Efterligning af jordskorpen:Undersøgelse af størkning af byggematerialekandidater ved koldsintring

Keramiske materialer er allestedsnærværende i byggeverdenen. Byggematerialer som cement, mursten, fliser eller elektriske isolatorer som porcelæn er alle keramiske produkter, som vi er afhængige af i vores daglige liv. Disse keramik er fremstillet ved en metode kaldet sintring - processen med at omdanne pulverformige faste stoffer til en hærdet masse ved at påføre tryk eller temperatur. De fleste sintringsprocesser involverer temperaturer over 1.000ºC, hvilket gør denne metode meget energikrævende. Desuden gør den høje temperatur også sintring af råmaterialer som carbonater og hydroxider vanskelig, da de er tilbøjelige til termisk nedbrydning ved høje temperaturer.

Magnesiumcarbonat og -hydroxider er nye kandidater til byggematerialer på grund af deres termodynamiske stabilitet og deres evne til at hærde eller sintre som læsket kalkpuds. Disse materialer kan dog ikke sintres ved hjælp af den konventionelle sintringsproces, da de undergår termisk nedbrydning. Man ved dog ikke meget om, hvordan disse materialer reagerer på en mildere teknik kaldet kold sintring. For at afhjælpe denne forskningsmangel undersøgte et team af forskere fra Nagoya Institute of Technology, bestående af Prof. Shinobu Hashimoto og Mr. Keitaro Yamaguchi, den mekanisme, hvormed Mg–C–O–H-systemer hærder ved den kolde sintringsproces (eller CSP) ). Deres resultater er opsummeret i en nylig undersøgelse, der blev gjort tilgængelig online den 21. april 2022 og offentliggjort i Ceramics International den 1. august 2022.

CSP'en har vundet popularitet i de seneste år på grund af dens lave energiafhængighed. Denne proces efterligner den sedimentære klippedannelsesproces, der finder sted i jordskorpen, hvilket gør det muligt at størkne under flere hundrede megapascals tryk, men ved mildere temperaturer såsom 300ºC eller derunder. Dette gør processen mindre energikrævende og ideel til fremstilling af byggematerialer med lave termiske nedbrydningstemperaturer.

"Grundlæggende magnesiumcarbonat, eller magnesit, er blevet foreslået til brug som et kulstoflagringsmateriale sammen med dets anvendelse som et strukturelt materiale. Men magnesit er vanskeligt at fremstille som ved konventionelle industrielle metoder på grund af påvirkningen af ​​hydrering under produktion og højtemperaturpyrolyse af sintringsproces," forklarer prof. Hashimoto. "Vores undersøgelse har til formål at forstå, om Mg–C–O–H-systemer kan gennemgå en ønskelig størkning til konstruktionskeramik via CSP."

Holdet brugte magnesiumhydroxid og basisk magnesiumhydroxidpulver som keramiske forstadier og vand som opløsningsmiddel. De opvarmede førstnævnte ved 250ºC og sidstnævnte ved 150ºC med 10 masse% vand under et tryk på 270 megapascal (MPa) i hver time. De fandt, at trykstyrke og relativ densitetsværdier for størknet magnesiumhydroxid var henholdsvis 121 MPa og 84 %, mens værdierne for størknet basisk magnesiumcarbonat var henholdsvis 275 MPa og 88 %. Holdet opdagede også, at vandet spillede en væsentlig rolle i at fremme opløsning-udfældningsreaktionen, der er nødvendig for fortætningen af ​​pulvere under CSP. Dette fænomen sikrede, at sintringen for at danne faste masser fandt sted ved lavere temperaturer.

Resultaterne af denne undersøgelse giver et nyt perspektiv på sintring, som generelt betragtes som en højtemperatur- og højenergiproces. CSP'en tillader ikke kun keramikfremstilling af materialer, der er modtagelige for termisk nedbrydning, men sikrer også fremragende resultater ved at kontrollere mikrostrukturen af ​​de størknede produkter.

"Byggebranchen er en af ​​de største forbrugere af energi, der er ansvarlig for 38 % af den globale energirelateret CO₂ emissioner. Gennem vores forskning sigter vi mod at komme et skridt tættere på at opbygge en fremtid, hvor fremstilling af byggematerialer er mere bæredygtig og grønnere," afslutter Prof. Hashimoto. + Udforsk yderligere

Solid-state batterier kunne gøres mere rene ved at opskalere flash sintring