Imaginem um pequeno material que possa impulsionar a inovação na tecnologia de exibição, despertar a esperança de novas soluções energéticas, modernizar a indústria automóvel, acelerar os avanços nos semicondutores,e até mesmo empurrar o desempenho do computador para novas alturasIsto não é ficção científica, mas a realidade a ser alcançada por alumina de alta pureza.
Alumínio: do básico ao excepcional
A alumina (Al2O3), um material aparentemente comum, desempenha um papel crítico em numerosas indústrias devido às suas excepcionais propriedades físicas e químicas.resistente ao desgasteNo entanto, quando a alumina atinge níveis de pureza superiores a 99.99% com partículas finas uniformes, transforma-se de um material básico num componente de alto desempenho, tornando-se essencial para tubos de lâmpadas de sódio de alta pressão, superfícies de relógios de safira, ferramentas de cerâmica de alta resistência,e abrasivos de fita magnética.
A demanda crescente: a era de ouro da alumina de alta pureza
Nos últimos anos, o rápido desenvolvimento de indústrias emergentes, tais como os materiais de exibição, energia, automóveis, semicondutores,e computação levou a um crescimento explosivo na demanda por alumina de alta purezaPara atender a esta necessidade do mercado, a Sumitomo Chemical conseguiu a produção em larga escala de alumina de alta pureza através do seu processo de hidrólise de alcóxido de alumínio.Desde a criação da sua primeira fábrica, com uma capacidade anual de 250 toneladas, em 1981, a Sumitomo Chemical expandiu continuamente a produção, atingindo 1.500 toneladas por ano em 2004.A empresa também desenvolveu pós de alumina de alta qualidade adaptados a vários requisitos de aplicação.
Insight técnico: A ciência por trás da hidrólise de álcool de alumínio
Embora existam vários métodos industriais para a produção de alumínio de alta pureza, tais como a decomposição térmica do alumínio, a decomposição térmica do carbonato de amónio de alumínio (AACH),Descarga de alumínio por centelhas subaquáticas, e oxidação em fase de vapor, o método de hidrólise do alcoxido de alumínio destaca-se pelas suas vantagens únicas.Este processo envolve a síntese de alcóxido de alumínio de alta pureza a partir de metal de alumínio e álcool, hidrolisando-a para formar alumina hidratada e, finalmente, calcinando-a para obter alumina de alta pureza.
Equações de reação química:
Al + 3ROH → Al(OR) 3 + 3/2H2 (1)
2Al(OR) 3 + 4H2O → Al2O3·H2O + 6ROH (2)
Al2O3·H2O → Al2O3 + H2O (3)
A chave para este método consiste na purificação por destilação do alcolóxido de alumínio e no controlo rigoroso das condições de hidrólise para evitar a formação de aglomerados duros durante a secagem.Uma vez que o alcolóxido de alumínio hidroliza rapidamente, tende a produzir partículas finas de alumina hidratada que facilmente formam aglomerados difíceis de dispersar.
Controle da transformação de fase: a chave para a produção de precisão
Quando a alumina hidratada (como a boehmite) é calcinada, ela passa por fases intermediárias, incluindo γ, δ e θ-Al2O3 antes de finalmente se transformar no α-Al2O3 estável a alta temperatura.Estas partículas de alumina de fase intermédia são tipicamente ultrafinasA transição da alumina de fase intermédia para a α-Al2O3 requer temperaturas superiores a 1.200°C para reorganizar a estrutura de embalagem de oxigénio (embalagem cúbica/embalagem hexagonal)A formação de núcleos de fase α é o passo que determina a taxa desta transformação, e a densidade dos núcleos é relativamente baixa.O crescimento rápido do grão ocorre devido à transferência de massa da alumina de fase intermédia circundante, resultando em partículas dendríticas α-Al2O3 de tamanho micron.
Para obter partículas finas e uniformes de α-Al2O3, é essencial manter uma distribuição uniforme da temperatura durante a calcinação, eliminar os fatores que causam nucleação desigual,e completar a transformação de fase na temperatura mais baixa possívelA investigação mostra que a temperatura de transformação da fase α é significativamente influenciada pela adição de cristais de sementes, pela pressão parcial do vapor de água na atmosfera de calcinação e pelas impurezas elementares..A adição de cristais de sementes α-Al2O3 fornece locais de baixa energia para nucleação e crescimento,enquanto o teor de água atmosférica aumenta a difusão da superfície e acelera o crescimento do grão na alumina de fase intermédiaJuntos, estes fatores reduzem a energia de activação da transformação de fase α, diminuindo assim a temperatura de transformação necessária.
Desaglomeração: garantir um desempenho óptimo
partículas de α-Al2O3 obtidas através de hidrólise cuidadosamente controlada, secagem,Os processos de calcinação são tipicamente aglomerados e exigem desaglomeração para obter distribuições estreitas de tamanho de partículas.Para a desaglomeração, podem ser utilizados vários métodos, incluindo moagem a esferas, moagem por vibração, moagem a jato e moagem de meios úmidos.Os aglomerados podem causar inhomogeneidades locais nos corpos verdes e deixar poros residuais nos produtos sinterizados.Em particular, em cerâmicas de alumina transparentes para lâmpadas de sódio de alta pressão, os poros residuais reduzem a transmissão da luz.Os aglomerados diminuem a suavidade da superfície e podem danificar as cabeças magnéticas durante o funcionamento, prejudicando as características de conversão eletromagnética, através de processos de refino para minimizar os aglomerados em pó de alumina de alta pureza,A Sumitomo Chemical desenvolveu pós adequados para diversas aplicações.
Com a crescente procura por submicrões e nanopartículas altamente funcionais, avançaram tecnologias eficientes de fresagem a jato e fresagem em meios húmidos.A desaglomeração de pó deve ser tratada com cuidado ̇ as partículas primárias menores requerem maior atenção para evitar a reaglomeração e a contaminaçãoAtravés do controle preciso das condições de produção, a Sumitomo Chemical criou pós de alumina de alta pureza para vários usos especializados.
Aplicações em expansão: O potencial ilimitado da alumina de alta pureza
A alumina de alta pureza encontra amplas aplicações que continuam a expandir-se com o progresso tecnológico.Sensores de escape de automóveis, e fabrico de semicondutores.
1Os cristais únicos de safira: a base da iluminação LED
Durante décadas, os cristais únicos de safira produzidos através do método de fusão por chama, utilizando γ-Al2O3 como matéria-prima, foram valorizados para pedras preciosas e superfícies de relógios devido às suas excelentes propriedades.,O safiro fundido em chamas sofre de fraca cristalinidade, limitando as suas aplicações.O método de crescimento alimentado por filme definido por borda (EFG) surgiu para produzir safira de alta cristalinidade com escalabilidade industrialO zafiro produzido com o EFG é agora amplamente utilizado como substrato para diodos emissores de luz (LED) de alta luminosidade e placas de suporte para polarizadores em projetores de cristais líquidos.Particularmente em LEDs de alto brilho, espera-se que os LEDs brancos sejam amplamente adoptados na iluminação publicitária, em ecrãs, nos faróis dos automóveis e na iluminação doméstica, especialmente para a iluminação de fundo dos telemóveis, a sua aplicação principal actual.
Os dispositivos LED são fabricados por crescimento de cristais de GaN (um composto III-V) em substratos.O safiro serve como um substrato ideal devido à sua correspondência de rede próxima com GaN e à excepcional estabilidade térmica em temperaturas de crescimento de cristaisOs materiais de partida do safiro não só devem ser de elevada pureza, mas também minimizar a absorção de água, uma vez que a água pode oxidar os cristais de molibdênio durante a fusão a altas temperaturas acima de 2000°C.quando o processo é continuamente alimentado com α-Al2O3,, as partículas devem evitar fusão entre si para evitar o entupimento do equipamento.A alumina AKQ-10 esférica de alta pureza com tamanho de partícula de ~ 2 mm atende a estes requisitos e é amplamente utilizada como material de partida de safiraAs recentes melhorias nas técnicas de crescimento de cristais únicos de Czochralski aumentaram as exigências de densidades de embalagem mais elevadas nos materiais de partida, aumentando a produtividade industrial.Responder a estas necessidades, a Sumitomo Chemical desenvolveu um novo α-Al2O3 de alta densidade para materiais de partida de safira, alcançando uma densidade de embalagem de 2,0 g/cm3 através de uma densidade de partículas e distribuição de tamanho otimizadas.
2Painéis de Display de Plasma (PDPs): O Futuro dos Displays de Large-Screen
Os painéis de exibição de plasma (PDPs) ganharam atenção como monitores grandes, finos e de painel plano que permitem dispositivos mais finos e leves.Os PDPs operam por excitação de fósforos com luz ultravioleta (VUV) de vácuo a 147 nm (de radiação excímera Xe) e 172 nm (linhas de ressonância Xe)Da mesma forma, em lâmpadas fluorescentes de cátodo frio utilizadas para iluminação LCD, os fósforos vermelhos, verdes e azuis são excitados pela luz ultravioleta de 254 nm dos átomos de mercúrio.O fósforo azul utilizado comercialmente BaMgAl10O17: Eu2+ (BAM) é conhecido por ser o menos estável. O aquecimento durante a fabricação do painel e a exposição VUV durante a operação PDP podem degradar a intensidade de luminescência do BAM e causar mudanças de cromaticidade.A investigação continua a melhorar o brilho e a resistência à degradação.
Os fósforos de aluminato, como o BAM, são tipicamente fabricados misturando alumina de alta pureza com compostos de Ba, Mg e Eu, além de fluxos de flúor, e, em seguida, calcinando um método de reação em estado sólido.O processo é complexo.Por exemplo, enquanto os fósforos de fluxo de flúor tradicionais formam plaquetas quadradas com distribuições de tamanho amplo, Oshio et al.Fosforos de aluminato esféricos sintetizados, com tamanho e forma idênticos aos pó de partida de alumina não fluxadaEstes fósforos esféricos correspondem aos produtos tradicionais em cromaticidade, oferecendo um brilho 5% superior e uma melhor estabilidade térmica.À medida que os fósforos de aluminato se tornam materiais-chave para a próxima geração de monitoresA alumina de alta pureza desempenha um papel fundamental no controlo das características do fósforo,e a Sumitomo Chemical continua a desenvolver pós de alumina personalizados para estas aplicações.
3Sensores de escape automotivos (A/F Sensors): permitindo a eficiência energética
O mercado dos sensores de relação ar/combustível (A/F) utilizados para controlar a combustão dos motores está a expandir-se rapidamente.Os sensores A/F detectam as concentrações de oxigénio e de gases não queimados residuais nos gases de escape para regular com precisão a injecção de combustívelOs projetos de sensores A/F propostos combinam zircônio parcialmente estabilizado (condutor de íons de oxigénio) com substratos de alumina (para isolamento elétrico e elevada condutividade térmica).Para unificar estes componentes, a sinterização deve permitir que as taxas de encolhimento e os coeficientes de expansão térmica correspondam entre os materiais.Minimizar as diferenças de expansão térmica é crucial para evitar rachaduras da interface durante o funcionamentoAlém disso, ambos os substratos de zircônio e alumina requerem alta densidade e tamanho de grão fino.Enquanto as partículas primárias menores baixam as temperaturas de iniciação de sinterização, também reduzem a densidade verde e podem formar aglomerados duros que prejudicam a densidade sinterizada.A Sumitomo Chemical desenvolveu vários pós α-Al2O3 sinteráveis otimizados para sinterização a baixa temperatura.
4Fabricação de semicondutores: protecção em ambientes extremos
Os equipamentos de fabricação de semicondutores e LCD usam amplamente componentes α-Al2O3 para resistência superior à corrosão do plasma.reduzindo os poros e impurezas, ao utilizar o Sumicorundum® de partículas finas da Sumitomo Chemical,A procura de revestimentos de alumina pulverizados com plasma em alumínio, níquel, cromo, zinco, zircônio e suas ligas também está a aumentar.Os revestimentos de ferramentas semicondutores requerem:
- Alta pureza
- Boa capacidade de fluxo para alimentação estável da chama de plasma
- Retenção da forma das partículas antes da fusão
- Fusão completa durante a pulverização
O Sumicorundum® α-Al2O3 monocristalino e de grandes partículas satisfaz estes requisitos, sendo esperado um aumento da procura.
Nanoalumina: uma nova era na ciência dos materiais
A nanoescala α-Al2O3 representa um novo material pronto para desbloquear novas aplicações em abrasivos, cerâmica e membranas de separação de precisão.
(1) Aplicações abrasivas
Ultrafine α-Al2O3 aproveita a dureza da alumina para moagem e polir de precisão.A série HIT da Sumitomo Chemical apresenta partículas em forma de borda para aditivos de fita magnética e abrasivos metálicos/plásticosÀ medida que as fitas evoluem para camadas magnéticas mais finas (< 100 nm) e nanopartículas magnéticas mais finas, a incorporação de nanopartículas α-Al2O3 torna-se essencial para a resistência ao desgaste e o desempenho de limpeza da cabeça.Prossegue a investigação sobre abrasivos em nanoescala para polimento químico mecânico (CMP).
(2) Aplicações cerâmicas
A prevenção da aglomeração de nanopartículas e a minimização dos defeitos de corpos verdes permitem a sinterização de alta densidade com grãos finos.demonstrou 99% de densidade relativa e grãos submicrônicos por moagem a esferas em nanoescala α-Al2O3 e sinterização a 1A alumina de nanoescala processada em húmido da Sumitomo Chemical atinge 3,95 g/cm3 (99,2% de densidade) a apenas 1,250 °C.
(3) Aplicações de membrana de separação
As membranas porosas α-Al2O3 servem para ultrafiltração e separação de gases devido à resistência química/térmica. 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 cellsAs estruturas de membrana normalmente apresentam suportes tubulares α-Al2O3 com camadas intermediárias γ-Al2O3 cobertas por camadas de separação de hidrogênio de sílica, zeolita ou paládio.o vapor promove o crescimento/transformação do grão de γ-Al2O3Os estudos mostram que as lustres α-Al2O3 em nanoescala produzem membranas de porosidade de 40% com poros de 10 ‰ 60 nm, enquanto as misturas α/γ-Al2O3 produzem poros de 2 ‰ 50 nm.Partículas primárias mais finas permitem poros menores (até 16 nm), com aplicações que vão além da separação de gases até à filtragem de precisão.
Como discutido, alumínio de alta pureza, com tamanho, forma e distribuição de partículas controladas, é um material transformador que impulsiona a inovação em exibições, energia, automóveis, semicondutores e computação..Com as crescentes demandas, os produtores de materiais devem melhorar continuamente o desempenho do pó de alumina. em particular, a tecnologia de dispersão de partículas em nanoescala será crucial para futuros avanços.Avançando, o desenvolvimento de processos direccionados e a integração a jusante irão expandir ainda mais o notável potencial da alumina.
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