Open-Pore Foams Modified by Incorporation of New Phases: Multiphase Foams for Thermal, Catalytic and Medical Emerging Applications

Recently, open-pore foam materials have acquired great interest in several technological sectors due to their excellent properties of low density, great specific surface area, adjustable thermal conductivity, and high-energy absorption. The replication method has proved to be one of the most widely used techniques for their manufacture, allowing a perfect control of the pores’ characteristics from which the main properties of the foams derive. However, these properties have limited the use of these materials in ultimate applications of the most demanding emerging technologies. This chapter reviews recent developments of open-pore foams that have been modified by the incorporation of new phases in order to enhance their properties. The inclusion of new phases taking part of the microstructure or modifying the pore surfaces allows these materials to be considered promising for the most modern applications including, among others, thermal dissipation, catalytic supports, and medical implantology

Challenging thermal management by incorporation of graphite into aluminium foams

The recent progress made in active thermal management for electronics demands the development of new open-pore foam materials with excellent thermal performance that result from the combination of high thermal conductivity (≥70 W/mK) and the lowest possible fluid pressure drop. The foams considered to date in the literature do not meet these conditions. In this work, a new class of two-phase composite foam materials, which contain graphite flakes and aluminium, were fabricated by the gas pressure liquid metal infiltration method. These materials were fabricated in two main microstructures: i) aluminium foam with oriented graphite flakes in struts; ii) alternating layers of oriented graphite flakes and aluminium foam. The resulting materials exhibited thermal conductivities within the 60–290 W/mK range, and power dissipation capacities up to 325% higher than those for conventional aluminium foams, with pressure drops kept at convenient values for the most demanding active thermal management applications.The authors acknowledge partial financial support from the “Ministerio de Ciencia e Innovación, Spain” (grant MAT2016-77742-C2-2-P)

Al/Gf composite foams with SiC-engineered interfaces for the next generation of active heat dissipation materials

Interfacial engineering has been investigated as a method of increasing thermal conductivity in a variety of aluminium/graphite composites but remains unexplored in the few graphite-containing aluminium foams developed to date. In this study, the replication method was used to fabricate aluminium/graphite composite foams by infiltrating with liquid aluminium packed preforms containing SiC-coated oriented graphite flakes and NaCl particles, the latter acting as a templating agent. The effects of interfacial modification caused by the SiC presence were investigated alongside those of NaCl and graphite flake particle sizes. Materials benefit from low pressure drops when large NaCl particles are used. Furthermore, large graphite flakes coated with SiC provide thermal conductivities up to 232 Wm-1K-1, improved mechanical properties and power dissipation capacities up to 2-fold and 6-fold higher than aluminium/graphite composite foams with unmodified interfaces and standard aluminium foams, respectively, making them ideal candidates for active heat sinks in next-generation electronic devices.This work was made possible by funding from the Spanish Agencia Estatal de Investigación (AEI), the Spanish Ministry of Science and Innovation, and the European Union under grant PDC2021-121617-C21 for the development of foams with novel phases that can be integrated into new systems for upcoming filtration applications. The authors would also like to acknowledge the financial support received for the same purpose from the Conselleria d'Innovació, Universitats, Ciència, i Societat Digital of the Generalitat Valenciana through grant GVA-COVID19/2021/097. L.P. Maiorano also acknowledges the financial support from the University of Alicante through grant UAFPU2019-33 “Programa Propio para el fomento de la I+D+i del Vicerrectorado de Investigación y Transferencia de Conocimiento”

Metal/Graphite flakes foams for heat sink applications

Los materiales que combinan un determinado grado de porosidad con elevada conductividad térmica son interesantes para algunas aplicaciones actuales de control térmico. En este trabajo se presenta el desarrollo de una nueva familia de materiales compuestos porosos multifásicos. Estos materiales están inspirados en el reciente desarrollo de una clase de materiales compuestos que presentan alta conductividad térmica y que combinan copos de grafito y partículas cerámicas en una matriz metálica. Sustituir las partículas cerámicas por partículas de sal común (NaCl) permite obtener una estructura de poros interconectados una vez que se elimina la sal por disolución en agua. De esta forma se han fabricado materiales espumados por medio de la infiltración mediante presión de gas de aluminio en preformas formadas por compactación de copos de grafito y partículas de NaCl. La conductividad térmica de estos materiales se ha medido y los resultados se discuten en base a cálculos realizados mediante dos modelos analíticos basados en las siguientes estructuras ideales: i) capas alternadas de copos de grafito semi-infinitos y espuma metálica; y ii) espumas metálicas con copos de grafito orientados.Materials combining a certain degree of macroporosity and high thermal conductivity are interesting for current active thermal management applications. In this work a new class of multiphase composite porous materials have been fabricated. The materials are inspired by a recently developed family of high thermally conductive composite materials formed by combination of graphite flakes, ceramic particles and a metal matrix. Replacing the ceramic particles by NaCl particles allow obtaining an interconnected pore structure in the material after dissolution in water. Materials with aluminum matrices have been obtained by gas pressure infiltration of preforms conformed by mixtures of graphite flakes and NaCl particles. The thermal conductivity has been calculated and experimental results are discussed in accordance with two mathematical models based on ideal microstructures: i) alternated layers of semi-infinite continuous graphite flakes and metallic foam, and ii) a metallic foam with oriented graphite flakes in the struts.Los autores desean agradecer la financiación obtenida del “Ministerio de Ciencia e Innovación” (proyecto MAT2016-77742-C2-2-P) y de la “Generalitat Valenciana” (PROMETEO II/2014/004-FEDER)

Development of carbon foams with hierarchical porosity

Los materiales mesoporosos de carbón (tamaño de poros en el intervalo 2-50 nm) se están utilizando en numerosas aplicaciones como membranas, filtros, soportes catalíticos o electrodos en dispositivos electroquímicos. A pesar de sus enormes potenciales, sus problemas relacionados con la difusión de los reactivos/productos y del calor hacia o desde los reactores han motivado el esfuerzo dirigido a obtener nuevos materiales porosos que combinen tamaños de poro en diferentes escalas. En este trabajo se han desarrollado espumas de carbono con porosidad jerarquizada mediante un método de doble plantilla. Para ello se utiliza una mezcla de brea de mesofase (MP) con poliestireno (PS) que se infiltra en preformas porosas formadas por compactación de partículas de NaCl, que posteriormente son eliminadas por disolución en agua y forman los poros de tamaño más grande en el material. Mediante tratamientos térmicos se consigue eliminar la fina microestructura interconectada formada por el PS y de esta manera crear la porosidad más fina en el material. El éxito del proceso radica en las condiciones de solidificación de la mezcla MP+PS, una vez infiltrada en la preforma de NaCl, y en la delicada eliminación de las fases plantilla. Con este método se ha conseguido desarrollar una nueva clase de materiales carbonosos con porosidad jerarquizada con poros en el intervalo 500 μm-20 nm.Mesoporous carbon materials (pore size ranging 2-50 nm) have been used in applications as membranes, filters, catalyst supports or electrodes in electrochemical devices. Their problems related with diffusion of reactants/products and heat leading off from or supplied to the reactors have motivated the efforts directed to obtain new materials capable of combining pores in different scales. In this work a double templating method is used to generate carbon foams with hierarchical pore structure. The mixture of mesophase pitch (MP) and polystyrene (PS) allows infiltrating preforms of packed NaCl particles which afterwards can be removed away by dissolution in water, forming the large pores in the material. Posterior heat treatments allow removing an interconnected fine microstructure created by the PS, which is able to create the fine porosity in the material. The success of the process depends on the solidification conditions of the infiltrating mixture and the careful removal of the templates. By this method a new class of materials with hierarchical porosity (pores in the range 500 mm-20 nm) has been obtained.Los autores desean agradecer la financiación obtenida al “Ministerio de Ciencia e Innovación” (proyecto MAT2016-77742-C2-2-P) y a la “Generalitat Valenciana” (PROMETEO II/2014/004-FEDER)

“Materiales Compuestos” en el Máster de “Ciencia de Materiales”

La asignatura de “Materiales Compuestos”, que se imparte en el Máster de “Ciencia de Materiales” de la Universidad de Alicante, se engloba dentro de una rama clásica de la Ciencia y la Tecnología de los Materiales, donde confluyen distintas áreas de conocimiento como la química, la física y la ingeniería mecánica, entre otras. Las diversas maneras de abordar estos conocimientos hacen que su enfoque didáctico sea complejo. “Materiales Compuestos” es una asignatura optativa del Máster de 3 créditos, impartida en el segundo cuatrimestre, que se incluye en el módulo de especialización “Materiales estructurales y funcionales”. En la presente comunicación se propone una metodología docente para esta asignatura adaptada al marco del Espacio Europeo de Educación Superior, así como también su interrelación con otras materias tanto complementarias como básicas dentro del contenido curricular del Máster. Desde un punto de vista didáctico “Materiales Compuestos” ha sido estructurada para ser impartida según el modelo de portfolio discente

Development of open-pore polymer and ceramic foams/Guefoams with tunable fluid-dynamic properties: Application in highly efficient water bacteria removal

The usual replication method for preparing open-pore metal foams using NaCl as a template cannot be successfully applied to the fabrication of foams using either water-based ceramic slurries in which NaCl can be dissolved during processing, or liquid polymers that wet NaCl and leave no interconnecting windows between pores. In this work, we propose to modify the replication process by including a second template, paraffin, which is deposited over the NaCl and serves a dual purpose: (i) it acts as a barrier to dissolution of the NaCl with the matrix precursor, and (ii) it creates size-controllable binding collars between the particles that ensure the formation of interconnecting windows in the foam. The usefulness of the process described here is illustrated by the fabrication of two types of materials: low porosity epoxy and cement matrix foams and Guefoams. As proof of concept, epoxy-based Guefoams were developed for the removal of Escherichia coli in water using iodine-impregnated activated carbon particles as the guest phase. The results indicate that the Guefoams outperform conventional bactericidal particle beds in several aspects, including their ease of handling and their tunable fluid-dynamic properties that enable high bacteria annihilation efficiency.The authors express their gratitude to the Spanish Agencia Estatal de Investigación (AEI), the Spanish Ministry of Science and Innovation, and the European Union for grants PDC2021-121617-C21 and PID2021-127566NB-I00, and the financial support from the Conselleria d'Innovació, Universitats, Ciència, i Societat Digital of the Generalitat Valenciana through grant GVA-COVID19/2021/097

Evaluation of highly adsorptive Guefoams (multifunctional guest-containing foams) as a potential sorbent for determination of volatile organic compounds (VOCs) by means of thermal desorption

The present work delves into the feasibility of employing a novel structured sorbent referred to as GFAD (Guefoam Adsorption Device) for the determination of volatile organic compounds (VOCs) in liquid samples. The chosen method has been static headspace sorptive extraction-thermal desorption gas chromatography mass spectrometry (HSSE-TD-GC–MS). The GFAD comprises an aluminum cellular material with a distinct replication structure and a solid guest phase consisting of activated carbon particles dispersed within the cavities of the cellular aluminum. The extensive specific surface area, robustness, and exceptional thermal conductivity of this pioneering material offer distinct advantages over commercially available polydimethylsiloxane-based Twister® devices. Therefore, the trapping efficiency for volatile organic compounds is enhanced, and it is possible to perform the analysis of concentrated samples. According to computational simulations, it has been demonstrated that GFAD has a high heat conductivity. As a result, the desorption efficiency is improved, and minimal temperature gradients are generated throughout the GFAD during the heating process. Besides, the energy consumption is significantly lowered, thus aligning with environmentally conscientious and sustainable analytical practices. The experimental results give a proof of the suitability of the GFAD for determining gaseous compounds in liquid samples through HSSE-TD-GC–MS. For volatile species, the new material provides higher peak areas and lower limits of detection than a commercially available Twister® device. Furthermore, the GFAD is reusable, its adsorbing properties remaining unchanged during, at least, 100 consecutive analyses. In addition, unlike to the Twister®, no intense siloxane peaks are observed in the chromatograms obtained with the GFAD. The feasibility of qualitative and semi-quantitative analysis with the new accessory has been demonstrated with both standards and a cereal bioethanol real sample.Open Access funding provided thanks to the CRUE-CSIC agreement with Springer Nature. The research leading to these results received funding from Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities under Grant Agreement No PID2021-127566NB-I00

Guefoams (guest-containing foams) as novel heterogeneous catalysts: preparation, characterization and proof-of-concept testing for CO2 methanation

The preparation and use of Guefoams as heterogeneous catalyst is reported. The Guefoam catalyst consists of an open-pore Al-Si foam that accommodates a freely mobile guest phase (Ni/CeO2/Al2O3 particles) in its cavities, with neither a physical nor a chemical matrix-guest bond. A eutectic Al-12Si alloy was used as a low-melting matrix precursor to prevent thermal sintering of the active phase during liquid metal infiltration. CO2 methanation was chosen as the reaction test. The activity and CH4 selectivity (close to 100%) achieved with the Guefoam catalyst were similar to those obtained with a packed bed of the same active phase particles, but with the advantages of a structured reactor such as robustness and ease of handling. The thermal conductivity of the Guefoam catalyst is significantly improved with regard to the packed bed of active phase particles, which reduces the temperature gradients in the catalytic reactor, as demonstrated by computational fluid dynamic modelling. Since the permeability of the Guefoam catalyst is 2.7 times that of the packed bed, the pressure drop caused by the passage of a fluid through the novel material is reduced, resulting in a significantly higher catalytic performance index than the packed bed.Financial support from the Spanish Agencia Estatal de Investigación (AEI), the Spanish Ministry of Science and Innovation and the European Union (FEDER and NextGenerationEU funds) [projects MAT2016-77742-C2-2-P, PDC2021-121617-C21 and CTQ2015-67597-C2-2-R] and the Conselleria d'Innovació, Universitats, Ciència, i Societat Digital of the Generalitat Valenciana [projects GVA-COVID19/2021/097 and PROMETEO/2018/076, PhD grant of C.Y. Chaparro GRISOLIAP/2017/177 and contract of E. Bailón APOSTD/2019/030]. L.P. Maiorano also acknowledges the financial support from the University of Alicante through grant “Programa Propio para el fomento de la I+D+I del Vicerrectorado de Investigación y Transferencia de Conocimiento” (UAFPU2019-33)

Materiales espumados metálicos con inclusiones térmicas de base carbono y nanoingeniería interfacial

La presente Tesis Doctoral se enmarca en el campo de la Ciencia de Materiales, en concreto, en el desarrollo de materiales espumados metálicos con porosidad interconectada (también conocidos como espumas de poro abierto) para aplicaciones de disipación térmica. Dicho desarrollo concierne el prediseño de los materiales, su fabricación y una posterior caracterización microestructural, térmica, fluidodinámica y mecánica. Las espumas metálicas de poro abierto presentan elevada superficie específica por unidad de volumen, baja densidad, gran capacidad de transferencia de calor, así como unas propiedades mecánicas aceptables. La combinación de estas propiedades junto con una estructura porosa interconectada que permite el paso de un fluido a su través hace de estos materiales excelentes candidatos para numerosas aplicaciones en el campo de la electroquímica como electrodos, en catálisis como soportes catalíticos, en ingeniería biomédica donde se utilizan como implantes biocompatibles y biodegradables y en el área de la electrónica como disipadores e intercambiadores de calor. En los últimos años, el control térmico en la industria electrónica, aeronáutica y aeroespacial se ha convertido en un foco de estudio de numerosos autores como consecuencia de los grandes avances tecnológicos actuales, que implican una miniaturización de los equipos electrónicos y un aumento de la potencia y prestaciones de los mismos. En condiciones normales de operación, los equipos más modernos generan grandes excesos de calor que deben ser eliminados con el fin de evitar fallos y roturas de los empaquetados electrónicos. La arquitectura de estos empaquetados electrónicos, en su forma más simple, consiste en un chip de silicio (foco emisor de calor) seguido de un material cerámico que cumple la función de aislante eléctrico (normalmente, de AlN) y de dos tipos de materiales responsables de eliminar los excesos de calor. Por un lado, se emplean los conocidos disipadores pasivos, caracterizados por presentar elevada conductividad térmica y bajo coeficiente térmico de expansión. Estos componentes conducen el calor a través de su estructura hasta zonas más alejadas donde se localiza un disipador activo. Los materiales compuestos metal/cerámica, como aluminio/diamante y aluminio/grafito, son buenos ejemplos de disipadores de calor pasivos. Numerosos autores revelaron que las prestaciones de estos materiales pueden ser mejoradas mediante la nanoingeniería interfacial matriz-refuerzo, dando lugar a materiales compuestos de conductividad térmica superior, bajos coeficientes térmicos de expansión y, en ocasiones, propiedades mecánicas mejoradas. Por otro lado, los disipadores activos se encargan de transportar el calor por conducción a través de la estructura sólida del material y transferirlo por convección a un fluido en movimiento a través de su estructura interna que lo elimina al medio. Los disipadores activos más comunes son los conocidos disipadores de aletas de aluminio. En ocasiones, estos son sustituidos por espumas metálicas de poro abierto puesto que presentan una mayor área específica, elevado coeficiente térmico de transferencia, así como una buena conductividad térmica y densidad reducida. Existen dos estrategias para la generación de porosidad en espumas de poro abierto: i) autoformación, según la cual la porosidad se genera mediante un proceso de evolución regido por los principios físicos, y ii) prediseño, donde la estructura se crea de forma más controlada con el uso de moldes mártir que determinan las cavidades porosas. Las técnicas de fabricación de espumas de poro abierto en las que la generación de porosidad se controla empleando una estrategia de prediseño pueden clasificarse en cuatro grupos atendiendo al estado del material precursor: líquido, sólido, vapor e iones. Cuando el material precursor se encuentra en estado líquido, las técnicas de procesado más importantes son la colada a molde perdido de espumas poliméricas y la colada alrededor de partículas o infiltración sobre preformas mártir. Si el procesado se lleva a cabo con un precursor en estado sólido, pueden destacarse técnicas como: sinterización parcial de polvos y fibras, presurización y sinterización de polvos en preformas mártir, sinterización de esferas huecas, sinterización de polvos y aglutinantes, o reacción de sistemas multicomponentes. Así mismo, el procesado de espumas en estado vapor e iónico concierne la deposición de vapor y electrodeposición, respectivamente, del material precursor sobre espumas poliméricas. De entre la amplia variedad de técnicas de fabricación, la infiltración de preformas mártir, también conocida como método de replicación, resulta ser la más interesante puesto que permite el mejor control sobre el material. Este método ha sido utilizado tradicionalmente para la obtención de espumas metálicas de poro abierto. El método de replicación consiste en producir una preforma porosa, normalmente de partículas empaquetadas, con un agente plantilla (cloruro de sodio, carbón, etc.) que posteriormente es infiltrada con metal fundido o cualquier otro líquido precursor de la matriz para producir un material compuesto. Tras la solidificación del líquido precursor, esta es eliminada o bien por disolución o bien por reacción química controlada (por ejemplo, combustión) para dejar una estructura porosa interconectada que puede ser considerada como el "negativo" de la preforma inicial. Este método tiene la ventaja de ser suficientemente versátil como para permitir el control de la fracción de volumen, el tamaño, la forma y la distribución del tamaño de los poros. Con este control preciso, las propiedades de las espumas fabricadas pueden ser ajustadas fácilmente al intervalo deseado. Dependiendo del material precursor y de la arquitectura porosa final deseada, diferentes materias primas han sido empleadas para la preparación de preformas mártir. No obstante, el material más utilizado es el cloruro de sodio (NaCl) en forma de partículas, que puede ser convenientemente empaquetado e infiltrado con precursores líquidos a temperaturas inferiores a su punto de fusión (801°C) y luego eliminado por disolución en soluciones acuosas. Las espumas metálicas obtenidas por el método de replicación se caracterizan por presentar baja porosidad (menor al 70%), dando lugar a materiales con caídas de presión más elevadas que las espumas metálicas comerciales, pero con una clara ventaja frente a estas: la habilidad de disipar grandes cantidades de flujo de calor como consecuencia de una elevada fracción de volumen de metal. Una revisión bibliográfica de los últimos años revela que diversos autores han adoptado la estrategia de incorporar nuevas fases a las espumas de poro abierto, ya que parece ser una forma adecuada de superar los requisitos de muchas aplicaciones tales como las estructurales, catalíticas, electroquímicas y biomédicas. Sin embargo, existen escasos antecedentes donde se contemple dicha estrategia para modificar materiales aplicados al control térmico activo. A pesar de los grandes atributos que presentan las espumas metálicas tradicionales utilizadas para disipación térmica, el acelerado crecimiento tecnológico hace que sus prestaciones sean insuficientes para cumplir con los requisitos de los equipos electrónicos más avanzados. Existe, por tanto, la necesidad de reformular sus diseños con el fin de potenciar sus propiedades. A la vista de dicha problemática actual, surge el desarrollo de la presente Tesis Doctoral, cuyas hipótesis se plantean a continuación: 1. Las espumas metálicas, ampliamente utilizadas para disipación térmica, presentan propiedades que han limitado su uso en las tecnologías emergentes, de modo que sus diseños han de ser reformulados. La estrategia de incorporar nuevas fases en la matriz estructural de las espumas metálicas parece ser la forma más adecuada para ampliar su aplicabilidad. 2. El método de replicación, comúnmente utilizado para la fabricación de espumas metálicas de poro abierto, es suficientemente versátil como para permitir un control sobre la estructura porosa del material final. La utilización de preformas mártir para la generación de porosidad a partir de un agente plantilla, permite que la incorporación de nuevas fases en el empaquetado sea completamente viable, siempre que se tengan en consideración ciertos aspectos de diseño. Ejemplo de ellos son, entre muchos, que las fases incorporadas no rompan la coordinación de las partículas del agente plantilla de tal modo que impidan la eliminación de estas tras la infiltración, evitando así la interconexión entre poros en el material final; o bien que el sistema matriz-inclusión presente una mala interfase térmica y/o mecánica. 3. La utilización de refuerzos de base carbono en materiales compuestos de matriz aluminio, tales como copos de grafito o diamante, han proporcionado conductividades térmicas muy superiores a los materiales monolíticos análogos, de modo que pueden considerarse como potenciales inclusiones térmicas en espumas metálicas de poro abierto. 4. Puesto que la eliminación de calor en los disipadores activos ocurre por un mecanismo de conducción/convección forzada, los materiales con mayor conductividad térmica serán capaces de conducir el calor de forma más efectiva hasta zonas más alejadas del foco emisor de calor, que posteriormente será transportado por un fluido para eliminarlo al medio. Por ello, se espera que las espumas metálicas de poro abierto con inclusiones térmicas de base carbono den lugar a potencias disipadas superiores en comparación con las espumas metálicas tradicionales. En base a estas hipótesis, se formulan los siguientes objetivos generales: 1. Desarrollo de espumas de aluminio de poro abierto que contengan copos de grafito como inclusiones térmicas (espumas de material compuesto aluminio/copos de grafito) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa. 2. Desarrollo de espumas de aluminio de poro abierto que contengan partículas de diamante como inclusiones térmicas (espumas de material compuesto aluminio/diamante) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa. 3. Empleo de la nanoingeniería interfacial con el fin de modificar las propiedades de las espumas de aluminio de poro abierto con inclusiones térmicas de base carbono (copos de grafito y partículas de diamante) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa