Cerámica derivada de polímero , comúnmente conocida como PDC, es un término para materiales cerámicos formados por la pirólisis de polímeros precerámicos , generalmente bajo atmósfera inerte.
Las composiciones de PDC más comúnmente incluyen carburo de silicio (SiC), oxicarburo de silicio (SiO x C y ), nitruro de silicio (Si 3 N 4 ), carbonitruro de silicio (Si 3 + x N 4 C x + y ) [1] y silicio oxinitruro (SiO x N y ). [2] La composición, distribución de fases y estructura de las PDC dependen de los compuestos precursores de polímeros utilizados y de las condiciones de pirólisis aplicadas.
La ventaja clave de este tipo de material cerámico es la versatilidad que ofrece el uso de precursores poliméricos en términos de procesamiento y conformación. Las cerámicas derivadas de polímeros se pueden fabricar de forma aditiva (impresión en 3D) en técnicas basadas en estereolitografía, a través de la fotopolimerización de polímeros precerámicos . [3] Dicho procesamiento de PDC ha llamado la atención hacia aplicaciones que requieren materiales térmicamente y químicamente estables en formas complejas que son difíciles de lograr mediante rutas de procesamiento cerámico más convencionales, como la sinterización en polvo y la fundición en barbotina . Los PDC son más valiosos para la síntesis de materiales porosos y mesoporosos [4] y películas delgadas. [5]
Química
Los PDC se fabrican principalmente mediante la pirólisis de polímeros precerámicos.
En las familias de polímeros precerámicos, los polisiloxanos son los polímeros precerámicos más famosos. Las cadenas principales comprenden átomos de carbono y oxígeno. Los poli (organo) siloxanos son polisiloxanos con grupos orgánicos en las cadenas principales, por ejemplo, poliborosiloxanos, poli (carbosiloxanos). Otra categoría importante de polímeros precerámicos son los policarbosilanos y poli (organo) carbosilanos, que contienen átomos de carbono y silicona alternos en la columna vertebral. De manera similar, los polímeros compuestos por enlaces Si-N se clasifican como polisilazano , poli (organosilazanos) y poli (organosililcarbodiimidas). [6] Las diferentes composiciones de polímeros influyen en las temperaturas de procesamiento, las transiciones de la microestructura, los rendimientos cerámicos y la estabilidad. [7]
La conversión de polímeros precerámicos en PDC se puede dividir en cuatro fases: conformación, reticulación, pirólisis y cristalización. Normalmente, el procesamiento de PDC se completa a 1100 ° C-1300 ° C. Para formar un PDC cristalino, algunos materiales requieren una temperatura más alta para cristalizar, generalmente por encima de 1700 ° C. [8]
Propiedades
Los PDC son característicos con muchas propiedades, que incluyen: [9]
- Propiedades mecánicas : alta dureza , módulo y resistencia .
- Estabilidad en ambientes extremos: buena termoestabilidad , alta resistencia a la oxidación y corrosión.
- Propiedades de adherencia : alta atracción adhesiva y baja tensión superficial .
- Durabilidad : resistencia al desgaste, propiedades antiincrustantes y anti-formación de biopelículas.
- Baja toxicidad y biocompatibilidad .
La combinación de PDC y otros materiales con propiedades diferentes puede desarrollar propiedades de combinación para materiales compuestos basados en PDC. Los materiales compuestos basados en PDC pueden extender las funciones y usos de los PDC a una amplia gama de áreas, por ejemplo, en aplicaciones biológicas, médicas, eléctricas, magnéticas, de ingeniería y ópticas. [10]
Usos
Revestimientos
En comparación con otros métodos de recubrimiento, el tratamiento térmico del procesamiento de PDC es simple y de bajo costo. Los recubrimientos de PDC son buenos componentes en dispositivos electrónicos y membranas de separación de gases. Debido a la estabilidad intrínseca de los materiales de PDC, los recubrimientos de PDC también se utilizan comúnmente en recubrimientos de barrera ambiental (EBC). [8]
Impresión 3d
Las técnicas de impresión 3D específicas , como la escritura con tinta directa (DIW), la estereolitografía (SLA) y el procesamiento de luz digital (DLP) pueden controlar la estructura de los polímeros precerámicos desde la nanoescala hasta la macroescala. La impresión 3D de PDC puede facilitar la fabricación e integración de materiales cerámicos avanzados. [11]
Ingeniería Biomédica
Los PDC biocompatibles y los compuestos basados en PDC se pueden aplicar en varios sistemas biológicos. Por lo general, se utilizan para producir interfaces o superficies con múltiples funciones y formas complejas para aplicaciones biomédicas, como la regeneración de tejidos, el diseño de implantes, la administración de fármacos y el vendaje de heridas. [12] [13]
Electrónica
Los materiales PDC híbridos son factibles y ajustables para la fabricación de sustratos en baterías de iones de litio , sensores , actuadores , dispositivos eléctricos de alta temperatura, etc. Las estrategias de procesamiento comunes de los compuestos PDC para aplicaciones electrónicas incluyen la modificación química, la mezcla con metales u óxidos metálicos e incorporación con rellenos. [10]
Referencias
- ^ Carbonitruros de silicio , una nueva clase de materiales
- ^ Cerámica derivada de polímeros: 40 años de investigación e innovación en cerámica avanzada
- ^ Fabricación aditiva de cerámicas derivadas de polímeros publicado en Fabricación aditiva 2019, vol. 27
- ^ Cerámicas derivadas de polímeros con mesoporosidad de ingeniería: desde el diseño hasta la aplicación en catálisis
- ^ Fricción y desgaste de películas de carbonitruro de Si
- ^ Colombo, Paolo; Mera, Gabriela; Riedel, Ralf; Sorarù, Gian Domenico (7 de junio de 2010). "Cerámica derivada de polímeros: 40 años de investigación e innovación en cerámica avanzada: cerámica derivada de polímeros" . Revista de la Sociedad Americana de Cerámica : no – no. doi : 10.1111 / j.1551-2916.2010.03876.x .
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