Nanopolvo de zirconio: un nuevo material para el futuro de los teléfonos móviles 5G

Fuente: Science and Technology Daily: El proceso tradicional de producción de polvo de zirconio genera una gran cantidad de residuos, especialmente aguas residuales alcalinas de baja concentración, difíciles de tratar y que causan una grave contaminación ambiental. La molienda de bolas de alta energía es una tecnología de preparación de materiales eficiente y de bajo consumo que mejora la compacidad y la dispersabilidad de la cerámica de zirconio y presenta buenas perspectivas de aplicación industrial. Con la llegada de la tecnología 5G, los teléfonos inteligentes están cambiando silenciosamente su propio "equipo". La comunicación 5G utiliza un espectro superior a los 3 gigahercios (GHz), y su longitud de onda milimétrica es muy corta. Si un teléfono móvil 5G utiliza una placa base metálica, interferirá o bloqueará gravemente la señal. Por lo tanto, los materiales cerámicos con características como la ausencia de blindaje de señal, alta dureza, alta percepción y excelente rendimiento térmico, similar al de los materiales metálicos, se han convertido gradualmente en una opción importante para las compañías de telefonía móvil en la era 5G. Bao Jinxiao, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Mongolia Interior, declaró a la prensa que, como material inorgánico no metálico de gran importancia, los nuevos materiales cerámicos se han convertido en la mejor opción para las placas base de teléfonos inteligentes. En la era del 5G, las placas base de los teléfonos móviles necesitan una actualización urgente. Wang Sikai, director general de Inner Mongolia Jingtao Zirconium Industry Co., Ltd. (en adelante, Jingtao Zirconium Industry), explicó a la prensa que, según datos publicados por Counterpoint, una institución de investigación de renombre mundial, los envíos mundiales de teléfonos inteligentes alcanzaron los 1331 millones de unidades en 2020. Con la creciente demanda de cerámica de zirconio para placas base de teléfonos móviles, su tecnología de I+D y preparación también ha atraído mucha atención. Como nuevo material cerámico con un alto contenido técnico, la cerámica de zirconio puede resistir entornos de trabajo hostiles, a los que no son aptos los materiales metálicos, poliméricos ni la mayoría de los demás materiales cerámicos. Como piezas estructurales, los productos cerámicos de zirconio se han aplicado en diversas industrias, como la energética, la aeroespacial, la de maquinaria, la automoción y la de tratamientos médicos, entre otras, y el consumo anual global supera las 80.000 toneladas. Con la llegada de la era 5G, los dispositivos cerámicos han mostrado mayores ventajas tecnológicas en la fabricación de placas base para teléfonos móviles, y la cerámica de zirconio tiene un mayor potencial de desarrollo. "El rendimiento de la cerámica de zirconio depende directamente del rendimiento de los polvos, por lo que el desarrollo de una tecnología de preparación controlable de polvos de alto rendimiento se ha convertido en el eslabón más crucial en la preparación de cerámica de zirconio y el desarrollo de dispositivos cerámicos de zirconio de alto rendimiento", afirmó Wang Sikai con franqueza. El método de molienda de bolas ecológica de alta energía es muy solicitado por los expertos. La producción nacional de nanopolvo de zirconio se realiza principalmente mediante un proceso químico húmedo, utilizando óxido de tierras raras como estabilizador. Este proceso se caracteriza por una gran capacidad de producción y una buena uniformidad de los componentes químicos de los productos. Sin embargo, la desventaja es la gran cantidad de residuos generados, especialmente aguas residuales alcalinas de baja concentración, difíciles de tratar. Si no se gestionan adecuadamente, pueden causar graves daños al medio ambiente y causar contaminación. "Según un estudio, se requieren aproximadamente 50 toneladas de agua para producir una tonelada de polvo cerámico de zirconio estabilizado con itria, lo que genera una gran cantidad de aguas residuales, y su recuperación y tratamiento incrementa considerablemente el costo de producción", afirmó Wang Sikai. Con la mejora de la legislación de protección ambiental de China, las empresas que elaboran nanopolvo de zirconio mediante el método químico húmedo se enfrentan a dificultades sin precedentes. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar una tecnología de preparación de nanopolvo de zirconio ecológica y de bajo costo. En este contexto, la preparación de nanopolvo de zirconio mediante procesos de producción más limpios y de menor consumo energético se ha convertido en un foco de investigación, entre los cuales el método de molienda de bolas de alta energía es el más solicitado en el ámbito científico y tecnológico. La molienda de bolas de alta energía se refiere al uso de energía mecánica para inducir reacciones químicas o cambios en la estructura y propiedades de los materiales, con el fin de preparar nuevos materiales. Como nueva tecnología, puede reducir la energía de activación de la reacción, refinar el tamaño del grano, mejorar considerablemente la uniformidad de la distribución de las partículas de polvo, mejorar la combinación de interfaces entre sustratos, promover la difusión de iones sólidos e inducir reacciones químicas a baja temperatura, mejorando así la compacidad y la dispersabilidad de los materiales. Es una tecnología de preparación de materiales eficiente y de bajo consumo con buenas perspectivas de aplicación industrial. Su exclusivo mecanismo de coloración crea cerámicas coloridas. En el mercado internacional, los nanopolvos de zirconio han entrado en la fase de desarrollo industrial. Wang Sikai declaró a la prensa: “En países y regiones desarrollados como Estados Unidos, Europa Occidental y Japón, la escala de producción de nanopolvo de zirconio es amplia y las especificaciones del producto son relativamente completas. Especialmente las empresas multinacionales estadounidenses y japonesas, cuentan con claras ventajas competitivas en la patente de cerámica de zirconio. Según Wang Sikai, actualmente la nueva industria de fabricación de cerámica en China se encuentra en una etapa de rápido desarrollo, y la demanda de polvo cerámico aumenta año tras año, por lo que es cada vez más urgente desarrollar el proceso de producción de nuevos nanopolvos de zirconio. En los últimos dos años, algunos institutos de investigación y empresas nacionales también han comenzado a investigar y producir nanopolvos de zirconio de forma independiente, pero la mayor parte de la investigación y el desarrollo aún se encuentra en la etapa de producción experimental a pequeña escala en el laboratorio, con una producción reducida y una única variedad. En el proyecto “Nanopolvo de Zirconia de Tierras Raras de Color”, implementado por Ceramic Zirconia Industry, el nanopolvo de zirconio se preparó mediante un método de reacción en estado sólido con molienda de bolas de alta energía”. Se utiliza agua como medio de molienda para moler y refinar las partículas, de modo que… Se puede obtener un polvo de grano no aglomerado de 100 nanómetros, libre de contaminación, de bajo costo y con buena estabilidad de lote, afirmó Bao Xin. Esta tecnología de preparación no solo satisface los requisitos de polvo para placas base de cerámica de teléfonos móviles 5G, materiales de recubrimiento de barrera térmica para motores de turbinas de aviación, bolas y cuchillas de cerámica, entre otros productos, sino que también se puede popularizar y aplicar en la preparación de más polvos cerámicos, como el polvo compuesto de óxido de cerio. Gracias a su mecanismo de coloración propio, el equipo técnico de Ceramic Zirconium Industry adoptó la síntesis en fase sólida y el método compuesto para la coloración sin introducir iones metálicos adicionales mediante la optimización del proceso. La cerámica de zirconio preparada mediante este método no solo presenta una alta saturación de color y buena humectabilidad, sino que también mantiene intactas sus propiedades mecánicas originales. El tamaño de partícula original del polvo de zirconio de tierras raras coloreado producido con esta nueva tecnología es nanométrico, lo que se caracteriza por su tamaño de partícula uniforme, alta actividad de sinterización y baja temperatura de sinterización, entre otras características. En comparación con el proceso de producción tradicional, el consumo energético total se reduce significativamente. La eficiencia de producción y el rendimiento del procesamiento cerámico mejoran considerablemente. Los dispositivos cerámicos avanzados fabricados con este método poseen excelentes propiedades, como alta resistencia, tenacidad y dureza. Wang Sikai afirmó: