Циркониеви нанопрах: Нов материал за „зад“ 5G мобилен телефон

Източник: Science and Technology Daily: Традиционният производствен процес на циркониев прах ще произведе голямо количество отпадъци, особено голямо количество нискоконцентрирани алкални отпадъчни води, които са трудни за пречистване и причиняват сериозно замърсяване на околната среда. Високоенергийното топково смилане е енергоспестяваща и ефективна технология за подготовка на материали, която може да подобри компактността и диспергируемостта на циркониевата керамика и има добри перспективи за индустриално приложение. С появата на 5G технологията смартфоните тихо променят собственото си „оборудване“. 5G комуникацията използва спектъра над 3 гигагерца (Ghz), а дължината на вълната на милиметровите вълни е много къса. Ако 5G мобилният телефон използва метална задна платка, това сериозно ще смути или ще екранира сигнала. Следователно, керамичните материали с характеристиките на липса на екраниране на сигнала, висока твърдост, силно възприятие и отлични термични характеристики, близки до металните материали, постепенно се превърнаха във важен избор за компаниите за мобилни телефони, които навлизат в 5G ерата. Бао Джинсиао, професор във Вътрешномонголския университет за наука и технологии, заяви пред репортери, че като важен неорганичен неметален материал, новите керамични материали са се превърнали в най-добрия избор за материали за табла за смартфони. В ерата на 5G, таблата за мобилни телефони се нуждаят от спешно подобрение. Уанг Сикай, генерален мениджър на Inner Mongolia Jingtao Zirconium Industry Co., Ltd. (наричана по-долу Jingtao Zirconium Industry), каза пред репортера, че според данните, публикувани от Counterpoint, световноизвестна изследователска институция, глобалните доставки на смартфони ще достигнат 1,331 милиарда бройки през 2020 г. С нарастващото търсене на циркониева керамика, използвана в таблата за мобилни телефони, нейните научноизследователски и развойни дейности и технология за подготовка също привлякоха голямо внимание. Като нов керамичен материал с изключително високо техническо съдържание, циркониевата керамика може да бъде подходяща за суровите работни условия, за които металните материали, полимерните материали и повечето други керамични материали не са подходящи. Като структурни части, циркониевите керамични продукти се прилагат в много индустрии като енергетика, аерокосмическа индустрия, машиностроене, автомобилостроене, медицинско лечение и др., а годишното им потребление в световен мащаб е над 80 000 тона. С настъпването на 5G ерата, керамичните устройства показват по-големи технологични предимства при производството на табла за мобилни телефони, а циркониевата керамика има по-широки перспективи за развитие. „Производителността на циркониевата керамика зависи пряко от производителността на праховете, така че разработването на контролируема технология за приготвяне на високопроизводителни прахове се превърна в най-важното звено в приготвянето на циркониева керамика и разработването на високопроизводителни циркониеви керамични устройства“, каза откровено Уанг Сикай. Методът за зелено топково смилане с висока енергия е силно търсен от експертите. Вътрешното производство на циркониев нано-прах предимно използва мокър химичен процес, като редкоземният оксид се използва като стабилизатор за получаване на циркониев нано-прах. Този процес се характеризира с голям производствен капацитет и добра еднородност на химичните компоненти на продуктите, но недостатъкът е, че в производствения процес се произвеждат голямо количество отпадъци, особено голямо количество нискоконцентрирани алкални отпадъчни води, които са трудни за третиране и ако не се обработват правилно, ще причинят сериозно замърсяване и увреждане на екологичната среда. „Според проучването, за производството на един тон стабилизиран с итрий циркониев керамичен прах са необходими около 50 тона вода, което ще доведе до образуването на голямо количество отпадъчни води, а възстановяването и третирането на отпадъчните води значително ще увеличат производствените разходи“, каза Уанг Сикай. С подобряването на законодателството за опазване на околната среда в Китай, предприятията, които произвеждат циркониев нано-прах чрез мокър химичен метод, са изправени пред безпрецедентни трудности. Следователно е налице спешна необходимост от разработване на екологична и евтина технология за получаване на циркониев нано-прах. „На този фон, получаването на циркониев нано-прах чрез по-чист и енергоемък производствен процес се превърна в гореща точка за изследвания, сред които методът на топково смилане с висока енергия е най-търсеният от научните и технологичните среди.“ Романът на Бао Джин. Високоенергийното топково смилане се отнася до използването на механична енергия за предизвикване на химични реакции или за предизвикване на промени в структурата и свойствата на материалите, така че да се получат нови материали. Като нова технология, тя очевидно може да намали енергията на активиране на реакцията, да прецизира размера на зърната, значително да подобри равномерността на разпределението на праховите частици, да подобри граничната комбинация между субстратите, да насърчи дифузията на твърди йони и да индуцира нискотемпературни химични реакции, като по този начин подобри компактността и диспергируемостта на материалите. Това е енергоспестяваща и ефективна технология за подготовка на материали с добри перспективи за индустриално приложение. Уникалният механизъм за оцветяване създава цветна керамика. На международния пазар циркониевите нано-прахообразни материали навлязоха в етап на индустриално развитие. Уанг Сикай каза пред репортери: „В развитите страни и региони като Съединените щати, Западна Европа и Япония мащабът на производство на циркониев нанопрах е голям, а спецификациите на продукта са сравнително пълни. Особено американските и японските мултинационални компании имат очевидни конкурентни предимства в патента на циркониевата керамика. Според Уанг Сикай, в момента новата керамична индустрия в Китай е в етап на бързо развитие и търсенето на керамичен прах се увеличава с всяка изминала година, така че е все по-спешно да се разработи производственият процес на нов нанометров цирконий. През последните две години някои местни изследователски институти и предприятия също започнаха самостоятелно да изследват и произвеждат циркониев нанопрах, но по-голямата част от изследванията и разработките все още са в етап на дребномащабно пробно производство в лаборатория, с малък обем и един сорт. В проекта „Цветен редкоземен циркониев нанопрах“, реализиран от Ceramic Zirconia Industry, циркониевият нанопрах е приготвен чрез метод на твърдофазна реакция с високоенергийна топкова мелница.“ Водата се използва като смилаща среда за смилане и рафиниране на частиците, така че да се получи неагломериран зърнен прах с размер 100 нанометра. „може да се получи, което не замърсява, с ниска цена и добра стабилност на партидата.“ каза Бао Син. Технологията за приготвяне може не само да отговори на изискванията за прах за керамични табла за 5G мобилни телефони, материали за термобариерно покритие за авиационни турбинни двигатели, керамични топки, керамични ножове и други продукти, но също така може да бъде популяризирана и приложена при приготвянето на други керамични прахове, като например приготвяне на композитен прах от цериев оксид. Според самостоятелно разработения механизъм за оцветяване, техническият екип на Ceramic Zirconium Industry е възприел твърдофазен синтез и композитен метод за оцветяване без въвеждане на допълнителни метални йони чрез оптимизация на процеса. Циркониевата керамика, приготвена по този метод, не само има висока наситеност на цветовете и добра омокряемост, но и не влияе на оригиналните механични свойства на циркониевата керамика. „Оригиналният размер на частиците на цветния редкоземен циркониев прах, произведен въз основа на новата технология, е нанометър, което има характеристиките на равномерен размер на частиците, висока активност на синтероване, ниска температура на синтероване и т.н. В сравнение с традиционния производствен процес, цялостната консумация на енергия е значително намалена. Производствената ефективност и добивът при керамичната обработка са значително подобрени. „Усъвършенстваните керамични устройства, приготвени по този метод, имат отлични свойства като висока якост, висока жилавост и висока твърдост“, каза Уанг Сикай.