Colata congelata - Freeze-casting
La colata a freddo , spesso indicata anche come tempratura del ghiaccio , o allineamento di congelamento , è una tecnica che sfrutta il comportamento di solidificazione altamente anisotropico di un solvente (generalmente acqua) in un impasto liquido ben disperso per modellare in modo controllabile una ceramica direzionale porosa . Sottoponendo un impasto liquido acquoso a un gradiente di temperatura direzionale, i cristalli di ghiaccio nucleeranno su un lato dell'impasto liquido e cresceranno lungo il gradiente di temperatura. I cristalli di ghiaccio ridistribuiranno le particelle ceramiche sospese man mano che crescono all'interno dell'impasto liquido, modellando efficacemente la ceramica.
Una volta terminata la solidificazione, la ceramica modellata congelata viene posta in un liofilizzatore per rimuovere i cristalli di ghiaccio. Il corpo verde risultante contiene macropori anisotropi in una replica dei cristalli di ghiaccio sublimati e dei micropori trovati tra le particelle di ceramica nelle pareti. Questa struttura è spesso sinterizzata per consolidare le pareti particellari e fornire resistenza al materiale poroso. La porosità lasciata dalla sublimazione dei cristalli di solvente è tipicamente compresa tra 2 e 200 μm.
Panoramica
La prima osservazione delle strutture cellulari risultanti dal congelamento dell'acqua risale a oltre un secolo fa, ma il primo caso riportato di congelamento-colata, in senso moderno, fu nel 1954 quando Maxwell et al. tentato di fabbricare pale del turbocompressore da polveri refrattarie . Hanno congelato pezzi di carburo di titanio estremamente spessi , producendo getti quasi a forma di rete che erano facili da sinterizzare e lavorare. L'obiettivo di questo lavoro, tuttavia, era quello di realizzare ceramiche dense. Non è stato fino al 2001, quando Fukasawa et al. creato getti di allumina porosa direzionalmente, che l'idea di utilizzare la fusione a freddo come mezzo per creare nuove strutture porose ha davvero preso piede. Da quel momento, la ricerca è cresciuta considerevolmente con centinaia di articoli usciti nell'ultimo decennio.
I principi della colata a freddo sono applicabili a un'ampia gamma di combinazioni di particelle e mezzi di sospensione. L'acqua è di gran lunga il mezzo di sospensione più comunemente usato e, mediante liofilizzazione, favorisce facilmente la fase di sublimazione necessaria per il successo dei processi di liofilizzazione. A causa dell'alto livello di controllo e dell'ampia gamma di possibili microstrutture porose che può produrre la fusione a freddo, la tecnica è stata adottata in campi disparati come scaffold tissutali , [9] , biomateriali mediante fusione a freddo</ref> fotonica , compositi a matrice metallica , odontoiatria , scienza dei materiali e persino scienza dell'alimentazione
Ci sono tre possibili risultati finali per il congelamento unidirezionale di una sospensione di particelle. Innanzitutto, la crescita del ghiaccio procede come un fronte planare, spingendo le particelle davanti come un bulldozer spinge un mucchio di rocce. Questo scenario di solito si verifica a velocità di solidificazione molto basse (< 1 μm s -1 ) o con particelle estremamente fini perché possono allontanarsi dal fronte per moto browniano . La struttura risultante non contiene macroporosità. Se si dovesse aumentare moderatamente la velocità di solidificazione, la dimensione delle particelle o il carico solido, le particelle inizieranno ad interagire in modo significativo con il fronte glaciale in avvicinamento. Il risultato è tipicamente una struttura sagomata lamellare o cellulare la cui esatta morfologia dipende dalle particolari condizioni del sistema. È questo tipo di solidificazione che è mirato per materiali porosi realizzati mediante fusione a freddo. La terza possibilità per una struttura congelata si verifica quando alle particelle viene concesso un tempo insufficiente per separarsi dalla sospensione , con conseguente incapsulamento completo delle particelle all'interno del fronte di ghiaccio. Ciò si verifica quando i tassi di congelamento sono rapidi, la dimensione delle particelle diventa sufficientemente grande o quando il carico di solidi è sufficientemente elevato da ostacolare il movimento delle particelle. Per garantire la sagomatura, le particelle devono essere espulse dal fronte in arrivo. Energeticamente parlando, ciò accadrà se c'è un aumento complessivo dell'energia libera se la particella dovesse essere inghiottita (Δσ > 0) .
dove Δσ è la variazione di energia libera della particella, σ ps è il potenziale superficiale tra la particella e l'interfaccia, σ pl è il potenziale tra la particella e la fase liquida e σ sl è il potenziale superficiale tra le fasi solida e liquida. Questa espressione è valida a basse velocità di solidificazione, quando il sistema viene spostato solo leggermente dall'equilibrio. A velocità di solidificazione elevate, è necessario considerare anche la cinetica . Ci sarà un film liquido tra il fronte e la particella per mantenere il trasporto costante delle molecole che sono incorporate nel cristallo in crescita. Quando la velocità frontale aumenta, questo spessore del film (d) diminuirà a causa dell'aumento delle forze di resistenza. Una velocità critica (v c ) si verifica quando il film non è più sufficientemente spesso per fornire l'apporto molecolare necessario. A questa velocità la particella sarà inghiottita. La maggior parte degli autori esprime v c in funzione della dimensione delle particelle dove . Il passaggio da una morfologia porosa R (lamellare) ad una in cui è intrappolata la maggior parte delle particelle avviene in corrispondenza di v c , che è generalmente determinato come:
dove a 0 è la distanza intermolecolare media della molecola che si sta congelando all'interno del liquido, d è lo spessore complessivo del film liquido, η è la viscosità della soluzione , R è il raggio della particella ez è un esponente che può variare da 1 a 5. come previsto, vediamo che v c diminuisce particella raggio R sale.
Waschkies et al. ha studiato la struttura delle colate di congelamento da diluite a concentrate da basse (< 1 μm s −1 ) a velocità di solidificazione estremamente elevate (> 700 μm s -1 ). Da questo studio, sono stati in grado di generare mappe morfologiche per strutture congelate realizzate in varie condizioni. Mappe come queste sono eccellenti per mostrare le tendenze generali, ma sono piuttosto specifiche per il sistema di materiali da cui sono state derivate. Per la maggior parte delle applicazioni in cui verranno utilizzati getti congelati dopo il congelamento, sono necessari leganti per fornire resistenza allo stato verde. L'aggiunta di legante può alterare significativamente la chimica all'interno dell'ambiente congelato, abbassando il punto di congelamento e ostacolando il movimento delle particelle portando all'intrappolamento delle particelle a velocità molto al di sotto del previsto v c . Supponendo, tuttavia, che stiamo operando a velocità inferiori a v c e superiori a quelle che producono un fronte planare, otterremo una struttura cellulare con cristalli di ghiaccio e pareti composte da particelle ceramiche impaccate. La morfologia di questa struttura è legata ad alcune variabili, ma la più influente è il gradiente di temperatura in funzione del tempo e della distanza lungo la direzione del congelamento.
Le strutture congelate hanno almeno tre regioni morfologiche apparenti. Sul lato in cui inizia il congelamento c'è una regione quasi isotropica senza macropori visibili soprannominata la zona iniziale (IZ). Subito dopo la IZ si trova la Zona di Transizione (TZ), dove i macropori iniziano a formarsi e ad allinearsi l'uno con l'altro. I pori in questa regione possono apparire orientati in modo casuale. La terza zona è chiamata Zona di Stato Stazionario (SSZ), i macropori in questa regione sono allineati tra loro e crescono in modo regolare. All'interno della SSZ, la struttura è definita da un valore che è lo spessore medio di una parete ceramica e del suo macroporo adiacente.
Zona iniziale: meccanismi di nucleazione e crescita
Sebbene la capacità del ghiaccio di respingere le particelle sospese nel processo di crescita sia nota da tempo, il meccanismo rimane oggetto di alcune discussioni. Inizialmente si credeva che durante i momenti immediatamente successivi alla nucleazione dei cristalli di ghiaccio, le particelle venissero respinte dal fronte di ghiaccio planare in crescita, portando alla formazione di una zona costituzionalmente super-raffreddata direttamente davanti al ghiaccio in crescita. Questa regione instabile alla fine provoca perturbazioni, rompendo il fronte planare in un fronte di ghiaccio colonnare, un fenomeno meglio conosciuto come instabilità Mullins-Serkerka. Dopo la rottura, i cristalli di ghiaccio crescono lungo il gradiente di temperatura, spingendo da parte le particelle di ceramica dalla fase liquida in modo che si accumulino tra i cristalli di ghiaccio in crescita. Tuttavia, la recente radiografia a raggi X in situ di sospensioni di allumina congelate direzionalmente rivelano un meccanismo diverso.
Zona di transizione: una microstruttura che cambia
Quando la solidificazione rallenta e la cinetica di crescita diventa limitante, i cristalli di ghiaccio iniziano a escludere le particelle, ridistribuendole all'interno della sospensione. Si sviluppa un processo di crescita competitivo tra due popolazioni cristalline, quelle con i loro piani basali allineati al gradiente termico (z-cristalli) e quelle che sono orientate casualmente (r-cristalli) dando origine all'inizio della TZ.
Ci sono colonie di cristalli di ghiaccio allineati in modo simile che crescono in tutta la sospensione. Ci sono lamelle fini di cristalli z allineati che crescono con i loro piani basali allineati con il gradiente termico. I cristalli r appaiono in questa sezione trasversale come piastrine, ma in realtà sono molto simili ai cristalli dendritici colonnari tagliati lungo una sbieco. All'interno della zona di transizione, i cristalli r smettono di crescere o si trasformano in cristalli z che alla fine diventano l'orientamento predominante e portano alla crescita allo stato stazionario. Ci sono alcuni motivi per cui ciò si verifica. Per uno, durante il congelamento, i cristalli in crescita tendono ad allinearsi con il gradiente di temperatura, poiché questa è la configurazione a più bassa energia e termodinamicamente preferenziale. La crescita allineata, tuttavia, può significare due cose diverse. Supponendo che il gradiente di temperatura sia verticale, il cristallo in crescita sarà parallelo (z-cristallo) o perpendicolare (r-cristallo) a questo gradiente. Un cristallo che giace orizzontalmente può ancora crescere in linea con il gradiente di temperatura, ma significherà crescere sulla sua faccia piuttosto che sul suo bordo. Poiché la conduttività termica del ghiaccio è così piccola (1,6 - 2,4 W mK −1 ) rispetto alla maggior parte delle altre ceramiche (es. Al 2 O 3 = 40 W mK −1 ), il ghiaccio in crescita avrà un effetto isolante significativo sul condizioni termiche localizzate all'interno del liquame. Ciò può essere illustrato utilizzando semplici elementi resistivi.
Quando i cristalli di ghiaccio sono allineati con i loro piani basali paralleli al gradiente di temperatura (cristalli z), possono essere rappresentati come due resistori in parallelo. Tuttavia, la resistenza termica della ceramica è significativamente inferiore a quella del ghiaccio, quindi la resistenza apparente può essere espressa come la ceramica R inferiore . Se i cristalli di ghiaccio sono allineati perpendicolarmente al gradiente di temperatura (r-cristalli), possono essere approssimati come due elementi resistori in serie. In questo caso la R ice è limitante e detterà le condizioni termiche localizzate. La minore resistenza termica per la cassa di cristallo z porta a temperature più basse e un maggiore flusso di calore alle punte dei cristalli in crescita, guidando un'ulteriore crescita in questa direzione mentre, allo stesso tempo, il grande valore di R ghiaccio ostacola la crescita dei cristalli r . Ogni cristallo di ghiaccio che cresce all'interno del liquame sarà una combinazione di questi due scenari. La termodinamica impone che tutti i cristalli tenderanno ad allinearsi con il gradiente di temperatura preferenziale facendo sì che i cristalli r alla fine lascino il posto ai cristalli z, che possono essere visti dalle seguenti radiografie prese all'interno del TZ.
Quando i cristalli z diventano l'unico orientamento cristallino significativo presente, il fronte di ghiaccio cresce in modo stazionario tranne che non ci sono cambiamenti significativi nelle condizioni del sistema. Nel 2012 è stato osservato che, nei momenti iniziali del congelamento, sono presenti cristalli dendritici r che crescono 5 - 15 volte più velocemente del fronte di solidificazione. Questi salgono nella sospensione davanti al fronte principale del ghiaccio e si sciolgono parzialmente. Questi cristalli smettono di crescere nel punto in cui la TZ alla fine passerà completamente alla SSZ. I ricercatori hanno determinato che questo particolare punto segna la posizione in cui la sospensione si trova in uno stato di equilibrio (cioè la temperatura di congelamento e la temperatura di sospensione sono uguali). Possiamo quindi dire che le dimensioni delle zone iniziale e di transizione sono controllate dall'entità del sottoraffreddamento oltre la già bassa temperatura di congelamento. Se l'impostazione del freeze-casting è controllata in modo tale che la nucleazione sia favorita solo con un piccolo sottoraffreddamento, la TZ lascerà il posto all'SSZ prima.
Zona di crescita allo stato stazionario
La struttura in quest'ultima regione contiene lunghe lamelle allineate che si alternano tra cristalli di ghiaccio e pareti di ceramica. Più velocemente un campione viene congelato, più fini saranno i suoi cristalli di solvente (e la sua eventuale macroporosità). All'interno dell'SSZ, le velocità normali utilizzabili per la modellazione colloidale sono 10 – 100 mm s -1 che portano a cristalli di solvente tipicamente tra 2 mm e 200 mm. La successiva sublimazione del ghiaccio all'interno della SSZ produce una preforma in ceramica verde con porosità in una replica quasi esatta di questi cristalli di ghiaccio. La microstruttura di una fusione congelata all'interno dell'SSZ è definita dalla sua lunghezza d' onda (λ) che è lo spessore medio di una singola parete ceramica più il suo macroporo adiacente. Diverse pubblicazioni hanno riportato gli effetti della cinetica di solidificazione sulle microstrutture dei materiali freeze-cast. E 'stato dimostrato che λ segue un rapporto di potere-legge empirica con velocità di solidificazione (υ) (Eq 2.14.):
Sia A e υ sono utilizzati come parametri sagomata come attualmente non v'è alcun modo di calcolo da principi primi, anche se si ritiene generalmente che A è legato ai parametri fanghi come viscosità e carico di solidi, mentre n è influenzato dalle caratteristiche delle particelle.
Controllo della struttura porosa
Esistono due categorie generali di strumenti per l'architettura freeze-cast:
- Chimica del sistema: mezzo di congelamento e materiale particolato scelto, eventuali leganti, disperdenti o additivi aggiuntivi.
- Condizioni operative: profilo di temperatura, atmosfera, materiale dello stampo, superficie di congelamento, ecc.
Inizialmente, il sistema dei materiali viene scelto in base al tipo di struttura finale necessaria. Questa recensione si è concentrata sull'acqua come veicolo per il congelamento, ma ci sono alcuni altri solventi che possono essere utilizzati. In particolare, il canfene , che è un solvente organico ceroso a temperatura ambiente. Il congelamento di questa soluzione produce cristalli dendritici altamente ramificati. Una volta stabilito il sistema dei materiali, tuttavia, la maggior parte del controllo microstrutturale deriva da condizioni operative esterne come il materiale dello stampo e il gradiente di temperatura.
Controllo della dimensione dei pori
La lunghezza d'onda microstrutturale (poro medio + spessore della parete) può essere descritta come una funzione della velocità di solidificazione v (λ= Av −n ) dove A dipende dal carico dei solidi. Esistono due modi per controllare la dimensione dei pori. Il primo è quello di cambiare la velocità di solidificazione che poi altera la lunghezza d'onda microstrutturale, oppure si può cambiare il carico dei solidi. In tal modo, viene modificato il rapporto tra la dimensione dei pori e la dimensione della parete. Spesso è più prudente alterare la velocità di solidificazione poiché di solito si desidera un carico solido minimo. Poiché la dimensione microstrutturale (λ) è inversamente proporzionale alla velocità del fronte di congelamento, velocità più elevate portano a strutture più fini, mentre velocità più basse producono una microstruttura grossolana. Il controllo della velocità di solidificazione è quindi cruciale per poter controllare la microstruttura.
Controllo della forma dei pori
Gli additivi possono rivelarsi molto utili e versatili nel modificare la morfologia dei pori. Questi funzionano influenzando la cinetica di crescita e la microstruttura del ghiaccio oltre alla topologia dell'interfaccia ghiaccio-acqua. Alcuni additivi agiscono alterando il diagramma di fase del solvente. Ad esempio, acqua e NaCl hanno un diagramma di fase eutettico . Quando NaCl viene aggiunto in una sospensione di colata per congelamento, la fase di ghiaccio solido e le regioni liquide sono separate da una zona in cui possono coesistere sia i solidi che i liquidi. Questa regione salmastra viene rimossa durante la sublimazione, ma la sua esistenza ha un forte effetto sulla microstruttura della ceramica porosa. Altri additivi agiscono alterando le energie superficiali interfacciali tra solido/liquido e particella/liquido, modificando la viscosità della sospensione o il grado di sottoraffreddamento nel sistema. Sono stati condotti studi con glicerolo , saccarosio , etanolo , Coca-Cola , acido acetico e altro.
Profili di congelamento statici e dinamici
Se viene utilizzata una configurazione di colata gelata con una temperatura costante su entrambi i lati del sistema di congelamento, (fusione gelata statica) la velocità di solidificazione anteriore nell'SSZ diminuirà nel tempo a causa dell'aumento del tampone termico causato dal fronte di ghiaccio in crescita. Quando ciò si verifica, viene dato più tempo ai cristalli di ghiaccio anisotropi per crescere perpendicolarmente alla direzione di congelamento (asse c) risultando in una struttura con lamelle di ghiaccio che aumentano di spessore lungo la lunghezza del campione.
Per garantire un comportamento di solidificazione altamente anisotropo, ma prevedibile all'interno della SSZ, sono preferiti modelli di congelamento dinamico. Utilizzando il congelamento dinamico, la velocità del fronte di solidificazione e, quindi, la dimensione del cristallo di ghiaccio, può essere controllata con un gradiente di temperatura variabile. L'aumento del gradiente termico contrasta l'effetto del crescente tampone termico imposto dal crescente fronte di ghiaccio. È stato dimostrato che una temperatura linearmente decrescente su un lato di una colata gelata si tradurrà in una velocità di solidificazione quasi costante, producendo cristalli di ghiaccio con uno spessore quasi costante lungo la SSZ di un intero campione. Tuttavia, come sottolineato da Waschkies et al. anche con velocità di solidificazione costante, lo spessore dei cristalli di ghiaccio aumenta leggermente nel corso del congelamento. Al contrario, Flauder et al. hanno dimostrato che un cambiamento esponenziale della temperatura sulla piastra di raffreddamento porta a uno spessore costante dei cristalli di ghiaccio all'interno dell'intero SSZ, che è stato attribuito a una velocità del fronte di ghiaccio misurabilmente costante in uno studio distinto. Questo approccio consente una previsione della velocità del fronte di ghiaccio dai parametri termici della sospensione. Di conseguenza, se si conosce l'esatta relazione tra il diametro dei pori e la velocità del fronte di ghiaccio, è possibile ottenere un controllo esatto sul diametro dei pori.
Anisotropia della cinetica dell'interfaccia
Anche se il gradiente di temperatura all'interno dell'impasto liquido è perfettamente verticale, è comune vedere l'inclinazione o la curvatura delle lamelle mentre crescono attraverso la sospensione. Per spiegarlo, è possibile definire due distinte direzioni di crescita per ogni cristallo di ghiaccio. C'è la direzione determinata dal gradiente di temperatura, e quella definita dalla direzione di crescita preferita cristallograficamente parlando. Questi angoli sono spesso in contrasto tra loro e il loro equilibrio descriverà l'inclinazione del cristallo.
Le direzioni di crescita non sovrapposte aiutano anche a spiegare perché le strutture dendritiche sono spesso viste nei freeze-cast. Questa testurizzazione si trova solitamente solo sul lato di ogni lamella; la direzione del gradiente di temperatura imposto. La struttura ceramica lasciata mostra l'immagine negativa di questi dendriti. Nel 2013, Deville et al. ha osservato che la periodicità di questi dendriti (distanza da punta a punta) sembra in realtà essere correlata allo spessore del cristallo primario.
Effetti di impacchettamento delle particelle
Finora l'attenzione si è concentrata principalmente sulla struttura del ghiaccio stesso; le particelle sono quasi un ripensamento al processo di templatura, ma in realtà le particelle possono svolgere un ruolo significativo durante la fusione a freddo. Si scopre che la disposizione delle particelle cambia anche in funzione delle condizioni di congelamento. Ad esempio, i ricercatori hanno dimostrato che la velocità di congelamento ha un effetto marcato sulla rugosità delle pareti. Velocità di congelamento più elevate producono pareti più ruvide poiché alle particelle viene concesso un tempo insufficiente per riorganizzarsi. Questo potrebbe essere utile quando si sviluppano membrane permeabili per il trasferimento di gas in cui la tortuosità e la rugosità potrebbero impedire il flusso di gas. Si scopre anche che i cristalli z e r non interagiscono con le particelle di ceramica allo stesso modo. I cristalli z impacchettano le particelle nel piano xy mentre i cristalli r impacchettano le particelle principalmente nella direzione z. I cristalli R in realtà impacchettano le particelle in modo più efficiente rispetto ai cristalli z e per questo motivo la frazione dell'area della fase ricca di particelle (frazione dell'area dei cristalli di ghiaccio) cambia quando la popolazione cristallina si sposta da una miscela di z- e r- cristalli a soli z-cristalli. Partendo dal punto in cui i cristalli di ghiaccio iniziano a escludere le particelle, segnando l'inizio della zona di transizione, abbiamo una maggioranza di cristalli r e un valore elevato per la frazione di fase ricca di particelle. Possiamo supporre che, poiché la velocità di solidificazione è ancora elevata, le particelle non saranno impacchettate in modo efficiente. Quando la velocità di solidificazione rallenta, tuttavia, la frazione dell'area della fase ricca di particelle diminuisce indicando un aumento dell'efficienza di impaccamento. Allo stesso tempo, sta avvenendo il processo di crescita competitiva, sostituendo i cristalli r con i cristalli z. Ad un certo punto vicino alla fine della zona di transizione, la frazione di fase ricca di particelle aumenta bruscamente poiché i cristalli z sono meno efficienti nell'impacchettare le particelle rispetto ai cristalli r. L'apice di questa curva segna il punto in cui sono presenti solo i cristalli z (SSZ). Durante la crescita allo stato stazionario, dopo che è stata raggiunta la frazione di fase ricca di particelle massima, l'efficienza dell'impaccamento aumenta man mano che si raggiunge lo stato stazionario. Nel 2011, i ricercatori della Yale University hanno deciso di sondare l'effettivo imballaggio spaziale delle particelle all'interno delle pareti. Usando lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) hanno caratterizzato la dimensione delle particelle, la forma e la spaziatura tra le particelle di sospensioni di silice nominalmente 32 nm che erano state congelate a velocità diverse. Le simulazioni al computer hanno indicato che per questo sistema le particelle all'interno delle pareti non dovrebbero toccarsi ma piuttosto separate l'una dall'altra da sottili pellicole di ghiaccio. I test, tuttavia, hanno rivelato che le particelle erano, in effetti, a contatto e, soprattutto, hanno raggiunto una morfologia compatta che non può essere spiegata dai tipici processi di densificazione dell'equilibrio.
Instabilità morfologiche
In un mondo ideale, la concentrazione spaziale delle particelle all'interno della SSZ rimarrebbe costante durante la solidificazione. Si dà il caso, però, che la concentrazione delle particelle cambia durante la compressione e questo processo è molto sensibile alla velocità di solidificazione. A basse velocità di congelamento, avviene il moto browniano , che consente alle particelle di allontanarsi facilmente dall'interfaccia solido-liquido e mantenere una sospensione omogenea. In questa situazione, la sospensione è sempre più calda della porzione solidificata. A velocità di solidificazione elevate, avvicinandosi a VC, la concentrazione e il gradiente di concentrazione all'interfaccia solido-liquido aumentano perché le particelle non possono ridistribuirsi abbastanza presto. Quando si è accumulata a sufficienza, il punto di congelamento della sospensione è inferiore al gradiente di temperatura nella soluzione e possono verificarsi instabilità morfologiche. Per le situazioni in cui la concentrazione di particelle sanguina nello strato di diffusione, sia la temperatura effettiva che quella di congelamento scendono al di sotto della temperatura di congelamento di equilibrio creando un sistema instabile. Spesso queste situazioni portano alla formazione delle cosiddette lenti di ghiaccio.
Queste instabilità morfologiche possono intrappolare le particelle, impedendo la completa ridistribuzione e determinando una distribuzione disomogenea dei solidi lungo la direzione di congelamento, nonché discontinuità nelle pareti ceramiche, creando vuoti più grandi dei pori intrinseci all'interno delle pareti della ceramica porosa.
Nuove tecniche di congelamento
La fusione a freddo può essere applicata per produrre una struttura porosa allineata da diversi elementi costitutivi tra cui ceramiche , polimeri , biomacromolecole, grafene e nanotubi di carbonio . Finché ci sono particelle che possono essere respinte da un fronte di congelamento in progressione, è possibile una struttura modellata. Controllando i gradienti di raffreddamento e la distribuzione delle particelle durante la colata per congelamento, utilizzando vari mezzi fisici, l'orientamento delle lamelle nelle strutture di colata per congelamento ottenute può essere controllato per fornire prestazioni migliorate in diversi materiali applicati. Munch et al. hanno mostrato che è possibile controllare la disposizione a lungo raggio e l'orientamento dei cristalli normali alla direzione di crescita modellando la superficie di nucleazione. Questa tecnica funziona fornendo siti di nucleazione a energia inferiore per controllare la crescita e la disposizione iniziali dei cristalli. L'orientamento dei cristalli di ghiaccio può anche essere influenzato da campi elettromagnetici aggressivi , come dimostrato nel 2010 da Tang et al. Utilizzando configurazioni specializzate, i ricercatori sono stati in grado di creare freeze-cast allineati radialmente su misura per applicazioni di filtrazione o separazione di gas. Ispirati dalla natura, gli scienziati sono stati anche in grado di utilizzare prodotti chimici coordinanti e crioconservati per creare architetture microstrutturali straordinariamente distintive
Congela i materiali colati
Le particelle che vengono assemblate in materiali porosi allineati nei processi di colata a freddo sono spesso indicate come blocchi costitutivi. Poiché la colata a freddo è diventata una tecnica diffusa, la gamma di materiali utilizzati si è ampliata. Negli ultimi anni, grafene e nanotubi di carbonio sono stati utilizzati per fabbricare strutture porose controllate utilizzando metodi di fusione a freddo, con materiali che spesso mostrano proprietà eccezionali. A differenza dei materiali in aerogel prodotti senza modellazione del ghiaccio, le strutture congelate dei nanomateriali di carbonio hanno il vantaggio di possedere pori allineati, consentendo, ad esempio, combinazioni senza precedenti di bassa densità e alta conduttività.
Applicazioni di materiali fusi congelati
La colata a freddo è unica nella sua capacità di produrre strutture di pori allineate. Tali strutture si trovano spesso in natura e, di conseguenza, la colata congelata è emersa come uno strumento prezioso per fabbricare strutture biomimetiche. Il trasporto di fluidi attraverso i pori allineati ha portato all'uso della colata congelata come metodo verso applicazioni biomediche, compresi i materiali per impalcature ossee. L'allineamento dei pori nelle strutture colate a freddo conferisce anche una resistenza termica straordinariamente elevata nella direzione perpendicolare ai pori allineati. La colata a freddo di fibre porose allineate mediante processi di filatura presenta un metodo promettente per la fabbricazione di articoli di abbigliamento isolanti ad alte prestazioni.
Guarda anche
Ulteriori letture
- Lottermoser, A. (1908). "Uber das Ausfrieren von Hydrosolen" . Chemische Berichte . 41 (3): 532-540. doi : 10.1002/cber.19080410398 .
- J. Laurie, Freeze Casting: a Modified Sol-Gel Process , Università di Bath, Regno Unito, Ph.D. Tesi, 1995
- M. Statham, Produzione economica di forme di substrato ceramico congelato per il processo di formatura a spruzzo , Univ. Bath, Regno Unito, Ph.D. Tesi, 1998
- S. Deville, "Congelamento dei colloidi: osservazioni, principi, controllo e utilizzo". Springer, 2017
link esterno
- Un sito Web con un ampio set di dati, che consente la creazione di grafici [10]