Быстрое развитие технологий следующего поколения, таких как связь 5G, электромобили и искусственный интеллект, предъявило беспрецедентные требования к характеристикам материалов для терморегулирования. Эти материалы должны обладать высокой теплопроводностью и одновременно электроизоляционными свойствами, быть легкими, но при этом термостойкими, а также сочетать выдающиеся характеристики с контролируемой стоимостью. Среди множества перспективных материалов высокочистый ультрадисперсный оксид алюминия выделяется благодаря своим превосходным общим свойствам.
As is well known, the performance of ceramic products largely depends on the ceramic powders used. Different preparation methods produce ceramic powders with variations in physical and chemical properties. Therefore, powders prepared by different methods are suitable for different application scenarios.
Что такое высокочистый ультрадисперсный оксид алюминия?
Высокочистый ультрадисперсный оксид алюминия обычно относится к порошки оксида алюминия с чистотой 4N (99,99%) или выше и диаметром частиц D50 ≤ 1,0 мкм. Сам оксид алюминия существует в нескольких кристаллических формах, таких как γ, δ, θ и α, среди которых α-Al₂O₃ является единственной термодинамически стабильной фазой.
Когда размеры частиц высокочистого оксида алюминия уменьшаются до микронного или даже нанометрового масштаба, поверхностные эффекты и эффекты малого размера придают материалу свойства, превосходящие свойства традиционных материалов. К ним относятся более высокая активность спекания, лучшая диспергируемость, а также превосходные оптические, термические, магнитные и электрические характеристики.
Сочетание высокой прочности, твердости, термостойкости, коррозионной стойкости и электроизоляционных свойств, а также уникальные преимущества сверхтонкого размера частиц, делают высокочистый сверхтонкий оксид алюминия широко используемым в передовых областях. К ним относятся подложки для интегральных схем, электроизоляционные материалы, электронная упаковка и аэрокосмическая промышленность.
Основные методы получения высокочистого ультрадисперсного оксида алюминия
Технология получения высокочистого ультрадисперсного оксида алюминия является ключевым фактором, ограничивающим его характеристики и применение. В настоящее время основные методы получения можно разделить на три категории: газофазные методы, жидкофазные методы и твердофазные методы, причем жидкофазные методы являются наиболее широко применяемыми в промышленности.
Методы газовой фазы
Газофазные методы включают преобразование сырья в газообразные вещества посредством электродугового нагрева, лазерного испарения, электронно-лучевого нагрева или непосредственного использования газов. Внутри реакционного оборудования происходит ряд физических и химических изменений. В процессе нагрева и охлаждения происходит зарождение кристаллов и рост частиц, в результате чего образуются ультрадисперсные порошки оксида алюминия.
Газофазные методы позволяют эффективно решить проблему агломерации путем контроля типа и концентрации реакционных газов. Типичные газофазные методы включают в себя: веснаaпиролиз и химического осаждения из паровой фазы (CVD).
(1) Пиролиз распылением
Пиролиз распылением, также известный как пламенный пиролиз распылением, основан на образовании аэрозольных капель микронного размера с помощью ультразвука. Затем эти капли нагреваются до 400–800 °C для разложения и образования высокочистых ультрадисперсных порошков оксида алюминия.
Because evaporation, precipitation, drying, and decomposition are conducted in multiple separate stages, controlling process parameters at each step (such as residence time and decomposition temperature) allows precise adjustment of particle size, morphology, and chemical composition.
Например, используя в качестве сырья нонагидрат нитрата алюминия чистотой 99.997%, был приготовлен раствор нитрата алюминия. Путем распылительного пиролиза при 700°C были получены сферические частицы оксида алюминия размером менее 400 нм без агломерации.
(2) Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD) включает реакцию хлорида алюминия с водяным паром в реакционной камере для получения наночастиц оксида алюминия. К распространенным методам CVD относятся пламенное CVD и лазерное пиролизное CVD. Преимущество заключается в том, что контроль типа и концентрации реакционных газов позволяет эффективно уменьшить агломерацию. Полученные порошки имеют малый размер частиц, большую удельную площадь поверхности и высокую чистоту. Чистота конечного продукта может превышать 99,61 TP3T, при этом содержание тяжелых металлов часто находится ниже пределов обнаружения.
К недостаткам относятся низкий выход продукта и трудности со сбором порошков. Например, с помощью плазменного металлоорганического химического осаждения из газовой фазы были получены высокочистые наночастицы оксида алюминия размером 5,6 нм при температуре 1000°C и давлении 5,3 кПа в кислородной атмосфере, в результате чего были получены сферические наноразмерные порошки.
Метод жидкой фазы
Жидкофазные методы, также называемые жидкостно-химическими методами, широко используются в лабораториях и промышленном производстве для получения α-Al₂O₃. Эти методы включают получение порошков из гомогенных растворов реагентов посредством физических и химических превращений.
Они позволяют осуществлять синтез на молекулярном уровне, точно контролировать химический состав, регулировать форму и размер частиц, обеспечивают хорошую диспергируемость и возможность добавления следовых количеств активных компонентов. К распространенным методам относятся осаждение, процессы Байера и модифицированный процесс Байера, золь-гель метод, метод алкоголата алюминия, метод микроэмульсии и др.
(1) Метод осадков
Метод осаждения предполагает смешивание различных веществ в растворе с добавлением осадителя для образования нерастворимого соединения. Этот осадок промывают, сушат и прокаляют для получения порошкообразных частиц. Варианты включают прямое осаждение, гомогенное осаждение и гидролизное осаждение.
Например, при использовании нитрата алюминия и бикарбоната аммония в качестве исходных материалов методом соосаждения были получены порошки Al₂O₃ с нанометрами 20–30 нм. Добавление ПЭГ6000 улучшило диспергируемость порошка.
(2) Методы Байера и модифицированный метод Байера
Процесс Байера — наиболее распространенный жидкофазный метод. Он основан на изменении растворимости гидроксида алюминия в щелочных растворах. Гидроксид алюминия превращается в алюминат натрия с помощью концентрированного NaOH. Нерастворимые примеси отделяются, затем разбавляются и используются в качестве затравки для повторного осаждения гидроксида алюминия. После прокаливания и дегидратации получают порошок оксида алюминия.
Традиционный метод Байера позволяет получать глинозем с чистотой <98,51 TP3T. Этот процесс прост и широко используется (951 TP3T у алюминиевых компаний). К его недостаткам относятся трудности в контроле растворения сырья, образование силикатов из примесей SiO₂ в процессе осаждения, снижение выхода продукции, увеличение стоимости и трудности с удалением примесей.
Модифицированный процесс Байера очищает алюминат натрия путем удаления Si, Fe и других примесей, а также контролирует условия разложения. В результате получается высокочистый гидроксид алюминия, который после высокотемпературного прокаливания и измельчения дает высокочистый оксид алюминия.
(3) Метод золь-геля
Золь-гель метод предполагает реакцию солей алюминия при низкой температуре с образованием золя-прекурсора. Концентрирование приводит к образованию геля, который затем подвергается термической обработке для получения ультрадисперсных порошков оксида алюминия. Преимуществами являются низкая температура синтеза, контролируемый процесс, высокая чистота, малый размер частиц и узкое распределение по размерам. Недостатками являются высокая стоимость сырья, длительный производственный цикл, необходимость точного контроля реакции и возможное образование токсичных газов.
Например, при использовании недорогого металлического порошка алюминия в качестве источника алюминия и диспергатора 3 мас. % PEG600, негидролитический золь-гель синтез позволил получить ультрадисперсные порошки α-Al₂O₃ со средним размером частиц <100 нм.
(4) Метод алкоголата алюминия
Алкогольный метод представляет собой итерацию гидролиза солей спиртов. Алюминий реагирует в изопропаноле с образованием изопропоксида алюминия, который гидролизуется до гидратированного оксида алюминия. После созревания, фильтрации, сушки, обезвоживания и активации получают порошки оксида алюминия с высокой спекающей способностью.
К преимуществам относятся мягкие условия, стабильные свойства продукта и высокая чистота. К недостаткам относятся необходимость вакуумной дистилляции для очистки алкоголата алюминия, точный контроль температуры и вакуума, высокое энергопотребление и риски для безопасности, связанные с затвердеванием при охлаждении.
(5) Синергетический метод координации анионов – распылительной лиофилизации
Для решения проблем, связанных с образованием твердых агломератов, плохой кристаллизацией и низкой спекающей активностью в традиционных процессах, исследователи предложили сочетать координацию анионов и распылительную лиофилизацию. Оптимизация процессов гидролиза и золь-геля, введение сульфатных и цитратных ионов обеспечивает двойную стабилизацию (электростатическую + стерическую), а распылительная лиофилизация превращает золь в порошок без повреждений. Контролируемая термическая обработка позволяет получить ультрадисперсные порошки с превосходной диспергируемостью, текучестью, узким распределением по размерам, низкой насыпной плотностью и высокой удельной поверхностью.
(6) Новые жидкофазные методы
Новые методы осаждения распылением позволяют получать нанометровые порошки α-Al₂O₃ с высокой спекающей активностью, слабой агломерацией и хорошей диспергируемостью. Например, порошки-прекурсоры, прокаленные при 1150°C в течение 2 часов, трансформировались из аморфного состояния в α-Al₂O₃. Преимуществами являются лучший контакт и площадь реакции во время осаждения, что улучшает диспергируемость.
(7) Метод кристаллизации-прокаливания сульфата аммония-алюминия
Традиционный метод включает образование сульфата аммония-алюминия из сульфата алюминия с последующим прокаливанием для получения оксида алюминия. Чистота сырья определяет чистоту конечного порошка. Преимуществами являются легкодоступность и низкая стоимость сырья, а также возможность повторного использования маточного раствора. Недостатками являются неполное прокаливание, приводящее к выбросам остаточного сульфата, аммиака и SO₃, а также загрязнение окружающей среды.
03 Методы твердофазного анализа
Для производства порошка α-Al₂O₃ широко используются твердофазные методы. Они просты, высокоэффективны, недороги и легко поддаются промышленному внедрению. Однако они потребляют много энергии, имеют низкую эффективность и производят порошки с неравномерным размером частиц и ограниченными функциональными свойствами. Поэтому получение мелкодисперсного α-Al₂O₃ высокой чистоты с помощью твердофазных методов представляет собой сложную задачу.
Роль Оборудование и технологии обработки сверхтонких порошков
Обработка ультрадисперсных порошков является незаменимым этапом постобработки при получении высокочистого ультрадисперсного оксида алюминия. Она особенно подходит для порошков-прекурсоров, полученных газофазными, жидкофазными или твердофазными методами.
после прокаливания.
В этом процессе используются высокоэнергетические механические силы, воздействие воздушного потока или измельчение с помощью абразивных материалов для разрушения твердых агломератов, уменьшения размера частиц до D50 ≤ 1,0 мкм или даже субмикронного/нано-уровня, а также улучшения удельной площади поверхности, диспергируемости и спекающей активности.
Этот процесс также оптимизирует распределение частиц по размерам и текучесть, обеспечивая высококачественное сырье для последующего формования и уплотнения керамики. Однородность микроструктуры и общие характеристики конечного продукта напрямую зависят от этого процесса.
В стандартное оснащение входят струйные мельницы, перемешанный шаровые мельницы, а также вибрационные мельницы. В промышленном производстве предпочтение отдается струйным мельницам. Они используют инертный газ высокого давления для генерации сверхзвуковых потоков, вызывающих столкновения частиц и самоизмельчение без загрязнения. Это идеально подходит для оксида алюминия чистотой 4N+, обеспечивая точное распределение частиц по размерам и получение сферических или почти сферических частиц с высоким выходом и относительно низким энергопотреблением.
Шаровые мельницы с мешалкой в основном используются для высокоэнергетического измельчения в мокром или лабораторном масштабе. Мембраны высокой плотности обеспечивают измельчение на наноуровне. Вибрационные мельницы являются вспомогательным оборудованием для мелкомасштабной прецизионной обработки. Путем оптимизации таких параметров, как поток воздуха, соотношение мезонина и время пребывания, можно преодолеть ограничения по размеру частиц, присущие предыдущим методам получения, что способствует стабильному промышленному производству высокочистого ультрадисперсного оксида алюминия.
Заключение
Высокочистый ультрадисперсный оксид алюминия является ключевым базовым материалом в системах терморегулирования. Достижения в технологии его получения напрямую влияют на такие перспективные отрасли, как 5G, электромобили и искусственный интеллект. Газофазные, жидкофазные и твердофазные методы в сочетании с обработкой ультрадисперсных порошков обеспечивают разнообразные пути получения высокоэффективных порошков.
В перспективе, благодаря постоянному прогрессу в материаловении и экологически чистом производстве, технологии получения материалов станут более эффективными, экологичными и интеллектуальными. Характеристики порошков улучшатся, затраты снизятся, а высокотехнологичные отрасли получат мощный импульс. Благодаря совместным усилиям исследователей и компаний, этот передовой материал найдет применение во всё большем количестве высокотехнологичных областей.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Опубликовано Эмили Чен