Production and characterization of porous ceramics for high temperature applications

Abstract

This thesis focuses on the production and characterization of different porous polymer derived ceramic (PDC) components (foams, additively manufactured (AM) honeycombs, and aerogels) and demonstrates their potential for high temperature applications, including gas permeability (up to ~700 o C), molten metal filtration, and heat exchanger. The foams were produced via the replica technique and different pore sizes, ranging from 300 μm to 2 mm, silicon oxycarbide (SiOC) ceramic foams were able to be formed. The average total porosity of the foams was 96 vol% with a specific surface area (SSA) of ~80 m2 /g. AM-made honeycomb-like cellular structures with different cell sizes (578 μm, 1040 μm) were obtained via fused filament fabrication. Finally, SiOC aerogels were synthesized using siloxane resin, then dried at ambient pressure and room temperature. The produced SiOC aerogels showed a total porosity of around 80 vol% and an SSA reaching 250 m2 /g. Regarding the high temperature applications of porous PDC components, initially, the gas permeability of SiOC foams was tested, and the results showed stability up to 700 °C in the air without any loss of functionality, offering reusability even in aggressive environments. In the subsequent studies, filtration of molten aluminum alloy was tested using various porous components. PDC foams demonstrated better performance in comparison to the AM-made cellular structures and commercial SiC foams. Finally, heat exchange analysis was performed to evaluate the heat transfer of SiOC foams, and an increase in pressure drop was found to be directly proportional to the rate of increase in air velocity.

Bu çalışma içerisinde, farklı gözenek yapısına sahip polimer türevli seramikler (polymer derived ceramic, PDC) üretilmiştir. Öncelikle polimerik yapıda köpükler, ardından eklemeli imalat (additive manufacturing, AM) ile üretilmiş petek benzeri yapılar ve son olarak da aerojellerin imalatı yapılmıştır. Ortaya çıkan gözenekli seramikler gaz geçirgenlik (~700 oC'ye kadar), eriyik metal filtrasyonu ve ısı eşanjörü gibi yüksek sıcaklık uygulamaları için testlere tabi tutulmuşlardır. Seramik köpükler replika tekniği ile üretilmiş ve 300 μm ile 2 mm arasında değişen farklı gözenek boyutlarına, hacimce ortalama %96 toplam gözenekliliğe ve yaklaşık 80 m2/g spesifik yüzey alanına (specific surface area, SSA) sahip silikon oksikarbür (SiOC) seramikleri elde edilmiştir. Eklemeli imalat ile petek benzeri hücresel yapılar farklı hücre boyutlarıyla (578 μm, 1040 μm) üretilmiştir. Son olarak, SiOC aerojelleri siloksan reçinesi kullanılarak jel haline getirilmiş ardından ortam basıncı ve oda sıcaklığında kurutularak polimerik aerojellerin sentezi yapılmıştır. Yüksek sıcaklık pirolizi sonucunda elde edilen SiOC aerojelleri, hacimce yaklaşık %80 toplam gözeneklilik ve 250 m2/g SSA değeri vermiştir. Yüksek sıcaklık uygulamalarıyla ilgili, ilk olarak SiOC köpüklerinin gaz geçirgenlik testleri yapılmış ve sonuçlara göre test edilen köpükler herhangi bir işlevsellik kaybı olmadan havada 700 °C'ye kadar stabilite göstererek, agresif ortamlarda bile yeniden kullanılabilirlik imkânı sunabilmişlerdir. Takip eden çalışmalarda, eriyik alüminyum alaşım filtrasyonu, çeşitli gözenekli bileşenler kullanılarak test edilmiş ve PDC köpükleri hem AM ile üretilen hücresel gözenekli yapılara hem de ticari SiC köpüklerine kıyasla daha iyi performans göstermiştir. Son olarak, SiOC köpüklerin ısı transferini değerlendirmek için ısı eşanjörü testleri yapılmış ve sonuçlar basınç düşüşündeki artışın, hava hızındaki artış oranıyla doğru orantılı olduğunu göstermiştir.