Керамическая пена – это прочная пена , изготовленная из керамики . Технология производства включает внутреннюю пропитку полимерных пенопластов с открытыми порами керамической суспензией , а затем обжиг в печи , в результате чего остается только керамический материал. Пенопласты могут состоять из нескольких керамических материалов, таких как оксид алюминия , обычная высокотемпературная керамика, и приобретают изолирующие свойства благодаря множеству крошечных пустот, заполненных воздухом, внутри материала.
Пенопласт можно использовать не только для теплоизоляции , [1] , но и для множества других применений, таких как звукоизоляция , [1] поглощение загрязнителей окружающей среды , [1] фильтрация расплавленных металлических сплавов, [2] и в качестве подложки для катализаторы, требующие большой площади внутренней поверхности.
Его использовали в качестве жесткого и легкого конструкционного материала, особенно для поддержки отражающих зеркал телескопов .
Керамические пенопласты представляют собой затвердевшую керамику с карманами воздуха или другого газа, запертыми в порах по всему телу материала. Благодаря способности создавать большую удельную поверхность эти материалы могут быть изготовлены с содержанием воздуха от 94 до 96% по объему и термостойкостью до 1700 °C. [1] Поскольку многие керамические изделия уже представляют собой оксиды или другие инертные соединения, опасность окисления или восстановления материала незначительна. [3]
Раньше в керамических компонентах избегали пор из-за их хрупких свойств. [4] Однако на практике пенокерамика имеет несколько выгодные механические свойства, демонстрируя высокую прочность и пластическую вязкость по сравнению с объемной керамикой. Одним из примеров является распространение трещины , определяемое следующим образом:
где σt — напряжение на вершине трещины, σ — приложенное напряжение, a — размер трещины и r — радиус кривизны. Для определенных применений, подвергающихся нагрузкам, это означает, что пенокерамика фактически превосходит объемную керамику, поскольку пористые воздушные карманы притупляют радиус вершины трещины, что приводит к нарушению ее распространения и снижению вероятности разрушения. [5]
Метод пропитки органической пеной является одним из наиболее широко используемых в промышленности, при котором создается керамическая пена с трехмерной сетчатой структурой и наносится керамическая суспензия на сетчатое тело из полиуретановой органической пены. Пенокерамику получают путем высыхания тела при комнатной температуре и сжигания сетчатого тела для получения пенокерамики. Этот метод лучше всего использовать для приготовления пенокерамики из карбида кремния. [6]
Метод вспенивания использует химическую реакцию пенообразователя. Пенообразователь выделяет летучий газ, который вспенивает суспензию. Суспензию сушат и спекают для получения пенокерамики. Форму и плотность продукта можно контролировать и манипулировать с помощью метода вспенивания. Этот метод можно использовать при изготовлении керамики с закрытыми порами малого размера. [6]
Как и в случае с металлическими пенопластами , существует ряд общепринятых методов создания пенокерамики. Одним из первых и до сих пор наиболее распространенных является метод полимерной губки. [7] Полимерную губку покрывают суспензией керамики, и после прокатки, чтобы гарантировать заполнение всех пор, губку с керамическим покрытием сушат и подвергают пиролизу для разложения полимера, оставляя только пористую керамическую структуру. Затем пену необходимо спекать для окончательного уплотнения. Этот метод широко используется, поскольку он эффективен для любой керамики, которую можно суспендировать; однако выделяется большое количество газообразных побочных продуктов, и растрескивание из-за различий в коэффициентах теплового расширения является обычным явлением. [4]
Хотя оба вышеописанных метода основаны на использовании расходуемого шаблона, существуют также методы прямого вспенивания. Эти методы включают нагнетание воздуха в суспендированную керамику перед отверждением и спеканием. Это сложно, поскольку влажные пены термодинамически нестабильны и после схватывания могут образовывать очень большие поры. [4]
Недавно также был разработан метод создания пенооксида алюминия. [1] Этот метод включает нагревание кристаллов с металлом и образование соединений до образования раствора. В этот момент полимерные цепи образуются и растут, в результате чего вся смесь разделяется на растворитель и полимер. Когда смесь начинает кипеть, пузырьки воздуха задерживаются в растворе, пока материал нагревается и полимер выгорает.
Из-за чрезвычайно низкой теплопроводности керамики наиболее очевидным применением керамики является изоляционный материал. [1] Керамические пенопласты примечательны в этом отношении тем, что их состав очень распространенных соединений, таких как оксид алюминия, делает их совершенно безвредными, в отличие от асбеста и других керамических волокон. Их высокая прочность и твердость также позволяют использовать их в качестве конструкционных материалов при низких нагрузках.
Благодаря легко контролируемой пористости и микроструктуре пенокерамика находит все более широкое применение в развивающихся электронных приложениях. Эти области применения включают электроды и каркасы для твердооксидных топливных элементов и батарей. Пены также можно использовать в качестве компонентов охлаждения электроники, отделяя перекачиваемую охлаждающую жидкость от самих цепей. [8] Для этого применения можно использовать волокна из диоксида кремния , оксида алюминия и боросиликата алюминия.
Керамические пенопласты были предложены в качестве средства контроля выбросов, особенно твердых частиц из двигателей. [9] Они эффективны, поскольку пустоты могут захватывать частицы, а также поддерживать катализатор, который может вызвать окисление захваченных частиц. Благодаря простоте нанесения других материалов внутри пенокерамики, эти вызывающие окисление катализаторы могут легко распределяться по всей пене, повышая эффективность.
Пенокерамические фильтры (CFF) используются для фильтрации жидкого металла. Пропускание жидкого металла через пенокерамический фильтр снижает примеси, в том числе неметаллические включения, в жидком металле и соответствующем готовом изделии (отливке, листе, заготовке и т.п.). Он нашел успех в своем применении и использовании в непрерывной разливке (лист), полунепрерывной разливке (заготовки и слябы), а также в литейных литниковых системах на литейных заводах. [6] [10]
Благодаря уникальной пористой структуре пены и большой удельной поверхности ее можно использовать в качестве фильтра для сточных вод. Процесс фильтрации представляет собой комбинацию адсорбции, поверхностной фильтрации и глубокой фильтрации, при этом глубокая фильтрация составляет большую часть процесса фильтрации. [6]
Керамическая пена с закрытыми порами служит хорошим изоляционным материалом для стен и крыш. Большое количество закрытых ячеек позволяет материалу быть устойчивым к коррозии и поглощать звук внутри и снаружи. В зданиях в Китае в качестве теплоизоляционного материала используется керамическая пена. [6]
Пенопластовая керамика используется для звукопоглощения во влажных и маслянистых средах. Звуковые волны вибрируют в порах пенопласта и преобразуют энергию в тепло за счет трения и сопротивления воздуха, тем самым уменьшая эхо в окружающей среде. [6]
Благодаря трехмерной связанной сетчатой структуре, высокой термостойкости и термической стабильности пенокерамики, ее использование в каталитических нейтрализаторах выхлопных систем помогает удалять оксиды и другие твердые частицы из выхлопных газов. [6]
Текущие исследования показывают, что керамические пенопласты, часто содержащие биостекло , используются для создания тканевых каркасов для восстановления костей. Их пористые характеристики показывают перспективность в приложениях инженерии несущих костных тканей. [11] Биостекло позволяет материалу быть биоактивным и образовывать гиалуроновую кислоту на поверхности материала при контакте биологической жидкости со стеклокерамической пеной. Стеклокерамика демонстрирует многообещающие свойства: она имеет достаточную пористость, позволяющую клеткам мигрировать через каркас, высокую механическую прочность, позволяющую выдерживать нагрузки, и хорошую биологическую активность, позволяющую клеткам процветать. [12]
