ננו-אבקה מזירקוניה: חומר חדש ל"מאחורי" טלפונים ניידים 5G

מקור: Science and Technology Daily: תהליך הייצור המסורתי של אבקת זירקוניה ייצר כמות גדולה של פסולת, במיוחד כמות גדולה של שפכים אלקליים בריכוז נמוך שקשה לטפל בהם, וגורמת לזיהום סביבתי חמור. טחינת כדורים באנרגיה גבוהה היא טכנולוגיית הכנת חומרים חוסכת אנרגיה ויעילה, שיכולה לשפר את הקומפקטיות והפיזור של קרמיקת זירקוניה ויש לה סיכוי טוב ליישום תעשייתי. עם הופעת טכנולוגיית 5G, טלפונים חכמים משנים בשקט את ה"ציוד" שלהם. תקשורת 5G משתמשת בספקטרום מעל 3 ג'יגה-הרץ (GHz), ואורך הגל המילימטרי שלה קצר מאוד. אם טלפון נייד 5G משתמש בלוח אחורי מתכתי, הוא יפריע קשות לאות או יגנה אותו. לכן, חומרים קרמיים בעלי מאפיינים של חוסר מיגון אות, קשיות גבוהה, תפיסה חזקה וביצועים תרמיים מצוינים הקרובים לחומרים מתכתיים הפכו בהדרגה לבחירה חשובה עבור חברות טלפונים ניידים בכניסה לעידן 5G. באו ג'ינשיאו, פרופסור באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של מונגוליה הפנימית, אמר לכתבים כי כחומר קרמי אנאורגני חשוב שאינו מתכתי, חומרים קרמיים חדשים הפכו לבחירה הטובה ביותר עבור חומרים ללוחות גב לטלפונים חכמים. בעידן ה-5G, יש לשדרג בדחיפות לוחות גב לטלפונים ניידים. וואנג סיקאי, המנהל הכללי של חברת Inner Mongolia Jingtao Zirconium Industry Co., Ltd. (להלן Jingtao Zirconium Industry), אמר לכתב כי על פי נתונים שפרסם Counterpoint, מוסד מחקר בעל שם עולמי, משלוחי הסמארטפונים העולמיים יגיעו ל-1.331 מיליארד יחידות בשנת 2020. עם הביקוש הגובר לקרמיקה מזירקוניה המשמשת בלוחות גב לטלפונים ניידים, טכנולוגיית המחקר והפיתוח וההכנה שלה משכה גם היא תשומת לב רבה. כחומר קרמי חדש בעל תוכן טכני גבוה במיוחד, חומר קרמי מזירקוניה יכול להתאים לסביבת עבודה קשה שחומרי מתכת, חומרי פולימר ורוב חומרי הקרמיקה האחרים אינם מתאימים אליה. כחלקים מבניים, מוצרי קרמיקה מזירקוניה יושמו בתעשיות רבות כגון אנרגיה, תעופה וחלל, מכונות, רכב, טיפול רפואי וכו', והצריכה השנתית העולמית היא מעל 80,000 טון. עם כניסתו של עידן ה-5G, מכשירים קרמיים הראו יתרונות טכנולוגיים גדולים יותר בייצור לוחות גב לטלפונים ניידים, ולקרמיקה מזירקוניה יש סיכוי פיתוח רחב יותר. "ביצועי קרמיקת הזירקוניה תלויים ישירות בביצועי האבקות, ולכן פיתוח טכנולוגיית הכנה נשלטת של אבקות בעלות ביצועים גבוהים הפך לחוליה הקריטית ביותר בהכנת קרמיקת זירקוניה ובפיתוח של מכשירי קרמיקה מזירקוניה בעלי ביצועים גבוהים", אמר וואנג סיקאי בכנות. שיטת טחינת כדורים ירוקה באנרגיה גבוהה מבוקשת מאוד על ידי מומחים. ייצור מקומי של ננו-אבקת זירקוניה מאמץ בעיקר תהליך כימי רטוב, ותחמוצת אדמה נדירה משמשת כמייצב לייצור ננו-אבקת זירקוניה. לתהליך זה מאפיינים של כושר ייצור גדול ואחידות טובה של רכיבים כימיים של מוצרים, אך החיסרון הוא שתיווצר כמות גדולה של פסולת בתהליך הייצור, במיוחד כמות גדולה של מי שפכים אלקליים בריכוז נמוך שקשה לטפל בהם, ואם לא מטפלים בהם כראוי, הם יגרום לזיהום חמור ולנזק לסביבה האקולוגית. "על פי הסקר, נדרשים כ-50 טון מים כדי לייצר טון אחד של אבקת קרמיקה זירקוניה מיוצבת איטריה, שתייצר כמות גדולה של שפכים, והשבת וטיפול בשפכים יגדילו מאוד את עלות הייצור", אמר וואנג סיקאי. "עם שיפור חוק הגנת הסביבה של סין, ארגונים המכינים ננו-אבקת זירקוניה בשיטה כימית רטובה מתמודדים עם קשיים חסרי תקדים. לכן, קיים צורך דחוף לפתח טכנולוגיית הכנה ירוקה וזולה של ננו-אבקת זירקוניה. "על רקע זה, היא הפכה למוקד מחקר להכנת ננו-אבקת זירקוניה באמצעות תהליך ייצור נקי יותר וצריכת אנרגיה נמוכה יותר, שביניהן שיטת טחינת כדורים באנרגיה גבוהה היא המבוקשת ביותר בחוגים מדעיים וטכנולוגיים." הרומן של באו ג'ין. טחינת כדורים באנרגיה גבוהה מתייחסת לשימוש באנרגיה מכנית כדי לגרום לתגובות כימיות או לגרום לשינויים במבנה ובתכונות של חומרים, על מנת להכין חומרים חדשים. כטכנולוגיה חדשה, היא יכולה להפחית את אנרגיית הפעלת התגובה, לעדן את גודל הגרעינים, לשפר מאוד את אחידות הפיזור של חלקיקי האבקה, לשפר את שילוב הממשק בין מצעים, לקדם את דיפוזיה של יונים מוצקים ולגרום לתגובות כימיות בטמפרטורה נמוכה, ובכך לשפר את הקומפקטיות והפיזור של חומרים. זוהי טכנולוגיית הכנת חומרים חוסכת אנרגיה ויעילה עם סיכויי יישום תעשייתיים טובים. מנגנון צביעה ייחודי יוצר קרמיקה צבעונית. בשוק הבינלאומי, חומרי ננו-אבקת זירקוניה נכנסו לשלב הפיתוח התעשייתי. וואנג סיקאי אמר לכתבים: "במדינות מפותחות ואזורים כמו ארצות הברית, מערב אירופה ויפן, קנה המידה של אבקת ננו-זירקוניה גדול ומפרטי המוצר יחסית מלאים. במיוחד חברות רב-לאומיות אמריקאיות ויפניות, יש לה יתרונות תחרותיים ברורים בפטנט של קרמיקת זירקוניה. לדברי וואנג סיקאי, כיום, תעשיית ייצור הקרמיקה החדשה של סין נמצאת בשלב של פיתוח מהיר, והביקוש לאבקת קרמיקה עולה משנה לשנה, ולכן דחוף יותר ויותר לפתח את תהליך הייצור של זירקוניה ננומטרית חדשה. בשנתיים האחרונות, כמה מכוני מחקר וארגונים מקומיים החלו גם לחקור ולייצר באופן עצמאי אבקת ננו-זירקוניה, אך רוב המחקר והפיתוח עדיין נמצאים בשלב של ייצור ניסויים בקנה מידה קטן במעבדה, עם תפוקה קטנה ומגוון יחיד. בפרויקט של "ננו-אבקת זירקוניה נדירה צבעונית" שמופעל על ידי תעשיית זירקוניה הקרמית, ננו-אבקת זירקוניה הוכנה בשיטת תגובה במצב מוצק לטחינת כדורים באנרגיה גבוהה." מים משמשים כמדיום טחינה לטחינה ולזיקוק החלקיקים, כך שאבקת גרגירים לא מצטברת בגודל של 100 "ניתן להשיג ננומטרים, ללא זיהום, עלות נמוכה ויציבות טובה באצווה", אמר באו שין. טכנולוגיית ההכנה יכולה לא רק לענות על דרישות האבקה של קרמיקה לטלפונים ניידים 5G, חומרי ציפוי תרמי למנועי טורבינות תעופה, כדורי קרמיקה, סכינים קרמיות ומוצרים אחרים, אלא גם יכולה להיות פופולרית וליישם בהכנת אבקות קרמיות נוספות כגון הכנת אבקה מרוכבת תחמוצת צריום. על פי מנגנון הצביעה שפותח באופן עצמאי, הצוות הטכני של תעשיית הזירקוניה הקרמית אימץ סינתזה בשלב מוצק ושיטת מרוכבים לצביעה מבלי להכניס יוני מתכת נוספים באמצעות אופטימיזציה של התהליך. קרמיקת הזירקוניה שהוכנה בשיטה זו לא רק בעלת רוויה גבוהה של צבע ויכולת רטיבות טובה, אלא גם אינה משפיעה על התכונות המכניות המקוריות של קרמיקת הזירקוניה. "גודל החלקיקים המקורי של אבקת הזירקוניה הנדירה בצבע המיוצרת על סמך הטכנולוגיה החדשה הוא ננומטרי, בעל מאפיינים של גודל חלקיקים אחיד, פעילות סינטור גבוהה, טמפרטורת סינטור נמוכה וכן הלאה. בהשוואה לתהליך הייצור המסורתי, צריכת האנרגיה המקיפה מצטמצמת משמעותית. יעילות הייצור ותפוקת עיבוד הקרמיקה משופרות מאוד. "למכשירים הקרמיים המתקדמים המוכנים בשיטה זו יש תכונות מצוינות כגון חוזק גבוה, קשיחות גבוהה וקשיחות גבוהה", אמר וואנג סיקאי.