Hoge zuiverheid alumina brandstoffen volgende generatie industriële groei

Stel je een klein materiaal voor dat innovatie op het gebied van beeldschermtechnologie kan stimuleren, de hoop op nieuwe energieoplossingen kan aanwakkeren, de auto-industrie kan verbeteren, doorbraken op het gebied van halfgeleiders kan versnellen en zelfs computerprestaties naar nieuwe hoogten kan tillen. Dit is geen sciencefiction, maar de realiteit die wordt bereikt door aluminiumoxide met een hoge zuiverheidsgraad.

Aluminiumoxide: van eenvoudig tot uitzonderlijk

Aluminiumoxide (Al₂O₃), een ogenschijnlijk gewoon materiaal, speelt een cruciale rol in tal van industrieën vanwege zijn uitzonderlijke fysische en chemische eigenschappen. Het is hittebestendig, zeer isolerend, slijtvast en corrosiebestendig, waardoor het ideaal is voor de productie van vuurvaste materialen, bougies, substraten voor geïntegreerde schakelingen en meer. Wanneer aluminiumoxide echter een zuiverheidsniveau van meer dan 99,99% bereikt met uniforme fijne deeltjes, transformeert het van een basismateriaal in een hoogwaardig onderdeel, wat essentieel wordt voor hogedruknatriumlampbuizen, saffierhorlogeoppervlakken, zeer sterke keramische gereedschappen en schuurmiddelen voor magnetische tape.

Stijgende vraag: de gouden eeuw van hoogzuiver aluminiumoxide

De afgelopen jaren heeft de snelle ontwikkeling van opkomende industrieën zoals displaymaterialen, energie, automobielindustrie, halfgeleiders en computers geleid tot een explosieve groei van de vraag naar aluminiumoxide met een hoge zuiverheidsgraad. Om aan deze marktbehoefte te voldoen, heeft Sumitomo Chemical met succes grootschalige productie van hoogzuiver aluminiumoxide gerealiseerd via zijn gepatenteerde aluminiumalkoxidehydrolyseproces. Sinds de oprichting van de eerste fabriek met een jaarlijkse capaciteit van 250 ton in 1981 heeft Sumitomo Chemical de productie voortdurend uitgebreid, tot 1.500 ton per jaar in 2004. Het bedrijf heeft ook hoogwaardige aluminiumoxidepoeders ontwikkeld die zijn afgestemd op verschillende toepassingsvereisten.

Technisch inzicht: de wetenschap achter aluminiumalkoxidehydrolyse

Hoewel er verschillende industriële methoden bestaan ​​voor de productie van aluminiumoxide met een hoge zuiverheid, zoals de thermische ontleding van ammoniumaluin, de thermische ontleding van aluminiumammoniumcarbonaat (AACH), vonkontlading onder water van aluminium en oxidatie in de dampfase, valt de hydrolysemethode van aluminiumalkoxide op door zijn unieke voordelen. Dit proces omvat het synthetiseren van aluminiumalkoxide met hoge zuiverheid uit aluminiummetaal en alcohol, het hydrolyseren ervan om gehydrateerd aluminiumoxide te vormen en het uiteindelijk calcineren ervan om aluminiumoxide met hoge zuiverheid te verkrijgen.

Chemische reactievergelijkingen:

Al + 3ROH → Al(OR)₃ + 3/2H₂ (1)

2Al(OR)₃ + 4H₂O → Al₂O₃·H₂O + 6ROH (2)

Al₂O₃·H₂O → Al₂O₃ + H₂O (3)

De sleutel tot deze methode ligt in de destillatiezuivering van aluminiumalkoxide en strikte controle van de hydrolyseomstandigheden om de vorming van harde agglomeraten tijdens het drogen te voorkomen. Omdat aluminiumalkoxide snel hydrolyseert, heeft het de neiging fijne gehydrateerde aluminiumoxidedeeltjes te produceren die gemakkelijk moeilijk te dispergeren agglomeraten vormen.

Fasetransformatiecontrole: de sleutel tot precisieproductie

Wanneer gehydrateerd aluminiumoxide (zoals boehmiet) wordt gecalcineerd, ondergaat het tussenfasen, waaronder γ, δ en θ-Al₂O3, voordat het uiteindelijk wordt omgezet in het bij hoge temperatuur stabiele α-Al₂O₃. Deze aluminiumoxidedeeltjes in de tussenfase zijn doorgaans ultrafijn en meten slechts tientallen nanometers. De overgang van aluminiumoxide uit de tussenfase naar α-Al₂O3 vereist temperaturen boven 1200°C om de zuurstofpakkingsstructuur te herschikken (kubieke dichte pakking/hexagonale dichte pakking). De vorming van kernen in de α-fase is de snelheidsbepalende stap in deze transformatie, en de kerndichtheid is relatief laag. Zodra zich kernen vormen, vindt snelle korrelgroei plaats als gevolg van massaoverdracht van omringend aluminiumoxide in de tussenfase, wat resulteert in dendritische α-Al₂O₃-deeltjes van microngrootte.

Om fijne α-Al2O3-deeltjes van uniforme grootte te verkrijgen, is het essentieel om tijdens het calcineren een gelijkmatige temperatuurverdeling te handhaven, factoren te elimineren die ongelijkmatige kiemvorming veroorzaken, en de fasetransformatie bij de laagst mogelijke temperatuur te voltooien. Onderzoek toont aan dat de α-fase-transformatietemperatuur aanzienlijk wordt beïnvloed door de toevoeging van entkristallen, de partiële waterdampdruk in de calcineringsatmosfeer en elementaire onzuiverheden. Het toevoegen van α-Al₂O₃-zaadkristallen biedt locaties met lage energie voor kiemvorming en groei, terwijl het atmosferische watergehalte de oppervlaktediffusie verbetert en de korrelgroei in aluminiumoxide in de tussenfase versnelt. Samen verminderen deze factoren de activeringsenergie van de α-fasetransformatie, waardoor de vereiste transformatietemperatuur wordt verlaagd.

Deagglomeratie: zorgen voor optimale prestaties

α-Al2O3-deeltjes verkregen door zorgvuldig gecontroleerde hydrolyse-, droog- en calcinatieprocessen worden doorgaans geagglomereerd en vereisen deagglomeratie om smalle deeltjesgrootteverdelingen te bereiken. Voor deagglomeratie kunnen verschillende methoden worden gebruikt, waaronder kogelmalen, trillingsmalen, straalmalen en malen met natte media. Bij keramische toepassingen van aluminiumoxide kunnen agglomeraten lokale inhomogeniteiten in groene lichamen veroorzaken en resterende poriën achterlaten in gesinterde producten. Vooral in transparant aluminiumoxide-keramiek voor hogedruknatriumlampen verminderen restporiën de lichttransmissie. Bij magneetbandtoepassingen verminderen agglomeraten de gladheid van het oppervlak en kunnen ze de magneetkoppen tijdens bedrijf beschadigen, waardoor de elektromagnetische conversie-eigenschappen worden aangetast. Door processen te raffineren om agglomeraten in hoogzuivere aluminiumoxidepoeders te minimaliseren, heeft Sumitomo Chemical poeders ontwikkeld die geschikt zijn voor diverse toepassingen.

Met de groeiende vraag naar zeer functionele submicron- en nanodeeltjes zijn de technologieën voor efficiënt jet-malen en natte media-malen vooruitgegaan. Over het algemeen moet er voorzichtig worden omgegaan met het deagglomereren van poeder; kleinere primaire deeltjes vereisen meer aandacht om heragglomeratie en verontreiniging te voorkomen. Door nauwkeurige controle van de productieomstandigheden heeft Sumitomo Chemical zeer zuivere aluminiumoxidepoeders gemaakt voor verschillende gespecialiseerde toepassingen.

Uitbreidende toepassingen: het grenzeloze potentieel van hoogzuiver aluminiumoxide

Hoogzuiver aluminiumoxide vindt een breed scala aan toepassingen die zich blijven uitbreiden met de technologische vooruitgang. Hieronder belichten we de rol ervan in enkele saffierkristallen, plasmadisplaypanelen (PDP's), uitlaatsensoren voor auto's en de productie van halfgeleiders.

1. Enkele saffierkristallen: de basis van LED-verlichting

Decennia lang worden eenkristallen van saffier, geproduceerd via de vlamfusiemethode met behulp van γ-Al₂O₃ als grondstof, gewaardeerd voor edelstenen en horlogeoppervlakken vanwege hun uitstekende eigenschappen. Vlamgesmolten saffier lijdt echter aan een slechte kristalliniteit, waardoor de toepassingen ervan worden beperkt. De edge-gedefinieerde film-fed growth (EFG) -methode ontstond om saffier met hoge kristalliniteit en industriële schaalbaarheid te produceren. Door EFG gekweekte saffier wordt nu op grote schaal gebruikt als substraten voor lichtgevende diodes (LED's) met hoge helderheid en steunplaten voor polarisatoren in vloeibaar-kristalprojectoren. Met name bij LED's met hoge helderheid wordt verwacht dat witte LED's breed zullen worden toegepast in reclameverlichting, displays, koplampen van auto's en huisverlichting, vooral voor de achtergrondverlichting van mobiele telefoons, hun huidige primaire toepassing.

LED-apparaten worden vervaardigd door GaN-kristallen (een III-V-verbinding) op substraten te laten groeien. Saffier dient als een ideaal substraat vanwege zijn nauwe roostermatch met GaN en uitzonderlijke thermische stabiliteit bij kristalgroeitemperaturen. Saffieruitgangsmaterialen moeten niet alleen een hoge zuiverheid hebben, maar ook de waterabsorptie minimaliseren, aangezien water molybdeenkroezen kan oxideren tijdens smelten bij hoge temperaturen boven 2.000 ° C. Bovendien moeten deeltjes bij het continu toevoeren van α-Al₂O₃ aan het proces voorkomen dat ze samensmelten om verstopping van de apparatuur te voorkomen. Bolvormig hoogzuiver aluminiumoxide AKQ-10 met een deeltjesgrootte van ~2 mm voldoet aan deze eisen en wordt veel gebruikt als uitgangsmateriaal voor saffier. Recente verbeteringen in de technieken voor de groei van één kristal van Czochralski hebben de vraag naar hogere pakkingsdichtheden in uitgangsmaterialen doen toenemen, waardoor de industriële productiviteit toeneemt. Als reactie op deze behoeften heeft Sumitomo Chemical een nieuwe α-Al₂O₃ met hoge dichtheid ontwikkeld voor saffieruitgangsmaterialen, waarbij een pakkingsdichtheid van 2,0 g/cm³ wordt bereikt door een geoptimaliseerde deeltjesdichtheid en grootteverdeling.

2. Plasmaschermpanelen (PDP's): de toekomst van grote beeldschermen

Plasmadisplaypanelen (PDP's) hebben de aandacht gekregen als grote, dunne platte beeldschermen die slankere en lichtere apparaten mogelijk maken. PDP's werken door fosforen te exciteren met vacuüm-ultraviolet (VUV) licht bij 147 nm (van Xe-excimeerstraling) en 172 nm (Xe-resonantielijnen). Op dezelfde manier worden in fluorescentielampen met koude kathode die worden gebruikt voor LCD-achtergrondverlichting rode, groene en blauwe fosforen aangeslagen door 254 nm ultraviolet licht van kwikatomen. Van deze fosforen is bekend dat de commercieel gebruikte blauwe fosfor BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺ (BAM) het minst stabiel is. Verwarming tijdens de productie van panelen en blootstelling aan VUV tijdens PDP-gebruik kunnen de luminescentie-intensiteit van BAM verminderen en chromaticiteitsverschuivingen veroorzaken. Onderzoek blijft de helderheid verbeteren en de degradatieweerstand verbeteren.

Aluminaatfosforen zoals BAM worden doorgaans vervaardigd door aluminiumoxide van hoge zuiverheid te mengen met Ba-, Mg- en Eu-verbindingen plus fluoridefluxen, en vervolgens te calcineren - een reactiemethode in de vaste toestand. Het proces is echter complex en fosforfabrikanten beschikken over gespecialiseerde kennis. Terwijl traditionele fluoride-fluxfosforen bijvoorbeeld vierkante bloedplaatjes vormen met een brede grootteverdeling, hebben Oshio et al. gesynthetiseerde bolvormige aluminaatfosforen die overeenkomen met de grootte en vorm van niet-gevloeide aluminiumoxide-uitgangspoeders. Deze sferische fosforen komen qua kleurkwaliteit overeen met traditionele producten, terwijl ze een 5% hogere helderheid en verbeterde thermische stabiliteit bieden. Omdat aluminaatfosforen belangrijke materialen worden voor de volgende generatie beeldschermen, wordt verwacht dat de vraag zal groeien. Hoogzuiver aluminiumoxide speelt een cruciale rol bij het beheersen van de fosforeigenschappen, en Sumitomo Chemical blijft op maat gemaakte aluminiumoxidepoeders ontwikkelen voor deze toepassingen.

3. Auto-uitlaatsensoren (A/F-sensoren): maken energie-efficiëntie mogelijk

De markt voor sensoren voor de lucht-brandstofverhouding (A/F), die worden gebruikt om de verbranding van motoren te regelen, breidt zich snel uit. A/F-sensoren detecteren zuurstof- en resterende onverbrande gasconcentraties in de uitlaatgassen om de brandstofinjectie nauwkeurig te regelen. Voorgestelde A/F-sensorontwerpen combineren gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide (een zuurstofionengeleider) met aluminiumoxidesubstraten (voor elektrische isolatie en hoge thermische geleidbaarheid). Om deze componenten te verenigen, moet het sinteren overeenkomende krimpsnelheden en thermische uitzettingscoëfficiënten tussen materialen mogelijk maken. Het minimaliseren van thermische uitzettingsverschillen is cruciaal om grensvlakscheuren tijdens bedrijf te voorkomen. Bovendien vereisen zowel zirkoniumoxide- als aluminiumoxidesubstraten een hoge dichtheid en een fijne korrelgrootte. Het verbeteren van de sintereigenschappen van aluminiumoxide bij lage temperaturen helpt aan deze eisen te voldoen. Terwijl kleinere primaire deeltjes de initiatietemperaturen van het sinteren verlagen, verminderen ze ook de groene dichtheid en kunnen ze harde agglomeraten vormen die de gesinterde dichtheid aantasten. Sumitomo Chemical heeft verschillende sinterbare α-Al₂O₃-poeders ontwikkeld die zijn geoptimaliseerd voor sinteren bij lage temperaturen.

4. Productie van halfgeleiders: bescherming in extreme omgevingen

Halfgeleider- en LCD-productieapparatuur maakt op grote schaal gebruik van α-Al₂O₃-componenten voor superieure weerstand tegen plasmacorrosie. In gesinterde aluminiumoxidelichamen levert het verminderen van poriën en onzuiverheden – bij gebruik van de fijne deeltjes Sumicorundum® van Sumitomo Chemical – zeer sterke, corrosiebestendige keramiek op die vrij is van resterende porositeit. De vraag groeit ook naar plasmagespoten aluminiumoxidecoatings op aluminium, nikkel, chroom, zink, zirkonium en hun legeringen. Coatings voor halfgeleidergereedschappen vereisen:

• Hoge zuiverheid
• Goede vloeibaarheid voor stabiele plasmavlamtoevoer
• Behoud van deeltjesvorm vóór het smelten
• Volledig smelten tijdens het spuiten

α-Al₂O₃ Sumicorundum® met één kristal en grote deeltjes voldoet aan deze eisen, en de vraag zal naar verwachting stijgen.

Nano-aluminiumoxide: een nieuw tijdperk in de materiaalkunde

α-Al₂O₃ op nanoschaal vertegenwoordigt een nieuw materiaal dat klaar staat om nieuwe toepassingen te ontsluiten in schuurmiddelen, keramiek en precisiescheidingsmembranen.

(1) Schuurtoepassingen

Ultrafijn α-Al₂O₃ maakt gebruik van de hardheid van aluminiumoxide voor nauwkeurig slijpen en polijsten. De HIT-serie van Sumitomo Chemical bevat randvormige deeltjes voor magneetbandadditieven en metaal-/kunststofschuurmiddelen. Naarmate tapes evolueren naar dunnere magnetische lagen (<100 nm) en fijnere magnetische nanodeeltjes, wordt het opnemen van α-Al₂O₃ nanodeeltjes essentieel voor slijtvastheid en kopreinigingsprestaties. Het onderzoek naar schuurmiddelen op nanoschaal voor chemisch mechanisch polijsten (CMP) wordt voortgezet.

(2) Keramische toepassingen

Het voorkomen van agglomeratie van nanodeeltjes en het minimaliseren van green-body-defecten maakt sinteren met hoge dichtheid met fijne korrels mogelijk. Ma et al. demonstreerde een relatieve dichtheid van 99% en submicronkorrels door α-Al₂O₃ op nanoschaal met een kogelmolen te malen en te sinteren bij 1.285 ° C. Het nat verwerkte aluminiumoxide op nanoschaal van Sumitomo Chemical bereikt een dichtheid van 3,95 g/cm³ (99,2% dichtheid) bij slechts 1.250 °C.

(3) Toepassingen van scheidingsmembraan

α-Al₂O₃ poreuze membranen dienen bij ultrafiltratie en gasscheiding vanwege chemische/thermische weerstand. Waterstofscheidingsmembranen die zijn geïntegreerd in stoomreformsystemen (CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO) kunnen de reactietemperaturen verlagen (800 °C → 500 °C) terwijl productie en scheiding worden gecombineerd – essentieel voor toekomstige brandstofcellen. Membraanstructuren zijn doorgaans voorzien van buisvormige α-Al₂O3-dragers met γ-Al₂O3-tussenlagen met daarbovenop silica-, zeoliet- of palladium-waterstofscheidingslagen. Stoom bevordert echter de groei/transformatie van γ-Al₂O₃-korrels, waardoor de belangstelling voor α-Al₂O₃-alternatieven toeneemt. Uit onderzoek blijkt dat α-Al₂O₃-slurries op nanoschaal membranen met een porositeit van 40% produceren met poriën van 10–60 nm, terwijl α/γ-Al₂O₃-mengsels poriën van 2–50 nm opleveren. Fijnere primaire deeltjes maken kleinere poriegroottes mogelijk (tot 16 nm), waarbij toepassingen verder gaan dan gasscheiding en precisiefiltratie.

Zoals besproken is aluminiumoxide met een hoge zuiverheidsgraad – met gecontroleerde deeltjesgrootte, vorm en verdeling – een transformerend materiaal dat innovatie stimuleert op het gebied van beeldschermen, energie, auto's, halfgeleiders en computers. Door de stijgende vraag moeten materiaalproducenten de prestaties van aluminiumoxidepoeder voortdurend verbeteren. Vooral de deeltjesdispersietechnologie op nanoschaal zal cruciaal zijn voor toekomstige doorbraken. In de toekomst zullen gerichte procesontwikkeling en downstream-integratie het opmerkelijke potentieel van aluminiumoxide verder uitbreiden.