الكرات الزجاجية المجوفة هي جسيمات كروية خفيفة الوزن بحجم ميكرون واحد (عادةً ما يتراوح بين 10 و150 ميكرومتر)، تتكون من غلاف زجاجي رقيق الجدران يحيط بغاز (مثل النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون). بفضل بنيتها الفريدة، تتميز بانخفاض كثافتها وقوتها العالية وعزلها الحراري والصوتي، بالإضافة إلى خصائص أخرى، وتُستخدم على نطاق واسع في المواد المركبة والطلاءات وصناعة الطيران والفضاء والبترول وغيرها من المجالات.
1. البنية والخصائص
(1) البنية الفيزيائية
الغلاف: مصنوع من زجاج الصودا والجير والسيليكون أو زجاج البورسليكات، بسمك جدار يبلغ حوالي 1-2 ميكرومتر.
الغاز الداخلي: عادة ما يكون غاز خامل (N₂، CO₂)، يوفر كثافة منخفضة وعزل حراري.
(2) خصائص الأداء الرئيسية
القيم النموذجية مزايا التطبيق
الكثافة 0.1-0.6 جم / سم مكعب أخف من الماء، مما يقلل من وزن المادة
قوة الضغط 5-100 ميجا باسكال يمكن أن يتحمل ضغط المعالجة
الموصلية الحرارية 0.05-0.12 واط / (م·ك) أداء عزل حراري ممتاز
حجم الجسيمات 10-150 ميكرومتر سهل التشتت في ركائز مختلفة
الاستقرار الكيميائي مقاوم للأحماض والقلويات (درجة الحموضة 2-12) مناسب للبيئات القاسية
2. عملية التحضير
هناك طريقتان رئيسيتان لتصنيع حبات الزجاج المجوفة:
(1) طريقة النفخ باللهب
المواد الخام: مسحوق الزجاج (SiO₂، Na₂O، CaO، إلخ) مخلوطًا بعامل رغوة (مثل كبريتات الصوديوم).
الذوبان في درجة حرارة عالية: عند الذوبان عند درجة حرارة 1400-1600 درجة مئوية، يتحلل عامل الرغوة لإنتاج الغاز.
النفخ: يتم نفخ قطرات الزجاج المنصهرة بواسطة تدفق الهواء عالي السرعة وتشكيل كرات مجهرية مجوفة بعد التبريد.
(2) طريقة السول-جيل
قابلة للتطبيق على حبيبات دقيقة عالية النقاء وصغيرة الحجم (<50 ميكرومتر)، ولكن تكلفتها مرتفعة نسبيًا.
3. مجالات التطبيق الرئيسية
(1) المواد المركبة خفيفة الوزن
السيارات/الفضاء: أضف مصفوفة بلاستيكية أو مطاطية أو معدنية لتقليل وزن المكونات (مثل التصميمات الداخلية للطائرات ومصدات السيارات).
مواد الطفو في أعماق البحار: تستخدم في الغواصات والكابلات البحرية لتوفير طفو مستقر.
(2) الطلاءات ومواد البناء
الطلاءات العازلة للحرارة: تعمل على تقليل استهلاك الطاقة في المباني (مثل عزل الجدران الخارجية للمباني وعزل خطوط الأنابيب).
عامل التلميع: ضبط لمعان الطلاءات (مثل الطلاء غير اللامع).
(3) صناعة البترول
الأسمنت منخفض الكثافة: يستخدم في تدعيم آبار النفط والغاز لمنع تمزق التكوينات.
إضافات سوائل الحفر: تقلل الكثافة وتحسن كفاءة الحفر.
(4) مجالات أخرى
الطباعة ثلاثية الأبعاد: تحسين سيولة المواد وخفة الوزن.
مستحضرات التجميل: تستخدم كمنعم للبشرة لتعزيز ملمسها.
4. المزايا والتحديات
(1) المزايا
✔ خفيف للغاية: الكثافة هي 1/10 فقط من كثافة الخرز الزجاجي الصلب.
✔ عزل الحرارة والصوت: تعمل طبقة الهواء المجوفة على منع التوصيل الحراري والموجات الصوتية بشكل فعال.
✔ سيولة جيدة: يحسن الهيكل الكروي أداء معالجة المواد.
