La espuma cerámica es una espuma resistente hecha de cerámica . Las técnicas de fabricación incluyen la impregnación interna de espumas de polímero de celda abierta con lechada de cerámica y luego la cocción en un horno , dejando solo material cerámico. Las espumas pueden consistir en varios materiales cerámicos, como el óxido de aluminio , una cerámica común de alta temperatura, y obtienen propiedades aislantes de los muchos pequeños huecos llenos de aire dentro del material.
La espuma se puede usar no solo para aislamiento térmico, [1] sino para una variedad de otras aplicaciones, como aislamiento acústico , [1] absorción de contaminantes ambientales , [1] filtración de aleaciones de metal fundido y como sustrato para catalizadores que requieren grandes SUPERFICIE INTERNA.
Se ha utilizado como material estructural rígido y ligero, específicamente para el soporte de espejos telescópicos reflectantes .
Propiedades
Las espumas cerámicas son cerámicas endurecidas con bolsas de aire u otro gas atrapado en los poros de todo el cuerpo del material. Estos materiales se pueden fabricar hasta un 94 a 96% de aire por volumen con resistencias de temperatura de hasta 1700 ° C. [1] Debido a que muchas cerámicas ya son óxidos u otros compuestos inertes, existe poco peligro de oxidación o reducción del material. [2]
Anteriormente, se evitaban los poros en los componentes cerámicos debido a sus propiedades frágiles . [3] Sin embargo, en la práctica, las espumas cerámicas tienen propiedades mecánicas algo ventajosas en comparación con las cerámicas a granel. Un ejemplo es la propagación de grietas , dada por:
donde σ t es la tensión en la punta de la grieta, σ es la tensión aplicada, a es el tamaño de la grieta y r es el radio de curvatura. Para ciertas aplicaciones de tensión, esto significa que las espumas cerámicas en realidad superan a las cerámicas a granel porque las bolsas de aire porosas actúan para embotar el radio de la punta de la grieta, lo que provoca una interrupción de su propagación y una disminución en la probabilidad de falla. [4]
Fabricación
Al igual que las espumas metálicas , existen varios métodos aceptados para crear espumas cerámicas. Uno de los primeros y aún más comunes es el método de la esponja polimérica. [5] Una esponja polimérica se cubre con una cerámica en suspensión y, después de enrollarla para asegurarse de que se hayan llenado todos los poros, la esponja recubierta de cerámica se seca y se piroliza para descomponer el polímero, dejando solo la estructura cerámica porosa. Luego, la espuma debe sinterizarse para su densificación final. Este método es muy utilizado porque es eficaz con cualquier cerámica susceptible de ser suspendida; sin embargo, se liberan grandes cantidades de subproductos gaseosos y es común el agrietamiento debido a diferencias en los coeficientes de expansión térmica. [3]
Si bien los anteriores se basan en el uso de una plantilla de sacrificio, también existen métodos de formación de espuma directa que se pueden usar. Estos métodos implican bombear aire a una cerámica suspendida antes de fraguar y sinterizar. Esto es difícil porque las espumas húmedas son termodinámicamente inestables y pueden terminar con poros muy grandes después del fraguado. [3]
También se ha desarrollado un método reciente para crear espumas de óxido de aluminio. [1] Esta técnica implica calentar cristales con el metal y formar compuestos hasta que se crea una solución. En este punto, las cadenas de polímero se forman y crecen, lo que hace que toda la mezcla se separe en un disolvente y un polímero. A medida que la mezcla comienza a hervir, las burbujas de aire quedan atrapadas en la solución y se bloquean en su lugar mientras el material se calienta y el polímero se quema.
Usar
Aislamiento
Debido a la conductividad térmica extremadamente baja de la cerámica, el uso más obvio de una cerámica es como material aislante. [1] Las espumas cerámicas destacan en este sentido porque su composición por compuestos muy comunes, como el óxido de aluminio, las hace completamente inofensivas, a diferencia del amianto y otras fibras cerámicas. Su alta resistencia y dureza también les permite ser utilizados como materiales estructurales para aplicaciones de baja tensión.
Electrónica
Con porosidades y microestructuras fácilmente controladas, las espumas cerámicas se han utilizado cada vez más en aplicaciones electrónicas en evolución. Estas aplicaciones incluyen electrodos y andamios para pilas y baterías de combustible de óxido sólido . Las espumas también se pueden utilizar como componentes de refrigeración para la electrónica separando un refrigerante bombeado de los propios circuitos. [6] Para esta aplicación, se pueden utilizar fibras de sílice , óxido de aluminio y borosilicato de aluminio.
Control de polución
Se han propuesto espumas cerámicas como un medio de control de contaminantes, en particular para las partículas de los motores. [7] Son efectivos porque los huecos pueden capturar partículas así como soportar un catalizador que puede inducir la oxidación de las partículas capturadas. Debido a los medios fáciles de deposición de otros materiales dentro de las espumas cerámicas, estos catalizadores que inducen la oxidación se pueden distribuir fácilmente por toda la espuma, aumentando la efectividad.
Referencias
- ^ a b c d e f "La nueva espuma cerámica es un aislamiento seguro y eficaz" . Science Daily . 18 de mayo de 2001 . Consultado el 11 de noviembre de 2011 .
- ^ "Aislamiento de espuma cerámica - Cerámica industrial" . www.induceramic.com . Consultado el 4 de marzo de 2016 .
- ^ a b c Studart, André R .; Gonzenbach, Urs T .; Tervoort, Elena; Gauckler, Ludwig J. (2006). "Procesamiento de rutas a cerámicas macroporosas: una revisión". J Am Ceram Soc . 89 (6): 1771-1789. CiteSeerX 10.1.1.583.9985 . doi : 10.1111 / j.1551-2916.2006.01044.x .
- ^ Tallon, Carolina; Chuanuwatanakul, Chayuda; Dunstan, David E .; Franks, George V. (2016). "Resistencia mecánica y tolerancia al daño de cerámicas de alúmina altamente porosas producidas a partir de espumas estabilizadas con partículas sinterizadas". Ceramics International . 42 (7): 8478–8487. doi : 10.1016 / j.ceramint.2016.02.069 .
- ^ K. Schwartzwalder y AV Somers, Método de fabricación de artículos de cerámica porosa, Patente de EE.UU. No. 3090094, 21 de mayo de 1963
- ^ W. Behrens, A. Tucker. Refrigeración de componentes electrónicos de espuma cerámica. Patente de EE.UU. nº 20070247808 A1 . 25 de octubre de 2007.
- ^ P. Ciambelli, G. Matarazzo, V. Palma, P. Russo, E. Merlone Borla y MF Pidria. Reducción de la contaminación por hollín del motor diesel automotriz mediante filtro catalítico de espuma cerámica. Temas de cerámica, 42-43. Mayo de 2007.