Development of new approaches for the fabrication of multiporous metallic foams

Abstract

Los materiales porosos están atrayendo mucha atención tanto en la Academia como en la industria por su amplia gama de aplicaciones y potenciales de desarrollo. Debido a sus superiores propiedades intrínsecas y funcionales, se han incrementado los esfuerzos para desarrollar materiales con diferente estructura, tamaño de poro y distribución, con el fin de satisfacer los requisitos en numerosas áreas de aplicación. Se pueden enunciar como ejemplos la gestión del calor, la biomedicina, la filtración, los procesos de separación, el catalizador o el soporte, el almacenamiento, el control acústico, el tratamiento del agua, entre otros. Sin embargo, una parte considerable de la investigación se ha centrado en materiales con una distribución uniforme del tamaño de los poros. No obstante, los estudios actuales sobre materiales multi-porosos indican que, con un diseño metodológico adecuado, es posible adaptar y controlar la microestructura en función de los fines de la aplicación y dar diferentes funciones a cada nivel de porosidad introduciendo diferentes tamaños de poros en la estructura unimodal. Dado que estos materiales multi-porosos bien diseñados (es decir, con distribución bimodal, trimodal y jerárquica) reducen las limitaciones debidas a la difusión con sus distintos niveles de porosidad, son excepcionalmente preferidos en aplicaciones en las que se requiere contener el flujo de fluidos y una elevada superficie. Aunque la atención en el diseño de estructuras multiporosas ha aumentado en los últimos años, los estudios sobre estos materiales multifuncionales ajustables han sido limitados. Esto se debe a que la relación entre la microestructura y las propiedades funcionales es difícil de comprender y controlar. Así pues, el diseño de materiales multi-porosos sigue siendo una tarea difícil en el mundo científico. Teniendo en cuenta la insuficiencia de estudios sobre la síntesis y caracterización de materiales multi-porosos en la literatura, se necesita especialmente la investigación más profunda y detallada de la influencia de los diferentes tamaños de poros en una misma estructura sobre las propiedades funcionales. De acuerdo con este propósito en esta tesis se sintetizaron materiales con porosidad única y múltiple siguiendo métodos de fabricación tanto novedosos como convencionales. Comparando el rendimiento de los materiales con porosidad simple y múltiple, se investigó la influencia de la microestructura en las propiedades y su relación desde diferentes perspectivas. En conclusión, los objetivos específicos de esta tesis son: i) diseñar dos nuevos enfoques experimentales para fabricar espumas metálicas de celdas-abiertas interconectadas multi-porosas utilizando metodologías conocidas y sus combinaciones. ii) demostrar el efecto de la multi-porosidad en un solo cuerpo sobre las propiedades de las espumas fabricadas y demostrar que superan, junto con los nuevos enfoques, a sus homólogos convencionales. iii) presentar nuevos hallazgos científicos y nuevos enfoques sobre la relación entre las propiedades funcionales y estructurales (porosidad, tamaño y distribución de los poros, etc.) mediante una amplia gama de caracterizaciones. iv) Ofrecer metodologías reproducibles de vanguardia para la síntesis de materiales multi-porosos que puedan aplicarse a diferentes tipos de materiales e inspirar futuros trabajos en la comunidad científica. Este estudio de tesis consta de 6 capítulos. El Capítulo 1 explica brevemente la motivación y los objetivos de la tesis. En este capítulo se expone la información sobre los materiales multi-porosos que se pretenden fabricar y el alcance de la tesis. El Capítulo 2 ofrece una introducción a los materiales multi-porosos y sus métodos de fabricación en perspectiva. Se ha realizado un amplio estudio bibliográfico y desde el pasado hasta el presente se presentan los avances y trabajos recientes realizados en la fabricación de estos materiales. En este capítulo se ha prestado especial atención a la producción de espumas metálicas monomodales, bimodales y jerárquicas mediante métodos de replicación, dealeación, plantillas, sinterización y sus combinaciones. En el Capítulo 3 se explican todas las metodologías, montajes experimentales, materiales, parámetros de funcionamiento y maquinaria/dispositivos seguidos en esta tesis sobre la fabricación y caracterización de materiales y se presenta la información teórica relevante. El Capítulo 4, en primer lugar, resume la literatura necesaria sobre la fabricación de espumas metálicas, la infiltración con el método de replicación, las espumas de aluminio y sus áreas de aplicación, y los métodos de caracterización. También se presenta en este capítulo la extensa revisión de la literatura sobre la relación entre las características microestructurales y las propiedades funcionales de los materiales porosos. Se expone cómo, mediante el método de replicación, se fabricaron espumas de aluminio interconectadas de célula abierta con una distribución monomodal y bimodal del tamaño de los poros. Después de la fabricación, se caracterizaron en detalle las propiedades estructurales (densidad, porosidad, distribución del tamaño de los poros, etc.), el comportamiento del flujo de fluidos (caída de presión, permeabilidad, coeficiente de arrastre, regímenes de flujo, etc.) y el comportamiento térmico (coeficiente de transferencia de calor, conductividad térmica) de las espumas. (coeficiente de transferencia de calor, conductividad térmica) de las espumas. El Capítulo 5 presenta un método novedoso para fabricar espumas de plata con eficacia antibacteriana y distribución jerárquica del tamaño de los poros. Para ello, se ha utilizado la combinación de métodos de templado, replicación y dealeación. Con esta combinación y el diseño adecuado de las metodologías se introdujeron micro-, meso- y macroporos en las estructuras de las espumas. Para comparar las propiedades y el rendimiento de las espumas jerárquicas, se fabricaron espumas de plata con porosidad uniforme mediante el método de replicación y el proceso de sinterización, y espumas de plata con solamente nanoporos mediante el método de dealeación. Se llevaron a cabo estudios de caracterización para todas las espumas fabricadas en el sentido de la distribución del tamaño de los poros, la porosidad, la superficie específica, la eficacia antibacteriana, además de la modelización y la estimación de la superficie específica y la distribución del tamaño de los poros. Además de los pasos de las estrategias experimentales, se presentó una información de fondo detallada sobre los principios rectores de los métodos utilizados en este capítulo. En el Capítulo 6 se evaluaron todos los estudios realizados, se resumieron los resultados y las conclusiones, y se presentaron recomendaciones y estrategias para futuros estudios.