Las cerámicas derivadas de polímeros (PDC) son materiales cerámicos formados por la pirólisis de polímeros precerámicos , generalmente bajo atmósfera inerte. [1]
Las composiciones de 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, distribución de fases y estructura de los PDC dependen de los compuestos precursores de polímero utilizados y 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 términos de procesamiento y conformación. Las cerámicas derivadas de polímeros se pueden fabricar de forma aditiva (impresión 3D) mediante fabricación de filamentos fundidos , [4] estereolitografía que utiliza la fotopolimerización de polímeros precerámicos . [5] Este procesamiento de PDC se utiliza en aplicaciones que requieren materiales térmica y químicamente estables en formas complejas que son difíciles de lograr a través de rutas de procesamiento cerámico más convencionales, como la sinterización de polvo y la colada deslizante . Los PDC también son valiosos para la síntesis de materiales porosos y mesoporosos [6] y películas delgadas. [7]
Los PDC se fabrican principalmente mediante la pirólisis de polímeros precerámicos.
En las familias de polímeros precerámicos, los polisiloxanos son los polímeros precerámicos más famosos. Las cadenas principales comprenden átomos de silicio y oxígeno. Los poli(organo)siloxanos son polisiloxanos con grupos orgánicos en las cadenas principales, por ejemplo, poliborosiloxanos, poli(carbosiloxanos). Otra categoría importante de polímeros precerámicos son los policarbosilanos y poli(organo)carbosilanos, que contienen átomos de carbono y silicona alternados en las cadenas principales. De manera similar, los polímeros compuestos de enlaces Si-N se clasifican como polisilazano , poli(organosilazanos) y poli(organosililcarbodiimidas). [8] Las diferentes composiciones de polímeros influyen en las temperaturas de procesamiento, las transiciones de microestructura, los rendimientos cerámicos y las estabilidades. [9]
La conversión de polímeros precerámicos a PDC se puede dividir en cuatro fases: conformación, 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, normalmente por encima de los 1700 °C. [10]
Los PDC se caracterizan por tener muchas propiedades, entre ellas: [1]
La combinación de PDC y otros materiales con diferentes propiedades puede desarrollar propiedades de combinación para materiales compuestos basados en PDC. Los materiales compuestos basados en PDC 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. [11]
En comparación con otros métodos de recubrimiento, el tratamiento térmico (por ejemplo, la pulverización térmica ) del procesamiento de PDC es simple y de bajo costo. Los recubrimientos de PDC son buenos componentes en dispositivos electrónicos y membranas de separación de gases. Debido a la estabilidad intrínseca de los materiales de PDC, los recubrimientos de PDC también se utilizan comúnmente en recubrimientos de barrera ambiental (EBC). [10]
Polímeros basados en impresión 3D para fabricación de filamentos fusionados que se utilizan para el procesamiento de PDC en una amplia gama de aplicaciones, como intercambiadores de calor, disipadores de calor, andamios para el crecimiento de tejido óseo, filtros químicos/de gas y hardware abierto personalizado . [4] Las técnicas de impresión 3D específicas , como la escritura directa con tinta (DIW), la estereolitografía (SLA) y el procesamiento de luz digital (DLP), pueden controlar la estructura de los polímeros precerámicos desde la nanoescala hasta la macroescala. La impresión 3D de PDC puede facilitar la fabricación e integración de materiales cerámicos avanzados. [12]
Los PDC biocompatibles y los compuestos basados en PDC se pueden aplicar en varios sistemas biológicos. Por lo general, se utilizan para producir interfaces o superficies con multifuncionalidad y formas complejas para aplicaciones biomédicas, como la regeneración de tejidos, el diseño de implantes, la administración de medicamentos y los apósitos para heridas. [13] [14]
Los materiales PDC híbridos son factibles 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 los compuestos PDC para aplicaciones electrónicas incluyen la modificación química, la mezcla con metal u óxidos metálicos y la incorporación de rellenos funcionales. [11]