العلم وراء رغوات السيراميك. كيف تُصنع؟

تحتل سيراميك الرغوة مكانة خاصة في مجال علوم المواد وتطوراتها. فكثافتها المنخفضة ومساميتها وخصائصها العازلة الممتازة تجعلها مفيدة في تطبيقات متنوعة. يغطي المقال المكتوب أدناه الجوانب المختلفة ويوضح مختلف الطرق الممكنة لإنتاج الرغوة. تصنيع السيراميك.

ما الذي يجعل الرغوة الخزفية والمعدنية مشهورة؟

الرغوة سواء كانت سيراميكية أو رغاوي معدنية تُصنع من غاز التعبئة في مسام مادة أساسية. يمكن أن تكون المسامات إما مغلقة أو مُحكمة الإغلاق، أو متصلة ببعضها وتُترك مفتوحة. العامل الرئيسي الذي يُميز الرغوة هو اتساع المسام. عادةً، يتراوح حجم المسام أو الفراغات بين 75 و90 بوصة مكعبة من المادة الأساسية.

رغوة الألومنيوم مقابل رغوة السيراميك: مقارنة

رغاوي الألومنيوم

الرغوة المعدنية، ببساطة، هي معدن مملوء بمساحات غازية مسامية تُشكل جزءًا كبيرًا من حجمها. تُصنع الرغوات المعدنية عالية الجودة عادةً باستخدام الألومنيوم كمعدن أساسي. رغوة معدنية مصنوع من الألومنيوم، حيث تُنشأ مسامٌ بفعل الغاز في المعدن الساخن. يمكن استخدام غاز أو مُشتِّت لإنشاء مسامٍّ في الألومنيوم المنصهر.

هيكل رغوة معدنية من الألومنيوم يحتوي على ألياف ألومنيوم مترابطة، وهي في الأساس من نوعين. النوعان من رغوة معدنية من الألومنيوم هي نوع من الخلايا المفتوحة رغوة الألومنيوم أو نوع الخلية المغلقة. الاستخدام الرئيسي لهذه الرغوات هو أن رغاوي الألومنيوم هذه تبقى قابلة للتغيير وفقًا للخصائص المناسبة المطلوبة. مساحة السطح الكبيرة، والشكل المختلف، وخفة الوزن هي الميزات الجذابة لها. رغاوي الألومنيوم.

خصائص رغاوي الألومنيوم

• رغاوي الألومنيوم تبقى عمومًا خاملة تجاه النيران

• ال رغوة الألومنيوم حجمه يتراوح بين 2- 11 ملم في كل خلية ومساميته حوالي 70-90%

• يمكن تغيير أبعاد الرغوة حسب التطبيقات وتوفر قوة تصل إلى 44 ميجا باسكال

• ال رغوة معدنية من الألومنيوم تتمتع بمقاومة أكبر من المعدن الألومنيوم العادي والتي تصل إلى حوالي 100 مرة أو أكثر.

استخدامات رغوات الألومنيوم

• أصبحت سلامة السيارات تحظى بشعبية كبيرة يومًا بعد يوم بالاعتماد على المواد خفيفة الوزن رغوة الألومنيوم.

• امتصاص الصوت رغوة الألومنيوم يُعد أفضل مادة مضافة في تصنيع السيارات

• رغاوي الألومنيوم تتميز هذه المواد بوزنها الخفيف وتجد تطبيقها في قطاع الطيران والفضاء.

• رغاوي الألومنيوم تعتبر الأفضل في صناعة التصميم لأنها تعمل كمواد إعداد جيدة عند دمجها مع الخشب.

كيف يتم تصنيع الرغوة المعدنية؟

الطريقة الشائعة لإنتاج رغوة الألومنيوم أو الرغوة المعدنية هي طريقة حقن الهواء. تتضمن الخطوة الأولى تحضير مركب مصفوفة معدنية باستخدام أكاسيد الألومنيوم والمغنيسيوم أو كربيد السيليكون. بعد تكوّن المصهور، يُحقن الهواء أو النيتروجين أو الأرجون عبر فوهة أو مراوح لضمان توزيع متساوٍ في الخليط.

الطريقة الأخرى لتصنيع الرغوات المعدنية هي استخدام عامل نفخ. يؤدي التحلل الحراري إلى إطلاق غازات من عامل النفخ وتكوين فراغات. كما تستخدم الصناعات طريقة أخرى لتكوين غازات صلبة يوتكتيكية لتحفيز الرغوة بوجود الهيدروجين. في هذه الصناعة، تتراوح المسام بين 10 ميكرومتر و10 مم.

الرغوة الخزفية

بفضل بنيتها الخلوية، تُعدّ الرغوة الخزفية جزءًا لا يتجزأ من تصنيع المواد. يتضمن التصنيع البسيط استخدام البوليمرات مع عجينة السيراميك. يحتفظ الهيكل بالسيراميك في بنيته، حيث تُضفي عليه درجة الحرارة العالية وخاصية العزل فائدة إضافية. تُستخدم الرغوة الخزفية في تطبيقات متنوعة، مثل العزل الحراري والصوتي، بالإضافة إلى تطبيقات أخرى كثيفة الاستهلاك للطاقة.

خصائص الرغوة السيراميكية

تتكون الرغوات الخزفية عادةً من هياكل خلوية مسامية. من ناحية أخرى، يكون هيكل الشبكة ثلاثي الأبعاد هشًا، وتظهر فيه فراغات أو فراغات مرئية. تكون الفراغات في الخلايا خطية الأبعاد، وتُقاس عادةً بالملليمتر إلى الميكرومتر. مع ذلك، تتميز الرغوات الخزفية المسامية بصلابة عالية، حيث يملأ الهواء أو الغاز الفراغات حتى 95-96%.

تتوفر أنواع مختلفة من الرغوات الخزفية المصنوعة من كربيد السيليكون، والألومينا، والزركونيا، والتيتانيا، والسيليكا. تتميز الرغوات الخزفية بخفة وزنها، ونفاذيتها الجيدة لبعض المواد. كما تتميز بقوة ضغط فائقة.

إن الخاصية الفريدة التي تتمتع بها هذه الرغوات الخزفية تجعلها خيارًا جيدًا لتطبيقات التصنيع.

استخدامات الرغوة الخزفية

• استُخدمت البنى الدقيقة لصناعة السيراميك في الصناعات الإلكترونية، إذ تُستخدم في إنتاج مكونات البطاريات والأقطاب الكهربائية وغيرها.

• تُستخدم خصائص العزل الخزفية لتوفير مقاومة جيدة للحرارة. ويمكن استخدامها كمواد بناء عازلة لتوفير وظيفة مزدوجة: العزل والمتانة.

• يمكن استخدام الرغوات الخزفية لمكافحة التلوث. نفاذيتها تجعلها أداة فعّالة في مكافحة التلوث. توفر الرغوات الخزفية مساحة سطحية للمحفزات لأكسدة الجسيمات الملتقطة.

• تُستخدم الرغوة الخزفية أيضًا للمساعدة في دعم الهياكل الداعمة في جسم الإنسان نظرًا لتوافقها الحيوي.

طرق تصنيع السيراميك

فيما يلي بعض الطرق الشائعة لتصنيع الرغوة الخزفية للرجوع إليها:

عملية الرغوة المباشرة

تبدأ العملية بتحضير معلق من عجينة السيراميك، يليه تكوين رغوة. بعد اكتمال عملية البلمرة، يُزال القالب وتُجفف الرغوة المُكوّنة، ثم تُلبّد. تُنتج هذه العملية فجوات أقوى تتحمل عمليات تشغيل أكثر تعقيدًا.

تُسهّل هذه العملية عامل رغوي يُكوّن الرغوة عند خلطها بالطين الخزفي، ثم يُثبّت ويصلب. يُعرف تصنيع السيراميك القائم على الرغوة المباشرة ببساطته وموثوقيته، وهو مفيد للتحكم في المسامية. عادةً ما يتم التثبيت بعد فحص المواد المضافة جيدًا.

التطبيقات والمزايا

• يتم استخدامه بشكل عام في الصناعة المعدنية حيث تلعب المسامية دورًا حاسمًا

• يتم استخدام هذه الرغوات للعزل

طريقة صب الجل

عندما يتم تفضيل التجانس والقوة العالية، فإن صب الجل هو الطريقة الأفضل لـ تصنيع السيراميكالعملية بسيطة، وتبدأ بخلط مُعلّق غرواني مع مونومر قابل للذوبان في الماء وعامل رغوي. بعد البلمرة، تتبلور الرغوة. يُنتج صبّ الهلام رغوة خزفية قوية وصلبة.

التطبيقات والمزايا

• يتم استخدامه لإنتاج المرشحات أو الأغشية المتينة في الصناعات الكيميائية

• المجالات الطبية الحيوية للغرسات والهياكل الفوقية الداعمة

• وتضمن هذه العملية التحكم في المسامية ودرجة عالية من التوحيد.

تقنية التكرار

تتضمن طريقة التكرار طريقة تصنيع السيراميك حيث تُطلى رغوةٌ بطبقةٍ من عجينة السيراميك. تُحرق الرغوة البوليمرية لاحقًا من خلال عملية التلبيد. يُنتج عن ذلك رغوةٌ سيراميكيةٌ تُشبه في مظهرها رغوةً بوليمريةً في الأصل. تتميز الرغوات السيراميكية المُنتَجة بتقنية التكرار بنفاذيةٍ أعلى ومتانةٍ أقل.

التطبيقات والمزايا

• يتم استخدامه لإنتاج أشكال هندسية معقدة مثل غرسات العظام في المجال الطبي الحيوي

• تستخدم صناعات السيارات والطيران عمومًا السيراميك المُصنّع بطريقة النسخ نظرًا لخفة وزنه

• إن الاعتبارات الدقيقة في العملية تضمن عدم وجود عيوب فراغية سائدة في الهندسة الأساسية للمادة.

عملية توحيد النشا

طريقة توحيد النشا تصنيع السيراميك عادةً ما يكون رخيصًا وغير سام. وهو صديق للبيئة، ويستخدم درجة حرارة تتراوح بين 300 و600 درجة مئوية للاحتراق. تضمن هذه الحرارة عدم ظهور أي عيوب أثناء تكوين الرغوة الخزفية.

يُضاف عامل التبلور، مثل النشا الغذائي، إلى مسحوق السيراميك، ثم يُخلط بالماء المقطر. يخضع الخليط بعد ذلك لعمليات مثل التحريك، والصب، والتخثر، وأخيرًا التجفيف. بعد التجفيف، يُغطى المنتج المُكوّن بدرجة حرارة أعلى، مما يؤدي إلى تكوين رغوة السيراميك.

التطبيقات والمزايا

• يضمن عدم وجود عيوب الفراغ

• طريقة صديقة للبيئة لتصنيع السيراميك

طريقة المستحلب

في طريقة المستحلب، كما يوحي الاسم، تُستخدم المستحلبات للقيام بما يلي: تصنيع السيراميك لتكوين الرغوة. تُصنع جزيئات السيراميك لتعلق في خليط من سائلين غير قابلين للامتزاج. بعد تكوين المستحلب وتثبيته، يُزال الطور السائل الآخر إما بالتبخير أو الاحتراق.

التطبيقات والمزايا

• تضمن تقنية المستحلب توفير كفاءة ترشيح جيدة وبالتالي يتم الاعتراف بها على نطاق واسع في أنظمة الترشيح

• يتم استخدامها في تصنيع المواد العازلة المسامية وتتميز بخفة الوزن.

• على الرغم من أن التقنية تضمن حجمًا جيدًا للمسام وتوزيعًا موحدًا، إلا أن أهمية طريقة التصنيع تجعل التقنية أكثر صعوبة في الاستخدام.

طريقة سول جل

طريقة الجل المحلول، كما يوحي اسمها، هي تحويل المحلول إلى بنية سيراميكية مع التحكم في الظروف الكيميائية في الخطوة. في طريقة الجل المحلول، تصنيع السيراميك يتم التحكم في المسامية بشكل معقد دون المساس بالقوة الأساسية للمادة.

التطبيقات والمزايا

• تُستخدم هذه الطريقة عمومًا في تصنيع الأفلام والطلاءات وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك.

• يتم إنتاج رغوة عالية النقاء

خاتمة

تناولت المقالة تفصيل الرغوة، وأنواعها المختلفة، والتقنيات العالمية لتصنيعها. وتلعب مراقبة الخصائص دورًا حاسمًا في رغوات السيراميك. وتضمن طرق التصنيع المختلفة تحقيق الخصائص الملائمة لتسهيل الاستخدام.