Оксид алюминия — «спаситель» материалов катодных аккумуляторов
Базовая структура литий-ионных аккумуляторов включает положительный электрод, отрицательный электрод, электролит, сепаратор и корпус аккумулятора. Материал положительного электрода является основным материалом литий-ионных аккумуляторов, определяя плотность энергии, напряжение, срок службы и безопасность аккумулятора.
В настоящее время, хотя оксид лития-кобальта (LiCoO2), оксид лития-марганца (LiMn2O4), фосфат лития-железа (LiFePO4) и тройные материалы (Li-Ni-Co-Mn-O) являются четырьмя коммерчески доступными материалами для положительных электродов литий-ионных аккумуляторов, они имеют определенные недостатки в плане безопасности, циклических характеристик, сохранения емкости и других аспектов. Для повышения стабильности материалов положительных электродов исследователи используют различные методы модификации, такие как легирование, нанесение поверхностного покрытия и два общих метода.
Как оксид алюминия улучшает характеристики положительного электрода?
Покрытие из оксида алюминия на материалах положительных электродов может эффективно улучшить циклическую стабильность, срок службы и термическую стабильность материалов положительных электродов. Основные эффекты Al2O3 на материалы положительного электрода:
(1) Поглотитель фтороводорода (HF)
LiPF6 — широко используемый электролит в электролитах. Под высоким напряжением гексафторфосфат лития (LiPF6) реагирует со следовыми количествами воды с образованием HF.
(2) Физический защитный барьер
Нанесение слоя Al2O3 на поверхность материала положительного электрода позволяет изолировать материал положительного электрода от электролита и предотвратить возникновение вредных побочных реакций между материалом положительного электрода и электролитом.
(3) Повышение термической стабильности материалов положительного электрода
Термическая стабильность — один из ключевых факторов при оценке производительности литий-ионных аккумуляторов. В процессе заряда и разряда литиевых аккумуляторов высвобождение решеточного кислорода в материале положительного электрода приводит к окислению электролита, что снижает его термическую стабильность.
(4) Повышение скорости диффузии ионов лития
Хотя оксид алюминия не является хорошим проводником электронов и ионов, он может реагировать с остаточным литием на поверхности материала положительного электрода во время заряда и разряда, образуя LiAlO2, который является хорошим проводником и может увеличить скорость диффузии ионов лития. Это обусловлено главным образом тем, что LiAlO2 снижает энергетический барьер диффузии ионов лития.
(5) Реакция с LiPF6 с образованием электролитной добавки LiPO2F2
Оксид алюминия, нанесенный на поверхность материала положительного электрода, может реагировать с литиевой солью (LiPF6) в электролите с образованием дифторфосфата лития (LiPO2F2), который является стабильной электролитной добавкой, способной значительно улучшить циклируемость, безопасность и скоростные характеристики материала положительного электрода.
(6) Подавление эффекта Яна-Теллера
Эффект Яна-Теллера является основной причиной растворения ионов марганца в материале положительного электрода, что может привести к разрушению структуры материала положительного электрода и затруднить диффузию ионов лития, тем самым снижая электрохимические характеристики материала положительного электрода.
Пять основных технологий нанесения покрытий
Метод пропитки: добавьте материал положительного электрода в раствор или золь, содержащий прекурсор алюминия, для образования однородной суспензии, затем высушите и прокалите для получения материала положительного электрода с покрытием из оксида алюминия.
Метод осаждения: смешайте материал положительного электрода с раствором, например, нитратом алюминия или хлоридом алюминия, равномерно распределите, отрегулируйте значение pH смешанного раствора для формирования слоя покрытия на поверхности материала положительного электрода и, наконец, получите материал положительного электрода с покрытием из оксида алюминия путем фильтрации, промывки, сушки и термической обработки.
Процесс сухого нанесения покрытия: оксид алюминия и материалы положительного электрода могут быть непосредственно смешаны для формирования шероховатого слоя покрытия на поверхности материала положительного электрода. Хотя равномерное покрытие на поверхности материала положительного электрода невозможно, это положительно влияет на улучшение электрохимических характеристик материала положительного электрода.
Метод распыления: Метод распыления использует ионы Ar+ для бомбардировки материала мишени (Al), в результате чего атомы Al распыляются и осаждаются на поверхности материала положительного электрода.
Технология атомно-слоевого осаждения (ALD): Используя триметилалюминий и другие материалы в качестве источника алюминия, оксид алюминия наносится на поверхность материала положительного электрода. Толщину покрытия можно точно контролировать, а увеличение толщины достигается за счет увеличения количества циклов ALD.
Качество металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, зависит от порошка
Качество металлического порошка, используемого в качестве сырья, во многом определяет качество конечного продукта. В целом, чистота, морфология и распределение размеров частиц порошка являются ключевыми факторами, ограничивающими производительность формования деталей.
Морфология порошка напрямую влияет на насыпную плотность и текучесть, что, в свою очередь, влияет на процесс подачи и распределения порошка, а также на конечные характеристики деталей. В аддитивном производстве методом плавления в порошковой среде механизм распределения порошка равномерно распределяет частицы порошка в зоне формования, а хорошая текучесть является ключом к получению равномерного и плоского слоя порошка. Сферические и близкие к сферическим порошки обладают хорошей текучестью, высокой насыпной плотностью, высокой плотностью и однородной структурой и являются предпочтительным сырьем для аддитивного производства методом плавления в порошковой среде.
Однако наличие полых и сателлитных частиц в сферических и близких к сферическим порошках снижает конечные характеристики деталей. В порошках с размером частиц более 70 мкм преобладают полые частицы, что приводит к появлению трудноустранимых дефектов, таких как поры, в формованных деталях; наличие примесей в порошке снижает текучесть порошка и препятствует равномерному накоплению порошка при нанесении сплошных слоев порошка, что приводит к дефектам деталей. Поэтому металлические порошки для аддитивного производства методом плавления в слое порошка должны быть максимально малы по содержанию полых частиц и примесей в исходном порошке.
Распределение размеров частиц порошка используется для характеристики состава и изменения частиц с различными размерами в системе частиц порошка и является важным параметром, используемым для описания характеристик частиц порошка.
Размер частиц порошка напрямую влияет на качество нанесения порошка, скорость и точность формования, а также на организационную однородность процесса аддитивного производства. Для различных процессов выбранный размер частиц порошка различен. Как правило, технология селективного лазерного плавления (SLM) выбирает порошки с размером частиц 15–45 мкм, а технология селективного электронно-лучевого плавления (SEBM) – с размером частиц 45–106 мкм.
С точки зрения термодинамики и кинетики, чем меньше частицы порошка, тем больше их удельная поверхность и тем выше движущая сила спекания, то есть мелкие частицы порошка способствуют формованию деталей. Однако порошки со слишком мелкими частицами приводят к снижению текучести, насыпной плотности и электропроводности порошка, ухудшают формуемость порошка, а также склонны к сфероидизации в процессе печати. Слишком крупный размер частиц порошка снижает его спекаемость, равномерность распределения и точность формования.
Таким образом, в соответствии с требованиями к характеристикам конечных деталей, крупнозернистый и мелкозернистый порошок должным образом подбираются для улучшения насыпной плотности и текучести порошков, что благоприятствует аддитивному производству методом лазерной наплавки порошков. Исследователи полагают, что в общем диапазоне размеров частиц процесса лазерной наплавки порошков использование более широкого распределения размеров частиц может улучшить заполнение мелких частиц в промежутках между крупными частицами и повысить плотность порошкового слоя в процессе укладки порошка.
Согласно текущему статусу исследований влияния изменений характеристик порошка на качество формования, изменения размера порошка, морфологии и состояния поверхности влияют на распределение порошка и качество формования порошка. С точки зрения плотности формования, разумное распределение размеров частиц, более высокая сферичность и сниженная когезия между частицами могут улучшить насыпную плотность и качество распределения порошка, дополнительно уменьшить количество пор и непроплавленных дефектов в формуемом образце и повысить плотность формования.
Модификация – повышение совершенства нанооксида алюминия
Нанооксид алюминия — это новый тип высокофункционального тонкодисперсного неорганического материала. С момента получения порошка нанооксида алюминия в середине 1980-х годов исследователи углубляли свои знания об этом высокотехнологичном материале и открыли множество его характеристик, таких как высокая твердость, прочность, термостойкость, коррозионная стойкость и другие превосходные характеристики. Поэтому он широко используется в аэрокосмической промышленности, национальной обороне, химической промышленности, микроэлектронике и других областях.
В практическом применении нанооксида алюминия модификация порошка всегда была очень важной задачей.
Зачем его модифицировать?
Прежде всего, будучи наноматериалом с множеством характеристик, нанооксид алюминия очень легко агломерируется благодаря чрезвычайно малому размеру частиц и высокой поверхностной энергии. Если явление агломерации особенно серьёзно, оно окажет значительное влияние на характеристики наноматериала оксида алюминия.
Кроме того, нанооксид алюминия может быть использован в качестве биопленки для медицинских исследований биологических препаратов, однако поверхностный заряд кристалла со сбалансированным поверхностным зарядом распределен неравномерно из-за наличия дефектов кристаллической решетки. Накопление дефектов поверхностного заряда и областей пространственного заряда на микронном уровне приводит к возникновению дипольного момента, похожего на сетку. При контакте биологических материалов с поверхностью таких порошков происходит обогащение, что приводит к закупорке пор и загрязнению мембраны.
Кроме того, благодаря своим изоляционным свойствам и высокой прочности оксид алюминия используется в качестве наполнителя в таких материалах, как покрытия и резина, для повышения твердости, теплоизоляции, пластичности и износостойкости материалов. Однако оксид алюминия является полярным веществом и плохо совместим с неполярными полимерными материалами.
Поэтому поверхностная модификация оксида алюминия привлекает большое внимание.
Модификация поверхности — это обработка поверхности твердых частиц физическими или химическими методами, то есть процесс целенаправленного изменения физико-химических свойств и морфологии поверхности частиц в соответствии с требованиями конкретного применения. В настоящее время существует два наиболее практичных метода модификации. Первый метод называется поверхностной органической модификацией, поскольку в нём используются преимущественно органические модификаторы, а второй – поверхностной органической модификацией.
Поверхностная органическая модификация
Цель поверхностной органической модификации ультрадисперсных порошковых частиц – сделать поверхность частиц гидрофобной путём связывания соответствующих органических групп, что улучшает их дисперсионные свойства и совместимость с поверхностью раздела в органических матрицах, таких как смолы, резина и краски, а также, следовательно, технологический процесс переработки продукции и комплексные механические свойства композитных материалов. В зависимости от типа химической структуры модификаторы подразделяются на высшие жирные кислоты или их соли, низшие жирные кислоты и связующие агенты.
(1) Физическая модификация покрытия
Физическая модификация покрытия или модификация обработки покрытия – это метод использования органических веществ (полимеров, смол, поверхностно-активных веществ, водорастворимых или маслорастворимых полимерных соединений, жирнокислотных мыл и т. д.) для нанесения покрытия на поверхность частиц с целью модификации. Это процесс простой модификации поверхности частиц.
(2) Химическая модификация поверхности
Химическая модификация поверхности достигается посредством химической реакции или химической адсорбции между модификатором поверхности и поверхностью частицы. Это наиболее широко используемый метод модификации в производстве.
(3) Прививочная модификация
Прививочная модификация — это процесс модификации, при котором мономерные олефины или полиолефины вводятся в поверхность порошка при определенных условиях внешнего возбуждения. Иногда после введения необходимо возбудить мономерный олефин для полимеризации мономерного олефина, связанного с поверхностью.
Модификация поверхностного покрытия
Модификация поверхностного покрытия относится к технологии модификации, заключающейся в равномерном покрытии поверхности частиц ультрадисперсного порошка оксида алюминия более мелкими твердыми частицами или твердыми пленками, тем самым изменяя состав поверхности, структуру, внешний вид и исходные функции частиц.
В зависимости от среды и формы реакции покрытия, природы и способа формирования модифицированного покрытия между частицами, методы модификации поверхностного покрытия можно разделить на метод химического осаждения, метод гидролизного покрытия, золь-гель метод, метод испарения растворителя, механохимический метод и газофазный метод. Из них первые три метода являются методами реакции растворения, то есть раствор растворимой соли осаждается с помощью осаждающих агентов и гидролиза, а затем наносится на поверхность частиц порошка, подлежащего модификации.
На что следует обратить внимание при получении высококачественных монокристаллов карбида кремния?
Современные методы получения монокристаллов карбида кремния включают в себя: физический перенос пара (PVT), выращивание из затравочного раствора (TSSG) и высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD).
Среди них метод PVT обладает такими преимуществами, как простота оборудования, простота управления процессом, низкая стоимость оборудования и эксплуатационные расходы, и стал основным методом, используемым в промышленном производстве.
1. Технология легирования порошка карбида кремния
Легирование порошка карбида кремния определённым количеством элемента Ce позволяет добиться стабильного роста монокристаллов 4H-SiC. Практика показала, что легирование порошка элементом Ce может увеличить скорость роста кристаллов карбида кремния и ускорить их рост; это позволяет контролировать ориентацию карбида кремния, делая направление роста кристаллов более однородным и регулярным; подавлять образование примесей в кристалле, уменьшать образование дефектов и облегчать получение монокристаллов и высококачественных кристаллов; это может замедлить коррозию обратной стороны кристалла и увеличить скорость монокристаллизации.
2. Технология управления аксиальным и радиальным градиентом температурного поля
Аксиальный градиент температуры в основном влияет на форму роста кристалла и эффективность роста кристалла. Слишком малый температурный градиент приведет к появлению примесей в процессе роста кристалла, а также повлияет на скорость переноса веществ газовой фазы, что приведет к снижению скорости роста кристалла. Правильный аксиальный и радиальный градиенты температуры способствуют быстрому росту кристаллов SiC и поддержанию стабильности качества кристалла.
3. Технология управления дислокациями базисной плоскости (БПД)
Основной причиной образования дефектов БПД является превышение напряжения сдвига в кристалле критическим напряжением сдвига кристалла SiC, что приводит к активации системы скольжения. Поскольку БПД перпендикулярен направлению роста кристалла, он генерируется в основном в процессе роста кристалла и при его последующем охлаждении.
4. Технология управления соотношением компонентов газовой фазы
В процессе роста кристаллов увеличение соотношения углерода и кремния в газовой фазе в ростовой среде является эффективной мерой для достижения стабильного роста монокристалла. Поскольку высокое соотношение углерода и кремния может снизить агрегацию крупных ступеней и сохранить наследуемость информации о росте на поверхности затравочного кристалла, это может препятствовать образованию полиморфных модификаций.
5. Технология управления низкими напряжениями
В процессе роста кристалла наличие напряжений приводит к изгибу внутренней кристаллографической плоскости SiC, что приводит к ухудшению качества кристалла или даже к его растрескиванию, а большие напряжения приводят к увеличению дислокации базисной плоскости пластины. Эти дефекты проникают в эпитаксиальный слой в процессе эпитаксии и серьезно влияют на характеристики будущего устройства.
В перспективе технология получения высококачественных монокристаллов SiC будет развиваться в нескольких направлениях:
Крупногабаритные
Получение крупногабаритных монокристаллов карбида кремния может повысить эффективность производства и снизить затраты, а также удовлетворить потребности в мощных устройствах.
Высококачественные
Высококачественные монокристаллы карбида кремния являются ключом к созданию высокопроизводительных устройств. В настоящее время, несмотря на значительное улучшение качества монокристаллов карбида кремния, в них по-прежнему присутствуют некоторые дефекты, такие как микротрубки, дислокации и примеси. Эти дефекты влияют на производительность и надежность устройства.
Низкая стоимость
Стоимость производства монокристаллов карбида кремния высока, что ограничивает их применение в некоторых областях. Стоимость производства монокристаллов карбида кремния может быть снижена за счет оптимизации процесса роста, повышения эффективности производства и снижения затрат на сырье.
Интеллектуальность
С развитием таких технологий, как искусственный интеллект и большие данные, технология выращивания кристаллов карбида кремния постепенно становится интеллектуальной. Процесс роста можно контролировать и контролировать в режиме реального времени с помощью датчиков, систем автоматического управления и другого оборудования, что повышает стабильность и управляемость процесса роста. Анализ больших данных и другие технологии могут быть использованы для анализа и оптимизации данных роста для повышения качества и эффективности производства кристаллов.
Технология получения высококачественных монокристаллов карбида кремния является одним из ключевых направлений современных исследований полупроводниковых материалов. Благодаря постоянному прогрессу науки и техники технология выращивания кристаллов карбида кремния будет продолжать развиваться и совершенствоваться, обеспечивая более прочную основу для применения карбида кремния в высокотемпературных, высокочастотных, высокоэнергетических и других областях.
Каковы преимущества использования превосходного наполнителя сульфата бария при модификации нейлона?
Сульфат бария, также известный как барит, представляет собой бесцветное, не имеющее запаха, нетоксичное неорганическое соединение с химической формулой BaSO4. Он известен своей высокой плотностью, высокой белизной, хорошей химической стабильностью и устойчивостью к кислотам и щелочам, а также нерастворим в воде и большинстве кислот. Эти характеристики делают сульфат бария широко используемым во многих промышленных областях, особенно в области модификации пластика, особенно в модификации нейлона (PA), где сульфат бария демонстрирует уникальные преимущества.
Нейлон, как полимерный материал с превосходными механическими свойствами, износостойкостью, устойчивостью к кислотам и щелочам и самосмазыванием, широко используется во многих промышленных областях. Однако недостатки нейлона, такие как высокое водопоглощение и плохая размерная стабильность, ограничивают область его применения. Поэтому особенно важно модифицировать нейлон для улучшения его характеристик. Как нейтральный наполнитель, сульфат бария играет несколько ролей в модификации нейлона, таких как укрепление, упрочнение и улучшение блеска.
Эффект армирования
Как неорганический наполнитель, добавление сульфата бария может значительно улучшить жесткость (модуль) и твердость нейлона и подходит для промышленных деталей, требующих высокого модуля (например, шестеренок и подшипников). Соответствующие экспериментальные результаты показывают, что с увеличением содержания наносульфата бария модуль изгиба и модуль растяжения нейлона улучшаются. В частности, когда массовая доля наносульфата бария составляет определенное значение (например, 3%), механические свойства нейлона достигают наилучших значений. Этот эффект армирования в основном обусловлен жесткостью сульфата бария и его хорошим сцеплением интерфейса с нейлоновой матрицей.
Стабильность размеров: уменьшение усадки и коробления нейлона во время обработки или использования и повышение точности размеров.
Температура тепловой деформации (HDT): ограничение движения полимерных цепей, улучшение термической стабильности материалов и расширение применения нейлона в высокотемпературных средах (например, детали автомобильных двигателей).
Эффект упрочнения
Помимо эффекта армирования, сульфат бария также может оказывать упрочняющее действие на нейлон. Взаимодействие между наночастицами сульфата бария и нейлоновой матрицей образует эластичный переходный слой, который может эффективно передавать и ослаблять напряжение на границе раздела, тем самым поглощая и рассеивая внешнюю энергию удара и улучшая прочность материала. Однако стоит отметить, что при увеличении содержания сульфата бария до определенной степени эксплуатационные характеристики материала будут снижаться из-за возникновения агломерации.
Улучшенный блеск
Сульфат бария обладает сильной светоотражающей способностью в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн, что позволяет ему демонстрировать высокую яркость в формулах для окрашивания пластика. Когда для заполнения нейлона выбирается сульфат бария с соответствующим размером частиц, поверхностный блеск обработанных изделий может быть значительно улучшен. Кроме того, показатель преломления сульфата бария аналогичен показателю преломления полимеров, таких как нейлон, поэтому он может сохранять яркость и оттенок красящего пигмента.
Практическое применение
В практических применениях сульфат бария обычно равномерно диспергируется в матрице нейлона в форме нанометров путем смешивания расплава. Этот метод использует эффект размера, большую удельную площадь поверхности и сильную силу на границе раздела наносульфата бария и идеально сочетает жесткость, размерную стабильность и термическую стабильность сульфата бария с прочностью, технологичностью и диэлектрическими свойствами нейлона, тем самым получая превосходные комплексные характеристики.
Сульфат бария показал значительное улучшение, упрочнение и улучшение блеска при модификации нейлона. Рационально контролируя содержание и распределение размеров частиц сульфата бария, можно оптимизировать механические свойства нейлона, улучшить долговечность и эстетику продукта, сбалансировать производительность и стоимость, оптимизировать разработку формулы для конкретных сценариев и, таким образом, расширить область применения нейлона.
Как сбалансировать прочность и стоимость талька при модификации пластмасс?
В современной индустрии пластмасс модифицированные пластмассы привлекли большое внимание своими превосходными характеристиками и широкими областями применения. Тальк, как важный неорганический минеральный наполнитель, играет жизненно важную роль в модификации пластмасс.
Тальк может не только эффективно улучшить физические свойства пластмассовых изделий, но и в определенной степени снизить их производственные затраты. Однако, как разумно контролировать затраты, обеспечивая прочность, стало важным вопросом при модификации пластмасс. Когда тальк используется при модификации пластмасс, как можно сбалансировать соотношение между модулем упругости при изгибе, ударной вязкостью и т. д. и стоимостью, регулируя количество добавляемого талька и его характеристики?
Тальк — это природный магниевый силикатный минерал с хлопьевидной структурой. При модификации пластмасс тальк может значительно улучшить жесткость, твердость поверхности, термическую стойкость к ползучести, электроизоляцию и размерную стабильность пластмассовых изделий. В то же время он также может повысить ударную вязкость пластмасс и улучшить текучесть и технологические свойства пластмасс. Этот эффект усиления в основном обусловлен микрочешуйчатой структурой талька, которая может образовывать эффективные физические точки сшивки в пластиковой матрице, тем самым улучшая общие характеристики пластика.
Модуль изгиба является важным показателем для измерения способности пластика противостоять изгибной деформации. Добавление талька в пластик может значительно улучшить модуль изгиба. Это связано с тем, что жесткая структура талька может улучшить способность пластика поддерживать скелет, делая его менее склонным к изгибу и деформации при воздействии внешних сил. Однако следует отметить, что по мере увеличения количества добавляемого талька вязкость системы также будет увеличиваться, что может повлиять на производительность обработки пластика. Поэтому в практических приложениях необходимо всесторонне рассмотреть улучшение модуля изгиба и баланс производительности обработки.
Ударная вязкость является важным показателем для измерения способности пластика противостоять ударным нагрузкам. Добавление соответствующего количества талька в пластик может в определенной степени улучшить ударную прочность. Однако, если количество добавленного талька слишком велико, это может привести к снижению силы гравитационного сцепления между молекулами пластика, что повлияет на ударную вязкость. Поэтому, стремясь к высокой прочности, необходимо разумно контролировать количество добавленного талька, чтобы избежать негативного влияния на ударную вязкость.
При модификации пластика ключ к балансу прочности и стоимости заключается в разумном выборе разновидностей талька, размера частиц и количества добавления. Вот несколько конкретных стратегий:
1. Выбирайте высококачественный тальк
Высококачественный тальк имеет более высокую чистоту и более полную структуру хлопьев, что может более эффективно улучшить эксплуатационные характеристики пластика. Хотя цена высококачественного талька относительно высока, улучшение эксплуатационных характеристик, которое он приносит, часто может компенсировать рост стоимости и даже принести более высокую добавленную стоимость.
2. Оптимизируйте распределение размеров частиц талька
Соответствующее распределение размеров частиц может улучшить однородность дисперсии талька в пластиковой матрице, тем самым более эффективно выполняя армирующую роль. В то же время разумное распределение размера частиц может также снизить вязкость системы и улучшить производительность обработки.
3. Точно контролируйте количество добавляемого вещества
Точно контролируя количество добавляемого вещества талька, можно обеспечить прочность, избежав при этом отрицательного влияния на такие свойства, как ударная вязкость. Кроме того, разумное количество добавляемого вещества может также снизить производственные затраты и улучшить экономические выгоды.
4. Используйте модифицированный тальк
Модифицированный тальк имеет более сильное сродство к интерфейсу и лучшую диспергируемость, что может более эффективно улучшить производительность пластиков. Хотя цена модифицированного талька относительно высока, улучшение производительности и улучшение производительности обработки, которые он приносит, часто могут компенсировать увеличение стоимости.
14 методов нанесения покрытия на поверхность ультрадисперсного порошка
Ультратонкие порошки обычно относятся к частицам с размером частиц в микрометры или нанометры. По сравнению с обычными объемными материалами они имеют большую удельную площадь поверхности, поверхностную активность и более высокую поверхностную энергию, тем самым демонстрируя превосходные оптические, тепловые, электрические, магнитные, каталитические и другие свойства. Ультратонкие порошки широко изучались в качестве функционального материала в последние годы и все более широко использовались в различных областях народнохозяйственного развития.
Однако из-за уникальных проблем агломерации и дисперсии ультратонких порошков они утратили многие превосходные свойства, что серьезно ограничивает промышленное применение ультратонких порошков.
Методы нанесения покрытия на поверхность ультратонких порошков
1. Метод механического смешивания. Используйте механические силы, такие как экструзия, удар, сдвиг и трение, чтобы равномерно распределить модификатор на внешней поверхности частиц порошка, чтобы различные компоненты могли проникать и диффундировать друг в друга, образуя покрытие. Основными методами, используемыми в настоящее время, являются шаровое измельчение, перемешивающее измельчение и высокоскоростное воздействие воздушного потока.
2. Метод твердофазной реакции. Смешайте и измельчите несколько солей металлов или оксидов металлов в соответствии с формулой, а затем прокалите их, чтобы напрямую получить сверхтонкие покрытые порошки посредством твердофазной реакции.
3. Гидротермальный метод. В закрытой системе высокой температуры и высокого давления вода используется в качестве среды для получения особой физической и химической среды, которую невозможно получить в условиях обычного давления, так что предшественник реакции полностью растворяется и достигает определенной степени пересыщения, тем самым образуя единицу роста, а затем зародышеобразование и кристаллизация для получения композитного порошка.
4. Золь-гель метод. Сначала предшественник модификатора растворяется в воде (или органическом растворителе) для образования однородного раствора, а растворенное вещество и растворитель гидролизуются или алкоголизируются для получения золя модификатора (или его предшественника); затем предварительно обработанные покрытые частицы равномерно смешиваются с золем, чтобы сделать частицы равномерно диспергированными в золе, и золь обрабатывается, чтобы превратиться в гель, и прокаливается при высокой температуре, чтобы получить порошок, покрытый модификатором на поверхности, тем самым достигая модификации поверхности порошка.
5. Метод осаждения. Добавьте осадитель в раствор, содержащий частицы порошка, или добавьте вещество, которое может инициировать образование осадителя в реакционной системе, так что модифицированные ионы подвергаются реакции осаждения и осаждаться на поверхности частиц, тем самым покрывая частицы.
6. Метод гетерогенной коагуляции (также известный как «метод гетерофлокуляции»). Метод, предложенный на основе принципа, что частицы с противоположными зарядами на поверхности могут притягиваться друг к другу и коагулировать.
7. Метод покрытия микроэмульсией. Сначала сверхтонкий порошок для покрытия готовится с помощью крошечного водного ядра, обеспечиваемого микроэмульсией типа W/O (вода в масле), а затем порошок покрывается и модифицируется с помощью микроэмульсионной полимеризации.
8. Метод неравномерного зародышеобразования. Согласно теории процесса кристаллизации LAMER, слой покрытия формируется неравномерным зародышеобразованием и ростом частиц модификатора на матрице покрытых частиц.
9. Метод химического осаждения. Он относится к процессу осаждения металла химическим методом без приложения внешнего тока. Существует три метода: метод замещения, метод контактного осаждения и метод восстановления.
10. Метод сверхкритической жидкости. Это новая технология, которая все еще находится в стадии исследования. В сверхкритических условиях снижение давления может привести к пересыщению и может достичь высокой скорости пересыщения, так что твердое растворенное вещество кристаллизуется из сверхкритического раствора.
11. Химическое осаждение из паровой фазы. При относительно высокой температуре смешанный газ взаимодействует с поверхностью подложки, в результате чего некоторые компоненты смешанного газа разлагаются и образуют покрытие из металла или соединения на подложке.
12. Высокоэнергетический метод. Метод покрытия наночастиц с использованием инфракрасных, ультрафиолетовых, гамма-лучей, коронного разряда, плазмы и т. д. в совокупности называется высокоэнергетическим методом. Высокоэнергетический метод часто использует некоторые вещества с активными функциональными группами для достижения поверхностного покрытия наночастиц под действием высокоэнергетических частиц.
13. Метод распылительного термического разложения. Принцип процесса заключается в распылении смешанного раствора нескольких солей, содержащего требуемые положительные ионы, в туман, отправке его в реакционную камеру, нагретую до заданной температуры, и получении мелкодисперсных композитных порошковых частиц посредством реакции.
14. Метод микрокапсулирования. Метод модификации поверхности, при котором на поверхности порошка образуется однородная пленка определенной толщины. Размер частиц обычно изготавливаемых микрокапсул составляет от 2 до 1000 мкм, а толщина материала стенки — от 0,2 до 10 мкм.
Сверхтонкий никелевый порошок: малый размер, большой эффект!
Сверхтонкий никелевый порошок обычно относится к никелю с размером частиц менее 1 мкм. В зависимости от размера частиц сверхтонкий никелевый порошок часто делится на микронный никелевый порошок (средний размер частиц ≥ 1 мкм), субмикронный никелевый порошок (средний размер частиц 0,1-1,0 мкм) и нано-никелевый порошок (средний размер частиц 0,001-0,100 мкм). Сверхтонкий никелевый порошок имеет характеристики малого размера, высокой поверхностной активности, хорошей проводимости и превосходной магнитной проводимости. Он широко используется в цементированном карбиде, чиповых многослойных керамических конденсаторах, магнитных материалах, высокоэффективных катализаторах, проводящих суспензиях, поглощающих материалах, материалах электромагнитного экранирования и других областях. Во многих областях предъявляются высокие требования к чистоте, дисперсности и сферичности никелевого порошка, поэтому получение сферического сверхтонкого никелевого порошка с хорошей сферичностью, высокой чистотой и высокой дисперсностью стало текущим направлением исследований в области получения никелевого порошка.
Сверхтонкий никелевый порошок широко используется во многих высокотехнологичных и промышленных областях благодаря своей высокой удельной площади поверхности, превосходной проводимости, каталитической активности и магнитным свойствам.
Электроника и полупроводниковые области
Многослойные керамические конденсаторы (MLCC): сверхтонкий никелевый порошок является ключевым материалом для внутренних электродов MLCC, заменяя традиционный сплав драгоценных металлов палладия и серебра, значительно снижая производственные затраты, при этом удовлетворяя потребности высокочастотных и миниатюрных электронных компонентов.
Проводящая паста и упаковка: благодаря своей высокой проводимости и дисперсности он используется в электронных пастах и проводящих покрытиях печатных плат (PCB) для улучшения проводимости и теплоотводящих характеристик электронных устройств.
Полупроводниковые материалы: как проводящий наполнитель в корпусе микросхем он повышает теплопроводность и механическую стабильность материала.
Хранение и преобразование энергии
Литий-ионные аккумуляторы: как материал положительного электрода (например, LiNiO2), он значительно улучшает плотность энергии аккумулятора и срок службы цикла, особенно для новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии.
Топливные элементы: используются в качестве катализатора (например, катализатора реакции водорода с кислородом) для повышения эффективности реакции, сокращения использования драгоценного металла платины и снижения затрат.
Суперконденсаторы: повышают емкость хранения заряда электродных материалов за счет оптимизации наноструктуры.
Катализ и защита окружающей среды
Нефтехимия: используется в качестве эффективного катализатора в гидрогенизации, дегидрогенизации и других реакциях для повышения выхода и чистоты продукта, например, гидрогенизации толуола для получения метилциклогексана.
Защита окружающей среды: используется для очистки отработанных газов и сточных вод, каталитического разложения загрязняющих веществ и сокращения выбросов вредных веществ.
Новый энергетический катализ: в производстве водородной энергии эффективное производство водорода посредством реакции парового риформинга (SMR) способствует развитию чистой энергии.
Магнитные материалы и технология поглощения волн
Магнитная жидкость и среда хранения: диспергируется в жидкости-носителе для образования магнитной жидкости или используется в магнитных запоминающих устройствах высокой плотности (например, квантовых дисках).
Материалы для электромагнитного экранирования и поглощения волн: сверхтонкий никелевый порошок обладает превосходными электрическими и магнитными свойствами. Материалы для экранирования электромагнитных волн могут быть получены путем смешивания сверхтонкого никелевого порошка с полимерными матричными материалами. Многокомпонентные композитные материалы, такие как медь и никель, обладают хорошими свойствами поглощения и экранирования волн в области высоких частот и могут использоваться в качестве материалов скрытности в области высоких частот. Основанное на сверхтонком никелевом порошке проводящее покрытие широко используется в военной технологии скрытности и гражданском электронном оборудовании.
Аэрокосмическая промышленность и производство высокотехнологичных изделий
Высокотемпературные сплавы: в качестве добавок для улучшения высокотемпературной стойкости и коррозионной стойкости сплавов, подходит для деталей авиационных двигателей.
Цементированный карбид: заменяет кобальт в качестве связующего металла, используется в режущих инструментах и износостойких деталях, снижая затраты и улучшая производительность.
Биомедицина и новые материалы
Носители лекарств, диагностика и лечение: используйте его магнитную чувствительность и биосовместимость для целевой доставки лекарств и обнаружения магнитных маркеров.
3D-печать и композитные материалы: в качестве наполнителя для литья металлов под давлением (MIM) он улучшает механические свойства и точность формования сложных деталей.
Преимущество сверхтонкого никелевого порошка заключается в том, что он заменяет более дорогие драгоценные металлические материалы, значительно снижая производственные затраты. Однако эти области применения требуют, чтобы используемый наноникелевый порошок имел правильную сферическую структуру, малый размер и равномерное распределение размеров частиц, хорошую диспергируемость, высокую плотность утряски, сильную антиоксидантную способность и другие свойства, что также создает проблему для процесса приготовления наноникелевого порошка.
Преимущества углеродных материалов по теплопроводности и теплоотдаче
В современных отраслях электроники и оптоэлектроники, поскольку электронные устройства и их продукты развиваются в направлении высокой интеграции и высокой вычислительной мощности, рассеиваемая мощность удвоилась. Рассеивание тепла постепенно стало ключевым фактором, ограничивающим устойчивое развитие электронной промышленности. Поиск материалов для управления теплом с превосходной теплопроводностью имеет решающее значение для следующего поколения интегральных схем и трехмерных электронных конструкций продуктов.
Теплопроводность традиционных керамических материалов (таких как нитрид бора, нитрид алюминия) и металлических материалов (таких как медь, алюминий) составляет всего несколько сотен Вт/(м·К) максимум. Для сравнения, теплопроводность углеродных материалов, таких как алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки и углеродное волокно, еще более удивительна. Например, графит имеет теоретическую теплопроводность до 4180 Вт/мК в направлении, параллельном кристаллическому слою, что почти в 10 раз больше, чем у традиционных металлических материалов, таких как медь, серебро и алюминий. Кроме того, углеродные материалы также обладают превосходными свойствами, такими как низкая плотность, низкий коэффициент теплового расширения и хорошие механические свойства при высоких температурах.
Графен
Графен — это однослойный поверхностный материал атомов углерода, отслаивающийся от графита. Он имеет двумерную плоскую структуру в форме сот, состоящую из однослойных атомов углерода, плотно расположенных в правильных шестиугольниках. Структура очень стабильна. Связь между атомами углерода внутри графена очень гибкая. Когда к графену прикладывается внешняя сила, поверхность атомов углерода изгибается и деформируется, так что атомам углерода не приходится перестраиваться, чтобы приспособиться к внешней силе, тем самым сохраняя структурную стабильность. Эта стабильная структура решетки придает графену превосходную теплопроводность.
Углеродные нанотрубки
С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году они стали объектом внимания многих ученых, изучающих теплопроводность углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки состоят из однослойных или многослойных графитовых листов, скрученных в спираль, и делятся на три типа: однослойные, двухслойные и многослойные.
Специальная структура придает углеродным нанотрубкам чрезвычайно высокую теплопроводность. Некоторые исследователи подсчитали, что теплопроводность однослойных углеродных нанотрубок при комнатной температуре составляет 3980 Вт/(м·К), теплопроводность двухслойных углеродных нанотрубок — 3580 Вт/(м·К), а теплопроводность многослойных углеродных нанотрубок — 2860 Вт/(м·К).
Алмаз
Кристаллическая структура алмаза представляет собой тесное расположение атомов углерода в тетраэдрах, и все электроны участвуют в связывании. Поэтому его теплопроводность при комнатной температуре достигает 2000~2100 Вт/(м·К), что является одним из материалов с лучшей теплопроводностью в природе. Эта особенность делает его незаменимым в области высококачественного рассеивания тепла.
Углеродное волокно
Углеродное волокно обрабатывается высокотемпературной карбонизацией для формирования турбостратной графитовой структуры. Если его аксиальная графитовая решетка высокоориентирована, оно может достичь сверхвысокой теплопроводности. Например, теплопроводность мезофазного пека на основе углеродного волокна составляет 1100 Вт/(м·К), а теплопроводность выращенного в паровой фазе углеродного волокна может достигать 1950 Вт/(м·К).
Графит
Графит имеет гексагональную кристаллическую структуру, состоящую из шести граней и двух плотноупакованных базальных плоскостей. Первый слой гексагональной сетки атомов углерода смещен на 1/2 гексагональной диагональной линии и перекрывается параллельно со вторым слоем. Третий слой и первый слой повторяются в положении, образуя последовательность ABAB... Теплопроводность природного графита вдоль кристаллической плоскости (002) составляет 2200 Вт/(м·К), а теплопроводность в плоскости высокоориентированного пиролитического графита также может достигать 2000 Вт/(м·К).
Все вышеперечисленные углеродные материалы обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью, поэтому они привлекли большое внимание в области высоких требований к рассеиванию тепла. Далее рассмотрим несколько классических углеродных проводящих/теплорассеивающих материалов.
Углеродные материалы с их уникальной кристаллической структурой и физико-химическими свойствами продемонстрировали незаменимые преимущества в области теплопроводности и теплоотвода. С развитием технологий подготовки и расширением сфер применения ожидается, что углеродные материалы, такие как графен и алмаз, будут продвигать решения по теплоотводу в таких отраслях, как электроника и аэрокосмическая промышленность, на более высокий уровень.
Применение порошковой подготовки на основе технологии термической плазмы в терморегулирующих материалах
Миниатюризация и интеграция электронных устройств предъявляют более высокие требования к рассеиванию тепла для полимерных терморегулирующих материалов. Разработка новых наполнителей с высокой теплопроводностью для создания эффективных путей теплопроводности является ключом к достижению высокопроизводительных терморегулирующих материалов.
Технология термической плазмы имеет большие преимущества при получении нано- и микронных сферических порошков, таких как сферический порошок кремния и порошок оксида алюминия, благодаря своей высокой температуре, контролируемой реакционной среде, высокой плотности энергии и низкому уровню загрязнения.
Технология термической плазмы
Плазма является четвертым состоянием вещества в дополнение к твердому, жидкому и газообразному. Это в целом электрически нейтральный агрегат, состоящий из электронов, катионов и нейтральных частиц. В зависимости от температуры тяжелых частиц в плазме плазму можно разделить на две категории: горячая плазма и холодная плазма.
Температура тяжелых ионов в горячей плазме может достигать 3×103–3×104К, что в основном достигает состояния локального термодинамического равновесия. В этом состоянии термическая плазма имеет следующее соотношение: температура электронов Te = температура плазмы Th = температура возбуждения Tex = температура реакции ионизации Treac, поэтому термическая плазма имеет равномерную термодинамическую температуру.
Плазменное получение сферических порошков
Основываясь на характеристиках высокой температуры и быстрой скорости охлаждения высокочастотной термической плазмы, для получения нанопорошков используется технология физического осаждения из паровой фазы.
Существует два основных способа получения сферических порошков с помощью плазмы.
Один из них заключается в пропускании исходных порошков неправильной формы и большого размера в высокотемпературную дугу термической плазмы и использовании высокотемпературной среды, создаваемой термической плазмой, для быстрого нагрева и расплавления частиц исходного материала (или расплавления поверхности). Благодаря поверхностному натяжению расплавленный порошок образует сферу и затвердевает с подходящей скоростью охлаждения для получения сферического порошка. Второй способ заключается в использовании нерегулярных порошков или прекурсоров в качестве сырья и термической плазмы в качестве высокотемпературного источника тепла. Исходные материалы реагируют с активными частицами в них и быстро охлаждаются и осаждаются для получения идеальных порошковых материалов.
Используя преимущества характеристик высокой температуры, высокой энергии, контролируемой атмосферы и отсутствия загрязнения термической плазмы, можно получать высокочистые, высокосферичные и сферические порошки разного размера, контролируя параметры в процессе приготовления, такие как подача, скорость охлаждения и мощность плазмы. Поэтому использование плазменной технологии для получения сферических порошков все более широко используется в энергетике, аэрокосмической, химической промышленности и других областях.