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espuma sintáctica

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

Las espumas sintácticas son materiales compuestos que se sintetizan rellenando una matriz metálica , polimérica , [1] cementosa o cerámica con esferas huecas llamadas microglobos [2] o cenósferas o esferas no huecas (por ejemplo, perlita ) como agregados . [3] [4] En este contexto, "sintáctico" significa "juntos". [5] La presencia de partículas huecas da como resultado una menor densidad , una mayor resistencia específica (fuerza dividida por la densidad), un menor coeficiente de expansión térmica y, en algunos casos, transparencia de radar o sonar .

Historia

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

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

Nikhil Gupta ha avanzado recientemente en la investigación sobre espumas sintácticas .

Características

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

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 informa que las espumas sintácticas cementosas alcanzan valores de resistencia a la compresión superiores a 30 MPa (4,4 ksi) manteniendo densidades inferiores a 1,2 g/cm 3 (0,69 oz/cu in). [14]

El material de la matriz tiene más influencia sobre las propiedades de tracción . La resistencia a la tracción puede mejorarse enormemente mediante un tratamiento químico de la superficie de las partículas, como la silanización , que permite la formación de fuertes enlaces entre las partículas de vidrio y la matriz epoxi. La adición de materiales fibrosos también puede aumentar la resistencia a la tracción. [ cita necesaria ]

Aplicaciones

Esfera de espuma sintáctica utilizada como flotador subsuperficial en amarres oceanográficos .

Las aplicaciones actuales de la espuma sintáctica incluyen módulos de flotabilidad para tensores de elevadores marinos , vehículos submarinos operados remotamente (ROV), vehículos submarinos autónomos (AUV), exploración de aguas profundas, cascos de barcos y componentes de helicópteros y aviones .

También se han investigado las espumas sintácticas cementosas como posibles materiales compuestos estructurales ligeros. Estos materiales incluyen microesferas de vidrio dispersadas en una matriz de pasta de cemento para lograr una estructura de espuma de células cerradas, en lugar de una matriz metálica o polimérica. También se ha probado el rendimiento mecánico de las espumas sintácticas cementosas en condiciones de carga con alta tasa de deformación para evaluar su capacidad de disipación de energía en amortiguadores de choque, paredes explosivas, etc. Bajo estas condiciones de carga, las microesferas de vidrio de las espumas sintácticas cementosas no mostraron un aplastamiento progresivo. . Al final, 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 el uso como capa intermedia (es decir, el núcleo) de paneles sándwich .

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

Otras aplicaciones incluyen;

Referencias

  1. ^ Shutov, FA (1986). "Espumas de polímeros sintácticos". Avances en la ciencia de los polímeros . 73–74: 63–123. doi :10.1007/3-540-15786-7_7. ISBN 978-3-540-15786-1.
  2. ^ Kim, Ho Sung; Plubrai, Pakorn (septiembre de 2004). "Fabricación y mecanismos de falla de espuma sintáctica bajo compresión". Compuestos Parte A: Ciencias aplicadas y fabricación . 35 (9): 1009-1015. doi :10.1016/j.compositesa.2004.03.013.
  3. ^ Shastri, Dipendra; Kim, Ho Sung (16 de junio de 2014). "Un nuevo proceso de consolidación de partículas de perlita expandida". Materiales de Construcción y Construcción . 60 : 1–7. doi :10.1016/j.conbuildmat.2014.02.041. hdl : 1959.13/1052767 .
  4. ^ "¿Qué es la espuma sintáctica?". Grupo de investigación de piedra angular. Archivado desde el original el 20 de julio de 2012 . Consultado el 7 de agosto de 2009 .
  5. ^ "espuma sintáctica". Diccionario Merriam-Webster.com . Consultado el 22 de junio de 2023 .
  6. ^ De la cita del Oxford English Dictionary de Sci. Noticias Let. 2 de abril de 213/3
  7. ^ "Espuma plástica desarrollada para barcos y aviones". El boletín científico . 67 (14): 213. 2 de abril de 1955. doi :10.2307/3935329. ISSN  0096-4018. JSTOR  3935329.
  8. ^ Felicitaciones, Kimiaki (enero de 2008). "Tendencias en el extranjero en el desarrollo de sumergibles profundos ocupados por humanos y una propuesta para el camino a seguir por Japón" (PDF) . Revisión trimestral de tendencias en ciencia y tecnología . 26 : 104-123. Archivado desde el original (PDF) el 21 de julio de 2011 . Consultado el 10 de agosto de 2009 .
  9. ^ [ enlace muerto ] Karst, G (2002). "Procesamiento novedoso de espumas sintácticas estructurales de alto rendimiento". Sociedad para el Avance de la Ingeniería de Materiales y Procesos. Archivado desde el original el 23 de julio de 2011 . Consultado el 7 de agosto de 2009 .
  10. ^ Bardella, L.; Genna F. (2001). "Sobre el comportamiento elástico de las espumas sintácticas". Revista Internacional de Sólidos y Estructuras . 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. Código Bib : 2014JOM....66f.892S. doi :10.1007/s11837-014-0954-7. S2CID  40553878.
  12. ^ Islam, Maryland Mainul; Kim, Ho Sung (2007). «Fabricación de espumas sintácticas: procesamiento de premolde» (PDF) . Materiales y Procesos de Fabricación . 22 : 28–36. doi :10.1080/10426910601015857. S2CID  136610096.
  13. ^ Islam, Maryland Mainul; Kim, Ho Sung (octubre de 2008). «Fabricación de espumas sintácticas utilizando almidón como conglomerante: procesamiento post-molde» (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 sobre espumas sintácticas y determinación de la resistencia a la compresión". Estructuras compuestas . 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 cementosas". Compuestos de Cemento y Hormigón . 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 micro-CT in situ de propiedades mecánicas y mecanismo de falla de espumas sintácticas cementosas". Compuestos de Cemento y Hormigón . 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 cementosas". Compuestos de Cemento y Hormigón . 118 : 103928. doi : 10.1016/j.cemconcomp.2020.103928. ISSN  0958-9465. S2CID  234059434.
  18. ^ "El avance de la impresión 3D para espumas sintácticas ligeras podría ayudar a los submarinos a sumergirse más profundamente | Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York". ingeniería.nyu.edu . 6 de febrero de 2018 . Consultado el 22 de septiembre de 2018 .
  19. ^ Islam, Maryland Mainul; Kim, Ho Sung (2012). "Compuestos sándwich de núcleo de espuma sintáctica y piel de papel: fabricación y comportamiento mecánico". Revista de Estructuras y Materiales Sandwich . 14 (1): 111-127. doi :10.1177/1099636211413564. S2CID  135970284.
  20. ^ Arifuzzaman, Maryland; Kim, Ho Sung (1 de septiembre de 2017). "Nuevo comportamiento a la flexión de estructuras tipo sándwich hechas de espuma de perlita / núcleo de silicato de sodio y piel de papel". Materiales de Construcción y Construcción . 148 : 321–333. doi :10.1016/j.conbuildmat.2017.05.073.
  21. ^ [ enlace muerto ] Thim, Johann (3 de febrero de 2005). "Performing Plastics: cómo los plásticos se propusieron conquistar el mundo del deporte". Consejo Europeo de la Industria Química . Consultado el 10 de agosto de 2009 .[ enlace muerto permanente ]

enlaces externos