adequados auxiliam o rápido crescimento dos cristais de SiC e mantêm a estabilidade da qualidade dos cristais.
3. Tecnologia de controlo de deslocamento do plano basal (BPD)
A principal razão para a formação de defeitos BPD é que a tensão de cisalhamento no cristal excede a tensão de cisalhamento crítica do cristal de SiC, resultando na ativação do sistema de deslizamento. Como o BPD é perpendicular à direção de crescimento do cristal, é gerado principalmente durante o processo de crescimento do cristal e o posterior processo de arrefecimento do cristal.
4. Tecnologia de controlo de ajuste da proporção dos componentes da fase gasosa
No processo de crescimento de cristais, o aumento da proporção carbono-silício/componentes da fase gasosa no ambiente de crescimento é uma medida eficaz para alcançar o crescimento estável de um único cristal. Uma vez que uma elevada relação carbono-silício pode reduzir a agregação em grandes etapas e manter a herança da informação de crescimento na superfície do cristal semente, pode inibir a geração de polimorfos.
5. Tecnologia de controlo de baixa tensão
Durante o processo de crescimento do cristal, a presença de tensão fará com que o plano cristalino interno do cristal de SiC se curve, resultando numa baixa qualidade do cristal ou mesmo em fissuras, e uma elevada tensão levará a um aumento do deslocamento do plano basal da lâmina. Estes defeitos penetrarão na camada epitaxial durante o processo epitaxial e afetarão seriamente o desempenho do dispositivo posterior.
O futuro da tecnologia de preparação de monocristais de SiC de alta qualidade irá desenvolver-se em diversas direções:
Tamanho grande
A preparação de monocristais de carboneto de silício de grandes dimensões pode melhorar a eficiência da produção e reduzir os custos, além de satisfazer as necessidades dos dispositivos de alta potência.
Alta qualidade
Os monocristais de carboneto de silício de alta qualidade são a chave para a obtenção de dispositivos de alto desempenho. Atualmente, embora a qualidade dos monocristais de carboneto de silício tenha melhorado significativamente, ainda existem alguns defeitos, como microtubagens, discordâncias e impurezas. Estes defeitos afetarão o desempenho e a fiabilidade do dispositivo.
Baixo custo
O custo de preparação dos monocristais de carboneto de silício é elevado, o que limita a sua aplicação em alguns campos. O custo de preparação de monocristais de carboneto de silício pode ser reduzido através da otimização do processo de crescimento, melhoria da eficiência da produção e redução dos custos das matérias-primas.
Inteligente
Com o desenvolvimento de tecnologias como a inteligência artificial e o big data, a tecnologia de crescimento de cristais de carboneto de silício tornar-se-á gradualmente inteligente. O processo de crescimento pode ser monitorizado e controlado em tempo real através de sensores, sistemas de controlo automático e outros equipamentos para melhorar a estabilidade e a controlabilidade do processo de crescimento. Ao mesmo tempo, a análise de big data e outras tecnologias podem ser utilizadas para analisar e otimizar os dados de crescimento, melhorando a qualidade e a eficiência da produção dos cristais.
A tecnologia de preparação de monocristais de carboneto de silício de alta qualidade é um dos pontos mais importantes na investigação atual de materiais semicondutores. Com o avanço contínuo da ciência e da tecnologia, a tecnologia de crescimento de cristais de carboneto de silício continuará a desenvolver-se e a melhorar, proporcionando uma base mais sólida para a aplicação de carboneto de silício a alta temperatura, alta frequência, alta potência e outros campos.
Como equilibrar a resistência e o custo do talco na modificação do plástico?
Na indústria atual dos plásticos, os plásticos modificados têm atraído muita atenção pelo seu excelente desempenho e amplas áreas de aplicação. O talco, como importante carga mineral inorgânica, desempenha um papel vital na modificação dos plásticos.
O talco pode não só melhorar eficazmente as propriedades físicas dos produtos plásticos, mas também reduzir os seus custos de produção até certo ponto. No entanto, a forma de controlar os custos de forma razoável e, ao mesmo tempo, garantir a resistência tornou-se uma questão importante na modificação dos plásticos. Quando o pó de talco é utilizado na modificação de plásticos, como a relação entre o módulo de flexão, a resistência ao impacto, etc. e custo pode ser equilibrada, ajustando a quantidade de pó de talco adicionado e as suas características?
O talco é um mineral natural de silicato de magnésio com uma estrutura em flocos. Na modificação de plásticos, o talco pode melhorar significativamente a rigidez, a dureza superficial, a resistência à fluência térmica, o isolamento elétrico e a estabilidade dimensional dos produtos plásticos. Ao mesmo tempo, pode também aumentar a resistência ao impacto dos plásticos e melhorar a fluidez e as propriedades de processamento dos plásticos. Este efeito de fortalecimento advém principalmente da estrutura microescamosa do talco, que pode formar pontos de reticulação física eficazes na matriz plástica, melhorando assim o desempenho global do plástico.
O módulo de flexão é um indicador importante para medir a capacidade dos plásticos resistirem à deformação por flexão. A adição de pó de talco aos plásticos pode melhorar significativamente o módulo de flexão. Isto porque a estrutura rígida do pó de talco pode aumentar a capacidade de suporte da estrutura dos plásticos, tornando-os menos propensos a dobrar e deformar quando sujeitos a forças externas. No entanto, é de notar que à medida que a quantidade de pó de talco adicionado aumenta, a viscosidade do sistema também aumenta, o que pode afetar o desempenho do processamento do plástico. Portanto, em aplicações práticas, é necessário considerar de forma abrangente a melhoria do módulo de flexão e o equilíbrio do desempenho do processamento.
A resistência ao impacto é um indicador importante para medir a capacidade dos plásticos resistirem a cargas de impacto. A adição de uma quantidade adequada de pó de talco aos plásticos pode melhorar a resistência ao impacto até certo ponto. No entanto, quando a quantidade de talco adicionada é muito elevada, pode ocorrer uma diminuição da força de ligação gravitacional entre as moléculas do plástico, afetando assim a resistência ao impacto. Portanto, ao procurar uma elevada resistência, é necessário controlar razoavelmente a quantidade de talco adicionada para evitar um impacto negativo na resistência ao impacto.
Na modificação de plásticos, a chave para equilibrar a resistência e o custo reside na seleção criteriosa das variedades de talco, do tamanho das partículas e da quantidade adicionada. Aqui estão algumas estratégias específicas:
1. Escolha talco de alta qualidade
O talco de alta qualidade tem uma maior pureza e uma estrutura de flocos mais completa, o que pode melhorar o desempenho dos plásticos de forma mais eficaz. Embora o preço do talco de alta qualidade seja relativamente elevado, a melhoria do desempenho que proporciona pode muitas vezes compensar o aumento do custo e até gerar maior valor acrescentado.
2.º Otimize a distribuição granulométrica do talco
Uma distribuição granulométrica adequada pode melhorar a uniformidade da dispersão do talco na matriz plástica, desempenhando, assim, um papel de reforço mais eficaz. Ao mesmo tempo, uma distribuição granulométrica adequada pode também reduzir a viscosidade do sistema e melhorar o desempenho do processamento.
3.º Controlo preciso da quantidade de adição
Controlando com precisão a quantidade de talco adicionada, é possível garantir a resistência, evitando impactos negativos em propriedades como a resistência ao impacto. Além disso, uma quantidade razoável de pó de talco adicionado pode também reduzir os custos de produção e aumentar os benefícios económicos.
4. Utilize talco modificado
O talco modificado tem uma maior afinidade de interface e uma melhor dispersibilidade, o que pode melhorar o desempenho dos plásticos de forma mais eficaz. Embora o preço do talco modificado seja relativamente elevado, a melhoria no desempenho e no processamento que proporciona pode muitas vezes compensar o aumento do custo.
14 métodos de revestimento superficial de pó ultrafino
Os pós ultrafinos referem-se geralmente a partículas com um tamanho de partícula de micrómetros ou nanómetros. Comparativamente aos materiais convencionais a granel, apresentam uma maior área superficial específica, atividade superficial e maior energia superficial, apresentando excelentes propriedades óticas, térmicas, elétricas, magnéticas, catalíticas e outras. Os pós ultrafinos têm sido amplamente estudados como materiais funcionais nos últimos anos e têm sido cada vez mais utilizados em diversas áreas do desenvolvimento económico nacional.
No entanto, devido aos problemas específicos de aglomeração e dispersão dos pós ultrafinos, estes perderam muitas das suas excelentes propriedades, o que restringe seriamente a sua aplicação industrial.
Métodos para o revestimento da superfície de pós ultrafinos
1.º Método de mistura mecânica. Utiliza forças mecânicas como a extrusão, o impacto, o cisalhamento e a fricção para distribuir uniformemente o modificador na superfície exterior das partículas de pó, de modo a que os vários componentes possam penetrar e difundir-se uns nos outros para formar um revestimento. Os principais métodos atualmente utilizados são a moagem por esferas, a moagem por agitação e o impacto com fluxo de ar de alta velocidade.
2.º Método de reação em fase sólida. Misturar e moer diversos sais ou óxidos metálicos de acordo com a fórmula e, em seguida, calciná-los para obter diretamente pós revestidos ultrafinos através de reação em fase sólida.
3.º Método hidrotérmico. Num sistema fechado de alta temperatura e alta pressão, a água é utilizada como meio para obter um ambiente físico e químico especial, inalterável em condições normais de pressão, de modo a que o precursor da reação seja completamente dissolvido e atinja um certo grau de sobressaturação, formando assim uma unidade de crescimento, e depois nucleando e cristalizando para obter um pó composto.
4.º Método sol-gel. Em primeiro lugar, o precursor modificador é dissolvido em água (ou solvente orgânico) para formar uma solução uniforme, e o soluto e o solvente são hidrolisados ou alcoolizados para obter um sol modificador (ou o seu precursor); Em seguida, as partículas revestidas pré-tratadas são misturadas uniformemente com o sol para que as partículas sejam uniformemente dispersas no sol, e o sol é tratado para ser convertido num gel e calcinado a alta temperatura para obter um pó revestido com um modificador na superfície, conseguindo assim a modificação da superfície do pó.
5.º Método de precipitação. Adicionar um precipitante a uma solução que contenha partículas de pó, ou adicionar uma substância que possa desencadear a geração de um precipitante no sistema reacional, de modo a que os iões modificados sofram uma reação de precipitação e precipitem na superfície das partículas, revestindo-as.
6.º Método de coagulação heterogénea (também conhecido como "método de heterofloculação"). Um método proposto baseado no princípio de que partículas com cargas opostas na superfície podem atrair-se e coagular.
7.º Método de revestimento por microemulsão. Primeiramente, o pó ultrafino a revestir é preparado pelo pequeno núcleo de água fornecido pela microemulsão do tipo A/O (água em óleo) e, em seguida, o pó é revestido e modificado por polimerização em microemulsão.
8.º Método de nucleação não uniforme. De acordo com a teoria do processo de cristalização LAMER, a camada de revestimento é formada pela nucleação não uniforme e crescimento das partículas modificadoras na matriz de partículas revestidas.
9.º Método de deposição química. Refere-se ao processo de precipitação de metais por método químico sem aplicação de corrente externa. Existem três métodos: método de substituição, método de deposição por contacto e método de redução.
10.º Método do fluido supercrítico. É uma tecnologia nova, ainda em investigação. Em condições supercríticas, a redução da pressão pode levar à sobressaturação, podendo atingir uma elevada taxa de sobressaturação, de modo a que o soluto sólido cristalize a partir da solução supercrítica.
11.º Deposição química de vapor. A uma temperatura relativamente elevada, o gás misturado interage com a superfície do substrato, fazendo com que alguns componentes do gás misturado se decomponham e formem um revestimento metálico ou composto sobre o substrato.
12.º Método de alta energia. O método de revestimento de nanopartículas utilizando infravermelhos, ultravioleta, raios gama, descarga de corona, plasma, etc. é coletivamente designado por método de alta energia. O método de alta energia utiliza frequentemente algumas substâncias com grupos funcionais ativos para obter o revestimento da superfície das nanopartículas sob a ação de partículas de alta energia.
13.º Método de decomposição térmica por pulverização. O princípio do processo é pulverizar uma solução mista de vários sais contendo os iões positivos necessários numa névoa, enviá-la para uma câmara de reação aquecida a uma temperatura definida e gerar partículas finas de pó composto através da reação.
14.º Método de microencapsulação. Um método de modificação de superfícies que cobre uma película uniforme com uma determinada espessura na superfície do pó. O tamanho de partícula das microcápsulas geralmente preparadas é de 2 a 1000 μm, e a espessura do material da parede é de 0,2 a 10 μm.
Pó de níquel ultrafino: tamanho pequeno, grande efeito!
O pó de níquel ultrafino refere-se geralmente ao níquel com um tamanho de partícula inferior a 1 μm. De acordo com o tamanho de partícula, o pó de níquel ultrafino é frequentemente dividido em pó de níquel de grau micrométrico (tamanho médio de partícula ≥ 1 μm), pó de níquel de grau submicrométrico (tamanho médio de partícula de 0,1-1,0 μm) e pó de níquel de grau nanométrico (tamanho médio de partícula de 0,001-0,100 μm). O pó de níquel ultrafino possui as características de tamanho pequeno, elevada atividade superficial, boa condutividade e excelente condutividade magnética. É amplamente utilizado em carboneto cimentado, condensadores cerâmicos multicamadas de chip, materiais magnéticos, catalisadores de alta eficiência, pastas condutoras, materiais absorventes, materiais de blindagem eletromagnética e outros campos. Muitos campos exigem elevados níveis de pureza, dispersibilidade e esfericidade do pó de níquel, pelo que a preparação de pó de níquel ultrafino esférico com boa esfericidade, alta pureza e alta dispersibilidade tornou-se o foco atual da investigação na preparação de pó de níquel.
O pó de níquel ultrafino é amplamente utilizado em diversos campos industriais e de alta tecnologia devido à sua elevada área superficial específica, excelente condutividade, atividade catalítica e propriedades magnéticas.
Electrónica e semicondutores
Capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC): O pó de níquel ultrafino é um material essencial para os elétrodos internos de MLCC, substituindo a tradicional liga de paládio/prata, um metal precioso, reduzindo significativamente os custos de fabrico e satisfazendo as necessidades de componentes eletrónicos miniaturizados e de alta frequência.
Pasta e encapsulamento condutores: Devido à sua elevada condutividade e dispersibilidade, é utilizado em pastas eletrónicas e revestimentos condutores de placas de circuito impresso (PCB) para melhorar a condutividade e o desempenho de dissipação de calor de dispositivos eletrónicos.
Materiais semicondutores: Como enchimento condutor em encapsulamento de chips, melhora a condutividade térmica e a estabilidade mecânica do material.
Armazenamento e conversão de energia
Baterias de iões de lítio: Como material de elétrodo positivo (como o LiNiO2), melhora significativamente a densidade de energia e o ciclo de vida da bateria, especialmente para veículos de nova geração e sistemas de armazenamento de energia.
Células de combustível: Utilizadas como catalisadores (como catalisadores de reações hidrogénio-oxigénio) para melhorar a eficiência da reação, reduzir a utilização do metal precioso platina e reduzir os custos.
Supercondensadores: Aumentam a capacidade de armazenamento de carga dos materiais dos elétrodos através da otimização da nanoestrutura.
Catálise e proteção ambiental
Petroquímicos: utilizados como catalisadores eficientes em hidrogenação, desidrogenação e outras reações para melhorar o rendimento e a pureza do produto, como a hidrogenação do tolueno para produzir metilciclohexano.
Proteção ambiental: utilizados para o tratamento de gases residuais e águas residuais, degradação catalítica de poluentes e redução das emissões de substâncias nocivas.
Catálise de nova energia: na produção de energia a hidrogénio, a produção eficiente de hidrogénio através da reação de reforma a vapor (SMR) promove o desenvolvimento de energia limpa.
Materiais magnéticos e tecnologia de absorção de ondas
Fluido magnético e meio de armazenamento: dispersos no líquido transportador para formar um fluido magnético ou utilizados em dispositivos de armazenamento magnético de alta densidade (como discos quânticos).
Materiais de blindagem eletromagnética e absorção de ondas: o pó de níquel ultrafino possui excelentes propriedades elétricas e magnéticas. Os materiais de blindagem de ondas eletromagnéticas podem ser preparados pela combinação de pó de níquel ultrafino com materiais de matriz polimérica. Os materiais compósitos multicomponentes, como o cobre e o níquel, apresentam boas propriedades de absorção e blindagem de ondas na região de alta frequência e podem ser utilizados como materiais furtivos (stealth) nesta região. Baseado no revestimento condutor de pó de níquel ultrafino, é amplamente utilizado na tecnologia furtiva militar e em equipamentos eletrónicos civis.
Fabrico aeroespacial e de ponta
Ligas de alta temperatura: Como aditivos para melhorar a resistência a altas temperaturas e a resistência à corrosão das ligas, adequado para peças de motores de aeronaves.
Carboneto cimentado: Substitui o cobalto como metal de ligação, utilizado em ferramentas de corte e peças resistentes ao desgaste, reduzindo os custos e melhorando o desempenho.
Biomedicina e novos materiais
Transportadores de fármacos, diagnóstico e tratamento: Utiliza a sua responsividade magnética e biocompatibilidade para a administração dirigida de fármacos e deteção de marcadores magnéticos.
Impressão 3D e materiais compósitos: Como carga para a moldagem por injeção de metal (MIM), melhora as propriedades mecânicas e a precisão da moldagem de peças complexas.
A vantagem do pó de níquel ultrafino é que substitui materiais de metais preciosos mais caros, reduzindo significativamente os custos de produção. No entanto, estes campos de aplicação exigem que o pó de nanoníquel utilizado tenha uma estrutura esférica regular, um tamanho pequeno e uma distribuição uniforme do tamanho das partículas, uma boa dispersibilidade, uma elevada densidade compactada, uma forte capacidade antioxidante e outras propriedades, o que também representa um desafio para o processo de preparação do pó de nanoníquel.
Vantagens dos materiais de carbono na condutividade térmica e dissipação de calor
Nas actuais indústrias electrónica e optoelectrónica, à medida que os dispositivos electrónicos e os seus produtos se desenvolvem no sentido de uma elevada integração e de uma elevada computação, a potência dissipada duplicou. A dissipação de calor tornou-se gradualmente um factor-chave que restringe o desenvolvimento sustentável da indústria electrónica. Encontrar materiais de gestão de calor com excelente condutividade térmica é crucial para a próxima geração de circuitos integrados e projetos de produtos eletrónicos tridimensionais.
A condutividade térmica dos materiais cerâmicos tradicionais (como o nitreto de boro e o nitreto de alumínio) e dos materiais metálicos (como o cobre e o alumínio) é de apenas algumas centenas de W/(m·K), no máximo. Em comparação, a condutividade térmica dos materiais de carbono, como o diamante, a grafite, o grafeno, os nanotubos de carbono e a fibra de carbono, é ainda mais surpreendente. Por exemplo, o grafite tem uma condutividade térmica teórica de até 4180 W/m·k na direção paralela à camada cristalina, o que é quase 10 vezes superior à dos materiais metálicos tradicionais, como o cobre, a prata e o alumínio. Além disso, os materiais de carbono também apresentam excelentes propriedades, tais como baixa densidade, baixo coeficiente de expansão térmica e boas propriedades mecânicas a altas temperaturas.
Grafeno
O grafeno é um material de superfície de átomos de carbono de camada única, descamado da grafite. Possui uma estrutura plana bidimensional em forma de favo de mel, composta por átomos de carbono de camada única, firmemente dispostos em hexágonos regulares. A estrutura é muito estável. A ligação entre os átomos de carbono dentro do grafeno é muito flexível. Quando é aplicada uma força externa ao grafeno, a superfície do átomo de carbono curva-se e deforma-se, pelo que os átomos de carbono não têm de se reorganizar para se adaptarem à força externa, mantendo assim a estabilidade estrutural. Esta estrutura reticular estável confere ao grafeno uma excelente condutividade térmica.
Nanotubos de carbono
Desde a descoberta dos nanotubos de carbono em 1991, estes têm sido um foco de atenção, atraindo muitos cientistas para o estudo da condutividade térmica dos nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono são feitos de folhas de grafite de camada única ou multicamadas enroladas, e dividem-se em três tipos: de parede simples, de parede dupla e de parede múltipla.
A estrutura especial confere aos nanotubos de carbono uma condutividade térmica extremamente elevada. Alguns investigadores calcularam que a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede simples à temperatura ambiente é de 3980 W/(m·K), a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede dupla é de 3580 W/(m·K) e a condutividade térmica dos nanotubos de carbono de parede múltipla é de 2860 W/(m·K).
Diamante
A estrutura cristalina do diamante é um arranjo compacto de átomos de carbono nos tetraedros, e todos os eletrões participam na ligação. Assim sendo, a sua condutividade térmica à temperatura ambiente atinge os 2000~2100 W/(m·K), sendo um dos materiais com melhor condutividade térmica da natureza. Esta característica torna-a insubstituível no campo da dissipação de calor de alta qualidade.
Fibra de carbono
A fibra de carbono é tratada por carbonização a alta temperatura para formar uma estrutura de grafite turboestrática. Se a sua estrutura axial de grafite for altamente orientada, poderá atingir uma condutividade térmica ultra-elevada. Por exemplo, a condutividade térmica da fibra de carbono mesofásica à base de pez é de 1100 W/(m·K), e a condutividade térmica da fibra de carbono cultivada a vapor pode atingir 1950 W/(m·K).
Grafite
O grafite possui uma estrutura cristalina hexagonal, composta por seis facetas e dois planos basais compactados. A primeira camada da grelha hexagonal de átomos de carbono é escalonada por 1/2 da linha diagonal hexagonal e sobreposta paralelamente à segunda camada. A terceira camada e a primeira camada são repetidas na posição, formando uma sequência ABAB... A condutividade térmica da grafite natural ao longo do plano cristalino (002) é de 2200 W/(m·K), e a condutividade térmica no plano da grafite pirolítica altamente orientada pode também atingir 2000 W/(m·K).
Todos os materiais de carbono mencionados possuem uma condutividade térmica extremamente elevada, o que os levou a atrair muita atenção no campo dos requisitos de elevada dissipação de calor. A seguir, vamos analisar vários materiais clássicos de condução/dissipação de calor à base de carbono.
Os materiais de carbono, com a sua estrutura cristalina única e propriedades físicas e químicas, demonstraram vantagens insubstituíveis no campo da condutividade térmica e da dissipação de calor. Com o avanço da tecnologia de preparação e a expansão dos cenários de aplicação, espera-se que os materiais à base de carbono, como o grafeno e o diamante, promovam soluções de dissipação de calor em indústrias como a eletrónica e a aeroespacial a um nível superior.