Cerámicas porosas de carburo de silicio: diversas aplicaciones, desde la filtración a alta temperatura hasta los materiales biomédicos.

Las cerámicas de carburo de silicio poseen características excepcionales, como un bajo coeficiente de expansión térmica, alta conductividad térmica, buena estabilidad química y excelente resistencia al desgaste. Son cerámicas estructurales muy prometedoras. Al dotarlas de estructuras porosas controlables con precisión, los materiales conservan sus excelentes propiedades originales a la vez que adquieren nuevas funciones, como una alta superficie específica y una permeabilidad controlable. Como resultado, sus campos de aplicación se han ampliado significativamente.

I. Propiedades de las cerámicas porosas de SiC
1. Propiedades de la porosidad
① Porosidad
La porosidad se refiere al porcentaje del volumen ocupado por los poros en un material poroso con respecto al volumen total del material (incluyendo tres tipos de poros: abiertos, semiabiertos y cerrados). Las investigaciones han demostrado que el rendimiento de los materiales porosos depende principalmente de la porosidad.

② Morfología de los poros
La morfología de los poros se refiere a la forma de los poros en una cerámica porosa. Cuando los poros son equiaxiales, el comportamiento general del material es isotrópico; sin embargo, cuando los poros tienen forma de tiras o formas planas, como en las cerámicas porosas de SiC preparadas mediante la sinterización de madera carbonizada a través de una reacción de infiltración de silicio, la estructura porosa presenta una direccionalidad determinada.

③ Tamaño y distribución de los poros
Los materiales con diámetros de poro inferiores a 2 nm se clasifican como microporosos; aquellos con tamaños de poro entre 2 y 50 nm se consideran mesoporosos; y aquellos con tamaños de poro superiores a 20 nm se clasifican como macroporosos. Las propiedades que se ven significativamente influenciadas por el tamaño y la distribución de los poros incluyen la permeabilidad, la tasa de permeación y el rendimiento de filtración.

2 Propiedades mecánicas
El material cerámico poroso de SiC es altamente frágil. Generalmente, la resistencia a la flexión o a la compresión se utiliza para caracterizar sus propiedades mecánicas. La porosidad y el método de preparación tienen un impacto significativo en las propiedades mecánicas de la cerámica porosa de SiC.

3 Conductividad térmica
La porosidad y la morfología de los poros tienen un impacto significativo en la conductividad térmica de las cerámicas porosas. En cerámicas porosas con distribución uniforme de poros, a medida que aumenta la porosidad, la conductividad térmica disminuye gradualmente. Sin embargo, debido a las importantes diferencias en la morfología de los poros entre los materiales cerámicos porosos preparados mediante diferentes procesos, el proceso de transferencia de calor se vuelve más variable y complejo.

Materiales de filtración:
1. Materiales de filtración
① Filtración de metales fundidos a alta temperatura
Además de utilizarse para filtrar hierro fundido, los filtros cerámicos porosos de SiC también se utilizan para filtrar aluminio líquido. BAO et al. estudiaron la humectabilidad de los filtros porosos de Al₂O₃ y SiC sobre aluminio líquido y descubrieron que el filtro de SiC presenta una mejor humectabilidad con el aluminio líquido y puede mejorar eficazmente la eficiencia de filtración, lo que resulta beneficioso para eliminar inclusiones en el aluminio líquido.

② Filtración de gases
Las ventajas de los filtros de gas fabricados con cerámica porosa son su baja resistencia a la emisión de gases, su fácil regeneración y su alta eficiencia de filtración. Las cerámicas de SiC porosas presentan baja pérdida de presión, resistencia al calor, resistencia al choque térmico y alta eficiencia en la recolección de humos de aceite, lo que las convierte en una opción muy utilizada en la recolección y filtración de humos de aceite de motores diésel.

Soporte de catalizador
La cerámica de SiC porosa posee alta porosidad, alta conductividad térmica y excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Su superficie es irregular y contiene una gran cantidad de poros. Cuando se utiliza como soporte de catalizador, puede aumentar significativamente el área de contacto entre las dos fases; Su alta conductividad térmica puede acortar el tiempo que tarda el catalizador en alcanzar la temperatura de activación, mejorando así la eficiencia de la reacción.

Materiales absorbentes de sonido y microondas
El SiC poroso posee estructuras de poros abiertos interconectados. Cuando las ondas sonoras se propagan en su interior, la energía acústica se disipa continuamente debido a la viscosidad del aire y a las características de amortiguación inherentes del material, logrando la absorción del sonido. Asimismo, sus favorables propiedades de absorción de microondas lo convierten en un material absorbente de ondas prometedor.

Materiales biomédicos
La porosidad y el tamaño de los poros de las cerámicas porosas se pueden ajustar según los requisitos, incluso logrando estructuras de poros interconectados. Combinados con su ligereza, alta resistencia y buena biocompatibilidad, estos materiales son ideales para diversas aplicaciones.Se convierten en candidatos ideales para sustitutos de tejido óseo.

Materiales de ingeniería térmica
Como materiales de aislamiento térmico, el SiC poroso utiliza principalmente poros cerrados para lograr un aislamiento térmico eficiente. Como intercambiadores de calor, aprovechan la gran superficie de intercambio de calor que proporciona su alta porosidad, manteniendo al mismo tiempo resistencia al calor, a la corrosión y a la contaminación.