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Las cerámicas derivadas de polímeros ( PDC ) son materiales cerámicos formados por la pirólisis de polímeros precerámicos , generalmente bajo atmósfera inerte. [ 1 ]
Las composiciones de los 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 ) [ 2 ] y oxinitruro de silicio (SiO x N y ). [ 3 ] La composición, la distribución de fases y la estructura de los PDC dependen de los compuestos precursores de polímero utilizados y de las condiciones de pirólisis aplicadas.
La principal ventaja de este tipo de material cerámico es la versatilidad que ofrece el uso de precursores poliméricos en cuanto a procesamiento y conformado. Las cerámicas derivadas de polímeros se pueden fabricar aditivamente (impresión 3D) mediante fabricación por deposición de filamento fundido [ 4 ] y estereolitografía , que utiliza la fotopolimerización de polímeros precerámicos [ 5 ] . Este procesamiento de las cerámicas derivadas de polímeros se utiliza en aplicaciones que requieren materiales térmica y químicamente estables con formas complejas, como estructuras cerámicas celulares [ 6 ], que son difíciles de lograr mediante rutas de procesamiento cerámico más convencionales, como la sinterización de polvos y el moldeo por colada . Las cerámicas derivadas de polímeros también son valiosas para la síntesis de materiales porosos y mesoporosos [ 7 ] y películas delgadas [ 8 ] .
Química
Los PDC se fabrican principalmente mediante la pirólisis de polímeros precerámicos.
En la familia de polímeros precerámicos, los polisiloxanos son los más conocidos. Sus cadenas principales están formadas por átomos de silicio y oxígeno. Los poli(organo)siloxanos son polisiloxanos con grupos orgánicos en sus cadenas principales, como los poliborosiloxanos y los poli(carbosiloxanos). Otra categoría de polímeros precerámicos son los policarbosilanos y los poli(organo)carbosilanos, que contienen átomos de carbono y silicio alternados en sus cadenas principales. De manera similar, los polímeros formados por enlaces Si-N se clasifican como polisilazanos , poli(organosilazanos) y poli(organosililcarbodiimidas). [ 9 ] Las diferentes composiciones de polímeros influyen en las temperaturas de procesamiento, las transiciones de la microestructura, los rendimientos cerámicos y las estabilidades. [ 10 ]
La conversión de polímeros precerámicos a PDC se puede dividir en cuatro fases: conformado, 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 superior a 1700 °C. [ 11 ]
Propiedades
Los PDC se caracterizan por muchas propiedades, entre ellas: [ 1 ]
- Propiedades mecánicas : alta dureza , módulo y resistencia .
- Estabilidad en entornos extremos: buena termoestabilidad , alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.
- Propiedades de adhesión : 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 generar propiedades combinadas para materiales compuestos basados en PDC. Estos materiales compuestos 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. [ 12 ]
Usos
Recubrimientos
En comparación con otros métodos de recubrimiento, el tratamiento térmico (por ejemplo, la pulverización térmica ) del procesamiento PDC es sencillo y de bajo costo. Los recubrimientos PDC son buenos componentes en dispositivos electrónicos y membranas de separación de gases. Debido a la estabilidad intrínseca de los materiales PDC, los recubrimientos PDC también se utilizan comúnmente en recubrimientos de barrera ambiental (EBC). [ 11 ]
Impresión 3D
Polímeros basados en impresión 3D por fabricación de filamento fundido para su uso en el procesamiento de PDC en una amplia gama de aplicaciones tales como intercambiadores de calor, disipadores de calor, andamios para el crecimiento de tejido óseo, filtros químicos/de gas y hardware abierto personalizado . [ 4 ] Técnicas específicas de impresión 3D tales como escritura directa de tinta (DIW), estereolitografía (SLA) y procesamiento digital de luz (DLP) pueden controlar la estructura de polímeros precerámicos desde la nanoescala hasta la macroescala. La impresión 3D de PDC puede facilitar la fabricación e integración de materiales cerámicos avanzados. [ 13 ]
Ingeniería biomédica
Los PDC biocompatibles y los compuestos basados en PDC pueden aplicarse en diversos sistemas biológicos. Generalmente se utilizan para producir interfaces o superficies multifuncionales y con formas complejas para aplicaciones biomédicas, como la regeneración de tejidos, el diseño de implantes, la administración de fármacos y los apósitos para heridas. [ 14 ] [ 15 ]
Electrónica
Los materiales híbridos PDC son viables y adaptables 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 compuestos PDC para aplicaciones electrónicas incluyen la modificación química, la mezcla con metales u óxidos metálicos y la incorporación de rellenos funcionales. [ 12 ]
Referencias
- 1 2 Barrios, Elizabeth; Zhai, Lei (2020-12-14). "Una revisión de la evolución de la nanoestructura de cerámicas derivadas de polímeros de SiCN y SiOC y el impacto en las propiedades mecánicas" . Molecular Systems Design & Engineering . 5 (10): 1606– 1641. doi : 10.1039/D0ME00123F . ISSN 2058-9689 . S2CID 229265961 .
- ↑ Carbonitruros de silicio , - Una nueva clase de materiales
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