Příprava aerogelových povrchových úprav na objemových materiálech
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Tato práce se zabývá systematickou studií syntézy a zpracováním pokročilých tepelně stabilních aerogelů pro potenciální vysokoteplotní aplikace. V první části dizertační práce jsou podrobně popsány syntetické implikace pro přípravu aerogelů a jejich aplikace spolu s popisem depozičních metod povlaků vytvořených pomocí sol-gel procesu. Experimentální postup je rozdělen do tří částí. První z nich představuje syntetické protokoly k přípravě ZrO2, YSZ, Ln2Zr2O7 (Ln = La3+, Nd3+, Gd3+, and Dy3+) aerogelů, Ln2Zr2O7 prášků a xerogelů. Dále je popsána depoziční metoda, která byla použita pro přípravu povlaků z aerogelů na kovových substrátech. Poté jsou následně specifikovány techniky, jež byly použity pro charakterizaci. Bylo zjištěno, že množství vody a kyseliny dusičné hraje rozhodující roli v přípravě gelů vhodných pro transformaci na aerogely. Po kalcinaci při 500 °C mají ZrO2 a YSZ aerogely velký povrch, a to až do 114 m2 g-1, avšak při 1000 °C dochází k úplnému zhuštění a ztrácí se tak veškerá jejich porézní struktura. Naopak ve srovnání s ZrO2 and YSZ jsou aerogely Ln2Zr2O7 tepelně stabilnější, protože si zachovávají svou porozitu při vyšší kalcinační teplotě (1000 °C), při které dosahují hodnot > 160 m2 g-1. Experimentálně bylo dále zjištěno, že ve studovaném teplotním rozsahu ZrO2 aerogel tvoří tetragonální komplex monoklinický fázový přechod řízený velikostí krystalitů, zatímco YSZ je tvořena jedinou tetragonální fází. Fázové složení zirkoničitanů vzácných zemin je vysoce závislé na způsobu syntézy; všechny Ln2Zr2O7 materiály jsou pyrochlorické nebo fluoritové krystalické fáze. Přímým odléváním aerogelu na kovový substrát dochází k úplnému rozpraskání povlaku z důvodu smršťování, zatímco máčením kovového substrátu v suspenzi je možné vyrobit homogenní, silné a hrubé povlaky z aerogelu. Tyto povlaky neobsahují fázové změny a zůstávají vysoce porézní i po různých tepelných úpravách.
In this thesis, a systematic study of the synthesis and processing of advanced thermal-stable aerogels for potential high-temperature applications was carried out. The first part of this work details the synthetic implications to prepare an aerogel and its applications along with a description of the sol-gel coatings deposition techniques. The experimental procedure is divided into three sections. The first one shows the followed synthetic protocols to prepare ZrO2, YSZ, Ln2Zr2O7 (Ln = La3+, Nd3+, Gd3+, and Dy3+) aerogels, and Ln2Zr2O7 powders and xerogels. Then is described the used deposition method to prepare aerogel coatings on metallic substrates. Followed this, the characterization techniques are specified. It was found that the amount of water and nitric acid plays a determinant role to obtain suitable wet gels to transform into aerogels. Upon calcination at 500 °C, the ZrO2 and YSZ aerogels have a high surface area up to 114 m2 g-1, however, at 1000 °C, complete densification occurs losing all their porous structure. In comparison with the ZrO2 and YSZ, the Ln2Zr2O7 aerogels are thermally more stable since preserves their porosity at elevated calcination (1000 °C) with values >160 m2 g-1. In the studied temperature range, the ZrO2 aerogel experiment a complex tetragonal monoclinic phase transition driven by the crystallite size, while the YSZ is constituted by single-tetragonal phase. The phase composition of the rare-earth zirconates is highly dependent on the synthesis method; all the Ln2Zr2O7 materials are pyrochlore or fluorite crystalline phases. The direct casting of the aerogel on the metallic substrate yield completely broken coatings due to effect of shrinkage, while the slurry dip-coating allowed to fabricate homogeneous, thick, and coarse aerogel coatings. These coatings do not present phase changes and remain highly porous after different heat treatments.
In this thesis, a systematic study of the synthesis and processing of advanced thermal-stable aerogels for potential high-temperature applications was carried out. The first part of this work details the synthetic implications to prepare an aerogel and its applications along with a description of the sol-gel coatings deposition techniques. The experimental procedure is divided into three sections. The first one shows the followed synthetic protocols to prepare ZrO2, YSZ, Ln2Zr2O7 (Ln = La3+, Nd3+, Gd3+, and Dy3+) aerogels, and Ln2Zr2O7 powders and xerogels. Then is described the used deposition method to prepare aerogel coatings on metallic substrates. Followed this, the characterization techniques are specified. It was found that the amount of water and nitric acid plays a determinant role to obtain suitable wet gels to transform into aerogels. Upon calcination at 500 °C, the ZrO2 and YSZ aerogels have a high surface area up to 114 m2 g-1, however, at 1000 °C, complete densification occurs losing all their porous structure. In comparison with the ZrO2 and YSZ, the Ln2Zr2O7 aerogels are thermally more stable since preserves their porosity at elevated calcination (1000 °C) with values >160 m2 g-1. In the studied temperature range, the ZrO2 aerogel experiment a complex tetragonal monoclinic phase transition driven by the crystallite size, while the YSZ is constituted by single-tetragonal phase. The phase composition of the rare-earth zirconates is highly dependent on the synthesis method; all the Ln2Zr2O7 materials are pyrochlore or fluorite crystalline phases. The direct casting of the aerogel on the metallic substrate yield completely broken coatings due to effect of shrinkage, while the slurry dip-coating allowed to fabricate homogeneous, thick, and coarse aerogel coatings. These coatings do not present phase changes and remain highly porous after different heat treatments.
Description
Citation
TORRES RODRÍGUEZ, J. Příprava aerogelových povrchových úprav na objemových materiálech [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2020.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie
Comittee
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Jiří Pinkas, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jaroslav Cihlář, CSc. (člen)
Ing. Melita Menelaou, Ph.D. (člen)
Assoc.prof. István Lázár (člen)
Date of acceptance
2020-03-13
Defence
Práce studenta Jorgeho A. Torrese Rodrígueze se zabývá systematickou studií syntézy a zpracováním pokročilých tepelně stabilních aerogelů pro potenciální vysokoteplotní aplikace. Aplikační potenciál studovaných materiálů je značný a práce je vypracována ve vysoce aktuální oblasti pokročilých materiálů. Cíle práce byly splněny. Student v průběhu obhajoby zodpověděl všechny dotazy oponentů a komise na velmi dobré úrovni. Student je dle oponentů připravený na samostatnou vědeckou práci.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení