Zirkonoxid-Nanopulver: Ein neues Material für das „Hinterteil“ von 5G-Mobiltelefonen

Quelle: Science and Technology Daily: Der herkömmliche Herstellungsprozess von Zirkonoxidpulver erzeugt große Abfallmengen, insbesondere große Mengen schwach konzentrierten alkalischen Abwassers, das schwer zu behandeln ist und eine erhebliche Umweltverschmutzung verursacht. Das Hochenergie-Kugelmahlen ist eine energiesparende und effiziente Materialaufbereitungstechnologie, die die Kompaktheit und Dispergierbarkeit von Zirkonoxidkeramik verbessern kann und gute industrielle Anwendungsaussichten bietet. Mit dem Aufkommen der 5G-Technologie verändern Smartphones still und leise ihre eigene „Ausrüstung“. Die 5G-Kommunikation nutzt das Spektrum über 3 Gigahertz (GHz), und die Millimeterwellenlänge ist sehr kurz. Wenn 5G-Mobiltelefone eine Metall-Backplane verwenden, wird das Signal stark gestört oder abgeschirmt. Daher sind keramische Materialien mit den Eigenschaften keiner Signalabschirmung, hoher Härte, starker Wahrnehmung und hervorragender Wärmeleistung, die denen von Metallmaterialien nahe kommen, für Mobilfunkunternehmen zu einer wichtigen Wahl für den Eintritt in das 5G-Zeitalter geworden. Bao Jinxiao, Professor an der Inner Mongolia University of Science and Technology, erklärte Reportern, dass sich neue Keramikmaterialien als wichtiges anorganisches nichtmetallisches Material zur besten Wahl für Material für Smartphone-Rückseiten entwickelt hätten. Im 5G-Zeitalter müssten Handy-Rückseiten dringend modernisiert werden. Wang Sikai, Geschäftsführer von Inner Mongolia Jingtao Zirconium Industry Co., Ltd. (im Folgenden Jingtao Zirconium Industry), erklärte Reportern, dass gemäß den von Counterpoint, einem weltweit renommierten Forschungsinstitut, veröffentlichten Daten im Jahr 2020 die weltweiten Smartphone-Auslieferungen 1,331 Milliarden Geräte erreichen werden. Mit der steigenden Nachfrage nach Zirkonoxidkeramik für Handy-Rückseiten hat auch die F&E- und Herstellungstechnologie des Unternehmens große Aufmerksamkeit erregt. Als neues Keramikmaterial mit extrem hohem technischen Gehalt ist Zirkonoxidkeramik für raue Arbeitsumgebungen geeignet, für die Metalle, Polymermaterialien und die meisten anderen Keramikmaterialien nicht geeignet sind. Zirkonoxidkeramik wird als Strukturteil in vielen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Energie-, Luft- und Raumfahrt-, Maschinenbau-, Automobil- und Medizinbranche. Der weltweite Jahresverbrauch liegt bei über 80.000 Tonnen. Mit dem Beginn des 5G-Zeitalters haben Keramikgeräte bei der Herstellung von Handy-Rückwänden größere technologische Vorteile gezeigt, und Zirkonoxidkeramik hat ein breiteres Entwicklungspotenzial. „Die Leistung von Zirkonoxidkeramik hängt direkt von der Leistung des Pulvers ab. Daher ist die Entwicklung einer kontrollierten Herstellungstechnologie für Hochleistungspulver zum wichtigsten Bindeglied bei der Herstellung von Zirkonoxidkeramik und der Entwicklung von Hochleistungsgeräten aus Zirkonoxidkeramik geworden“, sagte Wang Sikai freimütig. Das umweltfreundliche Hochenergie-Kugelmahlverfahren ist bei Experten sehr gefragt. Die inländische Produktion von Zirkonoxid-Nanopulver erfolgt größtenteils im nasschemischen Verfahren, wobei Seltenerdoxide als Stabilisatoren zur Herstellung des Zirkonoxid-Nanopulvers verwendet werden. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Produktionskapazität und eine gute Gleichmäßigkeit der chemischen Produktkomponenten aus, hat aber den Nachteil, dass im Produktionsprozess große Abfallmengen entstehen, insbesondere große Mengen alkalischen Abwassers mit niedriger Konzentration, das schwer zu behandeln ist und bei unsachgemäßer Handhabung zu schwerer Umweltverschmutzung und -schädigung führt. „Der Untersuchung zufolge werden zur Herstellung einer Tonne yttriumstabilisiertes Zirkonoxid-Keramikpulver etwa 50 Tonnen Wasser benötigt, was eine große Menge Abwasser erzeugt, und die Rückgewinnung und Behandlung des Abwassers erhöht die Produktionskosten erheblich“, sagte Wang Sikai. Mit der Verschärfung des chinesischen Umweltschutzgesetzes stehen Unternehmen, die Zirkonoxid-Nanopulver nasschemisch herstellen, vor beispiellosen Herausforderungen. Daher ist die Entwicklung einer umweltfreundlichen und kostengünstigen Technologie zur Herstellung von Zirkonoxid-Nanopulver dringend erforderlich. „Vor diesem Hintergrund ist die Herstellung von Zirkonoxid-Nanopulver durch sauberere und energiesparendere Produktionsverfahren zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden, wobei das Hochenergie-Kugelmahlverfahren in Wissenschaft und Technik am gefragtesten ist.“ Bao Jins Roman. Beim Hochenergie-Kugelmahlen wird mechanische Energie genutzt, um chemische Reaktionen auszulösen oder die Struktur und Eigenschaften von Materialien zu verändern und so neue Materialien herzustellen. Diese neue Technologie kann die Reaktionsaktivierungsenergie deutlich senken, die Korngröße verfeinern, die Gleichmäßigkeit der Pulverpartikelverteilung deutlich verbessern, die Grenzflächenbindung zwischen Substraten verbessern, die Diffusion fester Ionen fördern und chemische Reaktionen bei niedrigen Temperaturen auslösen, wodurch die Kompaktheit und Dispergierbarkeit der Materialien verbessert wird. Es handelt sich um eine energiesparende und effiziente Materialaufbereitungstechnologie mit guten industriellen Anwendungsaussichten. Ein einzigartiger Färbungsmechanismus erzeugt farbenfrohe Keramik. Zirkonoxid-Nanopulvermaterialien haben auf dem internationalen Markt die Phase der industriellen Entwicklung erreicht. Wang Sikai erklärte gegenüber Reportern: „In Industrieländern und Regionen wie den USA, Westeuropa und Japan ist die Produktion von Zirkonoxid-Nanopulver groß, und die Produktspezifikationen sind relativ umfangreich. Insbesondere amerikanische und japanische multinationale Unternehmen haben durch Patente für Zirkonoxidkeramik klare Wettbewerbsvorteile.“ Laut Wang Sikai befindet sich Chinas neue Keramikindustrie derzeit in einer rasanten Entwicklung, und die Nachfrage nach Keramikpulver steigt jährlich. Daher wird die Entwicklung von Produktionsprozessen für neues Nanometer-Zirkonoxid immer dringlicher. In den letzten zwei Jahren haben einige inländische Forschungsinstitute und Unternehmen mit der eigenständigen Forschung und Produktion von Zirkonoxid-Nanopulver begonnen. Die meisten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten befinden sich jedoch noch in der Phase der Versuchsproduktion im Labor mit geringen Produktionsmengen und Einzelsorten. Im Projekt „Farbiges Seltenerd-Zirkonoxid-Nanopulver“, das von Ceramic Zirconia Industry umgesetzt wird, wurde Zirkonoxid-Nanopulver durch Festkörperreaktion mittels Hochenergie-Kugelmahlen hergestellt. Wasser wird als Mahlmedium zum Mahlen verwendet. „Die Partikel werden verfeinert, sodass ein nicht agglomeriertes Pulver mit einer Größe von 100 Nanometern entsteht, das frei von Umweltverschmutzung, kostengünstig und von guter Chargenstabilität ist“, sagte Bao Xin. Die Herstellungstechnologie kann nicht nur die Pulveranforderungen für keramische Rückwände von 5G-Mobiltelefonen, Wärmedämmschichten für Flugzeugturbinentriebwerke, Keramikkugeln, Keramikmesser und andere Produkte erfüllen, sondern kann auch für die Herstellung weiterer Keramikpulver, wie z. B. Ceroxid-Verbundpulver, eingesetzt werden. Basierend auf einem selbst entwickelten Färbemechanismus hat das technische Team von Ceramic Zirconium Industry durch Prozessoptimierung die Festphasensynthese und ein Verbundverfahren zur Färbung ohne Zugabe zusätzlicher Metallionen übernommen. Die mit diesem Verfahren hergestellten Zirkonoxidkeramiken weisen nicht nur eine hohe Farbsättigung und gute Benetzbarkeit auf, sondern beeinträchtigen auch nicht die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften der Zirkonoxidkeramiken. „Die ursprüngliche Partikelgröße des mit der neuen Technologie hergestellten farbigen Seltenerd-Zirkonoxidpulvers beträgt Nanometer und zeichnet sich durch eine gleichmäßige Partikelgröße, hohe Sinteraktivität und niedrige Sintertemperatur aus.“ Im Vergleich zum herkömmlichen Produktionsprozess wird der Gesamtenergieverbrauch deutlich reduziert. Die Produktionseffizienz und die Ausbeute der Keramikverarbeitung werden deutlich verbessert. Die mit diesem Verfahren hergestellten modernen Keramikbauteile zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Zähigkeit und Härte aus“, sagte Wang Sikai.