تخيلوا مادة صغيرة يمكنها أن تدفع الابتكار في تكنولوجيا العرض، وتشعل الأمل في حلول الطاقة الجديدة،وحتى دفع أداء الكمبيوتر إلى ارتفاعات جديدةهذا ليس خيالاً علمياً ولكن الواقع يتم تحقيقه بواسطة الألومينا عالية النقاء
الألومينا (Al2O3) ، وهي مادة عادية على ما يبدو، تلعب أدوار حاسمة في العديد من الصناعات بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية.مقاومة للارتداء، ومقاومة للتآكل ، مما يجعلها مثالية لتصنيع المواد الصلبة للنار ، ومصابيح الشعلات ، وأساسات الدوائر المتكاملة ، وأكثر من ذلك. ومع ذلك ، عندما يصل الألومينا إلى مستويات نقاء فوق 99.99 ٪ مع جزيئات دقيقة موحدة، يتحول من مادة أساسية إلى مكون عالي الأداء، ويصبح ضروريًا لأنابيب مصابيح الصوديوم عالية الضغط، وواجهات الساعات الزعفرانية، وأدوات السيراميك عالية المقاومة،والشرائط المغناطيسية اللاصقة.
في السنوات الأخيرة، التنمية السريعة للصناعات الناشئة مثل مواد العرض، الطاقة، السيارات، أشباه الموصلات،والحوسبة أدت إلى نمو هائل في الطلب على الألومينا عالية النقاءلتلبية هذه الحاجة السوقية، وقد حققت سوميتومو الكيميائية بنجاح إنتاج واسع النطاق من الألومينا عالية النقاء من خلال عملية هيدروليز ألومنيوم ألكسيد الملكية.منذ تأسيس أول مصنع لها بقدرة سنوية تبلغ 250 طن في عام 1981، توسعت شركة سوميتومو الكيميائية باستمرار الإنتاج، لتصل إلى 1500 طن سنويا بحلول عام 2004.كما طورت الشركة مسحوقات الألومينا عالية الجودة مصممة لمتطلبات التطبيقات المختلفة.
في حين أن العديد من الطرق الصناعية موجودة لإنتاج الألومنيوم عالي النقاء، مثل التحلل الحراري لألومنيوم، التحلل الحراري لكربونات الألومنيوم الأمونيوم (AACH) ،تفريغ الشرارة تحت الماء من الألومنيوم، والأكسدة في مرحلة البخار، وتتميز طريقة هيدروليز أكسيد الألومنيوم بمزاياها الفريدة.تتضمن هذه العملية توليف أكسيد الألومنيوم عالي النقاء من معدن الألومنيوم والكحول، هيدروليزه لتشكيل الألومينا المترطبة، وأخيراً تدميرها للحصول على الألومينا عالية النقاء.
ال + 3ROH → ال ((OR) 3 + 3/2H2 (1)
2Al ((OR) 3 + 4H2O → Al2O3·H2O + 6ROH (2)
Al2O3·H2O → Al2O3 + H2O (3)
يكمن المفتاح لهذه الطريقة في تنقية تقطير أكسيد الألومنيوم والسيطرة الصارمة على ظروف التحلل المائي لمنع تكوين تجمعات صلبة أثناء التجفيف.بما أن أكسيد الألومنيوم يتحلل بسرعة، فإنه يميل إلى إنتاج جزيئات ألومينا رطبة دقيقة التي تشكل بسهولة التجمعات الصعبة التشتت.
عندما يتم تسميم الألومينا المترطبة (مثل البوهميت) ، فإنها تخضع لمراحل وسيطة تشمل γ و δ و θ-Al2O3 قبل أن تتحول أخيراً إلى α-Al2O3 المستقر في درجة حرارة عالية.هذه الجسيمات من الألومينا المتوسطة المرحلة عادة ما تكون رقيقة للغايةويتطلب الانتقال من الألومينا في المرحلة المتوسطة إلى α-Al2O3 درجات حرارة أعلى من 1.200 درجة مئوية لإعادة ترتيب هيكل حزم الأكسجين (حزمة مغلقة مكعبة / حزمة مغلقة مستطيلة)تشكيل النواة الفازية هو الخطوة الحاسمة في هذا التحول، وكثافة النواة منخفضة نسبيا.النمو السريع للحبوب يحدث بسبب نقل الكتلة من الألومينا في المرحلة المتوسطة المحيطة، مما يؤدي إلى جزيئات التشعبية α-Al2O3 بحجم ميكرون.
للحصول على جزيئات α-Al2O3 الدقيقة ذات الحجم المتساوي ، من الضروري الحفاظ على توزيع درجة الحرارة المتساوية أثناء التهوية ، والقضاء على العوامل التي تسبب عدم التوحيد النووي المتساو ،وإكمال تحويل المرحلة في أدنى درجة حرارة ممكنةأظهرت الأبحاث أن درجة حرارة تحويل المرحلة α تتأثر بشكل كبير بإضافة بلورات البذور ، وضغط بخار الماء الجزئي في جو التهب ، والشوائب العضوية.إضافة بلورات البذور α-Al2O3 توفر مواقع منخفضة الطاقة للنواة والنموبينما المحتوى الجوي للمياه يعزز انتشار السطح ويعجل نمو الحبوب في الألومينا في المرحلة المتوسطةمعًا ، تقلل هذه العوامل من طاقة تنشيط تحويل الفاز α ، وبالتالي خفض درجة حرارة التحويل المطلوبة.
جزيئات α-Al2O3 التي يتم الحصول عليها من خلال التحليل الهيدروليكي المسيطر عليه بعناية ، التجفيف ،وعادة ما تكون عمليات التجفيف مجتمعة وتتطلب إزالة التجفيف لتحقيق توزيعات ضيقة لحجم الجسيمات. يمكن استخدام طرق مختلفة ، بما في ذلك طحن الكرات ، طحن الاهتزاز ، طحن الطائرة ، وطحن الوسائط الرطبة. في تطبيقات السيراميك الألومينا ،يمكن أن تسبب التجمعات عدم التجانس المحلي في الأجسام الخضراء وتترك مسام متبقية في المنتجات المخمرةوخاصة في السيراميك الألومينا الشفافة لمصابيح الصوديوم عالية الضغط، فإن المسام المتبقية تقلل من انتقالات الضوء.المواد المتجمعة تقلل من سلاسة السطح ويمكن أن تؤذي الرؤوس المغناطيسية أثناء التشغيلمن خلال عمليات التكرير لتقليل التجمعات في مسحوقات الألومينا عالية النقاءلقد طورت شركة " سوميتومو كيميائية " مسحوقات مناسبة لمختلف التطبيقات.
مع الطلب المتزايد على الجزيئات الجزيئة الفرعية والجزيئات النانوية عالية الوظيفة ، تقدمت تقنيات طحن الطائرات الفعالة وتحرير الوسائط الرطبة.يجب التعامل مع إزالة تجمع المسحوقات بعناية الجسيمات الأولية الصغيرة تتطلب المزيد من الاهتمام لمنع تجمع التفاعلات والتلوثمن خلال التحكم الدقيق في ظروف الإنتاج، صنعت شركة "سوميتومو كيميائية" مسحوقات الألومينا عالية النقاء للاستخدامات المتخصصة المختلفة.
يجد الألومينا عالي النقاء تطبيقات واسعة النطاق تستمر في التوسع مع التقدم التكنولوجي. أدناه، نسلط الضوء على أدواره في بلورات الزفير الفردية، لوحات عرض البلازما (PDPs) ،أجهزة استشعار غازات العادم للسياراتو تصنيع أشباه الموصلات
لعدة عقود، تم تقدير بلورات الزفير الفردية التي تم إنتاجها عن طريق طريقة اندماج اللهب باستخدام γ-Al2O3 كمادة أولية للحجارة الكريمة و الأسطح الساعة بسبب خصائصها الممتازة.,الزعفرة المذابة باللهب تعاني من ضعف البلورية، مما يحد من تطبيقاتها.ظهرت طريقة نمو الفيلم المغذى بالفيلم (EFG) المحددة على الحافة لإنتاج الزفير عالي البلورية مع قابلية التوسع الصناعييستخدم الزعفر الذي ينمو من EFG الآن على نطاق واسع كقاعدة للديودات المنتجة للضوء عالية الوضوح وألواح الدعم للمستقطبات في جهاز عرض الكريستال السائل.خاصة في مصابيح LED عالية الوضوح، من المتوقع أن تشهد مصابيح LED البيضاء اعتمادًا واسعًا في الإضاءة الإعلانية والعروض وأضواء السيارات والإضاءة المنزلية، وخاصة للإضاءة الخلفية للهواتف المحمولة ، وهي تطبيقها الرئيسي الحالي.
يتم تصنيع أجهزة LED عن طريق زراعة بلورات GaN (مركب III-V) على الركائز.يعد الزعفر رصيداً مثالياً بسبب تطابق الشبكة الوثيق مع GaN والاستقرار الحراري الاستثنائي في درجات حرارة نمو البلورلا يجب أن تكون مواد بداية الزفير نقية عالية فحسب ، بل يجب أن تقلل أيضًا من امتصاص المياه ، حيث يمكن للماء أن يأكسد صهاريج الموليبدينوم أثناء ذوبان درجة حرارة عالية فوق 2000 درجة مئوية.عند إمداد العملية باستمرار بـ α-Al2O3، يجب أن تتجنب الجسيمات الاندماج معًا لمنع انسداد المعدات.الألومينا الكروية عالية النقاء AKQ-10 بحجم الجسيمات ~ 2 ملم تلبي هذه المتطلبات وتستخدم على نطاق واسع كمادة بداية للزفيرلقد زادت التحسينات الأخيرة في تقنيات زراعة الكريستال الواحد Czochralski من الطلب على كثافة تعبئة أعلى في المواد الأولية ، مما يعزز الإنتاجية الصناعية.الاستجابة لهذه الاحتياجات، طورت شركة Sumitomo Chemical α-Al2O3 عالية الكثافة الجديدة للمواد الأساسية للنحاس، لتحقيق كثافة التعبئة 2.0 g / cm3 من خلال تعزيز كثافة الجسيمات وتوزيع الحجم.
اكتسبت لوحات العرض البلازما (PDPs) اهتمامًا كشاشات كبيرة ورقيقة ومسطحة تسمح بأجهزة أرق وأخف.تعمل PDPs عن طريق إثارة الفوسفورات مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV) عند 147 nm (من إشعاع Xe excimer) و 172 nm (خطوط الرنين Xe)وبالمثل في مصابيح الفلورسنت الكاثودية الباردة المستخدمة للضوء الخلفي LCD، يتم تحفيز الفوسفورات الحمراء والخضراء والزرقاء بواسطة 254 نانومتر ضوء فوق البنفسجي من ذرات الزئبق.الفوسفور الأزرق المستخدم تجارياً BaMgAl10O17: Eu2 + (BAM) معروف بأنه الأقل استقراراً. يمكن أن يؤدي التسخين أثناء تصنيع اللوحة والتعرض للأشعة فوق البنفسجية أثناء تشغيل PDP إلى تدهور كثافة إضاءة BAM وتسبب تحولات في اللون.يواصل البحث في تحسين الوضوح وتحسين مقاومة التدهور.
يتم تصنيع الفوسفورات الألومينية مثل BAM عادةً عن طريق خلط الألومينا ذات النقاء العالي مع مركبات Ba و Mg و Eu بالإضافة إلى تدفقات الفلورايد ، ثم تسميم طريقة تفاعل الحالة الصلبة.العملية معقدةعلى سبيل المثال، في حين أن الفوسفورات التقليدية من تدفق الفلورايد تشكل الصفائح الدموية المربعة مع توزيعات واسعة الحجم، أوشيو وآخرون.الفوسفورات الكروية المكونة من الألومينات المصنعة التي تتطابق مع حجم وشكل مسحوقات البداية من الألومينا غير المتدفقةهذه الفوسفورات الكروية تتطابق مع المنتجات التقليدية في اللون بينما تقدم 5% أعلى سطوع وتحسين الاستقرار الحراري.كما الفوسفورات الألومينية تصبح مواد رئيسية للجيل القادم من العروضمن المتوقع أن يزداد الطلب. يلعب الألومينا عالي النقاء دورًا حاسمًا في التحكم في خصائص الفوسفور.وتواصل شركة Sumitomo Chemical تطوير مسحوقات الألومينا المخصصة لهذه التطبيقات.
سوق أجهزة استشعار نسبة الهواء إلى الوقود (A/F) المستخدمة في التحكم في احتراق المحرك تتوسع بسرعة.أجهزة استشعار A / F تكتشف تركيزات الأكسجين والغازات المتبقية غير المحترقة في غازات العادم لتنظيم حقن الوقود بدقةتصاميم أجهزة استشعار A / F المقترحة تجمع بين الزركونيا المستقرة جزئياً (موصل أيونات الأكسجين) مع الركائز الألومينا (لالعزل الكهربائي والقيادة الحرارية العالية).لتوحيد هذه المكونات، يجب أن يستوعب التجمد معدلات الانكماش المتطابقة ومؤشرات التوسع الحراري بين المواد.الحد من اختلافات التوسع الحراري أمر حاسم لمنع تشقق الواجهة أثناء التشغيلبالإضافة إلى ذلك ، يتطلب كل من الركائز الزركونية والألومينا كثافة عالية وحجم الحبوب الدقيقة. يساعد تحسين خصائص الغليان منخفضة درجة الحرارة في تلبية هذه المتطلبات.في حين أن الجسيمات الأولية الأصغر انخفاض درجات حرارة بدء التجمد، كما أنها تقلل من الكثافة الخضراء ويمكن أن تشكل تجمعات صلبة تضعف الكثافة المتجمدة.طورت شركة Sumitomo Chemical العديد من مسحوقات α-Al2O3 القابلة للتجفيف الأمثل للتجفيف في درجات الحرارة المنخفضة.
تستخدم معدات تصنيع أشباه الموصلات و LCD على نطاق واسع مكونات α-Al2O3 لمقاومة تآكل البلازما المتفوقة.الحد من المسام والشوائب بينما تستخدم الجزيئات الدقيقة من Sumitomo Chemical Sumicorundum®كما تزداد الطلب على طلاءات الألومينيا المرسومة بالبلازما على الألومنيوم والنيكل والكروم والزنك والزيركونيوم وسبائكها.طلاء أدوات أشباه الموصلات يتطلب:
الكريستال الواحد والجسيمات الكبيرة α-Al2O3 Sumicorundum® تلبي هذه المتطلبات ، مع توقع زيادة الطلب.
يمثل المواد النانوية α-Al2O3 مادة جديدة جاهزة لفتح تطبيقات جديدة في المواد الهشاشة والسيراميك وغشاء الفصل الدقيق.
الـ α-Al2O3 فائقة الجودة تستفيد من صلابة الألومينا للطحن الدقيق واللمع.يحتوي سلسلة HIT من Sumitomo Chemical على جسيمات على شكل حافة لمضافات الشريط المغناطيسي والمعادن / المواد الخشرية البلاستيكيةمع تطور الشرائط نحو طبقات مغناطيسية رقيقة (<100 نانومتر) ونانوبيتات مغناطيسية رقيقة ، يصبح دمج جزيئات النانوبيتات α-Al2O3 ضروريًا لمقاومة الارتداء وأداء تنظيف الرأس.يواصل البحث في المواد الخشنة على نطاق نانوي للبرقية الكيميائية الميكانيكية (CMP).
منع تجميع الجسيمات النانوية وتقليل عيوب الجسم الأخضر إلى الحد الأدنى يسمح بتخمير كثافة عالية مع الحبوب الدقيقة.أظهرت 99٪ الكثافة النسبية والحبوب تحت الميكرون عن طريق طحن الكرات النانوية α-Al2O3 والتخمير في 1يصل حجم الألومينا النانوية المعالجة الرطبة من Sumitomo Chemical إلى 3.95 غرام/سم3 (99.2٪ كثافة) عند درجة حرارة 1,250 درجة مئوية فقط.
الأغشية المسامة α-Al2O3 تستخدم في التصفية العالية وفصل الغازات بسبب المقاومة الكيميائية / الحرارية. Hydrogen separation membranes integrated into steam reforming systems (CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO) can lower reaction temperatures (800°C→500°C) while combining production and separation—key for future fuel cellsتتميز هياكل الغشاء عادةً بدعم أنبوبي α-Al2O3 مع طبقات متوسطة γ-Al2O3 فوقها طبقات فصل الهيدروجين من السيليكا أو الزيوليت أو البالاديوم.البخار يعزز نمو / تحويل الحبوب γ-Al2O3، مما يدفع الاهتمام ببدائل α-Al2O3. تظهر الدراسات أن حشرات α-Al2O3 على نطاق نانوي تنتج غشاءً متسعًا بنسبة 40 ٪ مع مسام 10 ٪ 60 نانومتر ، في حين أن خليطات α / γ-Al2O3 تنتج مسام 2 ٪ 50 نانومتر.تتيح الجسيمات الأولية الدقيقة أحجام مسام أصغر (إلى 16 نانومتر)، مع التطبيقات التي تتوسع خارج فصل الغاز إلى الترشيح الدقيق.
كما تمت مناقشتها، الألومينا عالية النقاء مع حجم الجسيمات المتحكم فيها، الشكل، والتوزيع هي مادة تحويلية دفع الابتكار في العروض، والطاقة، والسيارات، وشرائح الموصلات والحوسبة.مع تزايد الطلبات، يجب على منتجي المواد تحسين أداء مسحوق الألومينا باستمرار. وخاصة، ستكون تكنولوجيا تشتت الجسيمات على نطاق نانوي حاسمة للاكتشافات المستقبلية.المضي قدماً، وتطوير العملية المستهدفة والتكامل في خط التداول سوف يزيد من توسيع إمكانات الألومينا البارزة.
