hochreines ultrafeines Aluminiumpulver bezieht sich im Allgemeinen auf Aluminiumpulver mit einer Reinheit von 4N (99,99%) oder höher und Partikelgrößen (D50) ≤ 1,0 μm.
Nachdem Aluminiumpulver auf die ultrafeine Skala veredelt wurden, ändern sich ihre Oberflächen-Elektronenstruktur und Kristallstruktur erheblich. Dies führt zu Oberflächeneffekten, Größenwirkungen, Quantenwirkungen und makroskopischen Quanten-Tunneling-Effekten, die Bulk-Materialien nicht besitzen. Folglich zeigt ultrafeines Aluminiumpulver hervorragende Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, gute Isolierung und große Oberfläche. Derzeit findet es breite Anwendung in Biokeramiken, Präzisionskeramiken, chemischen Katalysatoren, Seltenerd-Trichrom-Phosphoren, integrierten Schaltkreisen und optischen Geräten für die Luft- und Raumfahrt.
Herstellungstechnologien von hochreinem ultrafeinem Aluminiumpulver
Derzeit umfassen die wichtigsten Herstellungsmethoden Gasphasenverfahren, Flüssigphasenverfahren und Festphasenverfahren, wobei Flüssigphasenverfahren am häufigsten verwendet werden.
Gasphasenverfahren
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine gängige Methode zur Herstellung von Nano-Aluminiumpulvern. In diesem Prozess reagiert Aluminiumsalz mit Wasserdampf in einer Reaktionskammer, um Aluminiumnanopartikel zu produzieren.
Gängige CVD-Methoden sind Flammen-CVD und Laserpyrolyse-CVD. Ihre Vorteile bestehen darin, dass durch Kontrolle des Typs und der Konzentration der Reaktionsgase die Agglomeration von ultrafeinem Aluminiumpulver effektiv reduziert werden kann. Die hergestellten Pulver zeichnen sich durch kleine Partikelgröße, große spezifische Oberfläche und hohe Reinheit (bis zu 99,6%) aus, wobei Schwermetallgehalte unter den üblichen Nachweisgrenzen liegen. Nachteile sind jedoch niedriger Ertrag und Schwierigkeiten bei der Pulversammlung.
Flüssigphasenverfahren
Beim Flüssigphasenverfahren werden Aluminiumsalze in einem Lösungsmittel gelöst. Durch Verdampfen, Sublimieren, Ausfällen oder Hydrolyse werden Lösungsmittel und Lösung getrennt. Dabei entstehen Vorläuferpartikel von Al₂O₃-Pulvern. Nach Erhitzen und Zersetzung erhält man α-Al₂O₃-Pulver.
Typischerweise liegt Aluminium in Lösung in ionischer Form vor. Aluminiumsalze wie Aluminiumsulfat, Sec-Butoxid-Aluminium oder Natriumaluminat können in Wasser gelöst werden. Sie können auch in organischen Lösungsmitteln wie Chloroform, Ethanol oder Toluol gelöst werden. Ausfällungsmittel wie Ammoniumcarbonat, Natriumhydroxid, Harnstoff oder Schwefelsäure können anschließend verwendet werden. Diese setzen Aluminiumionen als kovalente Oxide ab. Nach dem Ausfällen wird das Produkt gewaschen, getrocknet und bei hohen Temperaturen calciniert. Das Ergebnis ist Alumina in der gewünschten Kristallform.
Diese Methode beinhaltet zwangsläufig die Calcination der Vorläufer. Dies führt häufig zu Partikelagglomeration. Daher erfordern die Pulver in der Regel eine Mahlen, um Agglomerate zu entfernen.
Derzeit verwendet die industrielle Produktion von hochreinem Aluminiumoxid hauptsächlich Sprühpyrolyse, Alkoxidhydrolyse, modifizierten Bayer-Prozess, Sol-Gel-Methoden und Alkohol-Aluminium-Methoden.
Festphasenmethode
Die Festphasenmethode umfasst das Mischen von zwei oder mehr Pulvern und deren Reaktion bei bestimmten Temperaturen und Atmosphären. Nano-Aluminiumoxid-Pulver werden direkt hergestellt.
Vorteile: Einfacher Prozess, hoher Ertrag, kurze Zykluszeit. Es sind keine Trockenschritte erforderlich, wodurch eine Hydroxyl-Dehydratisierungs-induzierte Agglomeration vermieden wird.
Nachteile: Erfordert typischerweise hohe Temperaturen. Der Energieverbrauch ist hoch, die Effizienz ist niedrig, und Kontaminationsrisiken bestehen. Die Partikelgrößenverteilung ist breit, und es kann zu Deformationen durch Oxidation kommen. Es ist schwierig, hochreine α-Al₂O₃-Pulver mit feinen Partikelgrößen zu erhalten.
Festphasemethoden umfassen mechanisches Mahlen und Detonationsmethoden.
Die Aluminiumverbrennungs-Methode ist das klassischste Beispiel. Sie produziert Pulver mit Partikelgrößen < 20 nm. Allerdings erfordert sie komplexe Ausrüstung, Sicherheitsrisiken und Herausforderungen bei der Pulversammlung.
Mechanisches Mahlen zerkleinert Rohstoffe direkt zu ultrafeinen Pulvern. Es werden Hochenergie-Kugelmühlen, Planetenmühlen, Turm-Mühlen oder Düsentriebmühlen verwendet. Hochenergie-Kugelmühlen sind die gebräuchlichste Methode. Aluminiumpulver wird in Wasser oder Alkohol gemahlen. Hohe Aufprallenergie zerbricht die Partikel in ultrafeine Pulver. Der Prozess ist einfach und leicht zu bedienen. Allerdings kann Kontamination durch Mahlmedien die Reinheit des Pulvers verringern. Die Partikelgrößenverteilung und Morphologie sind oft unbefriedigend.
Detonationsmethode: Die Verbrennung findet in einer Volumen-Konstanten-Kammer statt. Dabei entstehen große Mengen an Gasen und hoher Druck. Dies erhöht die Phasenübergangstemperatur und fördert die Bildung metastabiler Alumina-Phasen. Allerdings erfordert sie komplexe Ausrüstung, präzise Prozesskontrolle und ist kostenintensiv mit niedrigen Erträgen.
Fortgeschrittene Anwendungsfelder von ultrafeinem Aluminiumpulver
Keramik- und Verbundwerkstoffe
Das Hinzufügen von ultrafeinem Aluminiumpulver zu herkömmlichen Keramiken verbessert die Zähigkeit und senkt die Sintertemperatur. Aufgrund seiner Superplastizität überwindet es die Grenzen der plastischen Keramiken bei niedrigen Temperaturen. Daher wird es breit eingesetzt.
Ultrafeines Aluminiumpulver kann auch zur Synthese fortschrittlicher Verbundkeramiken und Aluminiumlegierungsverbundstoffe verwendet werden. Zum Beispiel zeigen SiC-Al₂O₃-Verbundstoffe bemerkenswerte Verbesserungen. Die Biegefestigkeit steigt von 300–400 MPa (bei monolithischen SiC-Keramiken) auf 1 GPa. Die Bruchzähigkeit verbessert sich um über 40%.
Es kann auch als dispersive Verstärkungszugabe dienen. Zum Beispiel wirkt ultrafeines Aluminiumpulver bei Gusseisen als Keimbildner. Die Verschleißfestigkeit verbessert sich um mehrere Male.
Oberflächen-Schutzz coating
Neue transparente Beschichtungen aus ultrafeinen Aluminiumnanopartikeln können auf Oberflächen von Metallen, Keramiken, Kunststoffen und Hartmetallen aufgebracht werden. Sie verbessern Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Zudem bieten sie Anti-Fouling-, Staub- und Wasserschutz-Eigenschaften.
Anwendungen umfassen Schutzbeschichtungen für Maschinen, Werkzeuge und chemische Pipelines. Keramikbeschichtete Schneidwerkzeuge mit ultrafeinen Aluminiumbeschichtungen verbinden die Zähigkeit von Hartmetallen mit der Verschleißfestigkeit von Keramiken. Die Werkzeuglebensdauer wird um mehrere bis Dutzende Male verlängert. Die Bearbeitungseffizienz wird erheblich verbessert.
Katalysatoren und Katalysatorträger
Ultrafeines Aluminiumpulver besitzt ein hohes Porenvolumen und eine große Oberfläche (60–400 m²/g). Es weist zudem viele Oberflächenfehlstellen aufgrund unvollständiger atomarer Koordination auf. Mit abnehmender Partikelgröße steigt die Oberflächenrauheit. Die katalytische Aktivität wird erhöht.
Daher ist ultrafeines Aluminiumpulver ein idealer Katalysator oder Katalysatorträger. Zum Beispiel zeigen Co-Mo-Katalysatoren, die auf ultrafeinem Aluminiumpulver unterstützt werden, eine höhere Hydrodesulfurierungsaktivität (HDS) als solche, die auf herkömmlichem Aluminiumpulver basieren.
γ-Al₂O₃ ist die Hauptform, die als Katalysatorträger verwendet wird. Es findet breite Anwendung in der Automobilabgasreinigung, katalytischer Verbrennung, Hydrodesulfurierung, Erdölraffination und Polymerherstellung.
Biomedizinische Anwendungen
Ultrafeine Alumina-Biokeramiken sind korrosionsbeständig in physiologischen Umgebungen. Sie weisen auch eine ausgezeichnete strukturelle Kompatibilität auf. Poröse Keramiken ermöglichen Gewebeeinwuchs. Dies sorgt für eine starke Integration mit biologischen Geweben.
Mit Eigenschaften wie hoher Festigkeit, niedriger Reibung und geringem Verschleiß wurden ultrafeine Alumina weit in klinischen Anwendungen eingesetzt. Anwendungen umfassen künstliche Knochen, Gelenkersatz, Zahnimplantate, Frakturplatten und Fixationsgeräte. Sie wurden auch bei Alveolarfortsatz-Augmentation, kieferchirurgischer Rekonstruktion und kosmetischer Rekonstruktion eingesetzt.
Aktuelle Forschung untersucht Einsatzmöglichkeiten bei künstlichen Luftröhren, Weichteilersatzstoffen und bio-keramischen Materialien, die biologische Funktionen für Anwendungen im Bereich der künstlichen Intelligenz simulieren.
Halbleitermaterialien
Ultrafeine Alumina-Pulver haben sehr große Oberflächenflächen und sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Veränderungen in Temperatur und Luftfeuchtigkeit verändern schnell ihre Oberflächen-Ionenzustände und elektronische Leitfähigkeit.
Innerhalb von 30–80% Luftfeuchtigkeit zeigt ultrafeines Alumina eine lineare Veränderung des Wechselstromimpedanz. Es weist eine hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktion, lange Lebensdauer und Resistenz gegen Störungen auf. Dies macht es zu einem idealen Material für Feuchtigkeits- und Hygrometer.
Zusätzlich wird ultrafeines Alumina-Pulver häufig als Substratmaterial verwendet. Es bietet elektrische Isolierung, chemische Beständigkeit, Hitzebeständigkeit, Strahlungsresistenz und hohe Dielektrizitätskonstante. Es sorgt auch für Oberflächenhomogenität und niedrige Kosten. Es ist essenziell in Halbleitern, Mikroelektronik und Informationsindustrien.
Optische Materialien
Nano-Alumina kann ultraviolettes (UV) Licht absorbieren. Es emittiert wellenlängenabhängige Fluoreszenz bei Anregung. Es wird als Schutzbeschichtung für fluoreszierende Schichten in Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) verwendet. Dies verlängert die Lebensdauer der Lampe.
Es kann auch mit Seltenerd-Phosphoren kombiniert werden, um neue lumineszente Materialien für die Beleuchtung zu produzieren. Außerdem verringern ultrafeine γ-Al₂O₃-Pulver die Lampenverschlechterung und verbessern die Produktionsausbeute.
Darüber hinaus können polymerbeschichtete Alumina-Nanopartikel sicher in Sonnenschutzmittel und Kosmetika eingebracht werden. Sie wirken als effektive UV-Absorber.
Epic Pulver
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