ジルコニアナノパウダー：5G携帯電話の「裏側」に使われる新素材

出典：科技日報：ジルコニア粉末の従来の製造プロセスでは、大量の廃棄物、特に処理が困難な大量の低濃度アルカリ性廃水が発生し、深刻な環境汚染を引き起こします。高エネルギーボールミリングは、省エネで効率的な材料調製技術であり、ジルコニアセラミックの緻密性と分散性を向上させることができ、産業応用の見通しが良好です。5G技術の到来とともに、スマートフォンは静かに自身の「装備」を変えつつあります。5G通信は3ギガヘルツ（Ghz）以上のスペクトルを使用し、そのミリ波波長は非常に短いです。5G携帯電話が金属バックプレーンを使用すると、信号に深刻な干渉や遮蔽が発生します。そのため、信号遮蔽がなく、硬度が高く、感知力が強く、金属材料に近い優れた熱性能を備えたセラミック材料は、携帯電話会社が5G時代に突入するための重要な選択肢になりつつあります。内モンゴル科技大学の鮑金暁教授は記者団に対し、重要な無機非金属材料として、新セラミック材料がスマートフォンのバックボード材料として最良の選択となっていると語った。5G時代には、携帯電話のバックボードを早急にアップグレードする必要がある。内モンゴル京涛ジルコニウム産業有限公司（以下、京涛ジルコニウム産業）の王思凱ゼネラルマネージャーは記者団に対し、世界的に有名な研究機関カウンターポイントが発表したデータによると、2020年の世界のスマートフォン出荷台数は13億3100万台に達すると語った。携帯電話のバックボードに使用されるジルコニアセラミックの需要が高まるにつれて、その研究開発および製造技術も多くの注目を集めている。ジルコニアセラミック材料は、技術含有量が非常に高い新セラミック材料として、金属材料、ポリマー材料、および他のほとんどのセラミック材料が適していない厳しい作業環境にも適している。ジルコニアセラミック製品は構造部品として、エネルギー、航空宇宙、機械、自動車、医療など多くの産業に応用されており、世界の年間消費量は8万トンを超えています。5G時代の到来とともに、セラミックデバイスは携帯電話のバックボードの製造においてより大きな技術的優位性を示し、ジルコニアセラミックはより広い発展の見通しを持っています。 「ジルコニアセラミックの性能は粉末の性能に直接依存するため、高性能粉末の制御可能な製造技術の開発は、ジルコニアセラミックの製造および高性能ジルコニアセラミックデバイスの開発において最も重要なリンクとなっています。」と王思凱は率直に述べました。グリーン高エネルギーボールミリング法は専門家から非常に求められています。国内のジルコニアナノパウダーの生産は主に湿式化学プロセスを採用しており、希土類酸化物を安定剤としてジルコニアナノパウダーを生産しています。このプロセスは生産能力が大きく、製品の化学成分の均一性が良いという特徴がありますが、生産過程で大量の廃棄物、特に処理が難しい低濃度アルカリ性廃水が大量に発生するという欠点があります。適切に処理しないと、深刻な汚染を引き起こし、生態環境に損害を与えます。 「調査によると、イットリア安定化ジルコニアセラミックパウダー1トンを生産するには約50トンの水が必要で、大量の廃水が発生し、廃水の回収と処理は生産コストを大幅に増加させます」と王思凱は述べました。中国の環境保護法の強化に伴い、湿式化学法でジルコニアナノ粉末を製造する企業は、かつてない困難に直面しています。そのため、環境に優しく低コストなジルコニアナノ粉末製造技術の開発が急務となっています。「このような背景から、よりクリーンで低エネルギー消費の生産プロセスでジルコニアナノ粉末を製造することが研究のホットスポットとなっており、その中でも高エネルギーボールミリング法は科学技術分野で最も求められています。」と鮑金氏は語ります。高エネルギーボールミリングとは、機械的エネルギーを用いて化学反応を誘発したり、材料の構造や特性の変化を誘発したりすることで、新材料を製造する技術です。この新技術は、反応活性化エネルギーを明らかに低減し、粒径を微細化し、粉末粒子の分布均一性を大幅に向上させ、基板間の界面結合を強化し、固体イオンの拡散を促進し、低温化学反応を誘発することで、材料の緻密性と分散性を向上させることができます。これは省エネかつ効率的な材料調製技術であり、産業応用の見通しも良好です。独自の着色メカニズムにより、色鮮やかなセラミックスが生まれます。国際市場では、ジルコニアナノパウダー材料は既に産業発展段階に入っています。王思凱氏は記者団に対し、「米国、西欧、日本などの先進国・地域では、ジルコニアナノパウダーの生産規模が大きく、製品仕様も比較的整っています。特に米国と日本の多国籍企業は、ジルコニアセラミックスの特許において明らかな競争優位性を持っています。王思凱氏によると、現在、中国のニューセラミック製造産業は急速な発展段階にあり、セラミックパウダーの需要は年々増加しているため、ニューナノメートルジルコニアの製造プロセスの開発はますます急務となっています。過去2年間、国内の一部研究機関や企業も独自にジルコニアナノパウダーの研究開発を開始しましたが、その多くは依然として実験室での小規模試作段階にあり、生産量も少なく、品種も単一です。セラミックジルコニア工業が実施した「カラー希土類ジルコニアナノパウダー」プロジェクトでは、高エネルギーボールミル固相反応法によってジルコニアナノパウダーを製造しました。 「この方法は、水を粉砕媒体として使用して粒子を粉砕および精製することで、汚染がなく、コストが低く、バッチ安定性に優れた、サイズ100ナノメートルの非凝集穀物粉末を得ることができます。」鮑鑫氏は次のように述べた。この製造技術は、5G携帯電話用セラミックバックボード、航空タービンエンジン用遮熱コーティング材、セラミックボール、セラミックナイフなどの粉末要件を満たすだけでなく、酸化セリウム複合粉末製造など、より多くのセラミック粉末の製造にも普及・応用できる。セラミックジルコニウム工業の技術チームは、独自に開発した着色メカニズムに基づき、固相合成・複合法を採用し、プロセス最適化により余分な金属イオンを導入することなく着色を実現した。この方法で製造されたジルコニアセラミックは、高い色彩飽和度と良好な濡れ性を備えているだけでなく、ジルコニアセラミック本来の機械的特性にも影響を与えない。「新技術に基づいて製造された着色希土類ジルコニア粉末の本来の粒子径はナノメートルで、粒子径が均一、焼結活性が高く、焼結温度が低いなどの特徴があります。従来の製造プロセスと比較して、総合的なエネルギー消費量が大幅に削減され、生産効率とセラミック加工歩留まりが大幅に向上しました。」この方法で製造された先進セラミックデバイスは、高強度、高靭性、高硬度といった優れた特性を備えています」と王思凱氏は述べた。