Vi cầu thủy tinh rỗng là các hạt hình cầu nhẹ có kích thước micron (thường là 10-150μm), bao gồm một lớp vỏ thủy tinh mỏng bao bọc khí (như nitơ hoặc carbon dioxide). Do cấu trúc độc đáo của nó, nó có mật độ thấp, độ bền cao, cách nhiệt, cách âm và các đặc tính khác, và được sử dụng rộng rãi trong vật liệu composite, lớp phủ, hàng không vũ trụ, công nghiệp dầu khí và các lĩnh vực khác.
1. Cấu trúc và đặc điểm
(1) Cấu trúc vật lý
Vỏ: Làm bằng thủy tinh soda-vôi-silicon hoặc thủy tinh borosilicate, có độ dày thành khoảng 1-2 μm.
Khí bên trong: Thường là khí trơ (N₂, CO₂), cung cấp khả năng cách nhiệt và mật độ thấp.
(2)
Đặc điểm hiệu suất chính Giá trị tiêu biểu Ưu điểm ứng dụng
Mật độ 0,1-0,6 g/cm³ Nhẹ hơn nước, giảm trọng lượng vật liệu
Cường độ nén 5-100 MPa Có thể chịu được áp suất xử
lý Độ dẫn nhiệt 0,05-0,12 W/(m·K) Hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời
Kích thước hạt 10-150 μm Dễ phân tán trong nhiều chất nền khác nhau
Độ ổn định hóa học Chịu được axit và kiềm (pH 2-12) Thích hợp cho môi trường khắc nghiệt
2. Quy trình chuẩn bị
Có hai phương pháp chính để sản xuất hạt thủy tinh rỗng:
(1) Phương pháp thổi ngọn lửa
Nguyên liệu: bột thủy tinh (SiO₂, Na₂O, CaO, v.v.) trộn với chất tạo bọt (như natri sunfat).
Nóng chảy ở nhiệt độ cao: Nóng chảy ở nhiệt độ 1400-1600℃, chất tạo bọt phân hủy tạo ra khí.
Đúc thổi: Các giọt thủy tinh nóng chảy được thổi bay bằng luồng không khí tốc độ cao và tạo thành các vi cầu rỗng sau khi làm nguội.
(2) Phương pháp sol-gel
Áp dụng cho các hạt vi mô có độ tinh khiết cao, kích thước nhỏ (<50μm), nhưng chi phí tương đối cao.
3. Các lĩnh vực ứng dụng chính
(1) Vật liệu composite nhẹ
Ô tô/hàng không vũ trụ: Thêm nhựa, cao su hoặc ma trận kim loại để giảm trọng lượng của các bộ phận (như nội thất máy bay, cản xe hơi).
Vật liệu nổi ở vùng biển sâu: Được sử dụng trong tàu lặn và cáp ngầm để cung cấp lực nổi ổn định.
(2) Lớp phủ và vật liệu xây dựng
Lớp phủ cách nhiệt: Giảm mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà (như tường ngoài tòa nhà và cách nhiệt đường ống).
Chất tạo độ mờ: Điều chỉnh độ bóng của lớp phủ (như sơn mờ).
(3) Ngành dầu khí
Xi măng tỷ trọng thấp: Dùng để xi măng hóa các giếng dầu, khí nhằm chống vỡ vỉa.
Phụ gia dung dịch khoan: Giảm mật độ và cải thiện hiệu quả khoan.
(4) Các lĩnh vực khác
In 3D: Cải thiện tính lưu động và trọng lượng nhẹ của vật liệu.
Mỹ phẩm: Dùng làm chất làm mềm da để tăng cường cảm giác cho da.
4. Ưu điểm và thách thức
(1) Ưu điểm
✔ Siêu nhẹ: Mật độ chỉ bằng 1/10 so với hạt thủy tinh rắn.
✔ Cách nhiệt và cách âm: Lớp không khí rỗng ngăn chặn hiệu quả sự dẫn nhiệt và sóng âm.
✔ Tính lưu động tốt: Cấu trúc hình cầu cải thiện hiệu suất xử lý vật liệu.
