NANOPOLVO METÁLICO DE IRIDIO

Transcripción

1 NANOPOLVO METÁLICO DE IRIDIO Neirid Innovations, S. L. Barcelona (España) (+34)

2 NANOPOLVO METÁLICO DE IRIDIO Y PRODUCTOS FABRICADOS EN SU BASE El iridio es un metal refractario del grupo del platino. La combinación de las cualidades como un punto de fusión alto y la mayor inercia química de todos los metales hacen de él un material estructural insustituible ideal para su uso a altas temperaturas (hasta 2200ºC) y en ambientes agresivos. Es el único metal utilizado para fabricar productos destinados a fines especiales: Crisoles para el crecimiento de monocristales de óxido de grandes dimensiones, utilizados en microelectrónica y en tecnología láser. Laminado para la fabricación de cuerpos de los reactores nucleares de pequeño tamaño y de containers de los generadores termoeléctricos a base de dióxido de plutonio para los vuelos espaciales interplanetarios. Discos para la producción de fuentes de radioisótopos, utilizados en dispositivos de ensayos no destructivos y en el tratamiento de las enfermedades oncológicas. Alambre para la elaboración de termopares con un intervalo de temperaturas de medición no inferiores a 2200ºC. Eelectrodos para las bujías de encendido de automóviles que proporcionan un rendimiento de más de kilómetros. En 2010, la demanda mundial de productos fabricados con iridio aumentó en 4 veces, ascendiendo a 10,5 toneladas, con un incremento en el precio de iridio en 2,5 veces. La demanda industrial estable de artículos de iridio proporciona unos precios constantes también en la actualidad. El principal problema en la fabricación de productos a base de iridio es la alta sensibilidad de sus propiedades tecnológicas y operacionales a la presencia de impurezas, incluso en cantidades insignificantes, que son la causa fundamental de la rotura frágil del iridio. En la tecnología tradicional de producción de objetos de iridio se utiliza un monocristal de iridio, como pieza en bruto para la fabricación del laminado de iridio, con un contenido de impurezas no superior al 0,003%, obtenido mediante un refino pirometalúrgico previo, de múltiples etapas y de alto consumo energético, con el empleo de la refusión por haz de electrones al vacío (EBR, ElectronBeam Remelting). El nanopolvo metálico de iridio de alta pureza (NPMI) está destinado a la creación de materiales estructurales novedosos con un conjunto determinado de propiedades físico-químicas y de cualidades de consumo, que hace posible la elaboración de unos procesos tecnológicos eficaces e innovadores de fabricación de productos de iridio, con unas características de explotación mejoradas. El NPMI reduce costes de fabricación y simplifica considerablemente la tecnología tradicional de elaboración de productos de iridio. El NPMI consiste en unas partículas metálicas de color negro con una pureza química no inferior al 99,995%, con un tamaño de entre 20 y 70 nanometros, con una superficie específica comprendida entre 3 m²/g y 7 m²/g y con una densidad aparente entre 0,4 g/cm³ y 0,9 g/cm³. Es 2

3 térmicamente estable en la atmósfera hasta 200 ºC y no es pirofórico. El NPMI supera considerablemente en su pureza química al resto de polvos industriales de iridio, que se fabrican en el mundo, en 5-10 veces en densidad aparente, que caracteriza el consumo de unidad de masa por unidad de volumen y en veces en superficie específica, que determina la actividad catalítica. La estabilidad térmica del NPMI, en comparación con sus análogos, proporciona unas condiciones laborales seguras y hace que sea un producto competitivo y de alta tecnología en el mercado mundial. La Asociación de Producción Científica Metales de los Urales, S. L., es el único fabricante de nanopolvo metálico de iridio de alta pureza en toda la Federación de Rusia. Se ha organizado la producción experimental-industrial a base del NPMI con una capacidad de hasta 2 kilogramos al mes según las Especificaciones rusas TU (ТУ) El nanopolvo metálico de iridio está certificado como un patrón de referencia de la superficie específica en el Registro Estatal de patrones de referencia homologados de la Federación de Rusia con el siguiente número: GSO (ГСО) La empresa NEIRID INNOVATIONS, S. L., ubicada en Barcelona (España), es el distribuidor exclusivo del NPMI producido por la Asociación de Producción Científica Metales de los Urales, S. L. El grado de purificación único y la nano-dispersidad permiten el uso de NPMI en áreas de alta tecnología como: 1. Fabricación de crisoles de iridio. La utilización de compactos altamente plásticos a base del NPMI permite simplificar considerablemente la tecnología de fabricación, obteniendo como resultado crisoles sin cordón de soldadura. Comparación entre esquemas tecnológicos de fabricación de crisoles de iridio mediante la tecnología tradicional y con el empleo del compacto nanoestructurado (piezas en bruto) Esquema tradicional Fusión oxidante por inducción en un crisol de magnesita (de periclasa). Tratamiento en una autoclave. Forjado del lingote. Fusión por haz de electrones al vacío en un cristalizador horizontal. Refinado de zona electrónico sin crisol - crecimiento del monocristal. Forjado ( ºC), preparación de la palanquilla. Ebullición en agua regia Esquema que se propone Fabricación del nanopolvo. Producción del compacto. Forjado del compacto. Ebullición en agua regia. Estampación en caliente del crisol (450800ºC). Ebullición en ácido clorhídrico. Pulido. 3

4 8. Laminación ( ºC), elaboración de planchas. 9. Ebullición en agua regia. 10. Fabricación de la virola de crisol ( ºC). 11. Ebullición en ácido clorhídrico. 12. Soldadura de la virola y de su fondo. 13. Recocido del crisol a 1100ºC. 14. Pulido. El contenido del metal en producto acabado es de unos 60-65% El contenido del metal en producto acabado no es inferior al 95% La tecnología que se propone presenta las siguientes ventajas: No requiere equipos costosos para la fusión por haz de electrones al vacío y para el crecimiento del monocristal de iridio. Aumento del contenido del metal en producto acabado en 1,5 veces. Reducción en varias veces del ciclo de producción. Disminución significativa en las pérdidas irrevocables del iridio. Reducción del costo de fabricación de productos en 1,5-2 veces. Coincidencia con la tecnología tradicional a partir de la etapa de forjado. Se ha demostrado la prospectividad de esta tecnología mediante los ensayos experimentalesindustriales en la Planta de procesamiento de metales no ferrosos de Ekaterimburgo, S. A. (Rusia). 2. Fabricación de sensores de gases tóxicos para el análisis del aire. La práctica mundial de fabricación de sensores de ácido sulfhídrico implica el uso de negro de platino o de negro de iridio como un componente electroquímico. El negro de platino y el negro de iridio destacan por su actividad química alta y son fácilmente inflamables en el aire. Todas las operaciones tecnológicas, que se llevan a cabo con estos componentes, se efectúan en cajas de guantes especiales con atmósfera inerte. Para eliminar el riesgo de una combustión espontánea durante el transporte, el fabricante tiene que realizar la oxidación de los elementos. Es un proceso prácticamente incontrolable, por lo que el grado de oxidación se encuentra en un amplio intervalo. De esta manera el negro de iridio, fabricado por algunas de las empresas, tiene un intervalo estándar del metal oxidado entre un 18% y 60% y varía de un lote a otro. Como consecuencia, a la hora de utilizar un lote es necesario seleccionar una dosis de aplicación del negro de iridio sobre la membrana del sensor adecuada, lo que implica el rechazo de una parte de los sensores. En segundo lugar, la parte oxidada de iridio no participa en la formación de la señal eléctrica del sensor y se convierte en un lastre costoso. Los resultados de los ensayos con el NPMI, como un componente del material de electrodo de sensores de gas, que se realizaron en las empresas productoras de equipos analíticos de gases Analithimavtomatika, S. L. (Moscú, Rusia) y Informanalitika, S. L. (San Petersburgo, 4

5 Rusia), han demostrado una disminución en 3 veces del consumo del catalizador, sin ningún cambio en el rendimiento del detector. Asimismo, todas las operaciones tecnológicas de fabricación del sensor se han llevado a cabo en el ambiente aéreo sin utilización de equipos aislantes. Además del abaratamiento del proceso de fabricación, el uso de nanopolvo metálico de iridio permite renunciar a las importaciones del negro de platino y del negro de iridio. 3. Fabricación de piezas de tubo sin cordón de soldadura. En EE.UU., actualmente se están desarrollando procesos de aplicación de iridio sobre componentes que se utilizan en condiciones severas, en particular, sobre las toberas de cohetes. La aplicación de un recubrimiento termorresistente y anticorrosivo sobre la superficie de trabajo de la cámara de combustión y de la tobera del motor cohete puede proporcionar un aumento de temperatura de 1300ºC (en los motores que se fabrican en la actualidad) a ºC, incrementando, de este modo, la eficiencia en el uso del combustible y la carga útil transportada. Para lograr lo expuesto en el párrafo anterior, se ha escogido el método de deposición química de vapor (CVD) con la utilización de compuestos orgánicos complejos de iridio. Estos compuestos organometálicos son caros de fabricar y requieren unas condiciones de síntesis especiales. Además, el proceso en la fase gaseosa en sí, con el empleo de dichos compuestos, es difícil de localizar en la zona de aplicación. Por lo tanto, entre un 70% y un 80% del iridio es asimilado en las paredes de la cámara y tan sólo entre un 20% y un 30% en la superficie deseada. La utilización del NPMI hace posible la fabricación de piezas de tubo de iridio sin cordón de soldadura que, mediante un proceso de laminación en caliente, llegan a obtener el tamaño necesario para su instalación dentro de las toberas. Las piezas en bruto tienen una nanoestructura que permite una laminación a una temperatura relativamente baja. Piezas de tubo sin cordón de soldadura fabricadas con NPMI Extremo de la pieza de tubo sin cordón de soldadura Escisión de la pared de la pieza de tubo sin cordón de soldadura bajo microscopio electrónico de barrido (x500) 5

6 4. Fabricación de discos, pastillas y blancos de diferentes tamaños. Para poder fabricar discos de iridio, con el fin de obtener los radioisótopos, se exigen unos requisitos estrictos en cuanto a dimensiones geométricas, rugosidad y ausencia de astillado de los bordes, por el motivo de que este último conduce a graves problemas ecológicos, debido a la contaminación de los equipos tecnológicos y del medio ambiente. Dichos requisitos se aplican en el uso del iridio de grano fino. En el proceso de trituración del grano se añaden elementos dopantes al iridio industrial como: renio (3%), rutenio (2%) en la tecnología utilizada en la Federación de Rusia y wolframio (0,3%) en el resto de Europa y EE.UU. Sin embargo, el dopaje reduce la cantidad de iridio y altera las propiedades del producto. El uso del NPMI en la fabricación de este tipo de productos asegura una estructura cristalina de grano fino, no requiere costes adicionales de dopaje y aumenta la vida útil de la fuente de emisión. 5. Fabricación de patrones de referencia. La alta estabilidad térmica y la dispersidad del NPMI abre la posibilidad de su utilización como un estándar nanométrico en la metrología y en la producción de patrones de referencia pulverulentos de análisis espectral. En este último caso, es preferible el uso del NPMI, a causa de que en los métodos existentes de fabricación de patrones de referencia se utiliza polvo con una dispersión entre 10 µm y 50 µm, cuya obtención requiere un equipamiento caro y unos costes adicionales. El nanopolvo metálico de iridio proporciona una alta pureza química y la homogeneidad de los patrones de referencia. También es prospectivo la utilización del NPMI como un catalizador en las células de combustible y en la síntesis orgánica durante la fabricación de composiciones metálicas y metalocerámicas. Como materia prima para la obtención del NPMI, se pueden emplear desechos tecnológicos y residuos provenientes de la producción, que contengan más del 40% de iridio. En la actualidad, no existe un material de iridio de esta calidad en el mercado mundial, lo que ofrece claras ventajas competitivas de este material y de los productos fabricados en su base. 6