Влияние осажденного диоксида кремния на улучшение прозрачности керамики
В исследованиях и производстве керамических материалов прозрачность и мутность являются критически важными показателями для оценки качества материала и его применимости. Дымчатый диоксид кремния , уникальный неорганический наноматериал, привлекает все больше внимания в керамической отрасли благодаря своему ультрамелкому размеру частиц, высокой удельной поверхности и превосходной диспергируемости, особенно в отношении его влияния на прозрачность керамики.
Дымчатый диоксид кремния получают путем высокотемпературного гидролиза галосиланов в водородно-кислородном пламени, в результате чего образуется белый аморфный наноразмерный порошок диоксида кремния. Он включает как гидрофильные , так и гидрофобные типы , причем гидрофобный вариант образуется путем модификации поверхности гидрофильной формы. Гидрофильный дымчатый диоксид кремния может быть дополнительно классифицирован на сорта с низкой и высокой удельной поверхностью в зависимости от его удельной поверхности. Его частицы имеют наноразмер и богаты поверхностными силанольными (Si–OH) группами.
Керамические материалы — это класс неорганических неметаллических материалов, получаемых путем формования природных или синтетических соединений с последующим высокотемпературным спеканием. Они обладают высокими температурами плавления, высокой твердостью, превосходной износостойкостью и стойкостью к окислению. В то время как традиционная керамика отдает приоритет механическим свойствам, растущие требования со стороны оптической и электронной отраслей значительно увеличили потребность в прозрачной керамике.
В практических применениях керамики осажденный диоксид кремния служит высокоэффективной нанодобавкой, которая значительно повышает механическую прочность, поведение при спекании, оптические характеристики и микроструктуру керамики, тем самым улучшая ударную вязкость матрицы, снижая температуру спекания и сокращая время спекания.
Но как осажденный диоксид кремния с различной удельной поверхностью влияет на прозрачность и мутность керамики?
Исследователи из компании Hubei Huifu Nanomaterial Co., Ltd. сосредоточились на изучении влияния осажденного диоксида кремния с низкой и высокой удельной поверхностью при различных уровнях добавления на прозрачность и мутность керамики, стремясь выяснить лежащие в основе механизмы и предоставить теоретическую основу для оптимизации характеристик керамики.
В эксперименте с осажденным диоксидом кремния с низкой удельной поверхностью специалисты добавляли в экспериментальные образцы керамики 1%, 3%, 5%, 8% и 10% осажденного диоксида кремния соответственно и сравнивали их пропускание света и мутность с контрольным образцом. Они заметили, что кривая мутности оранжевого цвета оставалась относительно плоской, составляя около 96% , в то время как кривая пропускания синего цвета демонстрировала общую тенденцию к росту, увеличиваясь примерно с 10% до 12%. Это указывает на то, что добавление осажденного диоксида кремния с низкой удельной поверхностью умеренно улучшило пропускание света керамикой с минимальным влиянием на мутность.
В эксперименте с высокоплотным диоксидом кремния специалисты аналогичным образом добавляли 1%, 3%, 5%, 8% и 10% диоксида кремния к образцам керамики и измеряли пропускание света и мутность по сравнению с контрольным образцом. Оранжевая кривая мутности снова оставалась стабильной на уровне около 95.5%, в то время как синяя кривая пропускания заметно возросла, примерно с 10% до 14%.
По сравнению с осажденным диоксидом кремния с низкой удельной поверхностью, осажденный диоксид кремния с высокой удельной поверхностью продемонстрировал более выраженное улучшение пропускания света. Это объясняется большей удельной поверхностью и более высокой плотностью поверхностных силанольных групп, которые при диспергировании в керамической матрице проявляют большую реакционную способность. Это способствует более сильному взаимодействию с поверхностями керамических частиц во время спекания, стимулируя перегруппировку и уплотнение частиц, а также более эффективно устраняя поры.
Итак, каким именно образом осажденный диоксид кремния повышает прозрачность керамики, одновременно стабилизируя мутность?
1. Эффект заполнения и уплотнения
Наноразмерные частицы осажденного диоксида кремния способны проникать в межзерновые пустоты керамики. На стадии спекания поверхностные силанольные группы осажденного диоксида кремния могут образовывать водородные или химические связи с функциональными группами на поверхности керамических частиц, усиливая межчастичные связи и массоперенос. Это ускоряет процесс спекания, приводя к получению более плотного заготовки. Исходные поры в керамике частично заполняются или вытесняются при помощи осажденного диоксида кремния, а более крупные поры уменьшаются в размере, тем самым минимизируя рассеяние света, вызванное порами.
2. Эффективное подавление внутреннего рассеяния света.
В поликристаллической керамике основными источниками рассеяния света являются границы зерен. В обычной керамике часто присутствуют аморфные фазы или примеси на границах зерен, что приводит к значительному несоответствию показателей преломления между зернами и границами и, следовательно, к сильному рассеянию.
При введении осажденного диоксида кремния в керамическую систему образуются границы раздела между осажденным диоксидом кремния и керамической матрицей, которые подавляют неупорядоченный рост аморфных фаз на границах зерен. Это способствует формированию более однородной однофазной структуры границ, что приводит к образованию более мелких и однородных зерен, а также более гладких и правильных границ зерен, в совокупности уменьшая рассеяние света, вызванное границами зерен.
Благодаря этим механизмам, осажденный диоксид кремния минимизирует внутренние центры рассеяния света в керамике — в первую очередь поры, а также крупные зерна и дефектные границы зерен, — что позволяет свету проходить через материал более эффективно и тем самым значительно повышает светопропускание.
Более того, анализ данных экспериментов с диоксидом кремния с низкой и высокой удельной поверхностью при различных уровнях добавления подтверждает, что как удельная поверхность, так и дозировка диоксида кремния являются ключевыми параметрами для регулирования прозрачности и мутности керамики. Благодаря множественным механизмам, включая нанонаполнение, оптимизацию кинетики спекания и химическое регулирование поверхности, диоксид кремния повышает пропускание света, сохраняя при этом стабильную мутность, что обеспечивает надежную теоретическую поддержку масштабируемого производства высокоэффективной прозрачной керамики.
В будущем ожидается, что более глубокая интеграция технологий модификации поверхности осажденного диоксида кремния с передовыми процессами формования керамики приведет к прорывным применениям прозрачной керамики в оптических устройствах для экстремальных условий, биомедицинских материалах и других передовых областях, продвигая китайскую индустрию новых материалов к высокотехнологичному сегменту глобальной цепочки создания стоимости.
Привет, Клиенты!
Меня зовут Ван, я бизнес-менеджер HIFULL, я работаю в сфере производства пирогенного кремнезема более 10 лет. Не стесняйтесь обращаться ко мне. Я с радостью предоставлю вам лучший сервис и продукцию.
