Die Wissenschaft hinter Keramikschäumen. Wie werden sie hergestellt?

Schaumkeramik nimmt in der Materialwissenschaft und ihren Weiterentwicklungen eine besondere Stellung ein. Die geringe Dichte, Porosität und hervorragenden Isolationseigenschaften des Materials machen sie für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich. Der folgende Artikel behandelt die verschiedenen Aspekte und beschreibt verschiedene mögliche Methoden der Schaumkeramik. Keramikherstellung.

Was macht Keramik- und Metallschäume berühmt?

Schäume, sei es Keramik oder Metallschäume werden durch das Füllen von Gas in die Poren eines Grundmaterials hergestellt. Die Poren können entweder versiegelt bzw. geschlossen oder miteinander verbunden und offen sein. Die Eigenschaften eines Schaums werden vor allem durch die Porengröße bestimmt. In der Regel beträgt die Porengröße bzw. der Hohlraum des Grundmaterials 75–90 %.

Aluminiumschäume vs. Keramikschäume: Ein Vergleich

Aluminiumschäume

Metallschaum ist, vereinfacht ausgedrückt, ein Metall, das mit porösen Gasräumen gefüllt ist, die einen großen Teil seines Volumens ausmachen. Hochwertige Metallschäume werden in der Regel aus Aluminium als Basismetall hergestellt. Aluminium Metallschaum besteht aus Aluminium, wobei durch Gas im heißen Metall Poren erzeugt werden. Ein Gas oder ein Dispersionsmittel kann verwendet werden, um Poren im geschmolzenen Aluminium zu erzeugen.

Die Struktur der Aluminium-Metallschaum hat miteinander verbundene Aluminiumfasern, die grundsätzlich von zwei Arten sind. Die beiden Arten von Aluminium-Metallschaum sind offenzellige Art von Aluminiumschaum oder geschlossenzelliger Typ. Der Hauptnutzen der Schäume liegt darin, dass diese Aluminiumschäume hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften veränderbar bleiben. Die große Oberfläche, die unterschiedliche Morphologie und das geringe Gewicht sind die attraktiven Merkmale von Aluminiumschäume.

Eigenschaften von Aluminiumschäumen

• Aluminiumschäume bleiben im Allgemeinen flammenresistent

• Der Aluminiumschaum hat eine Größe im Bereich von 2-11 mm in jeder Zelle und eine Porosität von etwa 70 – 90%

• Die Abmessungen des Schaums können je nach Anwendung variiert werden und bieten eine Festigkeit von 44 MPa

• Der Aluminium-Metallschaum hat einen Widerstand, der etwa 100-mal oder mehr höher ist als bei normalem Aluminiummetall.

Anwendung von Aluminiumschäumen

• Die Sicherheit im Automobilbereich wird von Tag zu Tag immer wichtiger und setzt auf leichte Materialien, um Aluminiumschaum.

• Die Schallabsorption von Aluminiumschaum ist ein optimales Additivmaterial für die Automobilherstellung

• Aluminiumschäume sind von Natur aus leicht und finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrtbranche.

• Aluminiumschäume eignen sich am besten für die Designerbranche, da es in Kombination mit Holz als gutes Rahmenmaterial fungiert.

Wie wird Metallschaum hergestellt?

Die beliebte Methode zur Herstellung Aluminiumschaum oder Metallschäume ist die Methode der Lufteinblasung. Der erste Schritt umfasst die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs aus Aluminium- und Magnesiumoxiden oder Siliziumkarbid. Sobald die Schmelze gebildet ist, wird Luft, Stickstoff oder Argon durch Düsen oder Impeller eingeblasen, um eine gleichmäßige Verteilung in der Mischung zu gewährleisten.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Metallschäumen ist die Verwendung eines Treibmittels. Durch die wärmebedingte Zersetzung setzt das Treibmittel Gase frei und erzeugt Hohlräume. Industriell genutzt wird auch eine andere Methode der eutektischen Festgasbildung, um in Gegenwart von Wasserstoff Schaum zu erzeugen. Bei dieser Herstellung liegen die Porengrößen zwischen 10 Mikrometern und 10 mm.

Keramikschäume

Keramikschaum ist aufgrund seiner Zellstruktur ein fester Bestandteil der Materialherstellung. Die einfache Herstellung erfolgt durch die Verwendung von Polymeren mit Keramikschlicker. Der Körper behält die Keramikstruktur bei, wobei die hohe Temperaturbeständigkeit und die isolierenden Eigenschaften zusätzliche Vorteile bieten. Keramikschaum findet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise zur Wärmedämmung, Schalldämmung und für verschiedene energieintensive Anwendungen.

Eigenschaften von Keramikschäumen

Keramikschäume bestehen im Allgemeinen aus porösen Zellstrukturen. Die dreidimensionale Netzwerkstruktur ist hingegen spröde und weist sichtbare Hohlräume auf. Die Hohlräume in den Zellen sind linear und werden üblicherweise in Millimetern bis Mikrometern gemessen. Poröse Keramikschäume sind hart, wobei die Hohlräume bis zu 95–96 % mit Luft oder Gas gefüllt sind.

Es gibt verschiedene Arten von Keramikschäumen aus Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titandioxid und Kieselsäure. Keramikschäume sind für ihr geringes Gewicht bekannt. Sie weisen eine gute Durchlässigkeit für ausgewählte Objekte auf. Die Druckfestigkeit von Keramikschäumen ist überlegen.

Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich diese Keramikschäume gut für die spanende Bearbeitung.

Anwendung von Keramikschäumen

• Die Mikrostrukturen der Keramikindustrie sind in der Elektronikindustrie von Nutzen. Sie werden bei der Herstellung von Batterien, Elektroden usw. eingesetzt.

• Die isolierenden Eigenschaften von Keramik sorgen für eine gute Hitzebeständigkeit. Sie können als Strukturmaterialien in der Isolierung eingesetzt werden und erfüllen sowohl die Funktion der Isolierung als auch der Festigkeit.

• Keramikschäume können zur Schadstoffbekämpfung eingesetzt werden. Ihre Durchlässigkeit macht sie zu einem wirksamen Mittel zur Schadstoffbekämpfung. Die Keramikschäume bieten Katalysatoren eine Oberfläche zur Oxidation der eingefangenen Partikel.

• Aufgrund ihrer Biokompatibilität werden Keramikschäume auch zur Unterstützung stützender Strukturen im menschlichen Körper verwendet.

Keramikherstellungsverfahren

Nachfolgend sind einige der gängigen Verfahren zur Herstellung von Keramikschäumen aufgeführt:

Direktschaumverfahren

Der Prozess beginnt mit der Herstellung einer Keramikschlickersuspension und anschließendem Aufschäumen. Nach Abschluss der Polymerisation wird die Form entfernt, der entstandene Schaum getrocknet und anschließend gesintert. Dieser Prozess erzeugt stabilere Hohlräume, die einer höheren Zerspanung standhalten.

Der Prozess wird durch ein Treibmittel unterstützt, das beim Einmischen in den Keramikschlicker den Schaum auslöst, ihn anschließend stabilisiert und anschließend verfestigt. Die Keramikherstellung auf Basis von Direktschaum gilt als einfach und zuverlässig und trägt zur Kontrolle der Porosität bei. Die Stabilisierung erfolgt in der Regel nach sorgfältiger Prüfung der Additive.

Anwendung und Vorteile

• Es wird im Allgemeinen in der metallurgischen Industrie eingesetzt, wo die Porosität eine entscheidende Rolle spielt

• Solche Schäume werden zur Isolierung verwendet

Gelgussmethode

Wenn Homogenität und höhere Festigkeit gewünscht sind, ist Gelgießen die beste Methode für KeramikherstellungDer Prozess ist einfach und beginnt mit der Mischung einer kolloidalen Suspension mit einem wasserlöslichen Monomer und einem Treibmittel. Nach der Polymerisation geliert der Schaum. Das Gelgießen erzeugt starke und starre Keramikschäume.

Anwendung und Vorteile

• Es wird zur Herstellung von Filtern oder langlebigen Membranen in der chemischen Industrie verwendet

• Biomedizinische Bereiche für Implantate und unterstützende Superstrukturen

• Der Prozess gewährleistet eine Porositätskontrolle und ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit.

Replikationstechnik

Die Replikationsmethode beinhaltet die Methode der Keramikherstellung Dabei wird ein Keramikschlicker auf einen Schaum aufgetragen. Der Polymerschaum wird anschließend durch Sintern abgebrannt. Dadurch entsteht ein Keramikschaum, der ursprünglich einem Polymerschaum ähnelt. Die durch die Replikationstechnologie hergestellten Keramikschäume weisen eine höhere Durchlässigkeit und eine geringere Festigkeit auf.

Anwendung und Vorteile

• Es wird zur Herstellung komplexer Geometrien wie Knochenimplantaten im biomedizinischen Bereich verwendet

• Die Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet aufgrund ihres geringen Gewichts im Allgemeinen Keramik, die im Replikatverfahren hergestellt wird.

• Durch die sorgfältige Berücksichtigung des Prozesses wird sichergestellt, dass in der wesentlichen Geometrie des Materials keine Hohlraumdefekte vorhanden sind.

Der Prozess der Stärkekonsolidierung

Die Stärkekonsolidierungsmethode von Keramikherstellung ist im Allgemeinen günstig und ungiftig. Es ist umweltfreundlich und verwendet eine Brenntemperatur von etwa 300–600 °C. Die Temperatur stellt sicher, dass bei der Bildung des Keramikschaums keine Defekte entstehen.

Das Geliermittel, beispielsweise Lebensmittelstärke, wird dem Keramikpulver zugesetzt und anschließend mit destilliertem Wasser vermischt. Die Mischung wird anschließend gerührt, gegossen, koaguliert und schließlich getrocknet. Nach dem Trocknen wird das entstandene Material bei höheren Temperaturen gesintert, wodurch sich Keramikschaum bildet.

Anwendung und Vorteile

• Stellt sicher, dass keine Hohlraumdefekte auftreten

• Umweltfreundliche Methode der Keramikherstellung

Emulsionsmethode

Bei der Emulsionsmethode werden, wie der Name schon sagt, Emulsionen verwendet, um Keramikherstellung zur Schaumbildung. Die Keramikpartikel werden in einer Mischung aus zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten suspendiert. Sobald die Emulsion gebildet und stabilisiert ist, wird die andere Flüssigkeitsphase durch Verdampfung oder Verbrennung entfernt.

Anwendung und Vorteile

• Die Emulsionstechnik gewährleistet eine gute Filtereffizienz und ist daher in Filtersystemen weit verbreitet

• Sie dienen zur Herstellung poröser Dämmstoffe und bieten ein geringes Gewicht.

• Obwohl die Technik eine gute Porengröße und gleichmäßige Verteilung gewährleistet, ist die Anwendung der Technik aufgrund der entscheidenden Herstellungsmethode schwieriger.

Sol-Gel-Methode

Die Sol-Gel-Methode ist, wie der Name schon sagt, die Umwandlung einer Lösung in eine keramische Struktur, wobei die chemischen Bedingungen im Schritt kontrolliert werden. Bei der Sol-Gel-Methode von Keramikherstellung Die Porosität wird präzise kontrolliert, ohne die wesentliche Festigkeit des Materials zu beeinträchtigen.

Anwendung und Vorteile

• Das Verfahren wird allgemein bei der Herstellung von Filmen, Beschichtungen, Sensoren usw. eingesetzt.

• Es entsteht hochreiner Schaum

Abschluss

Der Artikel behandelte die Details der Schäume, verschiedene Schaumarten und die allgemeinen Techniken der Keramikschaumherstellung. Bei Keramikschäumen spielt die Kontrolle der Eigenschaften eine entscheidende Rolle. Die verschiedenen Herstellungsverfahren gewährleisten, dass die für die jeweilige Anwendung optimalen Eigenschaften erzielt werden.