میکروسفرهای شیشه‌ای توخالی، ذرات کروی سبک با اندازه میکرونی (معمولاً 10 تا 150 میکرومتر) هستند که از یک پوسته شیشه‌ای با دیواره نازک تشکیل شده‌اند و یک گاز (مانند نیتروژن یا دی‌اکسید کربن) را در بر می‌گیرند. به دلیل ساختار منحصر به فرد خود، دارای چگالی کم، استحکام بالا، عایق حرارت، عایق صدا و سایر ویژگی‌ها است و به طور گسترده در مواد کامپوزیت، پوشش‌ها، هوافضا، صنعت نفت و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۱. ساختار و ویژگی‌ها
(1) ساختار فیزیکی
پوسته: از شیشه سودالایم-سیلیکون یا شیشه بوروسیلیکات ساخته شده و ضخامت دیواره آن حدود ۱-۲ میکرومتر است.
گاز داخلی: معمولاً یک گاز بی‌اثر (N₂، CO₂)، که چگالی کم و عایق حرارتی ایجاد می‌کند.
(2) عملکرد کلیدی
ویژگی‌ها مقادیر معمول مزایای کاربرد
چگالی 0.1-0.6 گرم بر سانتی‌متر مکعب سبک‌تر از آب، کاهش وزن ماده
مقاومت فشاری 5-100 مگاپاسکال تحمل فشار فرآیند
رسانایی حرارتی 0.05-0.12 W/(m·K) عملکرد عالی عایق حرارتی
اندازه ذرات 10-150 میکرومتر پراکندگی آسان در بسترهای مختلف
پایداری شیمیایی مقاوم در برابر اسید و قلیا (pH 2-12) مناسب برای محیط‌های خشن
2. فرآیند آماده‌سازی
دو روش اصلی برای تولید دانه‌های شیشه‌ای توخالی وجود دارد:
(1) روش دمیدن شعله‌ای
مواد اولیه: پودر شیشه (SiO₂، Na₂O، CaO و غیره) مخلوط با یک عامل کف‌ساز (مانند سولفات سدیم).
ذوب در دمای بالا: عامل کف‌ساز در دمای ۱۴۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد ذوب شده و تجزیه شده و گاز تولید می‌کند.
قالب‌گیری دمشی: قطرات شیشه مذاب توسط جریان هوای پرسرعت به بیرون دمیده می‌شوند و پس از خنک شدن، میکروسفرهای توخالی تشکیل می‌دهند.
(2) روش سل-ژل
برای ریزدانه‌های با خلوص بالا و اندازه کوچک (<50μm) قابل استفاده است، اما هزینه آن نسبتاً بالاست.
۳. زمینه‌های کاربرد اصلی
(۱) مواد کامپوزیت سبک
خودرو/هوافضا: برای کاهش وزن قطعات (مانند فضای داخلی هواپیما، سپر خودرو) به آنها پلاستیک، لاستیک یا ماتریس فلزی اضافه کنید.
مواد شناور در اعماق دریا: در زیردریایی‌ها و کابل‌های زیردریایی برای ایجاد شناوری پایدار استفاده می‌شوند.
(2) پوشش‌ها و مصالح ساختمانی
پوشش‌های عایق حرارتی: کاهش مصرف انرژی ساختمان (مانند دیوارهای خارجی ساختمان و عایق‌بندی خطوط لوله).
عامل مات کننده: براقیت پوشش‌ها (مانند رنگ مات) را تنظیم می‌کند.
(3) صنعت نفت
سیمان با چگالی کم: برای سیمان‌کاری چاه‌های نفت و گاز به منظور جلوگیری از پارگی سازند استفاده می‌شود.
افزودنی‌های سیال حفاری: کاهش چگالی و بهبود راندمان حفاری
(4) سایر زمینه‌های
چاپ سه‌بعدی: بهبود سیالیت مواد و سبکی.
لوازم آرایشی: به عنوان نرم کننده برای بهبود حس پوست استفاده می‌شود.
۴. مزایا و چالش‌ها
(۱) مزایا
✔ فوق سبک: چگالی آن تنها ۱/۱۰ چگالی دانه‌های شیشه‌ای جامد است.
✔ عایق حرارت و صدا: لایه هوای توخالی به طور موثری رسانایی گرما و امواج صوتی را مسدود می‌کند.
✔ سیالیت خوب: ساختار کروی عملکرد پردازش مواد را بهبود می‌بخشد.
