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VAKIFAHMETOGLU, CEKDAR (2010) FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS CERAMICS WITH HIERARCHICAL POROSITY. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The research work presented in this thesis is concerned with the production of porous components by using preceramic polymers as a starting precursor. During the preliminary studies on which the production of polymer derived cellular ceramics was based; various compositions have been investigated. Cellular SiOC ceramics having a complex morphology were produced using three different types of polysiloxane precursors. Pore formation was attributed to the different polymer architecture which resulted in a different behavior (larger weight loss, shrinkage and gas evolution) upon pyrolysis. In this context; polysiloxane precursors were crosslinked, crushed, sieved and pressed to form compacts yielding with porous SiOC monoliths by pyrolysis. The resulted ceramic bodies showed compressive strength values reaching to 37.4MPa (~53vol% porosity). Hot-isostatic pressing enabled the formation of SiOC(N) tablets having extremely high piezoresistivity in between 100-1700 at high temperatures (700-1000°C). By using a polysilazane precursor microcellular SiOCN and macrocellular SiCN foams were produced via sacrificial templating or a physical blowing agent. Foams had mostly interconnected porosity ranging from ~60 to 80 vol% and possessing a compressive strength in the range ~1 to 11 MPa. By following the similar strategies boron including porous (70 vol%) PDC monoliths have also been produced.

In the direction to produce high specific surface area (SSA) hierarchically porous PDC components; Periodic Mesoporous Organosilica (PMO) particles were embedded into a foamed polysiloxane polymer, and by pyrolysis, permeable SiOC monoliths having SSA of 137 m2/g were obtained. In the method; catalyst assisted pyrolysis (CAP), silicon nitride, silicon oxynitride or silicon carbide nanowires were formed directly during the pyrolysis of highly porous monoliths. Increasing the pyrolysis temperature caused an increase in the length and the amount of nanostructures produced. The growth mechanisms for the nanowires depended on the pyrolysis conditions and catalyst type. The presence of the nanowires afforded high SSA values to the macro-porous ceramics, ranging from 10 to 110 m2/g. The differences were explained in terms of the morphology and amount of the nanowires that were produced using the two different catalysts (Co or Fe). High temperature etching of SiCN ceramics yielded with disordered or graphitic carbon materials possessing a hierarchical bi-modal pore structure (micro-mesopores with mean pore size, 3-11 nm) and large SSA, up to 2400 m2/g. The resulting porosity (pore size, PSD, and SSA) strongly depended on nanostructural phase evolution of the PDC material, as well as on etching conditions. The mean pore size increased with increasing pyrolysis temperature.

Abstract (italiano)

Il lavoro di ricerca esposto nella presente tesi riguarda la produzione di componenti porosi mediante l’uso di polimeri preceramici quali precursori iniziali. Durante una fase preliminare del lavoro di ricerca, sulla quale si è basata la produzione di ceramici cellulari derivati da polimeri, sono state studiate varie composizioni. Ceramici cellulari di SiOC aventi una morfologia complessa sono stati realizzati usando tre diversi tipi di precursori polisilossanici. La formazione di pori è stata attribuita alle differenti strutture dei polimeri, che hanno comportato differenti comportamenti durante la pirolisi (maggiore perdita in peso, diminuzione del volume e sviluppo di gas). In tale contesto, precursori polisilossanici sono stati reticolati, ridotti in polvere, setacciati e pressati al fine di ottenere campioni risultanti in monoliti di SiOC poroso, mediante pirolisi. I campioni ceramici cosí ottenuti esibivano valori di resistenza a compressione fino a 37,4 MPa (con una porosità pari a circa il 53% in volume). La pressatura isostatica a caldo ha consentito la formazione di campioni di SiOC(N) aventi piezoresistivitá estremamente elevata, compresa tra 100 e 1700 ad alte temperature (700-1000°C). Utilizzando un precursore polisilazanico, sono state prodotte schiume microcellulari di SiOCN e macrocellulari di SiCN, mediante l’impiego di fillers sacrificali o di un agente schiumante fisico. Le schiume presentavano una porosità prevalentemente interconnessa compresa tra ~60 e 80 vol% ed una resistenza a compressione compresa tra ~1 e 11 MPa. Utilizzando procedimenti simili, sono stati inoltre prodotti campioni monolitici porosi (70 vol%) di PDC contenenti boro.

Al fine di produrre componenti ceramici derivati da polimeri, dotati di porosità gerarchica e di elevata area superficiale specifica (SSA), particelle di PMO (Periodic Mesoporous Organosilica) sono state immerse in un polimero polisilossanico schiumato e, mediante pirolisi, sono stati ottenuti campioni monolitici di SiOC permeabili dotati di una elevata SSA, pari a 137 m2/g. Mediante tale metodo, pirolisi catalizzata assistita (CAP), nanofili di nitruro di silicio, di ossinitruro di silicio o di carburo di silicio sono stati formati direttamente durante la pirolisi di campioni monolitici altamente porosi. L’aumento della temperatura di pirolisi ha provocato un aumento nella lunghezza e nella quantità di nanostrutture prodotte. Il meccanismo di crescita dei nanofili dipende dalle condizioni di pirolisi e dal tipo di catalizzatore. La presenza dei nanofili ha permesso di raggiugere elevati valori di SSA nei ceramici macroporosi, compresa tra 10 e 110 m2/g. Le diversità in tali valori sono state spiegate in termini di morfologia e quantità dei nanofili prodotti impiegando due diversi catalizzatori (Co e Fe). L’ablazione superficiale (etching) ad elevate temperature di ceramici di SiCN ha condotto a materiali contenenti carbonio amorfo o grafitico dotati di una struttura gerarchica bimodale dei pori (micro-mesopori con dimensione media dei pori di 3-11 nm) ed elevata SSA, fino a 2400 m2/g. La porosità risultante (dimensione dei pori, PSD e SSA) dipendeva fortemente dall’evoluzione della fase nanostrutturale del materiale PDC, nonché dalle condizioni di etching. La dimensione media dei pori aumentava all’aumentare della temperatura di pirolisi.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:COLOMBO, PAOLO
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:31 Gennaio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):Polimeri preceramici, ceramici cellulari, nanofili, area superficiale specifica, carbonio a porosità gerarchica.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/22 Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 - Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Codice ID:2909
Depositato il:29 Set 2010 11:23
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