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Espuma sintáctica

Espuma sintáctica, observada mediante microscopía electrónica de barrido , compuesta por microesferas de vidrio dentro de una matriz de resina epoxi. Las espumas sintácticas son...

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Espuma sintáctica, observada mediante microscopía electrónica de barrido , compuesta por microesferas de vidrio dentro de una matriz de resina epoxi.

Las espumas sintácticas son materiales compuestos sintetizados rellenando una matriz metálica , polimérica , [ 1 ] cementicia o cerámica con esferas como agregados . [ 2 ] Las esferas pueden ser huecas, llamadas microesferas [ 3 ] o cenoesferas , o no huecas, por ejemplo perlita . [ 4 ] En este contexto, "sintáctico" significa "unido". [ 5 ] La presencia de partículas huecas resulta en una menor densidad , una mayor resistencia específica (resistencia dividida por la densidad), un menor coeficiente de expansión térmica y, en algunos casos, transparencia al radar o al sonar .

Historia

El término fue acuñado originalmente por la Bakelite Company en 1955 para sus compuestos ligeros hechos de microesferas fenólicas huecas unidas a una matriz de fenólico, epoxi o poliéster . [ 6 ] [ 7 ]

Estos materiales se desarrollaron a principios de la década de 1960 como materiales de flotabilidad mejorada para aplicaciones marinas. [ 8 ] Otras características llevaron a que estos materiales se utilizaran en aplicaciones aeroespaciales y de vehículos de transporte terrestre. [ 9 ]

Características

La adaptabilidad es una de las mayores ventajas de estos materiales. [ 10 ] El material de la matriz puede seleccionarse entre casi cualquier metal, polímero o cerámica. Las microesferas están disponibles en una variedad de tamaños y materiales, incluyendo microesferas de vidrio , cenoesferas , carbono y polímeros. Las espumas más utilizadas y estudiadas son las microesferas de vidrio (en epoxi o polímeros) y las cenoesferas o cerámicas [ 11 ] (en aluminio). Se puede cambiar la fracción de volumen de las microesferas o utilizar microesferas de diferente densidad efectiva, esta última dependiendo de la relación promedio entre los radios interior y exterior de las microesferas.

Un método de fabricación de espumas sintácticas de baja densidad se basa en el principio de flotabilidad. [ 12 ] [ 13 ]

Fortaleza

Las propiedades de compresión de las espumas sintácticas, en la mayoría de los casos, dependen en gran medida de las propiedades del material de las partículas de relleno. En general, la resistencia a la compresión del material es proporcional a su densidad. Se ha informado que las espumas sintácticas cementicias alcanzan valores de resistencia a la compresión superiores a 30 MPa (4,4 ksi) manteniendo densidades inferiores a 1,2 g/ cm³ (0,69 oz/pulg³ ) . [ 14 ]     

El material de la matriz influye considerablemente en las propiedades de tracción . La resistencia a la tracción puede mejorarse notablemente mediante un tratamiento químico superficial de las partículas, como la silanización , que permite la formación de enlaces fuertes entre las partículas de vidrio y la matriz epoxi. La adición de materiales fibrosos también puede aumentar la resistencia a la tracción.

Aplicaciones

Esfera de espuma sintáctica utilizada como flotador subsuperficial en sistemas de amarre oceanográfico .

Las aplicaciones actuales de la espuma sintáctica incluyen módulos de flotabilidad para tensores de tuberías ascendentes marinas , vehículos submarinos operados a distancia (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), exploración de aguas profundas, cascos de barcos y componentes de helicópteros y aviones .

Las espumas sintácticas cementicias también se han investigado como un material compuesto estructural ligero potencial. Estos materiales incluyen microesferas de vidrio dispersas en una matriz de pasta de cemento para lograr una estructura de espuma de celda cerrada, en lugar de una matriz metálica o polimérica. Las espumas sintácticas cementicias también se han probado para su rendimiento mecánico bajo condiciones de carga de alta velocidad de deformación para evaluar su capacidad de disipación de energía en amortiguadores de impacto, muros de explosión, etc. Bajo estas condiciones de carga, las microesferas de vidrio de las espumas sintácticas cementicias no mostraron aplastamiento progresivo. En última instancia, a diferencia de las espumas sintácticas poliméricas y metálicas, no surgieron como materiales adecuados para aplicaciones de disipación de energía. [ 15 ] Las aplicaciones estructurales de las espumas sintácticas incluyen su uso como capa intermedia (es decir, el núcleo) de paneles sándwich .

Aunque las espumas sintácticas cementicias demuestran valores de resistencia específica superiores en comparación con la mayoría de los materiales cementicios convencionales, su fabricación es compleja. Generalmente, las inclusiones huecas tienden a flotar y segregarse en la pasta de cemento fresco, que presenta baja resistencia al corte y alta densidad. Por lo tanto, es necesario mantener una microestructura uniforme en todo el material mediante un control estricto de la reología del compuesto . [ 16 ] Además, ciertos tipos de microesferas de vidrio pueden provocar una reacción álcali-sílice . Por consiguiente, es necesario considerar y abordar los efectos adversos de esta reacción para garantizar la durabilidad a largo plazo de estos compuestos. [ 17 ]

Otras aplicaciones incluyen:

  • Espumas de flotabilidad para aguas profundas. En 2018 se desarrolló un método para crear cascos de submarinos mediante impresión 3D. [ 18 ]
  • Ayuda para el moldeo de tapones
  • Materiales transparentes al radar
  • Materiales atenuadores acústicos
  • Núcleos para compuestos tipo sándwich [ 19 ] [ 20 ]
  • Materiales para la mitigación de explosiones
  • Artículos deportivos como bolas de bolos, raquetas de tenis y balones de fútbol . [ 21 ]

Referencias

  1. ↑ Shutov, FA (1986). "Espumas poliméricas sintácticas". Advances in Polymer Science . 73–74 : 63–123 . doi : 10.1007/3-540-15786-7_7 . ISBN 978-3-540-15786-1.
  2. ↑ "¿Qué es la espuma sintáctica?" . Cornerstone Research Group. Archivado del original el 20 de julio de 2012. Recuperado el 7 de agosto de 2009 .
  3. ↑ Kim, Ho Sung; Plubrai, Pakorn (septiembre de 2004). "Fabricación y mecanismos de falla de la espuma sintáctica bajo compresión". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 35 (9): 1009– 1015. doi : 10.1016/j.compositesa.2004.03.013 .
  4. ↑ Shastri, Dipendra; Kim, Ho Sung (16 de junio de 2014). "Un nuevo proceso de consolidación para partículas de perlita expandida". Construction and Building Materials . 60 : 1–7 . doi : 10.1016/j.conbuildmat.2014.02.041 . hdl : 1959.13/1052767 .
  5. ↑ "espuma sintáctica" . Diccionario Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871. Consultado el 22 de junio de 2023 . 
  6. ↑ De la cita del Oxford English Dictionary de Sci. News Let. 2 Apr. 213/3
  7. ↑ "Desarrollo de espuma plástica para barcos y aviones" . The Science News-Letter . 67 (14): 213. 2 de abril de 1955. doi : 10.2307/3935329 . ISSN 0096-4018 . JSTOR 3935329 .  
  8. ↑ Kudo, Kimiaki (enero de 2008). "Tendencias en el extranjero en el desarrollo de sumergibles tripulados de gran profundidad y una propuesta para el camino a seguir por Japón" (PDF) . Science and Technology Trends Quarterly Review . 26 : 104–123 . Archivado del original (PDF) el 21 de julio de 2011. Recuperado el 10 de agosto de 2009 .
  9. ↑ Karst, G (2002). "Procesamiento novedoso de espumas sintácticas estructurales de alto rendimiento" . Sociedad para el Avance de la Ingeniería de Materiales y Procesos. Archivado del original el 23 de julio de 2011. Recuperado el 7 de agosto de 2009 .
  10. ↑ Bardella, L.; Genna F. (2001). "Sobre el comportamiento elástico de las espumas sintácticas". International Journal of Solids and Structures . 38 (2): 7235– 7260. doi : 10.1016/S0020-7683(00)00228-6 .
  11. ↑ Shubmugasamy, V. (2014). "Caracterización compresiva de partículas huecas de SiC porosas individuales". JOM . 66 (6): 892– 897. Bibcode : 2014JOM....66f.892S . doi : 10.1007/s11837-014-0954-7 . S2CID 40553878 . 
  12. ↑ Islam, Md Mainul; Kim, Ho Sung (2007). "Fabricación de espumas sintácticas: procesamiento previo al moldeo" (PDF) . Materiales y procesos de fabricación . 22 : 28–36 . doi : 10.1080/10426910601015857 . S2CID 136610096 . 
  13. ↑ Islam, Md Mainul; Kim, Ho Sung (octubre de 2008). "Fabricación de espumas sintácticas utilizando almidón como aglutinante: procesamiento posterior al moldeo" (PDF) . Materiales y procesos de fabricación . 23 (8): 884–892 . doi : 10.1080/10426910802413661 . S2CID 138333688 . 
  14. ↑ Gupta, Nikhil; Woldesenbet, Eyassu (septiembre de 2003). "Estudios higrotérmicos en espumas sintácticas y determinación de la resistencia a la compresión". Composite Structures . 61 (4): 311– 320. doi : 10.1016/S0263-8223(03)00060-6 .
  15. ↑ Bas, Halim Kerim; Jin, Weihua; Gupta, Nikhil; Luong, Dung D. (1 de enero de 2019). "Comportamiento compresivo dependiente de la velocidad de deformación y mecanismo de falla de espumas sintácticas cementicias" . Cement and Concrete Composites . 95 : 70–80 . doi : 10.1016/j.cemconcomp.2018.10.009 . ISSN 0958-9465 . S2CID 139598037 .  
  16. ↑ Bas, Halim Kerim; Jin, Weihua; Gupta, Nikhil; Behera, Rakesh Kumar (1 de julio de 2018). "Caracterización in situ mediante micro-CT de las propiedades mecánicas y el mecanismo de falla de espumas sintácticas cementicias" . Cement and Concrete Composites . 90 : 50–60 . doi : 10.1016/j.cemconcomp.2018.03.007 . ISSN 0958-9465 . S2CID 140068274 .  
  17. ↑ Bas, Halim Kerim; Jin, Weihua; Gupta, Nikhil (1 de abril de 2021). "Estabilidad química de microesferas de vidrio huecas en espumas sintácticas cementicias" . Cement and Concrete Composites . 118 103928. doi : 10.1016/j.cemconcomp.2020.103928 . ISSN 0958-9465 . S2CID 234059434 .  
  18. ↑ "Avance en la impresión 3D para espumas sintácticas ligeras podría ayudar a los submarinos a sumergirse a mayor profundidad | Escuela de Ingeniería Tandon de la NYU" . engineering.nyu.edu . 6 de febrero de 2018. Consultado el 22 de septiembre de 2018 .
  19. ↑ Islam, Md Mainul; Kim, Ho Sung (2012). "Compuestos sándwich hechos de núcleo de espuma sintáctica y revestimiento de papel: fabricación y comportamiento mecánico". Journal of Sandwich Structures and Materials . 14 (1): 111– 127. doi : 10.1177/1099636211413564 . S2CID 135970284 . 
  20. ↑ Arifuzzaman, Md; Kim, Ho Sung (1 de septiembre de 2017). "Comportamiento de flexión novedoso de estructuras sándwich hechas de núcleo de espuma de perlita/silicato de sodio y revestimiento de papel". Construction and Building Materials . 148 : 321–333 . doi : 10.1016/j.conbuildmat.2017.05.073 .
  21. ↑ Thim, Johann (3 de febrero de 2005). "Plásticos de alto rendimiento: cómo los plásticos se propusieron conquistar el mundo del deporte" . Consejo Europeo de la Industria Química . Consultado el 10 de agosto de 2009 .
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