חֲדָשׁוֹת

מיקרוסקופיות זכוכית חלולותוהחומרים המרוכבים שלהם

חומרי ציפה מוצקים בעלי חוזק גבוה עבור יישומים בים עמוק מורכבים בדרך כלל מתווכים המווסתים ציפה (מיקרוספרות חלולות) וחומרים מרוכבים משרף בעלי חוזק גבוה. מבחינה בינלאומית, חומרים אלה מגיעים לצפיפויות של 0.4-0.6 גרם/סמ"ק וחוזק דחיסה של 40-100 מגה פסקל, והם נמצאים בשימוש נרחב בציוד ים עמוק מגוון. מיקרוספרות חלולות הן חומרים מבניים מיוחדים מלאים בגז. בהתבסס על הרכב החומרים שלהן, הן מחולקות בעיקר למיקרוספרות מרוכבות אורגניות ומיקרוספרות מרוכבות אנאורגניות. המחקר על מיקרוספרות מרוכבות אורגניות פעיל יותר, עם דיווחים הכוללים מיקרוספרות חלולות מפוליסטירן ומיקרוספרות חלולות מפולימתיל מתאקרילט. חומרים המשמשים להכנת מיקרוספרות אנאורגניות כוללים בעיקר זכוכית, קרמיקה, בוראטים, פחמן וצנוספרות אפר פחם.

מיקרוסקופיות זכוכית חלולות: הגדרה וסיווג

מיקרו-כדוריות זכוכית חלולות הן סוג חדש של חומר מיקרו-אבקה כדורי אנאורגני לא-מתכתי בעל תכונות מצוינות כגון גודל חלקיקים קטן, צורה כדורית, משקל קל, בידוד קול, בידוד חום, עמידות בפני שחיקה ועמידות בטמפרטורה גבוהה. מיקרו-כדוריות זכוכית חלולות נמצאות בשימוש נרחב בחומרים לחלל, חומרי אחסון מימן, חומרי ציפה מוצקים, חומרי בידוד תרמי, חומרי בניין, צבעים וציפויים. הן מחולקות בדרך כלל לשתי קטגוריות:

① ניתן להפיק צנוספרות, המורכבות בעיקר מ-SiO2 ותחמוצות מתכת, מאפר מרחף המופק במהלך ייצור חשמל בתחנות כוח תרמיות. למרות שצנוספרות זולות יותר, יש להן טוהר ירוד, פיזור גודל חלקיקים רחב, ובפרט, צפיפות חלקיקים שבדרך כלל גדולה מ-0.6 גרם/סמ"ק, מה שהופך אותן ללא מתאימות להכנת חומרי ציפה ליישומים במעמקי ים.

② מיקרו-כדורים מזכוכית סינתטיים באופן מלאכותי, אשר חוזקם, צפיפותם ותכונות פיזיקו-כימיות אחרות ניתנות לשליטה על ידי התאמת פרמטרי התהליך ופורמולציות חומרי הגלם. למרות שהם יקרים יותר, יש להם מגוון רחב יותר של יישומים.

מאפייני מיקרוסקופיות זכוכית חלולות

היישום הנרחב של מיקרו-כדורים מזכוכית חלולה בחומרי ציפה מוצקים אינו נפרד מהמאפיינים המצוינים שלהם.

①מיקרוסקופיות זכוכית חלולותבעלי מבנה פנימי חלול, מה שמביא למשקל קל, צפיפות נמוכה ומוליכות תרמית נמוכה. זה לא רק מפחית משמעותית את צפיפות החומרים המרוכבים, אלא גם מעניק להם בידוד תרמי, בידוד קול, בידוד חשמלי ותכונות אופטיות מצוינות.

② מיקרו-כדורים מזכוכית חלולים הם בעלי צורה כדורית, בעלי יתרונות של נקבוביות נמוכה (מילוי אידיאלי) וספיגת פולימר מינימלית על ידי הכדורים, ובכך יש להם השפעה מועטה על יכולת הזרימה והצמיגות של המטריצה. מאפיינים אלה גורמים לפיזור מתחים סביר בחומר המרוכב, ובכך משפרים את קשיותו, נוקשותו ויציבותו הממדית.

③ מיקרו-כדורים מזכוכית חלולה הם בעלי חוזק גבוה. בעיקרו של דבר, מיקרו-כדורים מזכוכית חלולה הם כדורים דקי-דופן אטומים, כאשר הזכוכית היא המרכיב העיקרי של המעטפת, המציגים חוזק גבוה. זה מגביר את חוזק החומר המרוכב תוך שמירה על צפיפות נמוכה.

שיטות הכנה של מיקרוסקופיות זכוכית חלולות
ישנן שלוש שיטות הכנה עיקריות:
① שיטת האבקה. מטריצת הזכוכית נכתשת תחילה, מוסיפים חומר מקציף, ולאחר מכן חלקיקים קטנים אלה מועברים דרך תנור בטמפרטורה גבוהה. כאשר החלקיקים מתרככים או נמסים, נוצר גז בתוך הזכוכית. כאשר הגז מתפשט, החלקיקים הופכים לכדורים חלולים, אשר נאספים לאחר מכן באמצעות מפריד ציקלון או מסנן שקית.

② שיטת טיפות. בטמפרטורה מסוימת, תמיסה המכילה חומר בעל נקודת התכה נמוכה מיובשת בהתזה או מחוממת בתנור אנכי בטמפרטורה גבוהה, כמו בהכנת מיקרוסקופיות בעלות רמת בסיס גבוהה.

③ שיטת הג'ל היבש. שיטה זו משתמשת באלקוקסידים אורגניים כחומרי גלם וכוללת שלושה תהליכים: הכנת ג'ל יבש, כתישה והקצפה בטמפרטורה גבוהה. לכל שלוש השיטות חסרונות מסוימים: שיטת האבקה מייצרת שיעורי יצירת חרוזים נמוכים, שיטת הטיפות מייצרת מיקרו-כדורים בעלי חוזק נמוך, ושיטת הג'ל היבש בעלת עלויות חומרי גלם גבוהות.

מצע ושיטת חומר מרוכב מיקרוספרה חלולה מזכוכית

ליצירת חומר ציפה מוצק בעל חוזק גבוה עםמיקרוסקופיות זכוכית חלולות, חומר המטריצה ​​חייב להיות בעל תכונות מצוינות, כגון צפיפות נמוכה, חוזק גבוה, צמיגות נמוכה ויכולת סיכה טובה עם המיקרו-כדורים. חומרי המטריצה ​​הנמצאים כיום בשימוש כוללים שרף אפוקסי, שרף פוליאסטר, שרף פנולי ושרף סיליקון. מבין אלה, שרף אפוקסי הוא הנפוץ ביותר בייצור בפועל בשל חוזקו הגבוה, צפיפותו הנמוכה, ספיגת המים הנמוכה והתכווצותו הנמוכה בעת ריפוי. ניתן ליצור מיקרו-כדורים מזכוכית מורכבים עם חומרי מטריצה ​​באמצעות תהליכי יציקה כגון יציקה, הספגה בוואקום, יציקה בהעברת נוזלים, ערימת חלקיקים ויציקה בדחיסה. חשוב להדגיש שעל מנת לשפר את תנאי הממשק בין המיקרו-כדורים למטריצה, יש צורך לשנות גם את פני השטח של המיקרו-כדורים, ובכך לשפר את הביצועים הכוללים של החומר המרוכב.