Coaxial Electrospinning-Derived Hollow SiBCN Ceramic Fibers with Multiscale Heat-Transfer Suppression for High-Temperature Thermal Insulation

Resumen Técnico: Fibras Cerámicas de SiBCN Huecas Derivadas de Electrohilado Coaxial

Planteamiento del Problema
Los aerogeles de fibras cerámicas convencionales son reconocidos como materiales prometedores para el aislamiento térmico de alta temperatura debido a su baja densidad y alta porosidad. Sin embargo, su aplicación en entornos térmicos extremos, particularmente dentro de sistemas aeroespaciales, se ve restringida por una resistencia térmica insuficiente y una robustez mecánica limitada. Existe una necesidad crítica de fibras cerámicas ligeras que posean simultáneamente baja conductividad térmica, estabilidad a alta temperatura y suficiente fiabilidad mecánica. Si bien los Cerámicos Derivados de Polímeros (PDCs), específicamente la poliborosilazano (PBSZ) convertida en cerámicas de SiBCN, ofrecen una estabilidad estructural a alta temperatura y resistencia a la oxidación superiores en comparación con el SiC o Si₃N₄ tradicionales, el diseño de la composición por sí solo es insuficiente para lograr una conductividad térmica ultrabaja. Se requiere una regulación arquitectónica adicional para maximizar la supresión de la transferencia de calor.

Metodología
Este estudio empleó una combinación de electrohilado coaxial y conversión de precursores para fabricar fibras cerámicas de SiBCN huecas y continuas.

• Diseño del Precursor: Se utilizó poliborosilazano (PBSZ) como precursor de la corteza (shell), mientras que el polimetilmetacrilato (PMMA) sirvió como plantilla de núcleo (core) sacrificial.
• Proceso de Fabricación:
  1. Preparación de la Solución: El PBSZ se disolvió en tetrahidrofurano (THF) para formar la solución de la corteza (optimizada al 30% de fracción de masa), y el PMMA con polivinilpirrolidona (PVP) se disolvió en DMF para la solución del núcleo.
  2. Electrohilado Coaxial: Las soluciones se electrohilaron bajo parámetros optimizados (voltaje de 18 kV, relación de flujo corteza-núcleo de 3:1) para producir fibras poliméricas continuas.
  3. Curado y Pirólisis: Las fibras obtenidas mediante electrohilado se curaron a 210 °C en aire para inducir la preoxidación. Posteriormente, se pirolizaron en una atmósfera de nitrógeno a temperaturas que oscilaron entre 1000 °C y 1400 °C. Este proceso descompuso el núcleo de PMMA para crear cavidades tubulares, mientras convertía la corteza de PBSZ en una matriz cerámica de SiBCN.
• Caracterización: Las fibras resultantes fueron analizadas mediante FTIR, XRD, SEM, TEM, TGA y mediciones de conductividad térmica para evaluar la estructura química, la composición de fase, la morfología, la estabilidad térmica y el rendimiento de aislamiento.

Contribuciones Clave y Resultados

• Optimización Estructural: El estudio identificó que una concentración de PBSZ del 30% produjo las fibras más uniformes y libres de perlas (beads). Se determinó que la pirólisis a 1200 °C es la temperatura óptima, produciendo fibras con los diámetros de poro interno más grandes (1400 ± 100 nm) y las paredes más delgadas (250 ± 10 nm), los cuales son críticos para minimizar la conducción de calor en estado sólido.
• Conductividad Térmica: Las fibras huecas de SiBCN exhibieron una conductividad térmica a temperatura ambiente tan baja como 0.0359 W·m⁻¹·K⁻¹ cuando fueron pirolizadas a 1200 °C. Este valor representa una reducción significativa en comparación con las fibras pirolizadas a 1000 °C (0.0428 W·m⁻¹·K⁻¹) y 1400 °C (0.0409 W·m⁻¹·K⁻¹).
• Estabilidad a Alta Temperatura:
  • Pérdida de Masa: Las fibras no mostraron pérdida de masa detectable por encima de los 800 °C, con la pérdida de masa total durante la pirólisis estabilizándose después de los 800 °C.
  • Integridad Mecánica: Las membranas de fibra retuvieron buena flexibilidad y resistencia a la tracción incluso tras la exposición a una llama de butano a 1000 °C durante 5 minutos.
  • Evolución de Fase: El análisis XRD indicó que las fibras permanecieron predominantemente amorfas a 1000 °C y 1200 °C. La cristalización de las fases Si₃N₄ y β-SiC ocurrió únicamente a 1400 °C, lo que los autores señalan que condujo a un ligero aumento en la conductividad térmica debido a la densificación y la reducción de la dispersión de fonones.
• Rendimiento de Aislamiento: Cuando una membrana de fibra hueca fue expuesta a una llama de 1000 °C, la diferencia de temperatura entre las superficies caliente y fría alcanzó aproximadamente 727.7 °C (específicamente 740 °C en el resumen) tras 60 segundos, estabilizándose la temperatura de la superficie posterior a partir de entonces.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el rendimiento superior de aislamiento térmico surge de un mecanismo sinérgico que involucra tanto factores estructurales como composicionales:

1. Arquitectura Hueca: Las cavidades tubulares continuas atrapan aire (el cual posee una baja conductividad térmica) y disrumpen las vías de transferencia de calor en estado sólido.
2. Matriz Amorfa: La red amorfa densa y desordenada de SiBCN suprime el crecimiento de grano y la separación de fases a temperaturas elevadas, mejorando la dispersión de fonones.
3. Supresión Multiescala: La combinación de canales macroscópicos huecos, nanoporos microscópicos dentro de las paredes y la estructura cerámica amorfa crea una supresión de la transferencia de calor multiescala.

Los autores concluyen que las fibras cerámicas de SiBCN huecas son materiales ligeros prometedores para el aislamiento térmico y aplicaciones estructurales en la industria aeroespacial y otros entornos de alta temperatura, ofreciendo una solución que equilibra la baja conductividad térmica con la integridad mecánica y la estabilidad térmica.