Замораживание - Freeze-casting - Wikipedia

Частично спеченный оксид алюминия Freeze-Cast. Направление замораживания изображения - вверх.

Замораживание, также часто называемый ледяной шаблон, это техника, которая использует очень анизотропный поведение отверждения растворителя (как правило, воды) в хорошо диспергированной суспензии до контролируемого темплата пористого керамика.^[1][2][3][4] При воздействии на водную суспензию направленного температурного градиента кристаллы льда зарождаются на одной стороне суспензии и растут по температурному градиенту. Кристаллы льда будут перераспределять взвешенные керамические частицы по мере их роста в суспензии, эффективно моделируя керамику.

По окончании затвердевания замороженную керамическую керамику помещают в сублимационную сушилку для удаления кристаллов льда. Полученное зеленое тело содержит анизотропные макропоры в реплике сублимированных кристаллов льда и микропоры между керамическими частицами в стенах. Эта структура часто спеченный для уплотнения стенок из твердых частиц и обеспечения прочности пористого материала. Пористость, оставшаяся при сублимации кристаллов растворителя, обычно составляет 2–200 мкм.

Обзор

Первое наблюдение клеточных структур, образовавшихся в результате замерзания воды, датируется более чем столетием.^[5] но первый зарегистрированный случай литья замораживанием в современном понимании был в 1954 году, когда Максвелл и др.^[6] пытался сфабриковать турбокомпрессор лезвия из огнеупорный порошки. Заморозили очень толстые листы карбид титана, производя отливки почти чистой формы, которые было легко спекать и машина. Однако целью этой работы было изготовление плотной керамики. Только в 2001 году, когда Фукасава и др.^[7] создали направленно-пористые отливки из глинозема, поэтому идея использования литья вымораживанием как средства создания новых пористых структур действительно прижилась. С того времени исследования значительно расширились, и за последнее десятилетие были опубликованы сотни статей.^[8]

Принципы литья замораживанием применимы к широкому диапазону комбинаций частиц и суспензионных сред. Вода является наиболее часто используемой суспензионной средой, и сублимационная сушка легко способствует стадии сублимации, которая необходима для успеха процессов литья вымораживанием. Благодаря высокому уровню контроля и широкому диапазону возможных пористых микроструктур, которые могут быть получены при литье замораживанием, этот метод был принят в разных областях, таких как тканевые каркасы,[9], Биоматериалы методом литья замораживанием ^[9] фотоника,^[10] металл-матричные композиты,^[11] стоматология,^[12] материаловедение,^[13][14][15] и даже наука о еде ^[16]

Есть три возможных конечных результата однонаправленного замораживания приостановка частиц. Во-первых, рост льда происходит как плоский фронт, выталкивая частицы вперед, как бульдозер толкает груду камней. Этот сценарий обычно происходит при очень низких скоростях затвердевания (<1 мкм с⁻¹) или с очень мелкими частицами, потому что они могут перемещаться Броуновское движение подальше от фронта. Полученная структура не содержит макропористости. Если увеличить скорость затвердевания, размер частиц или нагрузку твердого тела умеренно, частицы начнут значимым образом взаимодействовать с приближающимся фронтом льда. В результате обычно получается пластинчатый или ячеистой шаблонной структуры, точная морфология которой зависит от конкретных условий системы. Именно этот тип затвердевания предназначен для пористых материалов, полученных методом литья под давлением. Третья возможность для литой замороженной структуры возникает, когда частицам не дается достаточно времени, чтобы отделиться от приостановка, что приводит к полному заключению частиц в ледяной фронт. Это происходит, когда скорость замораживания высока, размер частиц становится достаточно большим или когда содержание твердых частиц достаточно велико, чтобы препятствовать движению частиц.^[4]Для обеспечения шаблонности частицы должны быть выброшены с встречного фронта. С энергетической точки зрения это произойдет, если произойдет общее увеличение свободная энергия если бы частица была поглощена (Δσ> 0).

Чтобы литье замораживанием давало ровные поры, твердые частицы должны отводиться фронтом затвердевания. В противном случае не было бы образования льда, поскольку частицы будут равномерно распределены по замороженной системе. В зависимости от скорости фронта замерзания, размера частиц и загрузки твердых частиц существует три возможных морфологических результата: (а) плоский фронт, когда все частицы выталкиваются впереди льда, (б) пластинчатый / ячеистый фронт, где частицы шаблона кристаллов льда или ( в) частицы поглощаются без упорядочения. ^[17]

${\displaystyle \Delta \sigma =\sigma _{ps}-(\sigma _{pl}+\sigma _{sl})}$

куда Δσ - изменение свободной энергии частицы, σ_пс это поверхностный потенциал между частицей и границей раздела, σ_pl - потенциал между частицей и жидкой фазой, а σ_сл - поверхностный потенциал между твердой и жидкой фазами. Это выражение справедливо при малых скоростях затвердевания, когда система лишь незначительно смещается из положения равновесия. При высоких скоростях затвердевания кинетика также следует принимать во внимание. Между фронтом и частицей будет жидкая пленка для поддержания постоянного транспорта молекул, которые встраиваются в растущий кристалл. При увеличении скорости фронта эта толщина пленки (г) уменьшится из-за увеличения сил сопротивления. Критическая скорость (v_c) происходит, когда толщина пленки становится недостаточной для обеспечения необходимого количества молекул. На этой скорости частица будет поглощена. Большинство авторов выражают v_c в зависимости от размера частиц, где ${\displaystyle v_{c}\propto {\tfrac {1}{R}}}$. Переход от пористой R (ламеллярной) морфологии к морфологии, в которой захвачено большинство частиц, происходит при v_c, который обычно определяется как:^[3]

${\displaystyle v_{c}={\frac {\Delta \sigma d}{3\eta R}}\left({\frac {a_{0}}{d}}\right)^{z}}$

куда а₀ - среднее межмолекулярное расстояние молекулы, которая замерзает в жидкости, d - общая толщина жидкой пленки, η это решение вязкость, р - радиус частицы и z - показатель степени, который может варьироваться от 1 до 5.^[18] Как и ожидалось, мы видим, что v_c уменьшается как радиус частицы р Продолжается.

Схема частицы в жидкой фазе, взаимодействующей с приближающимся фронтом затвердевания.

Waschkies et al.^[19] изучили структуру от разбавленных до концентрированных литейных форм от низких (<1 мкм с⁻¹) до чрезвычайно высоких (> 700 мкм с⁻¹) скорости затвердевания. На основе этого исследования они смогли создать морфологические карты для литых конструкций, изготовленных в различных условиях. Подобные карты отлично подходят для отображения общих тенденций, но они довольно специфичны для системы материалов, из которой они были получены. Для большинства применений, где после замораживания будут использоваться отливки методом замораживания, необходимы связующие для обеспечения прочности в сыром состоянии. Добавление связующего может значительно изменить химический состав в замороженной среде, понижая температуру замерзания и затрудняя движение частиц, что приводит к улавливанию частиц на скоростях, намного ниже прогнозируемых. v_c.^[19] Предполагая, однако, что мы работаем на скоростях ниже v_c а над теми, которые образуют плоский фронт, мы получим некоторую ячеистую структуру как с кристаллами льда, так и со стенками, состоящими из упакованных керамических частиц. Морфология этой структуры связана с некоторыми переменными, но наиболее важным является градиент температуры как функция времени и расстояния вдоль направления замерзания.

У литых замороженных структур есть по крайней мере три очевидных морфологических участка.^[20] На стороне, где начинается замерзание, находится почти изотропная область без видимых макропор, названная начальной зоной (IZ). Сразу после IZ находится переходная зона (TZ), где макропоры начинают формироваться и выравниваться друг с другом. Поры в этой области могут выглядеть произвольно ориентированными. Третья зона называется зоной устойчивого состояния (SSZ), макропоры в этой области выровнены друг с другом и регулярно растут. Внутри SSZ структура определяется значением λ, которое представляет собой среднюю толщину керамической стенки и прилегающих к ней макропор.

Начальная зона: механизмы зарождения и роста

Хотя способность льда задерживать взвешенные частицы в процессе роста известна давно, этот механизм остается предметом некоторых дискуссий. Первоначально считалось, что в моменты сразу после зарождение Из кристаллов льда частицы отклоняются от растущего плоского фронта льда, что приводит к образованию конституционально переохлажденной зоны непосредственно перед растущим льдом. Эта нестабильная область в конечном итоге приводит к возмущениям, разрывающим плоский фронт на столбчатый ледяной фронт, явление, более известное как неустойчивость Маллинза-Серкерки. После разрушения кристаллы льда растут по температурному градиенту, выталкивая керамические частицы из жидкой фазы в сторону, так что они накапливаются между растущими кристаллами льда. Однако недавняя рентгеновская радиография на месте направленно замороженных суспензий оксида алюминия выявила другой механизм.^[21]

Переходная зона: изменяющаяся микроструктура

По мере того, как затвердевание замедляется и кинетика роста становится ограничивающей скорость, кристаллы льда начинают исключать частицы, перераспределяя их в суспензии. Между двумя популяциями кристаллов развивается процесс конкурентного роста: базальные плоскости согласовано с температурный градиент (z-кристаллы) и произвольно ориентированные (r-кристаллы), вызывающие начало TZ.^[20][22][23]

По всей суспензии растут колонии кристаллов льда, выровненных таким же образом. Есть в порядке ламели выровненных z-кристаллов, растущих с их базисными плоскостями, выровненными с градиентом температуры. В этом поперечном сечении r-кристаллы выглядят как пластинки, но на самом деле они больше всего похожи на столбчатые. дендритный кристаллы огранки по косой. В переходной зоне r-кристаллы либо перестают расти, либо превращаются в z-кристаллы, которые в конечном итоге становятся преобладающей ориентацией и приводят к стационарному росту. Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, во время замораживания растущие кристаллы имеют тенденцию выравниваться по температурному градиенту, поскольку это конфигурация с наименьшей энергией и термодинамически предпочтительна. Однако согласованный рост может означать две разные вещи. Предполагая, что градиент температуры вертикальный, растущий кристалл будет либо параллелен (z-кристалл), либо перпендикулярен (r-кристалл) этому градиенту. Кристалл, который лежит горизонтально, все еще может расти в соответствии с температурным градиентом, но это будет означать рост на его лицевой стороне, а не на краю. Поскольку теплопроводность льда настолько мала (1,6 - 2,4 Вт мК⁻¹) по сравнению с большинством других керамических изделий (например, Al₂О₃= 40 Вт мК⁻¹), растущий лед будет иметь значительный изолирующий эффект на локальные тепловые условия в суспензии. Это можно проиллюстрировать с помощью простых резисторных элементов.^[20][24]

Показывает термическое сопротивление двух крайних случаев кристаллографического совмещения.

Когда кристаллы льда выровнены своими базовыми плоскостями, параллельными градиенту температуры (z-кристаллы), они могут быть представлены как два параллельных резистора. Однако тепловое сопротивление керамики значительно меньше, чем у льда, поэтому кажущееся сопротивление можно выразить как меньшее сопротивление R_{керамика}. Если кристаллы льда выровнены перпендикулярно градиенту температуры (r-кристаллы), их можно аппроксимировать как два последовательно соединенных резисторных элемента. В этом случае R_лед является ограничивающим и будет определять локальные тепловые условия. Более низкое тепловое сопротивление для корпуса z-кристалла приводит к более низким температурам и большему тепловому потоку на концах растущих кристаллов, стимулируя дальнейший рост в этом направлении, в то же время большое R_лед значение препятствует росту r-кристаллов. Каждый кристалл льда, растущий в суспензии, будет представлять собой комбинацию этих двух сценариев. Термодинамика диктует, что все кристаллы будут стремиться выровняться с предпочтительным температурным градиентом, заставляя r-кристаллы в конечном итоге уступить место z-кристаллам, что можно увидеть из следующего рентгенограммы взяты в пределах ТЗ.^[25]

Когда z-кристаллы становятся единственной имеющейся существенной ориентацией кристаллов, ледяной фронт растет в стационарном режиме, за исключением того, что никаких существенных изменений в условиях системы не происходит. В 2012 году было замечено, что в начальные моменты замерзания существуют дендритные r-кристаллы, которые растут в 5-15 раз быстрее, чем фронт затвердевания. Они попадают в подвеску перед главным фронтом льда и частично тают обратно.^[26] Эти кристаллы перестают расти в точке, где TZ в конечном итоге полностью переходит в SSZ. Исследователи определили, что именно эта точка отмечает положение, в котором суспензия находится в равновесном состоянии (т.е. температура замерзания и температура суспензии равны).^[26] Таким образом, можно сказать, что размер начальной и переходной зон определяется степенью переохлаждения сверх и без того низкой температуры замерзания. Если установка для литья замораживанием регулируется таким образом, чтобы зародышеобразование благоприятствовало только небольшому переохлаждению, то TZ уступит место SSZ раньше.^[26]

Зона устойчивого роста

Показывает различные термические профили и их влияние на последующую микроструктуру литейных форм.

Структура в этой последней области содержит длинные выровненные ламели, которые чередуются между кристаллами льда и керамическими стенками.^[4][20][24] Чем быстрее замораживается образец, тем мельче будут кристаллы его растворителя (и его возможная макропористость). В пределах SSZ нормальные скорости, которые можно использовать для коллоидных шаблонов, составляют 10-100 мм / с.^{−1 [22]} приводящие к кристаллам растворителя, обычно размером от 2 до 200 мм. Последующая сублимация льда в SSZ дает зеленую керамическую заготовку с пористостью, почти точной копией этих кристаллов льда.^[2] Микроструктура литого замораживания в пределах SSZ определяется его длина волны (λ) которая представляет собой среднюю толщину одной керамической стенки плюс прилегающие к ней макропоры.^[3] В нескольких публикациях сообщалось о влиянии кинетики затвердевания на микроструктуру литых замороженных материалов.^[2][4][27] Было показано, что λ следует эмпирической степенной зависимости от скорости затвердевания (υ) (Уравнение 2.14):^[27]

${\displaystyle \lambda =A\nu ^{-n}}$

Обе А и υ используются в качестве подгоночных параметров, поскольку в настоящее время нет возможности вычислить их из первых принципов, хотя обычно считается, что А связан с параметрами суспензии, такими как вязкость и содержание твердых веществ ^[3][19] пока п зависит от характеристик частиц.^[28]

Контроль пористой структуры

Покадровая анимация процесса freeze-casting.

Есть две основные категории инструментов для замораживания архитектуры:

1. Химический состав системы - замораживающая среда и выбранные твердые частицы, любые дополнительные связующие, диспергаторы или добавки.
2. Условия эксплуатации - температурный профиль, атмосфера, материал формы, поверхность замерзания и т. Д.

Первоначально система материалов выбирается в зависимости от того, какая окончательная структура требуется. В этом обзоре основное внимание уделяется воде как средству замораживания, но есть и другие растворители, которые можно использовать. В частности, камфена, который представляет собой воскообразный органический растворитель при комнатной температуре. Замораживание этого раствора дает сильно разветвленные дендритные кристаллы.^[29] Однако после того, как система материалов определена, большая часть микроструктурного контроля осуществляется за счет внешних рабочих условий, таких как материал формы и температурный градиент.

Контроль размера пор

Длина волны микроструктуры (средняя поры + толщина стенки) может быть описана как функция скорости затвердевания v (λ = Av⁻ⁿ) куда А зависит от загрузки твердых частиц.^[14][30] Есть два способа контролировать размер пор. Первый заключается в изменении скорости затвердевания, которая затем изменяет длину волны микроструктуры, или может быть изменена загрузка твердых частиц. При этом изменяется соотношение размера пор к размеру стенки.^[14]Часто более разумно изменить скорость затвердевания, поскольку обычно требуется минимальная загрузка твердых частиц. Поскольку микроструктурный размер (λ) обратно пропорциональна скорости фронта замерзания, более высокие скорости приводят к более тонким структурам, а более низкие скорости создают грубую микроструктуру. Поэтому контроль скорости затвердевания имеет решающее значение для контроля микроструктуры.^{[19][30][31][32]}

Контроль формы пор

Добавки могут оказаться очень полезными и универсальными для изменения морфологии пор. Они работают, влияя на кинетику роста и микроструктуру льда в дополнение к топологии границы раздела лед-вода.^[33] Некоторые добавки действуют, изменяя фазовую диаграмму растворителя. Например, вода и NaCl есть эвтектика фазовая диаграмма. Когда NaCl добавляется в суспензию для литья замораживанием, твердая фаза льда и жидкие области разделяются зоной, в которой могут сосуществовать как твердые вещества, так и жидкости. Эта соленая область удаляется во время сублимации, но ее наличие сильно влияет на микроструктуру пористой керамики.^[33] Другие добавки работают либо путем изменения межфазной поверхностной энергии между твердым телом / жидкостью и частицей / жидкостью, изменения вязкости суспензии или степени переохлаждения в системе. Исследования были проведены с глицерин,^[34] сахароза,^[33] этиловый спирт,^[33] Кока-Кола,^[33] уксусная кислота ^[34] и больше.

Статические и динамические профили замораживания

Если используется установка для литья замораживанием с постоянной температурой по обе стороны от системы замораживания (статическое литье замораживанием), скорость затвердевания фронта в SSZ будет со временем уменьшаться из-за увеличения теплового буфера, вызванного растущим фронтом льда.^[20][24] Когда это происходит, анизотропным кристаллам льда дается больше времени для роста перпендикулярно направлению замерзания (ось c), что приводит к образованию структуры с пластинами льда, толщина которых увеличивается по длине образца.

Статические и динамические профили замораживания в установившемся режиме замораживания

Для обеспечения высокоанизотропного, но предсказуемого поведения затвердевания в SSZ предпочтительны динамические схемы замораживания.^[21][24] Используя динамическое замораживание, скорость фронта затвердевания и, следовательно, размер кристаллов льда можно контролировать с помощью изменяющегося градиента температуры. Увеличивающийся температурный градиент противодействует эффекту растущего теплового буфера, создаваемого растущим фронтом льда.^[20][24] Было показано, что линейно понижающаяся температура на одной стороне отливки замораживанием приведет к почти постоянной скорости затвердевания, давая кристаллы льда почти постоянной толщины вдоль SSZ всего образца.^[24] Однако, как указывает Waschkies et al. даже при постоянной скорости затвердевания толщина кристаллов льда немного увеличивается в процессе замерзания.^[30] В противоположность этому Flauder et al. продемонстрировали, что экспоненциальное изменение температуры на охлаждающей пластине приводит к постоянной толщине кристаллов льда во всем SSZ,^[31] что приписывалось измеримо постоянной скорости фронта льда в отдельном исследовании.^[32] Такой подход позволяет прогнозировать скорость движения фронта льда по тепловым параметрам подвески. Следовательно, если известно точное соотношение между диаметром поры и скоростью фронта льда, можно добиться точного контроля диаметра поры.

Анизотропия кинетики интерфейса

Даже если температурный градиент внутри суспензии является совершенно вертикальным, обычно можно увидеть наклон или кривизну ламелей, когда они прорастают через суспензию. Чтобы объяснить это, можно определить два различных направления роста для каждого кристалла льда.^[3] Есть направление, определяемое градиентом температуры, и направление, определяемое кристаллографически предпочтительным направлением роста. Эти углы часто расходятся друг с другом, и их баланс будет описывать наклон кристалла.

Неперекрывающиеся направления роста также помогают объяснить, почему дендритные текстуры часто наблюдаются при замораживании. Такое текстурирование обычно наблюдается только на стороне каждой ламели; направление наложенного температурного градиента. Оставленная керамическая структура показывает негативное изображение этих дендритов. В 2013 году Девиль и др.^[35] сделал наблюдение, что периодичность из этих дендриты (расстояние от наконечника до наконечника) на самом деле, по-видимому, связано с толщиной первичного кристалла.

Эффекты упаковки частиц

До сих пор основное внимание уделялось структуре самого льда; о частицах почти не думают в процессе создания шаблона, но на самом деле частицы могут играть и играют значительную роль во время литья замораживанием. Оказывается, расположение частиц также изменяется в зависимости от условий замораживания. Например, исследователи показали, что скорость замерзания оказывает заметное влияние на шероховатость стен. Более высокие скорости замораживания создают более грубые стенки, поскольку частицам не дается достаточно времени для перегруппировки.^[18][36] Это может быть полезно при разработке проницаемых газообменных мембран, где извилистость и шероховатость может препятствовать потоку газа. Также оказывается, что z- и r-кристаллы не взаимодействуют с керамическими частицами одинаково. Z-кристаллы упаковывают частицы в плоскости x-y, тогда как r-кристаллы упаковывают частицы в основном в z-направлении. R-кристаллы на самом деле упаковывают частицы более эффективно, чем z-кристаллы, и из-за этого доля площади фазы, богатой частицами (1 - доля площади кристаллов льда), изменяется по мере того, как населенность кристаллов смещается от смеси z- и r- кристаллы только в z-кристаллы. Начиная с того места, где кристаллы льда сначала начинают исключать частицы, отмечая начало переходной зоны, у нас есть большинство r-кристаллов и высокое значение для фракции фазы, богатой частицами. Мы можем предположить, что из-за высокой скорости затвердевания частицы не будут упаковываться эффективно. Однако по мере замедления скорости затвердевания доля площади фазы, богатой частицами, уменьшается, что указывает на повышение эффективности упаковки. В то же время идет процесс конкурентного роста, в котором r-кристаллы заменяются z-кристаллами. В определенной точке, приближающейся к концу переходной зоны, доля богатой частицами фазы резко возрастает, поскольку z-кристаллы менее эффективны при упаковке частиц, чем r-кристаллы. Вершина этой кривой отмечает точку, где присутствуют только z-кристаллы (SSZ). Во время стационарного роста после достижения максимальной фракции фазы, богатой частицами, эффективность упаковки увеличивается по мере достижения стационарного состояния. В 2011 году исследователи из Йельского университета решили исследовать фактическую пространственную упаковку частиц внутри стен. Используя малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS), они охарактеризовали размер, форму и расстояние между частицами номинально 32 нм. кремнезем подвески, отлитые методом замораживания с разной скоростью.^[37] Компьютерное моделирование показало, что для этой системы частицы внутри стенок не должны соприкасаться, а должны отделяться друг от друга тонкими пленками льда. Тестирование, однако, показало, что частицы действительно касались друг друга и, более того, они приобрели упакованную морфологию, которую нельзя объяснить типичными процессами равновесного уплотнения.^[37]

Морфологические нестабильности

В идеальном мире пространственная концентрация частиц в SSZ будет оставаться постоянной на протяжении всего затвердевания. Однако в действительности концентрация частиц действительно изменяется во время сжатия, и этот процесс очень чувствителен к скорости затвердевания. При низких скоростях замораживания Броуновское движение происходит, позволяя частицам легко перемещаться от границы раздела твердое тело-жидкость и поддерживать гомогенную суспензию. В этой ситуации суспензия всегда теплее затвердевшей части. При высоких скоростях затвердевания, приближающихся к VC, концентрация и градиент концентрации на границе твердое тело-жидкость возрастают, поскольку частицы не могут перераспределяться достаточно быстро. Когда он достаточно накапливается, точка замерзания суспензии оказывается ниже температурного градиента в растворе, и может возникнуть морфологическая нестабильность.^[9] Для ситуаций, когда концентрация частиц просачивается в диффузионный слой, как фактическая, так и температура замерзания опускаются ниже равновесной температуры замерзания, создавая нестабильную систему.^[22] Часто такие ситуации приводят к образованию так называемых ледяных линз.

Эти морфологические нестабильности могут захватывать частицы, предотвращая полное перераспределение и приводя к неоднородному распределению твердых частиц вдоль направления замерзания, а также к неоднородностям в керамических стенках, создавая пустоты больше, чем собственные поры в стенках пористой керамики.^[38]

Новые методы замораживания

Методы литья замораживанием и получаемые ими пластинчатые структуры ^[39]

Литье замораживанием можно применять для получения выровненной пористой структуры из различных строительных блоков, включая керамика, полимеры, биомакромолекулы,^[40] графен и углеродные нанотрубки. Пока есть частицы, которые могут быть отклонены прогрессирующим фронтом замерзания, возможна шаблонная структура. Регулируя градиенты охлаждения и распределение частиц во время литья замораживанием, используя различные физические средства, можно контролировать ориентацию ламелей в полученных конструкциях, полученных литьем замораживанием, для обеспечения улучшенных характеристик в различных применяемых материалах.^[41] Munch et al.^[33] показали, что можно управлять дальним расположением и ориентацией кристаллов перпендикулярно направлению роста, моделируя поверхность зародышеобразования. Этот метод работает, обеспечивая более низкую энергию зарождение площадки для контроля начального роста и расположения кристаллов. На ориентацию кристаллов льда также может влиять электромагнитные поля как было продемонстрировано в 2010 г. Tang et al.^[42] Используя специализированные установки, исследователи смогли создать выровненные по радиусу замораживания отливки, специально предназначенные для фильтрации или разделения газов.^[43] Вдохновленные природой, ученые также смогли использовать координирующие химические вещества и криоконсервированные вещества для создания уникальных микроструктурных архитектур. ^[34]

Замораживание литых материалов

Частицы, которые собираются в выровненные пористые материалы в процессах литья вымораживанием, часто называют строительными блоками. Поскольку литье вымораживанием стало широко распространенной техникой, диапазон используемых материалов расширился. В последние годы графен ^[44] и углеродные нанотрубки ^[45] были использованы для изготовления контролируемых пористых структур с использованием методов литья замораживанием, причем материалы часто демонстрируют выдающиеся свойства. В отличие от аэрогелевых материалов, производимых без образования льда, литые замораживанием структуры из углеродных наноматериалов имеют преимущество в том, что они обладают выровненными порами, что позволяет, например, создавать беспрецедентные комбинации низкой плотности и высокой проводимости.

Применение замороженных литых материалов

Литье замораживанием уникально своей способностью создавать выровненные пористые структуры. Такие структуры часто встречаются в природе, и, следовательно, литье замораживанием стало ценным инструментом для изготовления биомиметических структур. Транспортировка жидкостей через выровненные поры привела к использованию литья замораживанием в качестве метода для биомедицинских приложений, включая материалы для костных каркасов.^[46] Выравнивание пор в структурах, полученных литьем замораживанием, также обеспечивает чрезвычайно высокое термическое сопротивление в направлении, перпендикулярном совмещенным порам. Литье замораживания выровненные пористые волокна к прядильные процессы представляет собой перспективный метод изготовления теплоизоляционных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками.

Смотрите также

• Замораживание гелеобразования

дальнейшее чтение

• Лоттермозер, А. (1908). «Uber das Ausfrieren von Hydrosolen». Chemische Berichte. 41 (3): 532–540. Дои:10.1002 / cber.19080410398.
• Дж. Лори, Литье замораживанием: модифицированный золь-гель процесс, Университет Бата, Великобритания, доктор философии. Диссертация, 1995 г.
• М. Стэтхэм, Экономичное производство литых керамических подложек для процесса формовки распылением, Univ. Бат, Великобритания, доктор философии. Диссертация, 1998 г.
• С. Девиль, "Замораживание коллоидов: наблюдения, принципы, контроль и использование". Springer, 2017 г.

внешняя ссылка

• Веб-сайт с большим набором данных, позволяющий создавать графики [10]

Рекомендации

1. Жюльерат, Франциска Краусс (январь 2011 г.). «Микроструктурный контроль самоотверждающихся керамических пен, стабилизированных частицами». Журнал Американского керамического общества. 94 (1): 77–83. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2010.04040.x.
2. Грин, Эрик С. (20 октября 2006 г.). «Массоперенос в твердооксидных электродах топливных элементов с градиентной микроструктурой». Журнал источников энергии. 161 (1): 225–231. Bibcode:2006JPS ... 161..225G. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2006.03.063.
3. Девиль, Сильвен (апрель 2007 г.). «Ледяные пористые глиноземные структуры». Acta Materialia. 55 (6): 1965–1974. arXiv:1710.04651. Дои:10.1016 / j.actamat.2006.11.003.
4. Девиль, Сильвен (март 2008 г.). "Литье замораживанием пористой керамики: обзор текущих достижений и проблем". Передовые инженерные материалы. 10 (3): 155–169. arXiv:1710.04201. Дои:10.1002 / adem.200700270.
5. Лоттермозер, А. (октябрь – декабрь 1908 г.). "Über das Ausfrieren von Hydrosolen". Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 41 (3): 3976–3979. Дои:10.1002 / cber.19080410398.
6. Maxwell, W.A .; и другие. (9 марта 1954 г.). «Предварительное исследование метода формовки огнеупорных порошков методом« литья замораживанием »». Меморандум Национального консультативного комитета по исследованию аэронавтических коллекций. Библиотеки Университета Северного Техаса. Получено 19 мая 2016.
7. Фукасава Такаюки (2001). «Синтез пористой керамики со сложной структурой пор методом сублимационной обработки». Журнал Американского керамического общества. 84: 230–232. Дои:10.1111 / j.1151-2916.2001.tb00638.x.
8. [1], Моделирование льда, литье замораживанием: Помимо обработки материалов
9. Маллик, KK; Виннетт, Дж; van Grunsven, W; Лэпворт, Дж; Рейли, GC (2012). «Трехмерные пористые биопокрытия для регенерации костной ткани: изготовление с помощью методов адаптивной ретикуляции пены и методов замораживания, характеристики и исследование клеток». J Biomed Mater Res A. 100 (11): 2948–59. Дои:10.1002 / jbm.a.34238. PMID  22696264.
10. Ким Джин Ун (2009). «Сотовый монолит-структурированный диоксид кремния с сильно упорядоченными, трехмерно взаимосвязанными макропористыми стенками». Химия материалов. 21 (15): 3476–3478. Дои:10,1021 / см.
11. Уайльд Г., Перепезко Я. (2000). «Экспериментальное исследование включения частиц во время затвердевания дендритов». Материаловедение и инженерия: A. 283 (1–2): 25–37. Дои:10.1016 / S0921-5093 (00) 00705-X.
12. [2] В архиве 2015-05-22 в Wayback Machine, Литье замораживанием высокопрочных композитов для стоматологии
13. [3], Дисперсность, связность и извилистость композитных катодов ТОТЭ с иерархической пористостью, полученных методом литья вымораживанием
14. [4], Обработка иерархической и анизотропной керамики LSM-YSZ
15. [5], Легкие и жесткие ячеистые керамические конструкции по льду
16. Нгуен Фыонг Т. Н. (2014). «Быстро диспергируемые какао-таблетки: пример применения литья замораживанием для пищевых продуктов». Химическая инженерия и технологии. 37 (8): 1376–1382. Дои:10.1002 / ceat.201400032.
17. Принципы замораживания литья: одночастичные и многочастичные модели фронтов замерзания, онлайн-библиотека Wiley
18. Нагльери Валентина, Бэйл Хришикеш А., Глудовац Бернд, Томсиа Антони П., Ричи Роберт О. (2013). «О разработке каркасов из карбида кремния с ледяной структурой для природных конструкционных материалов». Acta Materialia. 61 (18): 6948–6957. Дои:10.1016 / j.actamat.2013.08.006.
19. Вашкис Т., Оберакер Р., Хоффманн М.Дж. (2011). «Исследование формирования структуры во время литья замораживанием от очень медленных до очень высоких скоростей затвердевания». Acta Materialia. 59 (13): 5135–5145. Дои:10.1016 / j.actamat.2011.04.046.
20. [6], Морфологическая нестабильность при замораживании коллоидных суспензий.
21. Девиль Сильвен (2009). «Наблюдения in situ с помощью рентгеновской радиографии и томографии затвердевания водных суспензий частиц оксида алюминия. Часть II: Стационарное состояние». Журнал Американского керамического общества. 92 (11): 2497–2503. arXiv:1710.04925. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2009.03264.x.
22. Вскоре Ён-Ми, Шин Кван-Ха, Ко Ён-Хаг, Ли Чон-Хун, Ким Хён-И (2009). «Прочность на сжатие и обработка литых замороженных каркасов из фосфата кальция с выровненными порами на основе камфена». Письма о материалах. 63 (17): 1548–1550. Дои:10.1016 / j.matlet.2009.04.013.
23. Раймонд Дж. А., Уилсон П., Де Вриз А. Л. (февраль 1989 г.). «Торможение роста небазальных плоскостей во льду рыбными антифризами». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 86 (3): 881–5. Bibcode:1989ПНАС ... 86..881Р. Дои:10.1073 / pnas.86.3.881. ЧВК  286582. PMID  2915983.
24. Пеппин С. С. Л., Веттлауфер Дж. С., Ворстер М. Г. (2008). «Экспериментальное подтверждение морфологической нестабильности замораживания водных коллоидных суспензий». Письма с физическими проверками. 100 (23): 238301. Bibcode:2008PhRvL.100w8301P. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.238301. PMID  18643549. S2CID  34546082.
25. Бареджи Андреа (2011). "Dynamics of the Freezing Front During the Solidification of a Colloidal Alumina Aqueous Suspension:In Situ X-Ray Radiography, Tomography, and Modeling". Журнал Американского керамического общества. 94 (10): 3570–3578. arXiv:1804.00046. Дои:10.1111/j.1551-2916.2011.04572.x.
26. Lasalle Audrey (2011). "Ice-Templating of Alumina Suspensions: Effect of Supercooling and Crystal Growth During the Initial Freezing Regime". Журнал Американского керамического общества. 95 (2): 799–804. arXiv:1804.08700. Дои:10.1111/j.1551-2916.2011.04993.x.
27. [7], Recent trends in shape forming from colloidal processing: A review
28. Deville Sylvain (2010). "Influence of Particle Size on Ice Nucleation and Growth During the Ice-Templating Process". Журнал Американского керамического общества. 93 (9): 2507–2510. arXiv:1805.01354. Дои:10.1111/j.1551-2916.2010.03840.x.
29. Han Jiecai, Hong Changqing, Zhang Xinghong, Du Jiancong, Zhang Wei (2010). "Highly porous ZrO2 ceramics fabricated by a camphene-based freeze-casting route: Microstructure and properties". Журнал Европейского керамического общества. 30: 53–60. Дои:10.1016/j.jeurceramsoc.2009.08.018.
30. Waschkies Thomas (2009). "Control of Lamellae Spacing During Freeze Casting of Ceramics Using Double-Side Cooling as a Novel Processing Route". Журнал Американского керамического общества. 92: S79–S84. Дои:10.1111/j.1551-2916.2008.02673.x.
31. Flauder, Stefan; Gbureck, Uwe; Müller, Frank A. (December 2014). "Structure and mechanical properties of β-TCP scaffolds prepared by ice-templating with preset ice front velocities". Acta Biomaterialia. 10 (12): 5148–5155. Дои:10.1016/j.actbio.2014.08.020. PMID  25159370.
32. Stolze, Christian; Janoschka, Tobias; Schubert, Ulrich S.; Müller, Frank A.; Flauder, Stefan (January 2016). "Directional Solidification with Constant Ice Front Velocity in the Ice-Templating Process: Directional Solidification with Constant Ice Front Velocity". Передовые инженерные материалы. 18 (1): 111–120. Дои:10.1002/adem.201500235.
33. Munch Etienne (2009). "Architectural Control of Freeze-Cast Ceramics Through Additives and Templating". Журнал Американского керамического общества. 92 (7): 1534–1539. arXiv:1710.04095. Дои:10.1111/j.1551-2916.2009.03087.x.
34. Deville Sylvain (2012). "Ice-Structuring Mechanism for Zirconium Acetate". Langmuir. 28 (42): 14892–14898. arXiv:1804.00045. Дои:10.1021/la302275d. PMID  22880966.
35. Deville S., Adrien J., Maire E., Scheel M., Di Michiel M. (2013). "Time-lapse, three-dimensional in situ imaging of ice crystal growth in a colloidal silica suspension". Acta Materialia. 61 (6): 2077–2086. arXiv:1805.05415. Дои:10.1016/j.actamat.2012.12.027.
36. Farhangdoust S., Zamanian A., Yasaei M., Khorami M. (2013). "The effect of processing parameters and solid concentration on the mechanical and microstructural properties of freeze-casted macroporous hydroxyapatite scaffolds". Материаловедение и инженерия: C. 33 (1): 453–460. Дои:10.1016/j.msec.2012.09.013. PMID  25428095.
37. [8], Particle-scale structure in frozen colloidal suspensions from small angle x-ray scattering
38. Lasalle Audrey, Guizard Christian, Maire Eric, Adrien Jérôme, Deville Sylvain (2012). "Particle redistribution and structural defect development during ice templating". Acta Materialia. 60 (11): 4594–4603. arXiv:1804.08699. Дои:10.1016/j.actamat.2012.02.023.
39. A review of freeze casting methods
40. Polymers and Biomacromolecules as building blocks
41. Shao, G (2020). "Freeze Casting: From Low‐Dimensional Building Blocks to Aligned Porous Structures—A Review of Novel Materials, Methods, and Applications". Современные материалы. 32 (17): 1907176. Дои:10.1002/adma.201907176.
42. Tang Y.F., Zhao K., Wei J.Q., Qin Y.S. (2010). "Fabrication of aligned lamellar porous alumina using directional solidification of aqueous slurries with an applied electrostatic field". Журнал Европейского керамического общества. 30 (9): 1963–1965. Дои:10.1016/j.jeurceramsoc.2010.03.012.
43. Moon Ji-Woong, Hwang Hae-Jin, Awano Masanobu, Maeda Kunihiro (2003). "Preparation of NiO–YSZ tubular support with radially aligned pore channels". Письма о материалах. 57 (8): 1428–1434. Дои:10.1016/S0167-577X(02)01002-9.
44. Freeze casting of graphene Published in Advanced Materials
45. Chemical vapor infiltration tailored hierarchical porous CNTs/C composite spheres fabricated by freeze casting and their adsorption properties
46. Freeze casting of hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering