La espuma cerámica es una espuma resistente hecha de cerámica . Las técnicas de fabricación incluyen la impregnación interna de espumas poliméricas de células abiertas con suspensión cerámica y luego la cocción en un horno , dejando solo material cerámico. Las espumas pueden consistir en varios materiales cerámicos, como el óxido de aluminio , una cerámica común de alta temperatura, y obtienen propiedades aislantes de los muchos pequeños huecos llenos de aire dentro del material.
La espuma se puede utilizar no sólo para aislamiento térmico , [1] sino para una variedad de otras aplicaciones como aislamiento acústico , [1] absorción de contaminantes ambientales , [1] filtración de aleaciones de metales fundidos, [2] y como sustrato para Catalizadores que requieren una gran superficie interna.
Se ha utilizado como material estructural rígido y liviano, específicamente para soportar espejos reflectores de telescopios .
Las espumas cerámicas son cerámicas endurecidas con bolsas de aire u otro gas atrapadas en los poros de todo el cuerpo del material. Con su capacidad para crear una gran superficie específica, estos materiales se pueden fabricar con hasta 94 a 96% de aire por volumen con resistencias a temperaturas de hasta 1700 °C. [1] Debido a que muchas cerámicas ya son óxidos u otros compuestos inertes, existe poco peligro de oxidación o reducción del material. [3]
Hasta ahora se evitaban los poros en los componentes cerámicos debido a sus propiedades frágiles . [4] Sin embargo, en la práctica las espumas cerámicas tienen propiedades mecánicas algo ventajosas, mostrando alta resistencia y tenacidad plástica, en comparación con las cerámicas a granel. Un ejemplo es la propagación de grietas , dada por:
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 en realidad superan a las cerámicas a granel porque las bolsas de aire porosas actúan para mitigar el radio de la punta de la grieta, lo que provoca una interrupción de su propagación y una disminución en la probabilidad de falla. [5]
El método de impregnación de espuma orgánica es uno de los más utilizados en la industria, creando espuma cerámica con una estructura de esqueleto de malla 3D y recubriendo una suspensión cerámica sobre un cuerpo de malla de espuma orgánica de poliuretano . La espuma cerámica se obtiene dejando secar el cuerpo a temperatura ambiente y quemando el cuerpo de malla para recuperar la espuma cerámica. Este método se utiliza mejor para preparar cerámicas de espuma de carburo de silicio. [6]
El método de formación de espuma utiliza una reacción química de un agente espumante. El agente espumante genera un gas volátil que hace espuma la suspensión. La suspensión se seca y se sinteriza para obtener la espuma cerámica. La forma y densidad del producto se pueden controlar y manipular con el método de formación de espuma. Este método se puede utilizar en la preparación de cerámicas de células cerradas de tamaño de poro pequeño. [6]
Al igual que las espumas metálicas , existen varios métodos aceptados para crear espumas cerámicas. Uno de los primeros y aún más comunes es el método de la esponja polimérica. [7] Se cubre una esponja polimérica con una cerámica en suspensión y, después de enrollarla para garantizar que se hayan llenado todos los poros, la esponja recubierta de cerámica se seca y se piroliza para descomponer el polímero, dejando solo la estructura cerámica porosa. A continuación, la espuma debe sinterizarse para su densificación final. Este método es muy utilizado porque es eficaz con cualquier cerámica que pueda suspenderse; sin embargo, se liberan grandes cantidades de subproductos gaseosos y es común el agrietamiento debido a diferencias en los coeficientes de expansión térmica. [4]
Si bien los anteriores se basan en el uso de una plantilla de sacrificio, también existen métodos directos de formación de espuma que se pueden utilizar. Estos métodos implican bombear aire a una cerámica suspendida antes de fraguar y sinterizar. Esto es difícil porque las espumas húmedas son termodinámicamente inestables y pueden terminar con poros muy grandes después del fraguado. [4]
También se ha desarrollado un método reciente para crear espumas de óxido de aluminio. [1] Esta técnica implica calentar cristales con el metal y formar compuestos hasta que se crea una solución. En este punto, se forman y crecen cadenas de polímeros, lo que hace que toda la mezcla se separe en un solvente y un polímero. Cuando la mezcla comienza a hervir, las burbujas de aire quedan atrapadas en la solución y fijadas en su lugar mientras el material se calienta y el polímero se quema.
Debido a la conductividad térmica extremadamente baja de la cerámica, el uso más obvio de una cerámica es como material aislante. [1] Las espumas cerámicas destacan en este sentido porque su composición por compuestos muy comunes, como el óxido de aluminio, las hace completamente inofensivas, a diferencia del amianto y otras fibras cerámicas. Su alta resistencia y dureza también les permite usarse como materiales estructurales para aplicaciones de baja tensión.
Con porosidades y microestructuras fácilmente controlables, las espumas cerámicas han tenido un uso cada vez mayor en aplicaciones electrónicas en evolución. Estas aplicaciones incluyen electrodos y andamios para baterías y pilas de combustible de óxido sólido . Las espumas también se pueden utilizar como componentes de refrigeración para dispositivos electrónicos separando el refrigerante bombeado de los propios circuitos. [8] Para esta aplicación, se pueden utilizar fibras de sílice , óxido de aluminio y borosilicato de aluminio.
Se han propuesto espumas cerámicas como medio de control de contaminantes, particularmente de partículas procedentes de motores. [9] Son eficaces porque los huecos pueden capturar partículas y soportar un catalizador que puede inducir la oxidación de las partículas capturadas. Debido a la facilidad de deposición de otros materiales dentro de las espumas cerámicas, estos catalizadores que inducen la oxidación se pueden distribuir fácilmente por toda la espuma, lo que aumenta la eficacia.
Los filtros de espuma cerámica (CFF) se utilizan para la filtración de metal líquido. Pasar metal líquido a través del filtro de espuma cerámica reduce las impurezas, incluidas las inclusiones no metálicas, en el metal líquido y el producto terminado correspondiente (fundición, láminas, palanquillas, etc.). Ha tenido éxito en su aplicación y uso en colada continua (láminas), colada semicontinua (palanquilla y desbastes) y sistemas de compuertas de colada en fundiciones de metales. [6] [10]
Debido a la estructura de poros única de la espuma y 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, donde la filtración profunda proporciona la mayor parte del proceso de filtración. [6]
La espuma cerámica de células cerradas sirve como un buen material aislante para paredes y techos. La gran cantidad de celdas cerradas permiten que el material sea resistente a la corrosión y absorba el sonido interna y externamente. Los edificios en China han utilizado espuma cerámica como material de aislamiento térmico. [6]
La espuma cerámica tiene su uso en 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]
Debido a la estructura de malla conectada tridimensional, la resistencia a altas temperaturas 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]
Las investigaciones actuales consideran que las espumas cerámicas a menudo se formulan con Bioglass para crear estructuras de tejido para la reparación ósea. Su característica porosa es prometedora en aplicaciones de ingeniería de tejido óseo que soportan carga. [11] El biovidrio permite que el material sea bioactivo y forme ácido hialurónico en la superficie del material cuando el fluido biológico entra en contacto con la espuma de vitrocerámica. La cerámica de vidrio se muestra prometedora por sus propiedades de tener una porosidad adecuada para permitir que las células migren a través del andamio, una alta resistencia mecánica para soportar cargas y una buena bioactividad para permitir que las células florezcan. [12]
