Оксид цинка

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/(м⋅К). 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.