-
Эл. почта
Hifull@hifull.com
Наномагия: повышение прозрачности керамики за счет газофазного диоксида кремния. Секрет в удельной поверхности.
2025-08-25
В процессе разработки и производства керамических материалов прозрачность и мутность материалов являются одними из ключевых показателей, определяющих их качество и прикладную ценность. Газообразный диоксид кремния (газообразный кремний) как уникальный по своим свойствам неорганический наноматериал благодаря своим преимуществам, таким как минимальный размер частиц, высокая удельная поверхность и хорошая диспергируемость, находит все более широкое применение в керамической промышленности, а его влияние на прозрачность керамики привлекает все большее внимание.
Газофазный диоксид кремния представляет собой белый порошок наноразмерного аморфного диоксида кремния, полученный путем гидролиза галогеносилан в водородно-кислородном пламени при высокой температуре. Он содержит гидрофильный газофазный диоксид кремния и гидрофобный газофазный диоксид кремния, причем гидрофобный газофазный диоксид кремния является модификацией гидрофильного. Гидрофильный газообразный диоксид кремния по удельной поверхности делится на кремний с низкой удельной поверхностью и кремний с высокой удельной поверхностью. Размер его частиц находится на наноуровне, а поверхность богата кремниевыми гидроксильными группами.
Керамические материалы — это неорганические неметаллические материалы, изготовленные из природных или синтетических соединений путем формовки и высокотемпературного спекания. Они обладают такими преимуществами, как высокая температура плавления, высокая твердость, высокая износостойкость и стойкость к окислению. Традиционная керамика ориентирована на механические свойства, но с развитием оптики, электроники и других областей растет спрос на прозрачную керамику. В практическом применении керамических материалов газообразный диоксид кремния, как высокоэффективный нанодобавка, может значительно оптимизировать механическую прочность, поведение при спекании, оптические свойства и микроструктуру керамики, а также дополнительно повысить прочность керамической матрицы, снизить температуру спекания и сократить время спекания. Какое же влияние на прозрачность и мутность керамики оказывает добавление газообразного диоксида кремния с разным удельным объемом?
Исследователи компании АО Хубэй Хуэйфу Наноматериалы. сосредоточили свое внимание на изменении прозрачности и мутности керамики при добавлении различных количеств газообразного диоксида кремния с низким и высоким удельным объемом, глубоко проанализировали механизм действия газообразного диоксида кремния и предоставили теоретическую основу для оптимизации свойств керамических материалов.
В эксперименте с низким содержанием газообразного кремнезема технические специалисты добавили в экспериментальные образцы керамического материала 1%, 3%, 5%, 8% и 10% газообразного диоксида кремния, а затем, в сочетании с контрольными образцами, провели испытания на светопропускание и мутность. Технические специалисты обнаружили, что кривая мутности оранжевого цвета оставалась относительно стабильной, мутность постоянно держалась на уровне около 96%, а кривая светопропускания синего цвета демонстрировала общую тенденцию к росту, увеличившись с 10% до примерно 12%. Это свидетельствует о том, что добавление низкопропорционального газообразного кремния в определенной степени способствовало повышению светопропускания керамики и мало повлияло на мутность.
В эксперименте с высоким содержанием газообразного кремнезема технические специалисты также добавили в экспериментальные образцы керамического материала 1%, 3%, 5%, 8% и 10% газообразного диоксида кремния, а затем, в сочетании с контрольными образцами, провели испытания на светопропускание и мутность. Технические специалисты обнаружили, что кривая мутности оранжевого цвета относительно стабильна, мутность постоянно остается на уровне около 95,5%, а кривая светопропускания синего цвета демонстрирует общую тенденцию к росту, увеличившись с 10% до около 14%.
По сравнению с низкоплотным газообразным диоксидом кремния, высокоплотный газообразный кремний более значительно повышает светопропускание, что объясняется большей удельной поверхностью высокоплотного газообразного кремния и большим количеством гидроксильных групп на его поверхности. После диспергирования в керамической системе он благодаря своей высокой активности лучше взаимодействует с поверхностью керамических частиц, способствуя перегруппировке и уплотнению частиц при обжиге и более эффективному удалению пор.
Как же газофазный диоксид кремния повышает прозрачность и стабильную мутность керамики?
- Заполнение и уплотнение
Наночастицы газового кремния имеют небольшой размер и могут проникать в промежутки между керамическими частицами. На этапе спекания керамики силиконовые гидроксильные группы на поверхности газообразного кремния могут образовывать водородные связи или химические связи с группами на поверхности керамических частиц, способствуя связыванию частиц и массопереносу, ускоряя процесс спекания и делая керамическое тесто более плотным. С помощью газообразного кремния часть мелких пор внутри керамики заполняется и удаляется, размер крупных пор уменьшается, что снижает количество источников рассеивания света.
- Эффективное подавление внутреннего рассеяния света
В поликристаллической структуре керамики границы зерен являются основным источником рассеяния света. Границы зерен традиционной керамики часто содержат аморфную фазу или примеси, что приводит к большому различию в показателях преломления между границами зерен и зернами, вызывая значительное рассеяние. После введения газообразного кремния в керамическую систему образуется граница раздела газообразный кремний-керамическая матрица, которая подавляет беспорядочный рост аморфной фазы на границах зерен, делая структуру границ зерен однофазной, размеры зерен меньше и более однородными, а границы зерен более правильными и гладкими, что в целом снижает рассеяние света, вызываемое границами зерен.
Благодаря вышеуказанным эффектам, газообразный диоксид кремния максимально уменьшает источники рассеяния света внутри керамики (в первую очередь поры, а во вторую очередь крупные зерна и некачественные границы зерен), что позволяет свету более свободно проходить через материал, значительно повышая светопропускание керамики.
В то же время, анализ данных по светопропусканию и мутности керамики при различных добавках газообразного кремнезема с низкой и высокой удельной поверхностью подтвердил, что удельная поверхность и добавка газообразного диоксида кремния являются ключевыми параметрами, регулирующими прозрачность и мутность керамики. Благодаря множеству механизмов, таких как нанонаполнение, оптимизация кинетики спекания и регулирование поверхностной химии, удалось повысить светопропускание и сохранить мутность, что обеспечило теоретическую основу для массового производства высокоэффективной прозрачной керамики. В будущем, с глубокой интеграцией технологии модификации поверхности газообразного кремния и процесса формования керамики, ожидается прорыв в применении прозрачной керамики в области оптических устройств для экстремальных условий, биомедицинских материалов и других областях, что будет способствовать продвижению индустрии новых материалов Китая в верхний сегмент глобальной цепочки создания стоимости.
