동결캐스팅

Freeze-casting
부분적으로 소결된 동결 캐스트 알루미나. 영상의 동결 방향이 상향이다.

빙축열 또는 동결 정렬이라고도 불리는 동결 주물은 잘 분산된 슬러리에서 용제(일반적으로 물)의 비등방성 고체화 거동을 제어 가능한 다공성 세라믹에 활용하기 위한 기법이다.[1][2][3][4] 수성 슬러리를 방향 온도 구배를 가함으로써 얼음 결정은 슬러리 한쪽에서 핵으로 만들어지고 온도 구배를 따라 자란다. 얼음 결정들은 부유된 세라믹 입자들이 슬러리 안에서 자라면서 재분배하여 세라믹을 효과적으로 다듬어 줄 것이다.

일단 고체화가 끝나면, 냉동된 템플 세라믹을 냉동 건조기에 넣어 얼음 결정을 제거한다. 그 결과로 만들어진 녹색 몸체는 벽의 세라믹 입자 사이에서 발견된 승화된 얼음 결정과 마이크로포어의 복제본에 비등방성 마크로포어를 포함하고 있다. 이 구조는 종종 입자벽을 통합하고 다공성 물질에 강도를 제공하기 위해 소결된다. 용제 결정의 승화에 의해 남겨진 다공성은 일반적으로 2 ~ 200 μm이다.

개요

물의 결빙으로 인한 세포 구조의 첫 번째 관찰은 1세기를 거슬러 올라가지만,[5] 현대적인 의미에서 동결-캐스팅의 첫 보고된 사례는 맥스웰 [6]외가 내화 가루로 터빈수퍼차저 블레이드를 만들려고 했던 1954년이었다. 그들은 티타늄 카바이드의 극도로 두꺼운 슬립을 얼려서, 가늘고 기계적인 근사망 모양의 주물을 생산했다. 그러나 이 작품의 목표는 촘촘한 도자기를 만드는 것이었다. 후카사와 외 [7]연구진이 방향 다공성 알루미나 주물을 만든 것은 2001년이 되어서야, 냉동 주물을 새로운 다공성 구조를 만드는 수단으로 사용한다는 생각이 실제로 자리잡았다. 그 이후로, 연구는 지난 10년 동안 수백 개의 논문이 발표되면서 상당히 성장했다.[8]

동결 주조 원리는 입자와 서스펜션 매체의 광범위한 조합에 적용된다. 물은 단연코 가장 흔히 사용되는 현수 매체로서 동결건조를 통해 동결-캐스팅 프로세스의 성공에 필요한 승화의 단계에 쉽게 도움이 된다. 동결-캐스팅이 만들어낼 수 있는 높은 수준의 제어와 광범위한 다공성 마이크로 구조 때문에, 이 기술은 조직 비계,[9][10] 광학,[11] 금속 매트릭스 합성물,[12] 치과,[13] 재료 과학,[14][15][16] 심지어 식품 과학과 같은 이질적인 분야에서 채택되었다.[17]

입자 서스펜션을 단방향으로 동결할 수 있는 세 가지 최종 결과가 있다. 첫째, 얼음 성장은 평면 전선으로 진행되며 불도저가 바위 더미를 밀듯이 앞쪽에 있는 입자들을 밀어낸다. 이 시나리오는 일반적으로 매우 낮은 고체화 속도(<1μm s−1)에서 발생하거나 입자가 매우 미세한 경우 입자가 앞쪽에서 멀리 떨어진 브라운 운동으로 이동할 수 있기 때문이다. 그 결과물 구조는 마크로포도를 포함하지 않는다. 고체화 속도, 입자의 크기 또는 고형 하중을 적당히 증가시킨다면, 입자들은 다가오는 얼음 전선과 의미 있는 방식으로 상호작용하기 시작한다. 결과는 일반적으로 시스템의 특정 조건에 따라 정확한 형태학이 달라지는 성층 또는 셀룰러 템플리트 구조물이다. 동결 캐스팅으로 만들어진 다공성 물질을 대상으로 하는 것이 바로 이 유형의 고체화다. 동결-캐스트 구조의 세 번째 가능성은 입자가 서스펜션에서 분리될 수 있는 충분한 시간이 주어질 때 발생하며, 얼음 전면 내의 입자가 완전히 캡슐화된다. 이는 동결률이 빠르고, 입자 크기가 충분히 커지거나, 고체 하중이 입자 운동을 방해할 정도로 높을 때 발생한다.[4] 템플리트를 확실히 하기 위해, 입자는 다가오는 전선에서 배출되어야 한다. 정력적으로 말하면, 입자를 집어삼킬 경우(Δσ > 0) 자유 에너지가 전체적으로 증가하면 이러한 현상이 발생한다.

동결 주물이 정렬된 모공을 생성하기 위해서는 고체 입자가 전방 고체화에 의해 제거되어야 한다. 그렇지 않으면 입자가 냉동 시스템 전체에 균일하게 분포하기 때문에 빙판 도금이 발생하지 않을 것이다. 동결 전선의 속도, 입자 크기 및 고형물 하중에 따라 (a) 모든 입자가 얼음보다 앞서 밀리는 평면 전선, (b) 얼음 결정 템플릿 입자 또는 (c) 입자가 삼켜져 순서가 발생하지 않는 전방의 세 가지 형태학적 결과가 있다.[18]

여기서 Δσ은 입자의 자유 에너지의 변화, σ은ps 입자와 인터페이스 사이의 표면 전위, ,은pl 입자와 액체 위상 사이의 전위, σ은sl 고체와 액체 위상 사이의 표면 전위다. 이 표현은 시스템이 평형에서 약간만 이동했을 때 낮은 고체화 속도에서 유효하다. 높은 고체화 속도에서는 운동학도 고려해야 한다. 전선과 입자 사이에 액체 필름이 있어 성장하는 결정체에 통합된 분자의 지속적인 이동을 유지할 수 있을 것이다. 전방 속도가 증가하면 드래그력이 증가하여 이 필름 두께(d)가 감소한다. 임계 속도(vc)는 필름이 더 이상 필요한 분자 공급을 공급할 만큼 두껍지 않을 때 발생한다. 이 속도로 가면 입자가 삼켜질 것이다. 대부분의 저자는 v를c v 1 의 입자 크기의 함수로 표현한다 다공성 R(lamellar) 형태학에서 대다수의 입자가 끼여 있는 형태학으로의 전환은 v에서c 발생하며, 일반적으로 다음과 같이 결정된다.[3]

여기서 a는0 액체 내에서 얼고 있는 분자의 평균 분자간 거리, d는 액체막의 전체 두께, η은 용액 점성, R은 입자 반지름, z는 1부터 5까지 변할 수 있는 지수다.[19] 예상대로 입자 반지름 R이 올라갈수록 v는c 감소하는 것을 볼 수 있다.

다가오는 고체화 전선과 상호작용하는 액체 단계 내의 입자에 대한 도식.

Washchkies 외 [20]연구진은 낮은 (< 1 μm−1 s)에서 매우 높은 (> 700 μm s−1) 고체화 속도에 이르기까지 묽은 동결-캐스트의 구조를 연구했다. 이 연구를 통해, 그들은 다양한 조건에서 만들어진 동결-캐스트 구조물에 대한 형태학적 지도를 생성할 수 있었다. 이와 같은 지도는 일반적인 추세를 나타내는데 탁월하지만, 그것들은 그것들이 파생된 재료 시스템에 상당히 구체적이다. 동결 후 동결 캐스트를 사용하는 대부분의 용도의 경우, 녹색 상태에서 강도를 공급하기 위해 바인더가 필요하다. 바인더의 부가는 크게 언 환경 내에서, 입자 운동 입자 함정 수사에 예측한 vc까지 미만의 속도에서 공감을 방해하고 어는 점 우울한 화학 작용을 변경할 수 있습니다.그러나 다행히도 vc과은 평면 전선을 생산한 위에 미만의 속도 운영을 하고 있다고 가정한다면[20], 우리는 약간의 셀 이를 성취할 것이다.빙축열과 벽이 모두 채워진 세라믹 입자로 구성된 섬광 구조 이 구조의 형태학은 일부 변수에 얽매여 있지만, 가장 큰 영향은 동결 방향을 따라 시간과 거리의 함수로서 온도 구배다.

동결 캐스트 구조물은 적어도 3개의 겉보기 형태학적 영역을 가진다.[21] 결빙이 시작되는 측면에는 초기 영역(IZ)이라고 불리는 가시적인 마크로포어가 없는 거의 등방성 영역이 있다. IZ 바로 뒤에 TZ(Transition Zone)가 있는데, 거기서 마크로포어가 형성되고 서로 정렬되기 시작한다. 이 부위의 모공은 무작위적으로 보일 수 있다. 제3지대는 스테디-스테이트 존(SSZ)으로 불리며, 이 지역의 마크로포어는 서로 정렬되어 규칙적으로 자란다. SSZ 내에서 구조는 세라믹 벽과 인접한 매크로포어의 평균 두께인 값 λ으로 정의된다.

초기 영역: 핵 및 성장 메커니즘

성장 과정에서 얼음의 부유 입자 거부 능력은 오래 전부터 알려져 있었지만, 그 메커니즘은 어느 정도 논의의 대상으로 남아 있다. 처음에는 얼음 결정의 핵화 직후의 순간 동안, 입자들이 자라나는 평면 얼음 전선에서 거부되어, 자라나는 얼음 바로 앞에 체질적으로 초냉각 구역이 형성된다고 믿었다. 이 불안정한 지역은 결국 동요를 일으켜 평면 전선을 기둥-세르케카 불안정성으로 더 잘 알려진 현상인 주상 빙하 전선으로 깨뜨리게 된다. 분해 후 얼음 결정체는 온도 구배를 따라 자라 액체 단계로부터 세라믹 입자를 밀어내어 자라나는 얼음 결정 사이에 축적된다. 그러나 방향 동결 알루미나 정지의 최근 현장 X선 촬영은 다른 메커니즘을 드러낸다.[22]

전환 구역: 변화하는 미세 구조

고체화가 느려지고 성장 동력학이 속도제한이 되면서 얼음 결정체는 입자를 배제하기 시작하며, 이 입자들을 서스펜션 내에 재분배한다. 경쟁적 성장 프로세스는 두 결정 모집단 사이에서 전개되는데, 이는 기본 평면이 열 경사로(z-크리스탈)에 맞춰 정렬된 것과 무작위 방향(r-크리스탈)이 TZ의 시작을 초래하는 것들이다.[21][23][24]

현수막 전체에 비슷하게 정렬된 얼음 결정의 군집이 자라고 있다. 정렬된 z-크리스탈의 미세한 라멜이 열 경사로에 맞춰 그들의 기저면과 함께 자라고 있다. r-크리스탈은 이 단면에서 혈소판으로 나타나지만 실제로는 편향을 따라 절단된 주상동결정과 가장 유사하다. 과도기 영역 내에서 r-크리스탈은 성장을 멈추거나 결국 지배적인 지향점이 되는 z크리스탈로 변하며, 꾸준한 상태 성장을 이끈다. 이런 일이 일어나는 데는 몇 가지 이유가 있다. 첫째로, 동결 동안에 자라는 결정들은 온도 구배와 정렬하는 경향이 있는데, 이는 가장 낮은 에너지 구성이고 열역학적으로 선호되기 때문이다. 그러나 정렬된 성장은 두 가지 다른 것을 의미할 수 있다. 온도 구배가 수직이라고 가정할 때, 성장 결정은 이 구배와 평행(z-crystal) 또는 수직(r-crystal)이 된다. 수평으로 놓여 있는 수정은 여전히 온도 구배와 일치하여 자랄 수 있지만, 그것은 가장자리보다는 얼굴에서 자라는 것을 의미할 것이다. 얼음의 열전도율은 다른 세라믹에 비해 매우 작기 때문에(1.6 - 2.4 W mK−1) AlO23= 40 W mK−1), 성장하는 얼음은 슬러리 내의 국부적인 열 조건에 상당한 절연 효과를 가져올 것이다. 이것은 간단한 저항 요소를 사용하여 설명할 수 있다.[21][25]

결정학적 정렬의 두 극한 사례의 열저항을 나타낸다.

얼음 결정체가 온도 구배(z-크리스탈)에 평행한 기저면과 정렬되면 두 개의 저항기로 병렬로 나타낼 수 있다. 그러나 세라믹의 열 저항은 얼음의 열 저항보다 현저히 작기 때문에 겉보기 저항은 Rceramic 하한으로 표현할 수 있다. 얼음 결정이 온도 구배(r-크리스탈)에 수직으로 정렬된 경우, 얼음 결정체는 직렬로 두 개의 저항 요소로 근사하게 추정할 수 있다. 이 경우에, R은ice 제한적이며 국부적인 열 조건을 지시할 것이다. z-결정 케이스에 대한 열 저항성이 낮으면 수정 팁의 성장 과정에서 온도가 낮아지고 열량이 증가하여 이 방향에서 추가 성장을 촉진하는 동시에 R 값이ice 크면 r결정체의 성장을 방해한다. 슬러리 내에서 자라는 각각의 얼음 결정들은 이 두 시나리오의 어떤 조합이 될 것이다. 열역학에서는 모든 결정이 우선적인 온도 구배와 일치하여 결국 r-크리스탈이 z-크리스탈에 자리를 내주는 경향이 있으며, 이는 TZ 내에서 촬영한 다음 방사선 사진에서 확인할 수 있다.[26]

z-크리스탈이 유일하게 중요한 결정 방향이 될 때, 얼음 전선은 시스템 조건에 큰 변화가 없는 것을 제외하고 안정된 상태로 성장한다. 결빙 초기에는 고체화 전선에 비해 5~15배 빠르게 성장하는 덴드리틱 r크리스탈이 있다는 것이 2012년 관측됐다. 이들은 메인 얼음 앞쪽 앞에 있는 서스펜션을 향해 솟구쳐 올라가고 부분적으로 녹는다.[27] 이 결정들은 TZ가 결국 SSZ로 완전히 전환될 지점에서 성장을 멈춘다. 연구자들은 이 특정 지점이 서스펜션이 평형 상태(즉, 동결 온도와 서스펜션 온도는 동일)에 있는 위치를 표시한다고 결정했다.[27] 그때 이미 낮은 영하의 온도를 넘어 과냉각의 정도에 의해 초기와 전환지대의 크기가 조절된다고 말할 수 있다. 만약 핵이 작은 초냉각에서만 선호되도록 동결-캐스팅 설정을 제어한다면, TZ는 SSZ에 더 빨리 자리를 양보할 것이다.[27]

정상국가성장지역

다양한 열 프로파일과 동결 캐스트의 후속 미세 구조에 미치는 영향을 보여준다.

이 최종 지역의 구조물은 얼음 결정과 세라믹 벽을 번갈아 가며 길게 정렬된 라멜레를 포함하고 있다.[4][21][25] 표본이 더 빨리 냉동될수록 용매 결정(그리고 궁극적으로는 매크로포도)이 더 미세해진다. SSZ 내에서, 콜로이드 템플리트에 사용할 수 있는 정상 속도는 10 ~ 100 mm 초이며−1, 용매 결정으로 보통 2 mm에서 200 mm 사이. SSZ 내에서 얼음의 후속 승화는 이러한 얼음 결정의 거의 정확한 복제에 다공성을 가진 녹색 세라믹 전형을 산출한다.[2] SSZ 내 동결-캐스트의 미세 구조는 단일 세라믹 벽의 평균 두께와 인접한 매크로포어인 파장(λ)에 의해 정의된다.[3] 몇몇 출판물은 동결-캐스트 재료의 미세 구조에 대한 고체화 운동학의 영향을 보고했다.[2][4][28] λ은 고형화 속도 (υ) (Eq 2.14)와 경험적 권력-법률 관계를 따르는 것으로 나타났다.[28]

일반적으로 A는 점성, 고체 하중과 같은 슬러리 파라미터와 관련이 있는 반면 n은 입자 특성의 영향을 받는다고 여겨지지만, A와 υ은 현재 첫 번째 원리에서 계산할 방법이 없기 때문에 적합 파라미터로 사용된다.[29]

다공성 구조 제어

동결 주조 공정의 Stop-Motion 애니메이션.

동결캐스트 아키텍처에는 두 가지 일반적인 범주의 도구가 있다.

  1. 시스템 동결 매체 및 선택된 미립자 물질, 추가 바인더, 분산제 또는 첨가제의 화학.
  2. 작동 조건 - 온도 프로필, 대기, 금형 재료, 결빙 표면 등

처음에는 어떤 종류의 최종 구조가 필요한가에 따라 재료 시스템을 선택한다. 이 검토는 동결의 매개체로서 물에 초점을 맞췄지만, 다른 용제가 사용될 수도 있다. 특히 실온에서 왁스를 발리는 유기용제인 캠핀이 눈에 띈다. 이 용액을 얼리면 밀도가 높은 덴드리틱 결정이 생성된다.[30] 그러나 자재 시스템이 정착되면 대부분의 미세구조 제어는 금형 재료와 온도 구배 등 외부 작동 조건에서 발생한다.

모공 크기 조절

미세구조 파장(평균공극 + 벽두께)은 A가 고형하중에 의존하는 고체화 속도 v(λ=Av−n)의 함수라고 설명할 수 있다.[15][31] 그렇다면 모공 크기를 조절할 수 있는 방법은 두 가지가 있다. 첫째는 미세구조 파장을 변화시키는 고체화 속도를 바꾸는 것이다. 그렇지 않으면 고형하중을 변화시킬 수 있다. 이를 통해 공극 크기 대 벽 크기 비율이 변경된다.[15] 일반적으로 최소 고형 하중이 필요하므로 고형화 속도를 변경하는 것이 더 신중할 수 있다. 미세구조적 크기(microstructural size)는 전방의 동결 속도와 역적으로 연관되기 때문에 빠른 속도는 보다 미세한 구조로 이어지는 반면 느린 속도는 거친 미세 구조를 생성한다. 그러므로 고형화 속도를 제어하는 것은 미세구조를 제어하는 데 매우 중요하다.[20][31][32][33]

모공 모양 제어

첨가제는 모공의 형태론을 변화시키는데 매우 유용하고 다용도성이 있다는 것을 증명할 수 있다. 이것들은 얼음-물 인터페이스의 위상에 더하여 얼음의 성장 운동학 및 미세 구조에 영향을 줌으로써 작용한다.[34] 일부 첨가제는 용제의 위상도를 변경하여 작용한다. 예를 들어, 물과 NaCl은 위상도를 가지고 있다. NaCl이 동결 캐스팅 서스펜션에 추가되면 고체 얼음 위상과 액체 영역이 고체와 액체가 공존할 수 있는 구역으로 분리된다. 이 가느다란 지역은 승화 과정에서 제거되지만, 그 존재는 다공성 세라믹의 미세 구조에 강한 영향을 미친다.[34] 다른 첨가제는 고체/액체와 입자/액체 사이의 계면 표면 에너지를 변경하거나 서스펜션의 점도를 변경하거나 시스템의 저냉각 정도를 변경하여 작동한다. 글리세롤,[35] 자크로스,[34] 에탄올,[34] 코카콜라,[34] 아세트산[35] 등을 이용한 연구가 이루어졌다.

정적 및 동적 동결 프로필

동결 시스템의 양쪽에 일정한 온도를 갖는 동결 주조 설정을 사용할 경우(정적 동결-캐스팅) SSZ의 전면 고체화 속도는 얼음 전선의 성장으로 인한 열 버퍼 증가로 인해 시간이 지남에 따라 감소한다.[21][25] 이렇게 되면 비등방성 얼음 결정이 동결 방향(c축)에 수직으로 성장하여 시료 길이에 따라 두께가 증가하는 얼음 라멜레 구조물이 생성될 수 있는 시간이 더 주어진다.

정상 상태 동결 시스템의 정적 및 동적 동결 프로필

SSZ 내에서 비등방성이지만 예측 가능한 고체화 동작을 보장하기 위해 동적 동결 패턴을 선호한다.[22][25] 동적 결빙을 사용하면 고체화 전방의 속도, 즉 얼음 결정 크기를 변화된 온도 구배와 함께 제어할 수 있다. 증가된 열 경사는 성장하는 얼음 전선에 의해 부과되는 증가된 열 완충제의 효과에 대항한다.[21][25] 동결-캐스트의 한쪽에서 선형적으로 온도가 감소하면 거의 일정한 고체화 속도가 나타나 전체 샘플의 SSZ를 따라 거의 일정한 두께의 얼음 결정이 생성되는 것으로 나타났다.[25] 그러나 와슈키스 등이 지적한 바 있다. 일정한 응고 속도에도 불구하고 얼음 결정의 두께는 얼음이 어는 과정에서 약간 증가한다.[31] 이와는 대조적으로, 플로더 외 연구진은 냉각판의 온도 변화가 완전한 SSZ 내에서 일정한 얼음 결정 두께로 이어진다는 것을 입증했으며,[32] 이는 구별되는 연구에서 측정 가능한 일정한 얼음-전방 속도에 기인했다.[33] 이 접근방식은 서스펜션의 열적 매개변수로부터 얼음 전방의 속도를 예측할 수 있다. 따라서 공극 직경과 얼음-전방 속도 사이의 정확한 관계를 알면 공극 직경에 대한 정확한 제어를 달성할 수 있다.

인터페이스 키네틱스의 음이소트로피

슬러리 내 온도 구배가 완벽하게 수직이 되더라도 서스펜션을 통해 라멜레가 자라면서 기울어지거나 곡률적인 것을 보는 것이 일반적이다. 이를 설명하기 위해 각 얼음 결정체에 대해 두 가지 뚜렷한 성장 방향을 정의할 수 있다.[3] 온도 구배에 의해 결정되는 방향과 선호 성장 방향에 의해 결정적으로 정의되는 방향이 있다. 이러한 각도는 종종 서로 상충하며, 그 균형은 결정의 기울기를 묘사할 것이다.

겹치지 않는 성장 방향은 동파에서 덴드리트적인 질감이 자주 나타나는 이유를 설명하는데 도움이 된다. 이 텍스처링은 일반적으로 각 라멜라의 측면에서만 발견된다; 부과된 온도 구배 방향. 남겨진 세라믹 구조물은 이들 덴드라이트의 부정적인 이미지를 보여준다. 2013년 데빌 등은 이러한 덴드라이트의 주기성(팁투팁 거리)이 실제로 1차 결정 두께와 관련이 있는 것으로 보인다고 관측했다.[36]

입자 패킹 효과

지금까지, 주로 얼음 자체의 구조에 초점을 맞춰왔다; 입자들은 거의 템플리트 공정의 사후 고려에 가깝지만, 사실, 냉동 캐스팅 동안 입자들은 중요한 역할을 할 수 있다. 입자 배열도 동결 조건의 함수로서 변화한다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 연구자들은 동결 속도가 벽의 거칠기에 현저한 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 입자가 재배열할 시간이 부족하기 때문에 더 빠른 동결률은 더 거친 벽을 만든다.[19][37] 이것은 가스 흐름을 방해할 수 있는 투과성 가스 전달 막을 개발할 때 사용될 수 있다. 또한 z-와 r-크리스탈은 세라믹 입자와 같은 방식으로 상호작용하지 않는 것으로 밝혀졌다. z-크리스탈은 x-y 평면에 입자를 압축하고 r-크리스탈은 주로 z 방향으로 입자를 압축한다. R-크리스탈은 실제로 z-크리스탈보다 더 효율적으로 입자를 포장하며, 이로 인해 결정 모집단이 z-크리스탈과 r-크리스탈의 혼합체에서 z-크리스탈만으로 이동함에 따라 입자가 풍부한 단계의 면적 비율(얼음 결정의 1 - 면적 비율)이 변화한다. 얼음 결정이 처음 입자를 배제하기 시작하는 곳부터 시작하여, 전환 구역의 시작을 표시하며, 우리는 r-크리스탈의 대다수와 입자가 풍부한 위상 분율의 높은 값을 가진다. 우리는 고체화 속도가 아직 빨라서 입자가 효율적으로 포장되지 않을 것이라고 추정할 수 있다. 그러나 응고 속도가 느려지면서 입자가 많은 단계의 면적 비율이 떨어져 패킹 효율이 높아진다. 동시에 r크리스탈을 z크리스탈로 대체하는 경쟁적 성장 과정이 진행되고 있다. 전이구역이 끝나는 특정 지점에서 z-크리스탈이 r-크리스탈보다 입자를 포장하는 효율성이 떨어지기 때문에 입자가 풍부한 위상분율이 급격히 상승한다. 이 곡선의 꼭지점은 z-크리스탈만 존재하는 지점(SSZ)을 나타낸다. 정상 상태 성장 중, 입자가 풍부한 최대 위상 분율에 도달한 후에는 정상 상태가 달성됨에 따라 패킹의 효율이 증가한다. 2011년, 예일 대학교의 연구원들은 벽 안에 있는 입자들의 실제 공간 패킹을 조사하기 시작했다. 소각 X선 산란(SAXS)을 사용하여 다른 속도로 동결 주조되었던 명목상 32nm 실리카 서스펜션이 입자 크기, 형태 및 인터피사자 간격을 특징으로 했다.[38] 컴퓨터 시뮬레이션은 이 시스템을 위해 벽 안의 입자들이 접촉하지 말고 얇은 얼음막으로 서로 분리되어야 한다고 나타냈다. 그러나 시험 결과, 입자들은 실제로 만지고 그 이상, 전형적인 평형 밀도화 과정으로는 설명할 수 없는 꽉 찬 형태학에 도달했다는 것이 밝혀졌다.[38]

형태학적 불안정성

이상적인 세계에서는 SSZ 내 입자의 공간 농도가 고체화 내내 일정하게 유지될 것이다. 그러나 압축 과정에서 입자의 농도가 변하는데 이 과정은 고체화 속도에 매우 민감하다. 낮은 동결률에서 브라운 모션이 일어나 입자가 고체-액체 인터페이스에서 쉽게 멀어지고 균일한 서스펜션을 유지할 수 있다. 이런 상황에서는 고정된 부분보다 항상 서스펜션이 따뜻하다. 빠른 고체화 속도에서 VC에 접근하면 입자가 충분히 빨리 재분배할 수 없기 때문에 고체-액체 인터페이스에서의 농도 및 농도 구배가 증가한다. 충분히 축적되면 서스펜션의 동결점이 용액의 온도 구배보다 낮아지고 형태학적 불안정성이 발생할 수 있다.[10] 입자 농도가 확산층으로 출혈되는 상황의 경우, 평형 동결 온도보다 실제 및 동결 온도 강하가 모두 불안정한 시스템을 생성한다.[23] 종종 이러한 상황은 아이스 렌즈라고 알려진 것의 형성으로 이어진다.

이러한 형태학적 불안정성은 입자를 가두어 완전한 재분배를 방지하고 세라믹 벽의 불연속성뿐만 아니라 동결 방향을 따라 고형분의 불균형 분포를 유발하여 다공성 세라믹 벽의 내적 모공보다 큰 공극을 만들 수 있다.[39]

새로운 동결 주조 기법

주조 방법 및 이들이 생산하는 성층 구조 동결

동결캐스팅은 도자기, 폴리머, 생체역분자,[41] 그래핀, 탄소나노튜브 등 다양한 건물블록에서 정렬된 다공성 구조를 만들기 위해 적용할 수 있다. 진행 중인 동결 전선에 의해 거부될 수 있는 입자가 있는 한, 템플 구조물이 가능하다. 동결 주조 시 냉각 구배와 입자 분포를 제어함으로써 다양한 물리적 수단을 이용하여 동결 주조 구조에서 라멜레의 방향을 제어하여 다양한 적용 재료에서 개선된 성능을 제공할 수 있다.[42] 뭉크 등은 핵 표면을 템플화함으로써 성장 방향에 정상적인 결정의 장거리 배열과 방향을 조절할 수 있다는 것을 보여주었다.[34] 이 기법은 초기 결정 성장과 배열을 제어하기 위해 낮은 에너지 핵 부지를 제공함으로써 작용한다. 얼음 결정의 방향은 2010년 탕 외 연구진이 입증한 바와 같이 농축 전자파장에 의해서도 영향을 받을 수 있다.[43] 연구자들은 전문화된 설정을 사용하여 여과나 가스 분리 용도에 맞춰 방사상으로 정렬된 동결-캐스트를 만들 수 있었다.[44] 자연에서 영감을 받아, 과학자들은 또한 조정 화학 물질과 극저온 보존제를 사용하여 현저하게 독특한 미세 구조 건축물을 만들 수 있었다.

주조물 동결

동결 주조 공정에서 정렬된 다공성 물질로 조립되는 입자를 흔히 빌딩 블록이라고 한다.동결 주조 공법이 널리 보급됨에 따라 사용되는 재료의 범위가 확대되었다. 최근 몇 년 동안 그래핀과 탄소 나노튜브는 동결 주조 방법을 사용하여 제어되는 다공성 구조물을 제작하는 데 사용되어 왔으며, 재료는 뛰어난 특성을 보이는 경우가 많다. 얼음 템플레이션 없이 생산된 에어로겔 소재와 달리 탄소 나노물질의 동결 주조 구조는 모공이 정렬되어 있어 예를 들어 저밀도와 고전도도의 비할 데 없는 조합을 할 수 있다는 장점이 있다.

동결 주조 재료의 적용

동결 주물은 정렬된 모공 구조를 만드는 능력이 독특하다. 그러한 구조는 자연에서 종종 발견되며, 결과적으로 동결 주조물은 생체모방 구조를 제작하는 귀중한 도구로 등장했다. 정렬된 모공을 통한 유체 운반은 뼈 비계 물질을 포함한 생물의학 용도에 대한 방법으로서 동결 주조법을 사용하게 되었다.[47] 동결 주조 구조에서 모공 정렬은 또한 정렬된 모공과 수직인 방향으로 매우 높은 열 저항을 전달한다. 공정을 회전하여 정렬된 다공성 섬유로 동결 주조하는 것은 고성능 절연 의류 제품의 제작에 대한 유망한 방법을 제시한다.

참고 항목

추가 읽기

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외부 링크

  • 큰 데이터 집합을 포함하는 웹 사이트, 그래프 생성 허용 [10]

참조

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