Оксид цинка

Авторы публикации

Рубрика

Технические науки

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 30 (128), Август ‘23

Дата публикации 06.08.2023

Поделиться

Оксид цинка представляет собой неорганическое соединение формулы ZnO. Он используется в качестве добавки для многих материалов и изделий, в том числе косметики, пищевых добавок, резины, пластмасс, керамики, стекла, цемента, смазочные материалы, красители, масла, клеи, клеи, пигменты, продукты питания, батареи, ферриты, антипирены и ленты первой помощи. Хотя это происходит в природе в виде минерального цинка, большинство оксида цинка производится синтетическим путем.

1. Формула материала, физические и химические свойства

Оксид цинка (окись цинка, цинковые белила) — химическое соединение цинка с кислородом, имеющее формулу ZnO. В природе встречается в виде минерала цинкита. Оксид цинка является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 3,36 эВ. При нагревании вещество меняет цвет: белый при комнатной температуре, оксид цинка становится жёлтым. Объясняется это уменьшением ширины запрещённой зоны и сдвигом края в спектре поглощения из УФ-области в синюю. Теплопроводность: 54 Вт/(м·К). Естественное смещение стехиометрического отношения в сторону обогащения кислородом придаёт ему электронный тип проводимости.

Химические свойства:

Амфотерен – реагирует с кислотами с образованием солей. Растворяется в щелочах, водном растворе аммиака. Химически оксид цинка амфотерен - реагирует с кислотами с образованием соответствующих солей цинка, при взаимодействии с растворами щелочей образует комплексные три- тетра- и гексагидроксоцинкаты. Оксид цинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексный аммиакат. При сплавлении со щелочами и оксидами некоторых металлов оксид цинка образует цинкаты. При сплавлении с оксидом бора и диоксидом кремния оксид цинка образует стеклообразные бораты и силикаты. При смешивании порошка оксида цинка с концентрированным раствором хлорида цинка образуется быстро (за 2–3 минуты) твердеющая масса - цинковый цемент.

2. Механические свойства

Оксид цинка – относительно мягкий материал с приблизительной твердостью 4,5 по шкале Мооса. Высокая теплоемкость и теплопроводность, низкое тепловое расширение и высокая температура плавления оксида цинка выгодны для керамики. Из тетраэдрически связанных полупроводников было заявлено, что оксид цинка имеет самый высокий пьезоэлектрический тензор или, по крайней мере, сравнимый с GaN и AlN. Это свойство делает его технологически важным материалом для многих пьезоэлектрических применений, для которых требуется большое электромеханическое соединение. Оксид цинка имеет относительно большую прямую запрещенную щель зону~ 3.3 эВ при комнатной температуре. Преимущества, связанные с большим зазором диапазона, включают в себя более высокие напряжения пробоя, способность выдерживать большие электрические поля, более низкий электронный шум и работу при высоких температурах и высокой мощности. Зазор оксида цинка может быть дополнительно настроен на ~ 3–4 эВ путем его легирования оксидом магния или оксидом кадмия. Большинство оксида цинка имеет n - типный характер, даже при отсутствии преднамеренного легирования. Нестехиометрия, как правило, является источником характера n-типа, но субъект остается спорным. Было предложено альтернативное объяснение, основанное на теоретических расчетах, что причиной являются непреднамеренные замещающие водородные примеси. Управляемое легирование n-типа легко достигается заменой Zn элементами группы III, такими как Al, Ga, In, или заменой кислорода элементами VII группы хлором или иодом.

3. Применение материала

Используется при производстве стекла и красок на основе жидкого стекла, составов для преобразования ржавчины, фотокаталитических дезинфицирующих покрытий для стен и потолков в больницах. Синтетическая кожа, резиновая подошва. Наполнитель для кремов, мазей, порошков и порошков в косметических и фармацевтических продуктах. Добавка к солнцезащитным кремам, зубным пастам. Минеральная добавка в корм для животных. Сырье в стекольной и керамической промышленности. Радиоэлектронная промышленность производит варисторы (полупроводниковые элементы, зависящие от напряжения), люминофоры, синие светодиоды, порошковые лазеры и тонкие пленки для датчиков на основе оксида цинка. В металлургии для производства электрических кабелей. Применяется в медицине как антисептическое, осушающее, вяжущее, абсорбирующее средство. Его добавляют во многие наружные дерматологические методы лечения экземы, пролежней, покалывания, простого герпеса, язв, порезов, ожогов, язв. В стоматологии абразивные материалы производятся с добавлением стоматологического цемента. Резиновые изделия на основе оксида цинка используются в хирургии. Кроме того, порошок оксида цинка — перспективный материал в качестве рабочей среды для порошковых лазеров. На основе оксида цинка создали светодиод голубого цвета. Тонкие пленки и иные наноструктуры на основе оксида цинка могут применяться как чувствительные газовые и биологические сенсоры.

4. Способы производства

Есть три основных способа получения оксида цинка.

Косвенные методы. В непрямом или французском процессе металлический цинк плавится в графитовом тигле и испаряется при температуре выше 907 ° C (обычно около 1000 ° C). Цинковая влага вступает в реакцию с кислородом воздуха, что вызывает образование ZnO, сопровождающееся понижением температуры и ярким свечением. Частицы оксида цинка транспортируются в охлаждающий канал и собираются в мешки. Косвенный метод был популяризирован Леклером (Франция) в 1844 году, поэтому его обычно называют французским методом. Продукт обычно состоит из агломерированных частиц оксида цинка со средним размером частиц от 0,1 до нескольких микрометров. Большая часть оксида цинка в мире производится по французскому методу.

Прямой процесс. Прямой, или американский, процесс начинается с различных загрязненных цинковых композитов, таких как цинковая руда или побочные металлургические продукты. Прекурсоры цинка восстанавливаются путем нагревания источником углерода, таким как антрацит (карботермическое восстановление), с образованием паров цинка, которые затем окисляются, как в непрямом процессе. Из-за более низкой чистоты исходного материала конечный продукт в прямом процессе также имеет более низкое качество, чем непрямой.

Влажный химический процесс. Небольшая часть промышленного производства связана с влажными химическими процессами, которые начинаются с водного раствора соли цинка, на котором осаждается карбонат или гидроксид цинка. При этом твердый осадок имеет температуру около 800°.

5. Применение в аддитивных технологиях

В последние годы процесс аддитивного производства, называемый технологией 3D-печати, быстро развивается. Это рассматривается как эффективная технология, обладающая потенциалом для получения керамики с высококачественными узорчатыми структурами. Технология 3D-печати может широко использоваться в различных приложениях благодаря своей высокой управляемости любой геометрически сложной структурой из различных материалов. Вим Дж. Малфейт и др. впервые получили аэрогель из микрокремнезема с использованием технологии 3D-печати. Удельная площадь поверхности кремнеземного аэрогеля составляет до 751 м2/г, а его теплопроводность составляет всего 15,9 МВт/(мК). Хала Зрейкат и др. использовал технологию 3D-печати для изготовления костной каркасной керамики. Каркасная керамика состоит из хардистонита, легированного стронцием (Ca2ZnSi2O7) и ганита (ZnAl2O4). Лао и др. изготовили легкую и высокопрочную полимерную керамику SiOC с различными решетчатыми структурами, успешно основанную на технологии DLP. Керамика со сложной структурой, полученная методом 3D-печати, может быть использована в нескольких областях применения, включая каркасы для тканевой инженерии, носители катализаторов и другие приложения. В настоящее время существует мало литературы по подготовке и нанесение керамики ZnO по технологии 3D-печати. Вэй и др. использовали FDM для приготовления пористого керамического носителя из оксида цинка, который способствует каталитической реакции десульфуризации. Гил и др. использовал метод прямой записи чернилами для изготовления фотонных кристаллов ZnO со структурой сетки для терагерцового диапазона. Ли и др. использовали FDM для получения слоистой структуры на основе ZnO для улучшения фотокаталитических характеристик.

В целом, упомянутые выше структуры относительно просты, и большая часть исследований сосредоточена на получении керамики с сетчатыми структурами. И существует мало исследований по получению и применению структурной ZnO-керамики TPMS методом 3D-печати. В этом исследовании фотоотверждаемая керамическая суспензия ZnO с хорошей сначала были подготовлены реологические свойства. Два типа структурных TPMS (Гироидная структура и структура Шварца P) Керамика ZnO с пористостью 55%, 65% и 75% была изготовлена по технологии DLP. Параметры обезжиривания и спекания были установлены под руководством TG/ DSC результаты. Был изучен анализ контроля формы и точности формования. Для исследования качества спекания керамики ZnO были применены методы рентгеновской дифракции, компьютерной томографии, СЭМ. После определения оптимальных параметров процесса структурный ZnO TPMS была получена керамика с наилучшими механическими параметрами. Наконец, механические свойства конструкционной керамики ZnO TPMS ZnO ceramics были смоделированы с помощью программного обеспечения для моделирования и протестированы.

Технология 3D-печати была применена для изготовления образца керамики ZnO с двумя типами структуры TPMS (структура гироида и структура Шварца P). Сначала были исследованы свойства суспензий керамики ZnO, приготовленных с различным содержанием твердого вещества. Содержание твердого вещества в порошке керамики ZnO составляло 38 масс.%. Отпечатанные образцы были спечены при температуре 1250 °С, размер зерен составляет около 37 мкм. Явление плавления зерен можно наблюдать, когда образцы спекались при 1350 ОС. Средняя истинная плотность керамики ZnO структура TPMS составляла 4,954 г/см3, что приводило к относительной плотности 88,37%. Гироидная структурная ZnO-керамика может выдерживать гораздо большую деформацию, чем структурная ZnO-керамика Schwartz P, а прочность на сжатие гироидной структурной ZnO-керамики больше, чем у структуры Schwartz P при той же пористости. Прочность на сжатие для гироидной конструкционной ZnO-керамики с пористостью 55% составила 6,87 МПа, а структурная ZnO-керамика Schwartz P составляет 4,02 МПа. Керамика ZnO со структурой TPMS обладает хорошими механическими свойствами.

Список литературы

  1. Ceramics International 47 (2021) 12897–12905.
  2. Journal of Manufacturing Processes 60 (2020) 268–282.
  3. Composites Part B 223 (2021) 109102.
  4. Ceramics International 39(2013)9803–9808.
  5. Ceramics International 42(2015)6589–6599.
Справка о публикации и препринт статьи
предоставляется сразу после оплаты
Прием материалов
c по
Осталось 4 дня до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary