tin tức

Các vi cầu thủy tinh rỗngvà các vật liệu tổng hợp của chúng

Vật liệu nổi rắn cường độ cao dùng trong các ứng dụng dưới biển sâu thường bao gồm môi trường điều chỉnh lực nổi (các vi cầu rỗng) và các vật liệu composite nhựa cường độ cao. Trên phạm vi quốc tế, các vật liệu này đạt được mật độ 0,4–0,6 g/cm³ và cường độ nén 40–100 MPa, và đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị dưới biển sâu. Các vi cầu rỗng là vật liệu cấu trúc đặc biệt chứa đầy khí. Dựa trên thành phần vật liệu, chúng chủ yếu được chia thành vi cầu composite hữu cơ và vi cầu composite vô cơ. Nghiên cứu về vi cầu composite hữu cơ đang được tiến hành tích cực hơn, với các báo cáo bao gồm vi cầu rỗng polystyrene và vi cầu rỗng polymethyl methacrylate. Các vật liệu được sử dụng để chế tạo vi cầu vô cơ chủ yếu bao gồm thủy tinh, gốm sứ, borat, carbon và các vi cầu rỗng tro bay.

Các vi cầu thủy tinh rỗng: Định nghĩa và phân loại

Các vi cầu thủy tinh rỗng là một loại vật liệu vi bột hình cầu vô cơ phi kim loại mới với các đặc tính tuyệt vời như kích thước hạt nhỏ, hình cầu, trọng lượng nhẹ, cách âm, cách nhiệt, chống mài mòn và chịu nhiệt độ cao. Vi cầu thủy tinh rỗng được sử dụng rộng rãi trong vật liệu hàng không vũ trụ, vật liệu lưu trữ hydro, vật liệu nổi rắn, vật liệu cách nhiệt, vật liệu xây dựng, sơn và chất phủ. Chúng thường được chia thành hai loại:

① Các hạt cầu rỗng (cenospheres), chủ yếu bao gồm SiO2 và oxit kim loại, có thể thu được từ tro bay sinh ra trong quá trình phát điện tại các nhà máy nhiệt điện. Mặc dù các hạt cầu rỗng có giá thành thấp hơn, nhưng chúng có độ tinh khiết kém, phân bố kích thước hạt rộng và đặc biệt là mật độ hạt thường lớn hơn 0,6 g/cm3, khiến chúng không phù hợp để chế tạo vật liệu nổi cho các ứng dụng dưới biển sâu.

② Các vi cầu thủy tinh tổng hợp nhân tạo, có độ bền, mật độ và các tính chất lý hóa khác có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số quy trình và công thức nguyên liệu thô. Mặc dù đắt hơn, nhưng chúng có phạm vi ứng dụng rộng hơn.

Đặc điểm của vi cầu thủy tinh rỗng

Việc ứng dụng rộng rãi các vi cầu thủy tinh rỗng trong vật liệu nổi rắn không thể tách rời khỏi những đặc tính tuyệt vời của chúng.

①Các vi cầu thủy tinh rỗngChúng có cấu trúc bên trong rỗng, dẫn đến trọng lượng nhẹ, mật độ thấp và độ dẫn nhiệt thấp. Điều này không chỉ làm giảm đáng kể mật độ của vật liệu composite mà còn mang lại cho chúng khả năng cách nhiệt, cách âm, cách điện và đặc tính quang học tuyệt vời.

② Các vi cầu thủy tinh rỗng có hình dạng hình cầu, sở hữu ưu điểm là độ xốp thấp (chất độn lý tưởng) và khả năng hấp thụ polymer tối thiểu, do đó ít ảnh hưởng đến khả năng chảy và độ nhớt của ma trận. Những đặc điểm này dẫn đến sự phân bố ứng suất hợp lý trong vật liệu composite, từ đó cải thiện độ cứng, độ bền và độ ổn định kích thước của vật liệu.

③ Các vi cầu thủy tinh rỗng có độ bền cao. Về cơ bản, các vi cầu thủy tinh rỗng là những quả cầu thành mỏng, kín với thủy tinh là thành phần chính của lớp vỏ, thể hiện độ bền cao. Điều này làm tăng độ bền của vật liệu composite trong khi vẫn duy trì mật độ thấp.

Phương pháp điều chế vi cầu thủy tinh rỗng
Có ba phương pháp chuẩn bị chính:
① Phương pháp dạng bột. Đầu tiên, ma trận thủy tinh được nghiền nhỏ, sau đó thêm chất tạo bọt, rồi cho các hạt nhỏ này đi qua lò nung ở nhiệt độ cao. Khi các hạt mềm ra hoặc tan chảy, khí được tạo ra bên trong thủy tinh. Khi khí giãn nở, các hạt trở thành các hình cầu rỗng, sau đó được thu gom bằng bộ tách lốc xoáy hoặc bộ lọc túi.

② Phương pháp nhỏ giọt. Ở một nhiệt độ nhất định, dung dịch chứa chất có điểm nóng chảy thấp được sấy phun hoặc nung nóng trong lò nung thẳng đứng ở nhiệt độ cao, như trong quá trình điều chế các vi cầu có tính kiềm cao.

③ Phương pháp gel khô. Phương pháp này sử dụng các ankoxit hữu cơ làm nguyên liệu và bao gồm ba quy trình: chuẩn bị gel khô, nghiền mịn và tạo bọt ở nhiệt độ cao. Cả ba phương pháp đều có những nhược điểm nhất định: phương pháp dạng bột tạo ra tỷ lệ tạo hạt thấp, phương pháp dạng giọt tạo ra các vi cầu có độ bền kém, và phương pháp gel khô có chi phí nguyên liệu cao.

Vật liệu nền composite vi cầu thủy tinh rỗng và phương pháp composite

Để tạo ra vật liệu nổi rắn có độ bền cao vớivi cầu thủy tinh rỗngVật liệu nền phải có các đặc tính tuyệt vời, chẳng hạn như mật độ thấp, độ bền cao, độ nhớt thấp và khả năng bôi trơn tốt với các vi cầu. Các vật liệu nền hiện đang được sử dụng bao gồm nhựa epoxy, nhựa polyester, nhựa phenolic và nhựa silicone. Trong số này, nhựa epoxy được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất thực tế do độ bền cao, mật độ thấp, khả năng hấp thụ nước thấp và độ co ngót khi đóng rắn thấp. Các vi cầu thủy tinh có thể được kết hợp với vật liệu nền thông qua các quy trình tạo hình như đúc, tẩm chân không, ép chuyển chất lỏng, xếp chồng hạt và ép nén. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là để cải thiện điều kiện giao diện giữa các vi cầu và vật liệu nền, bề mặt của các vi cầu cũng cần được biến đổi, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của vật liệu composite.