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Espuma cerámica

La espuma cerámica es una espuma resistente fabricada con cerámica . Las técnicas de fabricación incluyen la impregnación interna de espumas poliméricas de celda abierta con una...

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La espuma cerámica es una espuma resistente fabricada con cerámica . Las técnicas de fabricación incluyen la impregnación interna de espumas poliméricas de celda abierta con una pasta cerámica y su posterior cocción en un horno , obteniendo así únicamente el material cerámico. Estas espumas pueden estar compuestas de diversos materiales cerámicos, como el óxido de aluminio , una cerámica común de alta temperatura, y adquieren propiedades aislantes gracias a los numerosos y diminutos huecos llenos de aire que contiene.

La espuma se puede utilizar no solo para aislamiento térmico , [ 1 ] sino también para una variedad de otras aplicaciones como aislamiento acústico , [ 1 ] absorción de contaminantes ambientales , [ 1 ] filtración de aleaciones de metal fundido, [ 2 ] y como sustrato para catalizadores que requieren una gran superficie interna.

Se ha utilizado como material estructural rígido y ligero, específicamente para el soporte de espejos reflectores de telescopios .

Propiedades

Las espumas cerámicas son cerámicas endurecidas con burbujas de aire u otro gas atrapado en los poros de todo el material. Gracias a su capacidad para crear una gran superficie específica, estos materiales pueden fabricarse con un contenido de aire de hasta el 94-96% en volumen y con resistencias a temperaturas de hasta 1700  °C. [ 1 ] Dado que muchas cerámicas son óxidos u otros compuestos inertes, existe poco riesgo de oxidación o reducción del material. [ 3 ]

Anteriormente, se evitaban los poros en los componentes cerámicos debido a su fragilidad . [ 4 ] Sin embargo, en la práctica, las espumas cerámicas presentan propiedades mecánicas algo ventajosas, mostrando alta resistencia y tenacidad plástica, en comparación con las cerámicas macizas. Un ejemplo es la propagación de grietas , dada por:

σt=2σ(ar)12{\displaystyle \sigma _{t}=2\sigma \left({\frac {a}{r}}\right)^{\frac {1}{2}}}

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 superan a las cerámicas macizas porque las bolsas de aire porosas actúan para atenuar el radio de la punta de la grieta, lo que provoca una interrupción de su propagación y una disminución de la probabilidad de fallo. [ 5 ]

Métodos de preparación

Método de impregnación con espuma orgánica

El método de impregnación de espuma orgánica es uno de los más utilizados en la industria. Este método crea una espuma cerámica con una estructura de malla tridimensional y recubre una malla de espuma orgánica de poliuretano con una suspensión cerámica. La espuma cerámica se obtiene dejando secar la malla a temperatura ambiente y quemándola para recuperarla. Este método es ideal para preparar cerámicas de espuma de carburo de silicio . [ 6 ]

Método de espumado

El método de espumado utiliza una reacción química de un agente espumante. Este agente genera un gas volátil que espuma la suspensión. La suspensión se seca y se sinteriza para obtener la espuma cerámica. La forma y la densidad del producto se pueden controlar y manipular con este método. Se puede utilizar en la preparación de cerámicas de celda cerrada con poros pequeños. [ 6 ]

Fabricación

Al igual que con las espumas metálicas , existen varios métodos aceptados para crear espumas cerámicas. Uno de los más antiguos y aún más comunes es el método de la esponja polimérica. [ 7 ] Una esponja polimérica se recubre con una cerámica en suspensión y, tras un laminado para asegurar que todos los poros se hayan llenado, la esponja recubierta de cerámica se seca y se somete a pirólisis para descomponer el polímero, dejando únicamente la estructura cerámica porosa. Posteriormente, la espuma debe sinterizarse para su densificación final. Este método es ampliamente utilizado porque es eficaz con cualquier cerámica que pueda suspenderse; sin embargo, se liberan grandes cantidades de subproductos gaseosos y es común que se produzcan grietas debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica . [ 4 ]

Si bien los métodos anteriores se basan en el uso de una plantilla sacrificial, también existen métodos de espumado directo que pueden emplearse. Estos métodos implican bombear aire a una cerámica suspendida antes del fraguado y la sinterización. Esto resulta difícil debido a que las espumas húmedas son termodinámicamente inestables y pueden generar poros muy grandes tras el fraguado. [ 4 ]

También se ha desarrollado recientemente un método para crear espumas de óxido de aluminio. [ 1 ] Esta técnica consiste en calentar cristales con el metal y formar compuestos hasta obtener una solución. En este punto, se forman y crecen cadenas de polímero, lo que provoca que 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 mantienen en su lugar mientras el material se calienta y el polímero se quema.

Usar

Aislamiento

Debido a la bajísima conductividad térmica de la cerámica, su uso más común es como material aislante. [ 1 ] Las espumas cerámicas destacan en este sentido porque su composición, a partir de compuestos muy comunes como el óxido de aluminio, las hace completamente inocuas, a diferencia del amianto y otras fibras cerámicas. Su elevada resistencia y dureza también permiten utilizarlas como materiales estructurales en aplicaciones de baja exigencia.

Electrónica

Gracias a su fácil control de porosidades y microestructuras, las espumas cerámicas se utilizan cada vez más en aplicaciones electrónicas en constante evolución. Estas aplicaciones incluyen electrodos y soportes para pilas de combustible de óxido sólido y baterías. Las espumas también pueden utilizarse como componentes de refrigeración para dispositivos electrónicos, separando el refrigerante bombeado de los circuitos. [ 8 ] Para esta aplicación, se pueden utilizar fibras de sílice , óxido de aluminio y borosilicato de aluminio.

Control de la contaminación

Se han propuesto espumas cerámicas como método para el control de contaminantes, en particular las partículas procedentes de motores. [ 9 ] Son eficaces porque sus poros pueden capturar las partículas y, además, albergar un catalizador que induce su oxidación. Gracias a la facilidad con la que se pueden depositar otros materiales dentro de las espumas cerámicas, estos catalizadores oxidantes se distribuyen fácilmente por toda la espuma, aumentando así su eficacia.

Filtración

Los filtros de espuma cerámica (CFF) se utilizan para la filtración de metal líquido. Al hacer pasar el metal líquido a través del filtro de espuma cerámica, se reducen las impurezas, incluidas las inclusiones no metálicas, tanto en el metal líquido como en el producto final correspondiente (pieza fundida, lámina, lingote, etc.). Su aplicación ha tenido éxito en la colada continua (lámina), la colada semicontinua (lingote y losa) y los sistemas de alimentación de colada en fundiciones de metales. [ 6 ] [ 10 ]

Tratamiento de aguas residuales

Debido a la estructura porosa única de la espuma y a su gran superficie específica, se utiliza como filtro para aguas residuales. El proceso de filtración es una combinación de adsorción, filtración superficial y filtración profunda, siendo esta última la que aporta la mayor parte del tiempo. [ 6 ]

Construcción

La espuma cerámica de celda cerrada es un buen material aislante para paredes y techos. Su gran número de celdas cerradas le confiere resistencia a la corrosión y capacidad de absorción acústica tanto interna como externa. En China, se ha utilizado espuma cerámica como material de aislamiento térmico en diversos edificios. [ 6 ]

Reducción de ruido

La cerámica espumada se utiliza para la absorción acústica en ambientes húmedos y aceitosos. Las ondas sonoras vibran en los poros de la espuma y transforman la energía en calor mediante la fricción y la resistencia del aire, reduciendo así los ecos en el ambiente. [ 6 ]

Automóvil

Debido a la estructura de malla conectada tridimensional, la alta resistencia a la temperatura y la estabilidad térmica de la espuma cerámica, su uso en convertidores catalíticos en sistemas de escape ayuda a eliminar óxidos y otras partículas de los gases de escape. [ 6 ]

Biomaterial

Las investigaciones actuales muestran que las espumas cerámicas se formulan frecuentemente con biovidrio para crear andamios tisulares para la reparación ósea. Su característica porosa resulta prometedora en aplicaciones de ingeniería de tejido óseo con soporte de carga. [ 11 ] El biovidrio permite que el material sea bioactivo y forme ácido hialurónico en su superficie a medida que el fluido biológico entra en contacto con la espuma vitrocerámica. La vitrocerámica se muestra prometedora debido a sus propiedades: porosidad adecuada para permitir la migración celular a través del andamio, alta resistencia mecánica para soportar carga y buena bioactividad para favorecer el crecimiento celular. [ 12 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 "La novedosa espuma cerámica es un aislamiento seguro y eficaz" . Science Daily . 18 de mayo de 2001. Consultado el 11 de noviembre de 2011 .
  2. ↑ "Espuma cerámica" . ERG Aerospace . Consultado el 17 de febrero de 2022 .
  3. ↑ "Aislamiento de espuma cerámica - Cerámica industrial" . www.induceramic.com . Consultado el 4 de marzo de 2016 .
  4. 1 2 3 Studart, André R.; Gonzenbach, Urs T.; Tervoort, Elena; Gauckler, Ludwig J. (2006). "Rutas de procesamiento para 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 . 
  5. ↑ 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 .
  6. ^ Mengqi Wang y Shuqiong Xu 2018 IOP Conf . Ser.: Medio Ambiente Tierra. Ciencia. 186 012066
  7. ↑ K. Schwartzwalder y AV Somers, Método para la fabricación de artículos cerámicos porosos, Patente estadounidense n.° 3090094, 21 de mayo de 1963
  8. ↑ W. Behrens, A. Tucker. Refrigeración de componentes electrónicos mediante espuma cerámica. Patente estadounidense n.º 20070247808 A1 . 25 de octubre de 2007.
  9. ↑ P. Ciambelli, G. Matarazzo, V. Palma, P. Russo, E. Merlone Borla y MF Pidria. Reducción de la contaminación por hollín de motores diésel de automóviles mediante un filtro catalítico de espuma cerámica. Temas en Cerámica, 42-43. Mayo de 2007.
  10. ↑ Aubrey, LS; Schmahl, JR; Cummings, MA (1993). "Aplicación de la tecnología avanzada de filtros de espuma cerámica reticulada para producir piezas de acero fundido limpias". AFS Transactions . 101 : 56–69 .
  11. ↑ Francesco Baino y Chiara Vitale-Brovarone. Propiedades mecánicas y fiabilidad de andamios de espuma vitrocerámica para la reparación ósea. «Materials Letters», 27-30. Marzo de 2004.
  12. ↑ Fiorilli, S., Baino, F., Cauda, ​​V. et al. Deposición electroforética de vidrio bioactivo mesoporoso sobre andamios de espuma vitrocerámica para ingeniería de tejido óseo. J Mater Sci: Mater Med 26, 21 (2015). https://doi.org/10.1007/s10856-014-5346-6