BRPI0722314A2 - Estrutura porosa sinterizada e método de fazer a mesma - Google Patents

Description

ESTRUTURA POROSA SINTERIZADA E MÉTODO DE FAZER A MESMA

Declaração de apoio governamental

A presente invenção foi feita com apoio do governo de acordo com Contrato número DE-AC02-05CH11231 concedido pelo 5 Departamento de Energia dos Estados Unidos da América ao The Regents of the univesity of Califórnia para gerenciamento e operação do Lawrence Berkeley National Laboratory. O governo tem certos direitos sobre a presente invenção.

Antecedentes da Invenção

Estruturas porosas são utilizadas em uma ampla gama de aplicações de filtração a dispositivos eletroquímicos. Dispositivos eletroquímicos de estado sólido como células de combustível de óxido sólido são feitos de camadas que são porosas e pelo menos uma camada que é densa. Por exemplo, as camadas de eletrodo (anódio e catódio) são porosas para permitir o fluxo de fluido para dentro e para fora da camada porosa enquanto a camada de eletrólito é um condutor de íons denso que evita que gases cruzem de um lado para o outro. Outras camadas podem incluir uma camada de interconexão eletronicamente condutiva, densa e camadas de contato elétrico porosas entre a interconexão densa e um eletrodo poroso. Um modo para formar uma porção de ou todas essas estruturas de multicamadas é através de queima conjunta. Queima conjunta é a sinterização das várias camadas ao mesmo tempo. US 6.605.316 descreve queima conjunta de uma camada de cermet ôu metal com uma camada de eletrólito de tal modo que a camada de cermet ou metal seja porosa após queima conjunta e a camada de eletrólito seja densa. A quantidade e tipo de porosidade da camada porosa após sinterização têm um impacto sobre o desempenho e as propriedades mecânicas do dispositivo. Alternativamente a camada porosa pode ser queimada separadamente a partir da camada de eletrólito densa e as camadas montadas 5 posteriormente. A formação de estruturas altamente porosas por sinterização pode ser um processo demorado e caro.

A sinterização é o tratamento térmico de um material em uma temperatura abaixo de seu ponto de fusão, ou no caso de uma mistura, abaixo do ponto de fusão de seu 10 constituinte principal. Isso aumenta tipicamente a resistência e densificação do material. A sinterização é utilizada para fazer objetos a partir de pó, por aquecer o pó abaixo de seu ponto de fusão até que suas partículas se liguem mutuamente.

Estruturas porosas sinterizadas são convencionalmente

feitas de pós de metal, cerâmico ou vidro sinterizáveis com a adição de formadores de poro na forma de polímeros, materiais em partículas, líquidos, e/ou gases. Formadores de poro são removidos por uma variedade de métodos e o pó

2 0 sinterizado para obter uma estrutura porosa forte. Frequentemente é o meio formador de poro que torna a fabricação de estruturas porosas um processo demorado e caro. Por exemplo, o uso de formadores de poro que se dissolvem, decompõem ou queimam é bem conhecido. A 25 dificuldade com a queima de formadores de poro é que a porosidade elevada necessária leva a um material de baixa resistência verde. Ao queimar em conjunto as estruturas de múltiplas camadas como células de combustível de óxido sólido, por exemplo, com um material de baixa resistência 30 verde torna-se difícil manipular e ou aplicar camadas subseqüentes como eletrodos/eletrólitos. Além disso, a fração de volume grande de formador de poro necessária torna a remoção do formador de poro demorada e potencialmente uma fonte de poluição.

Materiais em partículas extraíveis como NaCl ou KCl foram utilizados no processamento de metal poroso, com os materiais em partículas removidos antes de ou após sinterização. Entretanto, a remoção dos sais pode ser cara e a contaminação pelos elementos alcalinos é uma preocupação.

Estruturas porosas também podem ser feitas pelo método de réplica, no qual uma espuma de polímero poroso é impregnada com um material cerâmico, desse modo formando uma réplica negativa da espuma de polímero poroso. Etapas de secagem e calcinação são então utilizadas para remover o polímero e fazer com que o material cerâmico sinterize. Esse método requer múltiplas etapas de secagem e infiltração demoradas. Além disso, a decomposição do polímero pode resultar em gases tóxicos e resulta em espuma esponjosa, de poro aberto, com baixas densidades e baixas resistências devido aos defeitos que resultam da remoção de polímero. Esse método também é limitado a pós finos uma vez que partículas grandes não aderirão às espumas porosas.

Outro método para formar estruturas porosas é a técnica de formação de bolha. Essa técnica se baseia na produção e estabilização de bolhas na massa de líquido. As bolhas são produzidas por processos físicos ou químicos resultando em componentes gasosos, incluindo vapor. Esse método pode envolver produtos químicos perigosos e frequentemente não pode ser aplicado em metais e cerâmicas de ponto de fusão elevado.

Fusão por congelamento também foi empregada. Entretanto, esse método é lento e requer equipamento de processamento caro. Fios e flocos podem ser sinterizados 5 ligados para formar estruturas altamente porosas. Os fios ou flocos ligam nos pontos de contato com pouco encolhimento durante processamento. Entretanto, esse método não é apropriado para formar estruturas de múltiplas camadas devido às diferenças em sinterização como descrito 10 abaixo.

Sumário da Invenção

Métodos de baixo custo, simples de fabricar estruturas altamente porosas são fornecidos. Os métodos envolvem construir estruturas porosas com elementos moldados para 15 fornecer a estrutura de poro e porosidade, resistência desejada da estrutura porosa e então sinterizar os elementos juntos formar a estrutura. São também fornecidas estruturas porosas sinterizadas, novas compotas de elementos não esféricos sinterizados.

Um aspecto da invenção refere-se a um método de

fabricar uma rede porosa envolvendo o fornecimento de uma pluralidade de elementos não esféricos verdes, cada um dos quais é composto de partículas (por exemplo, pó); organizar os elementos não esféricos em um formato desejado da rede 25 porosa para formar um corpo poroso verde; e simultaneamente sinterizar as partículas juntas para formar elementos não esféricos sinterizados e sinterizar os elementos não esféricos juntos para formar a rede porosa. Os exemplos de elementos não esféricos incluem elementos no formato de 30 estrela, elementos de filamento linear, curvo ou enrolado, elementos em espiral, elementos no formato de tijolo, elementos no formato de anel, elementos tubulares, elementos toroidais, elementos no formato de sela, discos, folhas, elementos trançados e elementos no formato de jack.

Em certas modalidades, o corpo verde formado tem baixa densidade verde, por exemplo, menos de 3 0-45% (como exigido para densidade sinterizada baixa), enquanto ainda tem resistência mecânica suficiente para suportar camadas adicionais.

Também é fornecido um método de fabricar uma rede

porosa de folha fina plana, envolvendo a provisão de uma pluralidade de elementos não esféricos verdes; organizar a pluralidade de elementos não esféricos em um plano tendo primeira e segunda superfície principal para formar um 15 corpo poroso verde; e sinterizar a pluralidade de elementos não esféricos juntos para fabricar a rede porosa de folha fina plana. Em certas modalidades, os elementos não esféricos são compostos de partículas, que podem ser sinterizadas simultaneamente com os elementos verdes.

Outro aspecto da invenção refere-se a uma rede porosa

de elementos não esféricos sinterizados juntos, cada elemento não esférico composto de uma pluralidade de partículas sinterizadas juntas.

Em certas modalidades, a rede é plana e/ou define uma 25 pluralidade de trajetórias de f lvixo entre superfícies principais da rede. De acordo com várias modalidades, a rede tem uma porosidade conectada elevada, por exemplo, pelo menos 40%, 60% ou 90%. Também é fornecida uma estrutura de uma rede porosa plana de elementos não 30 esféricos sinterizados juntos, tendo primeira e segunda superfície principal; a rede porosa definindo uma

I

pluralidade de trajetórias de fluxo a partir da primeira superfície principal até a segunda superfície principal; em que o tamanho dos elementos varia de 5 micrômetros a 5 centímetros, e em que a rede tem uma porosidade conectada de pelo menos 3 0%.

Outros aspectos da invenção referem-se a estruturas de dispositivo eletroquímico de estado sólido incluindo substratos de elementos não esféricos sinterizados e 10 estruturas de dispositivo de filtração de fluido de folha fina incluindo redes sinterizadas de elementos não esféricos, e métodos de preparar essas estruturas.

Essas e outras características e vantagens da presente invenção serão descritas em mais detalhe abaixo com referência aos desenhos associados.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é um fluxograma de processo que representa estágios de um processo de produzir uma estrutura porosa sinterizada de acordo com várias modalidades da presente

2 0 invenção.

A figura 2 ilustra operações em um processo de produzir uma estrutura porosa sinterizada de acordo com várias modalidades da invenção.

A figura 3 é um fluxograma de processo que representa estágios de um processo de fabricar elementos não esféricos moldados para serem utilizados como blocos de construção das estruturas porosas de acordo com certas modalidades da presente invenção.

A figura 4 é um fluxograma de processo que representa estágios de um processo de produzir uma estrutura porosa sintetizada de acordo com várias modalidades da presente * invenção.

A figura 5 representa exemplos de embalagens do tipo destilação que têm baixas densidades de embalagem aleatória.

A figura 6 representa diagramas esquemáticos de (a) esferas aleatoriamente embaladas e (b) anéis anulares aleatoriamente embalados.

A figura 7a é um diagrama esquemático que representa esferas sinterizadas juntas.

A figura 7b é um diagrama esquemático que representa uma porção de uma estrutura de partículas esféricas sinterizadas juntas e uma porção de uma estrutura de suporte porosa de filme fino de barras densas sinterizadas juntas de seção transversal uniforme.

A figura 7c é um diagrama esquemático que representa uma porção em seção transversal de uma estrutura de suporte composta de elementos no formato de tijolo.

A figura 8 mostra diagramas em seção transversal de seções de duas folhas porosas: uma com poros orientados perpendiculares ao plano do filme e uma com poros orientados paralelos ao plano do filme.

As figuras 9a e 9b mostram exemplos de elementos não esféricos e disposições de estruturas porosas ordenadas.

A figura 9c é um diagrama esquemático que representa

seções transversais de uma estrutura porosa tendo uma distribuição de poro bimodal e de uma estrutura porosa tendo uma distribuição de poro graduada.

A figura IOa ilustra operações em um processo de 3 0 produzir uma estrutura porosa de elementos alongados de acordo com certas modalidades da presente invenção.

A figura IOb ilustra operações em um processo de produzir uma estrutura porosa utilizando um formador de poro fugitivo para influenciar arranjo de embalagem de acordo com certas modalidades da presente invenção.

A figura IOc ilustra operações em um processo de produzir uma estrutura porosa tendo uma parede de acordo com certas modalidades da presente invenção.

A figura Ila mostra uma seção transversal de estrutura porosa plana de acordo com várias modalidades da presente invenção.

A figura Ilb representa um desenho plano para um dispositivo eletroquímico de estado sólido.

A figura 12a é uma imagem de um leito de aço inoxidável poroso, sinterizado, formado de acordo com uma modalidade da presente invenção.

A figura 12b é uma imagem de um leito cerâmico poroso sinterizado formado de acordo com uma modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas

Introdução e Terminologia Relevante

A presente invenção refere-se a estruturas porosas sinterizadas e métodos de produzir as mesmas. Provê métodos novos, eficientes e de baixo custo de formar estruturas 25 porosas fortes, bem como estruturas porosas novas. Estruturas de metal, cerâmica, cermet, e polímero, porosas têm muitas aplicações incluindo como suportes para depósito de catalisador, estruturas de suporte porosas para dispositivos eletroquímicos como células de combustível de 3 0 óxido sólido ou bombas eletroquímicas, estruturas de suporte para membranas densas ou porosas para separação ou filtração de gás, como filtros para filtração de líquido e gás quente, camadas de contato porosas para dispositivos eletroquímicos, e como materiais isolantes de baixa densidade que isolam contra som ou calor.

Embora haja muitos métodos de fabricar estruturas porosas, a formação de estruturas em múltiplas camadas impõe limitações adicionais. Quando estruturas de multicamadas são formadas as diferenças nas propriedades de sinterização das várias camadas podem resultar em empeno ou rachadura das camadas. Isso é especialmente difícil com estruturas de multicamadas em que após processar pelo menos uma camada requer baixa densidade, porosidade conectada elevada, permeabilidade elevada e resistência mecânica suficiente para suportar as outras camadas e uma segunda camada requer densidade elevada. Em processamento de pó convencional a densidade verde varia de aproximadamente 4 0 65% da densidade teórica. Durante sinterização à densidade elevada, por exemplo, >95% de densidade, como ê exigido para eletrólitos herméticos a gás, a percentagem de encolhimento linear então varia de aproximadamente 12 - 25%. Para obter camadas porosas com aproximadamente 30% vol. de porosidade (70% de densidade), como é exigido para camadas de eletrodo poroso, a densidade de partida ou verde da camada porosa deve variar de no máximo aproximadamente

3 0 - 45% da densidade teórica. Com processamento de pó convencional é muito difícil obter corpos verdes tendo uma densidade verde menor do que 30%, que é necessária para obter densidade sinterizada menor do que 70%. Além disso,

3 0 esses corpos verdes porosos altamente porosos convencionais não têm a resistência mecânica para suportar as outras camadas.

Prefere-se frequentemente ter estruturas sinterizadas com porosidade conectada final muito maior do que 30% vol. Os métodos da invenção fornecem um método simples, de baixo custo para formar camadas porosas verdes com menos de 30 - 45% vol. de densidades teóricas que têm encolhimento bem controlado, porosidade conectada elevada, e resultam em corpos sinterizados fortes. As camadas porosas verdes têm as densidades verdes baixas, necessárias (elevadas porosidades) para obter as porosidades conectadas elevadas, e fornecem um suporte mecânico forte para outras camadas.

Os métodos da presente invenção envolvem sinterizar juntos elementos sinterizáveis moldados para formar uma rede ou estrutura porosa. A sinterização é o tratamento térmico de uma estrutura ou material que densifies a estrutura ou material por aquecer o mesmo até abaixo de seu ponto de fusão. Uma estrutura sinterizada pode ser feita de sinterizar blocos de construção, por exemplo, partículas ou elementos, da estrutura até que eles liguem entre si. O termo "elementos sinterizados juntos" se refere a elementos que são ligados entre si por sinterização. Similarmente o termo "partículas sinterizadas juntas" se refere a partículas que são ligadas entre si por sinterização. De acordo com certas modalidades, as redes porosas são feitas de elementos sinterizados juntos, que por sua vez podem ser feitas de partículas sinterizadas juntas.

Estruturas porosas sinterizadas são convencionalmente feitas por adição de formadores de poro a pós de metal, polímero, vidro ou cerâmica sinterizáveis. Formadores de poro podem ter a forma de polímeros, materiais em partículas, líquidos e/ou gases. Os formadores de poro são removidos por uma variedade de métodos e o pó então sinterizado para obter uma estrutura porosa forte. A fabricação de estruturas porosas desse modo pode ser um processo demorado, caro devido à incorporação, manipulação e remoção dos formadores de poro. Estruturas sinterizadas convencionais são como esponjas, isto é, tendo poros de tamanho relativamente uniforme distribuídos uniformemente por todo o material, e com espaços vazios similares em tamanho às partículas sinterizadas.

Nos métodos descritos aqui, os elementos são moldados para fornecer à estrutura porosa as características desejadas - em geral uma estrutura forte, altamente porosa. O caráter da porosidade conectada - formato, tamanho e distribuição - é determinado tanto pelo formato como pela disposição dos elementos. Por moldar e dispor apropriadamente os elementos, o grau de flexibilidade em tamanho, formato e distribuição de poro é significativamente maior do que em métodos convencionais. Além disso, os métodos são simples de implementar e fornecem fabricação de baixo custo de estruturas porosas.

Embora grande parte da descrição abaixo seja apresentada em termos de folhas finas de estruturas ou redes porosas e métodos de fabricar estruturas porosas de filme fino, a invenção não é de modo algum limitada desse modo. Em geral, os métodos e estruturas são aplicáveis a qualquer aplicação na qual estruturas porosas são utilizadas e podem ser formadas para aquela aplicação utilizando um molde, ou matriz, apropriado. Por exemplo, em certas modalidades, as estruturas porosas formam filtros no formato de copo, no formato de bloco ou cônicos. Na descrição seguinte, inúmeros detalhes específicos são expostos para fornecer uma compreensão completa da presente invenção. Será evidente, entretanto, que a presente invenção pode ser posta em prática sem limitação a alguns dos detalhes específicos apresentados aqui.

Os seguintes termos são utilizados em todo o relatório descritivo. As descrições são fornecidas para auxiliar a entender o relatório descritivo, porém não necessariamente limitar o escopo da invenção.

Os elementos são os blocos de construção da estrutura porosa sinterizada. Em geral, os elementos utilizados nos métodos descritos aqui são não esféricos. Os próprios elementos são tipicamente compostos de partículas de área superficial elevada, menores, por exemplo, pó prensado. Os elementos estão tipicamente na faixa de 5 μιη - 5 cm e são compostos de partículas tendo um tamanho entre 0,1 - 100 μπι.

Porosidade é a percentagem de volume a granel de uma estrutura que é ocupada por espaço vazio, isto é, a razão de volume de poro para volume total de uma estrutura. Porosidade total é composta de porosidade isolada e conectada. Porosidade conectada se refere a espaço vazio que é conectado ao exterior da estrutura. No caso de redes porosas como aquelas descritas aqui, todos ou a maioria dos espaços vazios entre elementos são conectados. Os próprios elementos podem ser densos ou conter poros isolados e/ou conectados. Na maioria dos casos, se os próprios elementos forem porosos, esses são microporos e compõem uma contribuição menor para a porosidade conectada ou total da rede porosa. Em algumas aplicações, entretanto, distribuições de tamanho de poro bimodal (por exemplo, poros interelemento maiores e poros interelemento menores) são úteis.

A densidade de embalagem é a percentagem de volume a granel de uma rede cheia de elementos ou partículas sólidas embaladas juntas. Densidades de acondicionamento de redes dependem, em parte, do modo no qual os sólidos são acondicionados juntos bem como do formato das partículas sólidas ou elementos. A densidade máxima de acondicionamento resulta de acondicionamento altamente ordenado enquanto acondicionamento aleatório resulta em densidades de acondicionamento mais baixas. A densidade máxima de acondicionamento de esferas idênticas é 74%, obtida quando esferas são acondicionadas em uma treliça cúbica de face centrada (fcc). A densidade de acondicionamento de estruturas aleatoriamente

acondicionadas depende em parte de como os sólidos são acondicionados, por exemplo, por agitação, mistura, alimentação, etc. Esferas aleatoriamente acondicionadas têm uma densidade de acondicionamento que varia de aproximadamente 64 - 68%, dependendo do moto de acondicionamento. Como descrito adicionalmente abaixo, as modalidades utilizam elementos não esféricos tendo densidades de acondicionamento mais baixas do que podem ser obtidas com partículas esféricas. Discos planos, por exemplo, foram mostrados como tendo uma densidade de acondicionamento de aproximadamente 54% e acondicionamento do tipo utilizado em colunas de destilação tão baixo quanto 2%. Uraa ampla distribuição de tamanho de partícula, ou elemento, tende a aumentar a densidade de acondicionamento porque partículas menores podem ser acondicionadas em espaços vazios criados por partículas maiores.

A densidade verde é a densidade de um material não

sinterizado (verde). Nos métodos descritos aqui, elementos não esféricos são dispostos para construir uma estrutura porosa verde, que é então queimada para sinterizar os elementos juntos produzindo uma estrutura porosa sinterizada. Como utilizado aqui, a densidade verde da estrutura porosa é a densidade dos elementos como acondicionados juntos - isto é, a densidade de acondicionamento. Após sinterização, a estrutura porosa tem uma porosidade conectada através da qual o fluido pode fluir. A porosidade conectada depende da densidade verde e da quantidade de encolhimento durante sinterização. Por exemplo, uma estrutura porosa tendo uma densidade verde de 45% pode ter uma densidade sinterizada de 55%, e desse modo uma porosidade conectada de 45%. A densidade verde ou densidade de acondicionamento da estrutura é baixa o bastante de modo que após encolhimento e densificação de sinterização, a porosidade conectada da estrutura é conforme desejado. É possível que em cada elemento haja também uma densidade verde, por exemplo, se o elemento for feito de ou inclui um pó verde compacto, que pode ser então queimado para formar um elemento sinterizado. Essa densidade verde intra-elemento é independente da densidade verde da estrutura porosa geral. Em certas modalidades, os elementos têm uma densidade verde de pelo menos 40% para acionar a sinterização junta dos elementos que formam a estrutura. Após sinterização, os elementos podem ser densos ou podem reter algum grau de porosidade.

Produzir Uma Estrutura Porosa

Como descrito acima, métodos existentes de fornecer estruturas porosas apresentam varias desvantagens, incluindo os desafios de lidar com e remover formadores de poro a partir das estruturas e de moldar as características da estrutura porosa. Os métodos da presente invenção envolvem a preparação de elementos moldados para fornecer uma estrutura porosa desejada e sinterizar esses elementos juntos para formar a estrutura porosa. Os métodos produzem estruturas sinterizadas tendo porosidades anteriormente obteníveis somente pelo uso de formadores de poro ou métodos de réplica para fornecer o espaço vazio principal.

As figuras 1-4 mostram uma visão geral do processo utilizado para formar as estruturas, com detalhes adicionais elaborados abaixo com referência às figuras 5- 11b. A figura 1 é um fluxograma de processo que mostra uma visão geral do processo de produzir uma estrutura porosa. O processo começa com a preparação de elementos moldados (101). Os elementos são moldados para obter a densidade de acondicionamento, a resistência, e a porosidade, desejadas, da estrutura porosa final. Em muitas modalidades, os elementos são moldados para ter densidades baixas de acondicionamento. Formatos apropriados são discutidos adicionalmente abaixo, com exemplos incluindo formatos estrelados (estrela), formatos enrolados, toros, formatos de tijolo, anéis, tubos, discos e selas. Os formatos de elementos não têm de ser idênticos; uma estrutura porosa pode incluir múltiplos tipos ou formatos diferentes, por exemplo, tubos e selas. 0 tamanho do elemento depende da aplicação específica, porém é tipicamente na faixa de 5 μπι cm. A distribuição de tamanho de elemento tem tipicamente somente um pico (é unimodal) e estreito - em parte porque, como explicado acima, ter uma ampla gama de distribuição de tamanho pode resultar em densidades de acondicionamento mais elevadas. Em certas modalidades, entretanto, distribuições de tamanho, amplas, ou multimodais são utilizadas, por exemplo, para estruturas porosas graduadas. Elementos podem ser feitos de qualquer material que possa ser sinterizado, incluindo, porém não limitado a, metal, cerâmico, polímero, vidro, zeólitos, etc. Como descrito adicionalmente abaixo, em certas modalidades, os elementos contêm aditivos que podem ser queimados durante o processo de sinterização. A figura 2 é uma representação gráfica de um exemplo de formar uma estrutura porosa. No exemplo na figura 2, elementos no formato de estrela são preparados em 201. A preparação dos elementos moldados também é descrita adicionalmente abaixo, porém em geral os elementos podem ser preparados por qualquer método apropriado incluindo fundição em fita e corte, extrusão, moldagem por injeção, prensagem, etc.

Voltando à figura 1, após preparação dos elementos, os mesmos são dispostos para construir a estrutura ou rede porosa em uma operação 103. Em certas modalidades, uma matriz ou molde é utilizado para definir os limites da estrutura porosa. Os elementos podem ser colocados, agitados, alimentados, etc. na matriz ou molde. A figura 2 mostra uma matriz para uma rede porosa plana parcialmente cheia dos elementos em formato de estrela em 203. A estrutura montada é mostrada em 205. De acordo com várias modalidades, a montagem da estrutura pode envolver acondicionamento aleatório, semi-aleatório ou ordenado, introduzindo outros componentes da estrutura como barras de reforço, e similares. Nesse ponto, a forma básica do esqueleto da estrutura porosa está no lugar, embora em uma dimensão maior do que a estrutura porosa final. Como discutido adicionalmente abaixo, vários aditivos podem ser incorporados no material dos elementos individuais, utilizados para revestir ou de outro modo adicionados a cada elemento ou a estrutura montada para facilitar operações subseqüentes de junção e/ou sinterização.

Após disposição dos elementos, os elementos são opcionalmente unidos em uma operação 105. A junção dos elementos antes da sinterização dos mesmos juntos pode ser feita para travar os elementos, melhorar a resistência de manipulação e/ou conectar os elementos a uma camada adicional, como um eletrodo ou camada de eletrólito. Após essa operação, cada elemento pode ser química ou mecanicamente ligado aos elementos de encosto e/ou uma camada separada. Dependendo do material de elemento, essa operação pode empregar um ou mais entre queima de biscoito, compressão, tratamento térmico, imersão em um solvente, revestimento por lavagem com aglutinante e/ou partículas, exposição à luz ou ultra-som, ou outros métodos conhecidos para unir os elementos juntos e/ou a uma ou mais camadas adicionais. Essa operação pode fornecer integridade mecânica ao material para manipulação, porém não produz nenhuma mudança dimensional substancial como a sinterização faz. Os elementos em formato de estrela na figura 2 são mostrados unidos juntos em 207. Além disso, em ou após essa operação, a matriz ou molde pode ser removida como mostrado em 207.

Voltando à figura 1, após a estrutura porosa ser construída e, se executado, os elementos serem unidos juntos, a estrutura é queimada para sinterizar os elementos juntos em uma operação 107. a sinterização é um processo de formar uma massa coerente por aquecimento sem fusão. A estrutura resultante é encolhida e adensada. A quantidade de encolhimento depende do material, tempo de queima e temperatura, etc. Densidade queimada, e desse modo a quantidade de porosidade conectada, correlaciona com a densidade verde da estrutura. De acordo com várias modalidades, a estrutura porosa sinterizada terá uma porosidade conectada de pelo menos 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% ou 90%. A porosidade conectada desejada é obtida por seleção apropriada dos formatos de elemento e disposição da estrutura porosa. Se a estrutura contiver aditivos (aglutinantes, formadores de poro, etc.), esses são também tipicamente removidos mediante queima. Após sinterização da estrutura, a mesma pode ser adicionalmente processada ou colocada em uso. 0 processamento adicional pode incluir revestir o mesmo com um material catalítico, adaptar o mesmo em um dispositivo, etc.

Em certas modalidades, a preparação de um elemento moldado envolve moldar ou formar um compacto de pó verde moldado, e então queima o compacto para produzir um elemento sinterizado. A figura 3 é um fluxograma de processo que mostra um exemplo de formar o elemento por sinterizar um compacto de pó verde. No exemplo mostrado na figura 3, um pó é fundido em fita e seco em uma densidade verde predeterminada em uma operação 301. a fusão em fita é um processo tipicamente utilizado para criar partes metálicas ou cerâmicas grandes, finas e planas. 0 pó seco e fundido é então cortado no formato desejado - por exemplo, em tiras, discos, etc. em uma operação 303, para formar elementos verdes moldados. Os elementos verdes são opcionalmente tratados em uma operação 305, por exemplo, por queima de biscoito, imersão em um solvente, etc. cada elemento verde é queimado para sinterizar o mesmo e formar um elemento sinterizado moldado em uma operação 307. A fusão em fita e corte é somente um exemplo de um método de formar um elemento verde moldado. Independente do método de formar os elementos verdes moldados, os elementos verdes são queimados para formar os elementos sinterizados.

Em certas modalidades nas quais os elementos são formados por sinterização como no processo da figura 3, a estrutura porosa e elementos verdes podem ser simultaneamente sinterizados em que as partículas que compõem cada elemento e os elementos que compõem a estrutura porosa são sinterizados juntos. A figura 4 é um fluxograma de processo que mostra uma modalidade do método discutido acima com referência à figura 1, na qual os elementos verdes e estrutura porosa são sinterizados juntos.

Primeiramente, os elementos verdes moldados são preparados em uma operação 401. Isso pode ser feito por fusão em fita e corte, extrusão, moldagem por injeção, prensagem de matriz, etc. uma etapa de tratamento opcional, por exemplo, para melhorar a resistência de manipulação durante a agitação subseqüente, alimentação por gravidade, etc., pode ser executada em uma operação 4 03. Queima de biscoito, tratamentos térmicos, exposição à luz ou ultra- som são exemplos de tratamentos. Os elementos verdes são então dispostos como discutido acima com relação à figura 1 em uma operação 405. Os elementos verdes são então opcionalmente unidos como discutido acima em uma operação 407. A estrutura porosa e os elementos são sinterizados em uma operação 409. O resultado é sinterizar simultaneamente em conjunto as partículas ou pó de cada elemento verde para formar elementos sinterizados, e sinterizar os elementos juntos para formar a rede ou estrutura porosa sinterizada.

Formato de Elemento

As estruturas porosas são formadas por sinterizar juntos elementos moldados de modo a fornecer a estrutura de poro desejada após sinterização. Esses elementos são não esféricos e de acordo com as várias modalidades, são moldados para fornecer a estrutura porosa com algumas ou todas as outras seguintes características: elevada porosidade, elevada resistência, ter poros alinhados com a direção de fluxo de gás (perpendicular ao plano do filme) e ter um tamanho de poro médio ou mediano significativamente maior do que o tamanho de partícula médio ou mediano.

Uma lista não exclusiva de tipos de elementos que podem ser utilizados nos métodos da invenção inclui formatos de estrela, elementos no formato de roseta, filamentos lineares, curvos ou enrolados, elementos em espiral, elementos no formato de mola, elementos no formato de tijolo, elementos no formato de anel, elementos tubulares, elementos toroidais, elementos no formato de sela, elementos helicoidais, discos, folhas, elementos trançados, elementos arqueados, elementos alongados, sólidos não esféricos (Por exemplo, poliédricos), elementos no formato de jack, fitas de Mõbius, elementos que lembram: massas, macarrão fino, gaiolas de pássaros, lã de aço, esteiras trançadas, feltro, amendoins de embalagem, malha de metal expandido, arame de galinheiro, legumes cortados em pequenas fatias ou cortados em rodelas, voltas de metal e flocos de neve. Os elementos podem ser simétricos ou assimétricos. Os elementos podem ter projeções curvas ou retas. Elementos com radiações, por exemplo, elementos no formato de estrela, no formato de roseta e no formato de jack, podem ter radiações mais curtas ou mais longas. Um elemento pode ter uma radiação única, ou múltiplas radiações como uma estrela. As radiações podem ser feitas em duas ou em três dimensões. Elementos curvos incluem elementos no formato arqueado, de cabeça de seta, de ferradura. Formatos sólidos incluem sólidos platônicos e de Arquimedes, por exemplo, poliedros, poliedros truncados, múltiplos formatos poliédricos, etc. Quaisquer desses podem ser misturados para criar o padrão desejado de espaços vazios.

Elementos alongados podem ser lineares, curvos, dobrados, espiralados ou enrolados. Filamentos podem ser do mesmo comprimento ou ter tamanhos diferentes. No caso de unidades de repetição com filamentos, os filamentos podem ser trançados, em estreita, em feltro, misturados, etc., com filamentos, ou outros formatos, para criar um padrão regular ou irregular de espaços vazios no corpo sinterizado final. Os elementos de filamentos podem ser enrolados espiralmente, enrolados ou encaixados. Elementos em espiral incluem espirais cilíndricos e cônicos.

Em certas modalidades, os elementos não esféricos são tubulares ou anulares, isto é, de extremidade aberta em dois lados opostos. Os exemplos são anéis, toros, anéis Raschig® (figura 5), anéis Pall®, e elementos na forma de favo de mel (figura 9), etc. Em certas modalidades, os elementos não esféricos têm um formato de sela. Selas Berl® e selas Intalox® (figura 5) são exemplos específicos. Os elementos também podem conter duas, ou mais, dessas características, por exemplo, anéis Intalox® mostrados na figura 5 são anulares com projeções para dentro curvas. Os elementos podem ter superfícies plantas, côncavas, e convexas (não esféricas). Em certas modalidades, elementos têm dois ou mais dos tipos dessas superfícies, por exemplo, convexos e côncavos (selas, elementos tubulares).

Como descrito acima, os elementos são moldados para fornecer a rede porosa com várias características desejadas. Em muitas modalidades, densidades de acondicionamento baixas são desejáveis para formar estruturas altamente porosas. Para essa finalidade, elementos não esféricos são- utilizados. Como discutido resumidamente acima, esferas acondicionadas em um arranjo acondicionado próximo hexagonal ou cúbico de face centrada têm uma densidade de acondicionamento de 74%. Outros arranjos de acondicionamento esférico ordenados têm densidades de acondicionamento levemente mais baixas, incluindo aproximadamente 68% em um arranjo cúbico de corpo centrado. Acondicionamento aleatório de esferas pode resultar em densidades de acondicionamento somente tão baixo quanto aproximadamente 64% - 68%.

De acordo com várias modalidades, a densidade de acondicionamento da estrutura porosa é no máximo aproximadamente 70%, 65%, 60%, 55%, 45%, 40%, 35%, 30%, 5 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, ou 2%. Acondicionamentos do tipo utilizado para colunas de destilação, por exemplo, têm densidades de acondicionamento muito baixas. A figura 5 mostra exemplos de formatos utilizados em colunas de destilação: (a) anéis Raschig®, (b) selas Berl®, (c) anéis 10 Intalox®, (d) selas Intalox®, (e) Tellerettes® e (f) anéis Pall®. Como indicado, densidades de acondicionamento aleatórias desses acondicionamentos são baixas - anéis Raschig® relataram densidades aleatórias de

acondicionamento variando de 3% - 38%, selas Berl® de 30 - 40%, anéis Intalox® tão baixas quanto 2-3%, selas Intalox® tão baixas quanto 7%, Tellerettes® tão baixas quanto 7%, e anéis Pall® tão baixas quanto 3-10% (Perry's Chemical Engineer's Handbook, sétima edição). Outros

acondicionamentos aleatórios incluem mini-anéis em cascata, anéis Nutter, VSP, anéis Tri-Pack, etc., que têm densidades de acondicionamento aleatórias tão baixas quanto 2%.

Para comparação, esferas, como indicado acima, têm uma densidade de acondicionamento aleatória de pelo menos aproximadamente 64%. A figura 6 mostra camadas de arranjos 25 aleatórios de (a) esferas e (b) anéis Raschig®. Como pode ser visto da figura, uma estrutura porosa formada de anéis Raschig® sinterizados, ou elementos de formato similarmente anular tem uma porosidade muito mais elevada do que aquela de esferas sinterizadas. Os elementos podem ser projetados 30 para serem colocados na matriz ou molde em um arranjo aleatório - como os anéis anulares na figura 6, projetados para serem colocados em um arranjo irregular ou regular não aleatório, e/ou serem moldados para adaptar às dimensões de molde.

Outra característica das partículas de acordo com certas modalidades é a resistência das estruturas porosas. Em aplicações nas quais a estrutura porosa é um suporte para uma célula de combustível de óxido sólido, a estrutura é forte o bastante para suportar as camadas de eletrodo e eletrólito empilhadas. A resistência de redes sinterizadas de elementos esféricos depende do tamanho de pescoço inter- partículas. A figura 7a mostra um diagrama esquemático que representa uma porção de uma estrutura de suporte porosa de esferas sinterizadas. Partículas esféricas (701) são sinterizadas formando pescoços (703) que ligam as partículas juntas. Setas indicam tensão na estrutura, por exemplo, de um eletrólito de célula de combustível de óxido sólido ou fluido em fluxo. 0 pescoço limita a resistência e propriedades mecânicas da estrutura porosa.

Em certas modalidades, o formato dos elementos é escolhido para ter uma resistência controlada pelos elementos que compõem a estrutura, em vez dos pescoços que se formam entre os mesmos. Como exemplo, a figura 7b mostra uma porção 705 de uma estrutura de partículas esféricas sinterizadas juntas, com a resistência como controlado pelo pescoço. Para comparação, a porção 707 de uma estrutura de suporte prosa de barras densas tem uma seção transversal uniforme. Como a área em seção transversal é uniforme, a estrutura tem uma resistência controlada não pela espessura do pescoço, porém pela estrutura da barra. A figura 7c mostra um diagrama esquemático que representa uma porção em seção transversal de uma estrutura de suporte feita de elementos no formato de tijolo. Observe que os elementos no formato de tijolo são capazes de contatar e ser sinterizados a outros elementos em densidades de acondicionamento muito mais baixas do que esferas. A sinterização nesses pontos de contato aumenta a resistência e além de ser mais forte, a estrutura provê porosidade muito mais elevada do que uma composta de esferas acondicionadas.

A densidade de acondicionamento baixa e resistência mais elevada não são limitadas aos elementos não esféricos mostrados nas figuras 5-7. A densidade de acondicionamento esférico é elevada em parte porque a área superficial para volume de uma esfera é baixa - esferas têm a área superficial mais baixa entre todas as superfícies que encerram um dado volume. Elementos não esféricos têm razões de área superficial mais elevada para volume e desse modo uma quantidade muito maior de superfície disponível para ligação. Elementos com superfícies ásperas ou protuberâncias também fornecem a oportunidade de travamento mecânico entre elementos. 0 resultado é que estruturas tanto verde como sinterizadas de um dado volume podem ter porosidade e resistência, maiores, se construídas de elementos ásperos ou não esféricos do que construídos de elementos esféricos.

Outro modo no qual as características da estrutura porosa podem ser controladas é o formato e orientação dos poros. Em modalidades de folha fina, fluxo de gás é genericamente transversal ao plano da estrutura porosa. A figura 8 mostra uma seção pequena 820 de uma estrutura de folha fina porosa, plana, 800. Diagramas em seção transversal de duas estruturas de poros possíveis são mostrados em vistas explodidas 820a e 820b da seção 820: a vista 820a tem poros orientados perpendiculares ao plano da folha fina e alinhados com a direção de fluxo de gás e vista 820b tem poros orientados paralelos ao plano da folha. A estrutura porosa mostrada em 820a tem resistência perpendicular ao plano do filme ou folha, por exemplo, para sustentar uma célula de combustível ou dispositivo de filtração, enquanto a orientação dos poros em 820b fornece à mesma resistência na direção paralela à folha. Genericamente ter poros alinhados perpendiculares ao plano de uma folha plana porosa, fina provê maior resistência do que poros não alinhados ou poros alinhados paralelos à folha. O formato de elemento também pode ser escolhido para obter características de fluxo de gás desejáveis. A estrutura mostrada em 820a, por exemplo, provê menos resistência ao fluxo de gás. Em certas modalidades, os formatos são escolhidos para fornecer trajetórias de fluxo de gás altamente tortuosas, (as setas representam fluxo de fluido através de poros interconectados, embora como a figura 8 seja uma representação em seção transversal, as passagens entre os poros não são evidentes a partir da figura).

Os elementos também podem ser moldados para controlar o formato e tamanho dos poros. Em geral, volume de poro de estrutura é significativamente maior do que o volume de poro dos elementos individuais (volume de poro intra- elemento). Isso é diferente de pó homogêneo sinterizado no qual os poros e partículas estão na mesma faixa de tamanho.

Em certas modalidades, os elementos são moldados para acondicionamento altamente ordenado. A figura 9a mostra exemplos de duas dessas modalidades. Em uma modalidade, as 5 extremidades axiais de elemento hexagonal são abertas para permitir fluxo na direção indicada. Os elementos hexagonais são dispostos para formar uma estrutura de favo de mel (903). Os elementos são colocados em um modo ordenado para construir um leito de elementos e podem ser colocados como 10 uma única camada ou múltiplas camadas. A estrutura de favor de mel sinterizada é forte e provê trajetórias de fluxo de baixa resistência. Em um exemplo, a estrutura sinterizada é ligada a um eletrólito ou camada de eletrodo em um dispositivo eletroquímico. A estrutura de favo de mel 15 sinterizada suporta mecanicamente a camada e permite áreas grandes de acesso à folha, por exemplo, para permitir passagem de reagentes eletroquímicos. Múltiplas camadas podem ser empilhadas para fornecer a estrutura de poro desejada - por exemplo, os espaços vazios em cada camada 20 podem total ou parcialmente sobrepor os espaços vazios em uma camada adjacente. Em outro exemplo, um elemento no formato de anel (905) é utilizado para construir uma estrutura sinterizada porosa (907). Os elementos não esféricos também podem ser no formato quadrado, formato 25 retangular, formato de octógono, etc. - outros formatos de laço fechado que são de extremidade aberta para permitir fluxo direto. Esses elementos podem ter qualquer espessura e altura como necessário para formar a estrutura desejada. Além dos elementos de laço fechado de extremidade aberta,

3 0 elementos alongados podem ser colocados em um modo ordenado para construir as estruturas porosas. A figura 9b mostra dois exemplos: elemento torcido alongado 909 é utilizado para construir uma estrutura semelhante à malha, uma porção da qual é mostrada em 911 e elemento ondulado alongado 913 é utilizado para construir estrutura semelhante à malha, uma porção da qual é mostrada em 915. Os elementos alongados podem ser de qualquer profundidade e espessura como necessário para obter a estrutura desejada. A estrutura sinterizada porosa de elementos ordenados pode parecer com um favor de mel, uma malha ou uma rede. Em certas modalidades, os leitos podem parecer com vedações estruturadas de camada única ou múltipla utilizados em colunas de destilação, incluindo Flexi Pac®, Flexiramic®, Gempak®, Intalox®, Max-Pak®, etc. Deve ser observado que elementos em hexágono, anel, alongado, etc. descritos acima também podem ser utilizados para fazer estruturas porosas aleatoriamente montadas.

Elementos de formato diferente podem ser utilizados para formar uma estrutura porosa. A distribuição de tamanho é tipicamente relativamente estreita, embora distribuições bi- ou multi-modais ou distribuições graduadas possam ser utilizadas para formar estruturas. A estrutura 917 da figura 9c, por exemplo, é uma estrutura bimodal tendo duas regiões 921 e 923, com distribuições de tamanho de elemento distintas. A região 921 é formada de elementos maiores e tem poros maiores enquanto a região 923 tem elementos e poros menores. Estruturas multi-modais podem ser utilizadas, por exemplo, para filtração eficiente de meios em fluxo. A área de tamanho de poro pequeno provê um corte de tamanho máximo para contaminantes no meio filtrado, e pode parecer com uma malha, trama, favo de mel, folha perfurada, folha de metal expandida, espuma, leito acondicionado, etc. Como na figura 9c, em muitas modalidades, é desejável que poros menores sejam utilizados somente em uma porção pequena do volume de meio total para minimizar queda de pressão no meio. Em algumas aplicações é desejável que os poros menores sejam monodispersos em tamanho. Pode ser também desejável que os poros grandes sejam mais tortuosos do que os poros pequenos.

A estrutura 919 da figura 9c é uma estrutura porosa graduada. Embora em muitos casos seja indesejável ter uma distribuição de tamanho ampla porque elementos menores ocupam espaços vazios entre elementos maiores, desse modo reduzindo a porosidade, por dispor ou construir a estrutura adequadamente, uma estrutura de poro graduada pode ser obtida. 0 tamanho de poro e elemento faz transição de grande para pequeno na estrutura 919. Isso pode ser útil, por exemplo, para um dispositivo de filtração. Em outra modalidade, a estrutura de poro pode fazer transição de altamente tortuosa para menos tortuosa.

Fabricação e Disposição de Elementos

Os elementos são capazes de serem sinterizados juntos e podem ser feitos de qualquer material apropriado, incluindo metal sinterizável, cerâmica, vidro, polímero, cermet, zeólito, carvão ativado, etc. Para serem sinterizados, os elementos são porosos pelo menos na porção externa para permitir densificação e ligação com elementos adjacentes. Em muitas modalidades, a fabricação dos elementos inclui sinterizar compactos de partículas verdes. Os compactos de pó verde podem ser formados por qualquer método apropriado incluindo fusão em fita, extrusão, moldagem por injeção, etc. As folhas do material podem ser divididas e então dobradas para fazer o formato final.

Os elementos podem incluir aglutinantes, 5 plastificantes, formadores de poros fugitivos e outros aditivos que podem ser queimados durante sinterização. Em um exemplo específico, elementos são fabricados com o uso de formadores de poro fugitivo para obter o formato de elemento desejado e/ou arranjo de acondicionamento. Por 10 exemplo, um elemento com filamento pode ser enrolado de forma espiral em torno de um corpo formador de poro fugitivo para criar um elemento enrolado após remoção do formador de poro.

Em certas modalidades, os elementos não esféricos são 15 tratados antes de serem organizados no formato da estrutura porosa. 0 tratamento pode incluir queima de biscoito, tratamento com solvente, tratamento ultravioleta, tratamento com ultra-som, etc. Os elementos podem ser tratados para melhorar manipulação, resistência, etc.

A disposição dos elementos na matriz ou molde pode

ocorrer por qualquer método apropriado. Elementos aleatoriamente orientados podem ser lançados por uma tremonha ou transportadora, agitados, injetados, alimentados por gravidade, pulverizados por projétil ou 25 extrusados na matriz ou molde. Elementos alongados, por exemplo, podem ser extrusados diretamente em um arranjo desejado. Os filamentos acondicionados podem ser então sinterizados juntos para formar a estrutura porosa. Elementos alongados como filamentos podem ser curvos ou 30 enrolados durante colocação em uma matriz ou molde. A figura IOa mostra um exemplo no qual elemento alongado 1001 é alimentado para dentro de uma matriz (1003) para encaixa na matriz e construir a estrutura desejada. Múltiplos filamentos são alimentados para montar a estrutura (1005). A estrutura sinterizada é mostrada em 1007. Em certas modalidades, os elementos são dispostos sem uso de uma matriz ou molde. Em outro exemplo, elementos de folha trançada verde são colocados um no topo do outro para organizar os elementos. As folhas trançadas verdes são então sinterizadas juntas para formar a estrutura porosa. Elementos ordenados podem ser colocados na matriz ou molde. Em certas modalidades, elementos podem ser alimentados para dentro da matriz ou molde e então agitados até que um grau desejado de ordem ou arranjo seja obtido.

A densidade de acondicionamento depende do formato do elemento, e até um ponto, do método de acondicionamento. Conforme discutido acima, certos formatos de elemento têm densidades de acondicionamento aleatórias muito baixas (anéis Raschig®, etc.). Se a densidade de acondicionamento aleatório de um elemento for demasiadamente elevada ou baixa, métodos de acondicionamento semi-aleatórios ou ordenados podem ser empregados para obter a densidade de acondicionamento desejada. Elementos no formato de tijolo, por exemplo, podem ser acondicionados muito apertadamente (como uma parede de tijolos) ou muito frouxamente (como em um formato de T).

Em certas modalidades, formadores de poro fugitivo são utilizados para facilitar a obtenção de uma densidade ou arranjo de acondicionamento desejado. Os elementos são fabricados com os formadores de poros, e dispostos para formar a estrutura desejada. Os formadores de poros são então removidos. A figura IOB mostra um exemplo desse processo utilizando elementos no formato de tijolo. Um formador de poro fugitivo/elemento no formato de tijolo compósito é mostrado em 1011. O compósito inclui o elemento no formato de tijolo 1013, que em muitas modalidades é um compacto de pó verde nesse estágio, e o formador de poro fugitivo 1015. O elemento 1013 é um dos blocos de construção da estrutura sinterizada porosa. O formador de poro fugitivo 1015 não faz parte da estrutura sinterizada final, porém está presente durante a construção da estrutura (1017). Como resultado, os elementos compactos de pó verde acondicionam mais frouxamente do que fariam sem o formador de poro 1015. O formador de poro fugitivo é removido, por exemplo, durante um tratamento de sinterização ou pré-sinterização. A densidade de acondicionamento da estrutura porosa sinterizada 1019 é mais baixa do que seria obtida por acondiciona aleatoriamente elementos no formato de tijolo juntos sem o formador de poro fugitivo. Pelo menos um pouco do compacto de pó verde deve permanecer exposto para contatar outros elementos durante o arranjo da estrutura porosa. Toda ou uma fração dos elementos pode ser fabricada com formador de poro fugitivo. Além de criar espaço vazio adicional quando removido, o formador de poro fugitivo pode ser adicionado de tal modo para influenciar o formato e orientação dos poros.

Deve ser observado que a presença do formador de poro fugitivo, como mostrado na figura 10b, é bem diferente do que daquela utilizada em estruturas sinterizadas porosas, convencionais. Em estruturas sinterizadas porosas convencionais, o formador de poro fugitivo é necessário para criar virtualmente toda a porosidade interconectada. Isso cria dificuldades de fabricação, como discutido acima. Como aditivo aos elementos não esféricos, o formador de poro aumenta o espaço vazio final, porém em uma escala muito menor - por exemplo, o formador de poro fugitivo pode criar cinqüenta por cento ou menos do espaço vazio conectado total na estrutura final. Grande parte do espaço vazio é criada pelo arranjo dos elementos não esféricos. A manipulação e remoção do formador de poro é significativamente menos difícil do que em esquemas convencionais nos quais o formador de poro é uma fração de volume elevado da estrutura verde.

A formação de estruturas graduadas ou multi-modais (como discutido acima com relação à figura 9c) pode exigir métodos de acondicionamento específicos. Por exemplo, em certas modalidades os elementos podem ser fornecidos para a matriz ou molde em ordem de tamanho, por exemplo, por colocação ou separação. Agitação pode ser necessária para separar elementos em ordem de tamanho. Em certas modalidades, uma porção da estrutura é construída por um método ordenado enquanto outra porção é construída por acondicionamento aleatório.

A estrutura porosa pode conter elementos de reforço, como barras, fios, tramas, placas, folhas, etc. Os elementos podem ser cheios em torno dos elementos de reforço, ou os elementos de reforço podem ser colocados ou adicionados à medida que a estrutura é construída. Por exemplo, os elementos podem ser cheios em uma disposição de barras, similar a concreto reforçado, ou uma disposição de folhas similar a uma caixa de torção. As barras e folhas permanecem parte da estrutura porosa. A estrutura porosa pode ser ligada ou contida em uma parede ou alojamento feito de um material similar aos elementos. A figura IOc mostra um exemplo de tal processo. Elementos moldados e a parede são preparados nas operações 1021 e 1023. Os elementos e a parede podem ser feitos de um material similar, de modo que após sinterização o encolhimento da parede casará com aquele dos elementos. Os elementos e a parede podem ser feitos de materiais diferentes como desejado. Os elementos são então dispostos para estar em contato com a parede, como desejado (1025) . No exemplo mostrado na figura 10c, a parede é uma caixa aberta que circunda os elementos. Para uma estrutura de filme fino, tal parede contata a estrutura porosa nas quatro faces menores do filme fino. Em outras modalidades, a parede pode contatar a estrutura em uma única ou em múltiplas faces, ou em qualquer outro arranjo como necessário. Em um exemplo, a parede contata a estrutura em uma face principal de filme fino, por exemplo, como um piso. Após a estrutura ser construída, os elementos, e a parede, são opcionalmente unidos (1027) e, então, sinterizados juntos. 0 resultado é uma estrutura porosa ligada a ou contida em um alojamento (1029) .

A parede pode ser porosa ou densa e pode ser moldada como um anel, tubo, caixa, etc. Tal parede pode fornece resistência à estrutura porosa, conter o meio em fluxo que passa através, melhorar a manipulação, ou fornecer uma borda densa para ligação ou vedação a um quadro ou alojamento adicional. No caso de uma aplicação de dispositivo eletroquímico, a parede pode funcionar como um coletor de corrente.

Junção e Sinterização dos Elementos em Conjunto 5 Os elementos e/ou camadas adicionais podem conter um

ou mais aditivos que permitem a operação de junção. Por exemplo, um elemento compacto de pó pode conter um polímero que é curado ou termoendurecido durante a etapa de junção. Material adicional também pode ser adicionado para aumentar 10 a ligação entre as unidades de repetição. Por exemplo, uma pasta, tinta, etc., podem ser aplicadas aos pontos onde os elementos contatam entre si. O material pode ser aplicado apenas nos pontos de contato, ou mais uniformemente como por um revestimento por lavagem, imersão em pasta, etc. 15 Após montagem, a estrutura é opcionalmente tratada antes de sinterização. 0 tratamento pode incluir queima de biscoito, tratamento com um solvente, exposição à radiação ultravioleta, etc.

Sinterização envolve aquecer a estrutura montada até uma temperatura abaixo do ponto de fusão para ligar os elementos juntos. Durante sinterização, o material é transportado para pescoços inter-elemento para construir uma ligação forte. A força de acionamento para sinterização é uma diminuição na energia livre de superfície dos elementos sendo sinterizados. A fonte do material pode estar na superfície do elemento, ou de dentro dos elementos. Ligações mais fortes e densificação mais elevada são obtidas de elementos dos quais o material pode ser transportado a partir do centro do elemento. Em muitas modalidades, partículas de área superficial elevada como compactos de pó são utilizados para fabricar os elementos. Partículas pequenas podem ser também adicionadas à estrutura verde em pontos de contato inter-elemento para acionar sinterização.

Cada elemento é ligado aos elementos vizinhos na estrutura montada. 0 encolhimento ocorre â medida que a estrutura é densified também. A temperatura depende do material utilizado. Em muitas modalidades, os elementos moldados são compactos de pó verde que são sinterizados simultaneamente à medida que os elementos são sinterizados juntos. A estrutura porosa é queimada para remover aglutinantes, formadores de poro e outros aditivos e sinterizada para criar uma parte porosa, forte. Os elementos podem sinterizar a densidade quase ou total, fornecendo um corpo poroso forte. Os elementos podem também permanecer porosos após sinterização, fornecendo área superficial elevada e uma estrutura de poro multimodal. Formadores de poro e aglutinantes também podem ser removidos mediante outro meio, como a fusão, ou a dissolução, em um líquido.

Após sinterização, as superfícies, interior e/ou exterior, de estruturas porosas podem ser modificadas pela adição de um revestimento. 0 revestimento pode ser poroso ou denso. Pode ser desejável adicionar um revestimento para melhorar as propriedades física, química ou mecânica da estrutura. Alguns exemplos incluem adição de um revestimento que: é catalítico, permitindo reação química ou eletroquímica; modifica o umedecimento do meio em flioxo na superfície da estrutura porosa; química ou fisicamente remove os contaminantes a partir do meio em fluxo; e provê uma barreira térmica entre o meio em fluxo e a estrutura porosa.

Aplicações

As estruturas porosas podem ser utilizadas em aplicações nas quais é desejada a transferência de um fluido a partir de um lado de um meio poroso para outro. As aplicações incluem, porém não são limitadas a, dispositivos eletroquímicos, filtra, cromatografia e dispositivos de controle de fluxo. Em muitas modalidades, a estrutura porosa é uma folha plana fina. A figura Ila mostra uma seção transversal de uma estrutura porosa plana fina 1101. A folha tem duas faces principais 1101 e 1103 e duas faces menores, 1121 e 1123. As dimensões das faces principais são muito maiores, isto é, da ordem de pelo menos 10 e até milhões de vezes maiores, do que as faces menores. O fluxo de fluido é de uma face principal para a outra. A porosidade conectada da estrutura porosa define as trajetórias de fluxo de fluido. Dependendo da estrutura porosa, as trajetórias de fluxo podem variar de reta a tortuosa.

Em uma modalidade específica, a estrutura porosa é um suporte poroso para um dispositivo eletroquímico de estado sólido plano. Os dispositivos eletroquímicos de estado sólido são normalmente células que incluem dois eletrodos 25 porosos, o anódio e o catódio, e uma membrana de eletrólito sólido, densa, disposta entre os eletrodos. A estrutura de suporte porosa descrita aqui sustenta genericamente uma ou mais dessas camadas. A figura Ilb mostra uma implementação de um dispositivo eletroquímico de multicamadas que utiliza 30 uma estrutura de suporte sinterizada, porosa. A figura mostra uma camada de eletrodo poroso 1113 em uma camada de eletrólito densa 1111 em uma camada de eletrodo porosa 1109 em um substrato poroso 1107. O eletrodo 1109 pode ser o anódio ou o catódio; eletrodo 1113 é o outro. Em outra 5 modalidade (não mostrada) na qual o substrato sinterizado poroso atua como um eletrodo, a camada de eletrólito densa contata o eletrodo/substrato sinterizado poroso. O substrato sinterizado poroso pode ser ligado a uma interconexão. Espessuras típicas para uma estrutura de 10 suporte variam de aproximadamente 50 μηι - 2 mm.

Para uma célula de combustível de óxido sólido, combustível contendo hidrogênio é fornecido no anódio e ar é fornecido ao catódio. íons de oxigênio (O2) formados na interface de eletrodo/eletrólito migram através do eletrólito e reagem com o hidrogênio na interface de eletrólito/eletrodo de combustível para formar água, desse modo liberando energia elétrica que é coletada por um coletor de corrente/interconexão. A mesma estrutura pode ser operada ao inverso como uma bomba eletroquímica por aplicar um potencial através de dois eletrodos. íons formados de gás (por exemplo, íons de oxigênio a partir de ar) no catódio migrarão através do eletrólito (que é selecionado por sua condutividade de íons de um gás puro desejado) para produzir gás puro (por exemplo, oxigênio) no anódio. Se o eletrólito for um filme fino condutor de próton em vez de um condutor de íon de oxigênio, o dispositivo pode ser utilizado para separar hidrogênio de um gás de alimentação contendo hidrogênio misturado com outras impurezas, por exemplo, resultando da reformação a vapor de metano (CH4 + H2O -> 3H2 + CO) . Prótons (íons de hidrogênio) formados da mistura de H2/CO em uma interface de filme fino/eletrodo migram através do eletrólito acionado por um potencial aplicado através dos eletrodos para produzir hidrogênio de pureza elevada no outro eletrodo. Desse modo, o dispositivo pode operar como um purificador/gerador de gás.

Os dispositivos eletroquímicos de óxido sólido descritos acima têm um filme denso, fino de eletrólito em contato com um eletrodo poroso e/ou suporte mecânico poroso. 0 material de suporte é tipicamente um cermet, metal ou liga. Em certas modalidades tal estrutura é fabricada por sinterizar um filme de eletrólito em um corpo poroso feito de elementos não esféricos.

Em certas modalidades, antes da sinterização da estrutura de suporte porosa, a estrutura porosa verde é revestida com um eletrólito fino ou camada de membrana. 0 material de membrana/eletrólito pode ser preparado como uma suspensão do material de pó verde em um meio líquido, como água ou isopropanol, e pode ser aplicado à superfície da camada de substrato por uma variedade de métodos, por exemplo, pulverização por aerossol, revestimento por imersão, depósito eletroforético, infiltração a vácuo, e fusão em fita. Nesse estágio, tanto a estrutura de suporte porosa como o material de membrana de eletrólito são verdes. A montagem é queimada em uma temperatura suficiente para sinterizar o substrato e densify o eletrólito. A bicamada queimada encolhe à medida que os materiais sinterizam. Em certas modalidades, uma camada de eletrodo fina pode ser adicionada ao suporte antes de aplicar o revestimento de eletrólito. Uma consideração com esse método é que no revestimento da estrutura de suporte verde, é útil ter o material cerâmico ligando a abertura entre os elementos não sinterizados da estrutura porosa. Em certas modalidades, uma estrutura porosa graduada ou multimodal 5 (como mostrado na figura 9c) pode ser utilizada para obter revestimento uniforme do eletrólito por colocar os elementos menores na superfície a ser revestida. Como os poros são menores nessa superfície, o pó ou suspensão é capaz de unir a abertura entre os elementos. Isso se aplica 10 a qualquer aplicação na qual a estrutura porosa seja revestida com um material.

Em outra modalidade, um leito de elementos não esféricos é colocado em contato com uma camada de eletrodo ou eletrólito. Após sinterização, o leito se liga à camada de eletrodo ou eletrólito, fornecendo suporte mecânico. As camadas de eletrodo e eletrólito são preferivelmente produzidas utilizando métodos de baixo custo como fusão em fita, depósito de aerossol, revestimento por mergulho, etc. Uma ou ambas as camadas de eletrodo e eletrólito é preferivelmente independente. Desse modo, essas camadas podem ser colocadas em uma superfície seguida por carregamento nos elementos não esféricos, ou as camadas podem ser alternativamente colocadas em um leito poroso pré-fabricado. Os exemplos de estruturas porosas apropriadas para uso de acordo com essa modalidade são mostrados na figura 9a em 903 e 907. Uma folha de material de eletrodo ou eletrólito é contatada por um leito de elementos não esféricos. Os elementos são colocados em um modo ordenado, e pode ser colocados como uma única camada ou múltiplas camadas. Desse modo, as folhas contínuas são contatadas por um leito que provê suporte estrutural, ordenado e, também provê grandes áreas de acesso à folha, por exemplo, para permitir passagem de reagentes eletroquímicos. Como a estrutura porosa é construída na 5 camada de eletrólito nessa modalidade, não há dificuldade com o revestimento de eletrólito unindo a abertura entre os elementos.

Outra aplicação na qual as estruturas sinterizadas porosas podem ser utilizadas é na separação de mistura, incluindo filtração e cromatografia. Em filtração, o filtro é contatado com uma mistura de sólido-fluido. Genericamente, a estrutura porosa é projetada para permitir passagem do fluido enquanto prende ou retém o sólido. As estruturas porosas podem ser utilizadas para filtração de metal fundido, filtração de água, filtração por ar, etc. filtros de metal fundido são frequentemente feitos de materiais cerâmicos ou vidro em temperatura elevada (Por exemplo, quartzo), que pode resistir a temperaturas elevadas e condições de processamento exigidas para filtrar impurezas a partir de metais fundidos. Filtros de malha ou favo de mel que fornecem trajetórias não tortuosas para fluxo de fluido (como descrito acima com relação à figura 9a) podem ser particularmente úteis para filtração de metal. Filtros de ar são frequentemente feitos de vidro ou materiais de zeólito, e filtros de água de carvão ativado. Em muitas modalidades, os filtros são estruturas porosas, graduadas, conforme mostrado acima na figura 9c. O tamanho de poro pode aumentar gradualmente de topo para baixo, por exemplo, com as regiões superiores remove fisicamente partículas e regiões inferiores fornecendo suporte e Jt

drenagem eficiente.

A estrutura porosa pode ser formada diretamente em uma câmara de pasta ou outra estrutura da qual o fluido a ser filtrado originará. De modo semelhante, a estrutura porosa 5 pode ser formada diretamente no recipiente ou estrutura que conterá o filtrado. Em outras modalidades, o filtro pode ser formado como uma estrutura independente. As estruturas porosas podem ser também formadas em um alojamento ou armação como descrito acima com relação à figura IOc para 10 fácil colocação em uma montagem de filtração. Similarmente, os filtros podem ser formados como cartuchos removíveis.

Exemplos

Os seguintes exemplos pretendem ilustrar vários aspectos da invenção e não limitar a invenção de modo algum.

Leito de Aço Inoxidável Poroso

Um leito independente sinterizado de elementos de luva cilíndrica de aço inoxidável foi produzido. O leito acondicionado foi feito como a seguir. Pó de aço inoxidável 434 (tamanho de partícula de 38 - 45 micrômetros) foi misturado com aglutinante acrílico (15% em peso em água), polietileno glicol 6000, e esferas de formador de poro de polimetil metacrilato (diâmetro de 53 - 76 micrômetros) na razão em peso de 10:3:0,5:1,5. A mistura foi aquecida e seca, triturada e peneira a <150 micrômetros. O pó resultante foi formado em tubos por pressão isostática fria a 20 kpsi. Os tubos foram cortados para formar luvas com aproximadamente 1 cm de diâmetro e 1 cm de altura. Essas luvas foram desprendidas a ar, a 525°C e então queimadas por queima de biscoito por 2 horas a IOOO0C em atmosfera de redução (4% H2 em argônio). As luvas foram então empilhadas em um recipiente de alumínio e sinterizadas a 13 000C por 4 horas em atmosfera de redução. Um leito monolítico independente foi facilmente removido do recipiente após sinterização. Uma imagem da estrutura sinterizada é fornecida na figura 12a. Observe que o formato das luvas fornece um leito acondicionado com tamanho de poro da ordem de I cm. As paredes das luvas são também porosas, com tamanho de poro na faixa de 20 - 100 micrômetros. Observe que as paredes poderiam também ser feitas densas por remover as esferas de formador de poro e escolher um tamanho de partícula de metal e temperatura de sinterização, apropriadas.

Leito Cerâmico Poroso

Um leito independente sinterizado compreendendo elementos de anel de alumina foi produzido. Uma imagem é fornecida na figura 12b. Os anéis individuais têm aproximadamente 1 cm de diâmetro. O acondicionamento aleatório do leito provê porosidade muito elevada enquanto os múltiplos pontos de contato de cada anel fornecem boa resistência.

O leito acondicionado foi feito como a seguir. Uma mistura de pó de alumina (tamanho de partícula de 1 micrômero) e aglutinante acrílico (42% em peso em água) foi misturada em um plástico de fundo plano, contida e deixada secar. A folha resultante foi removida do recipiente e cortada em tiras. As tiras foram então feitas em anéis por pressionar as extremidades de uma tira juntas com a mão, permitindo tempo suficiente para que o aglutinante acrílico em cada extremidade adira junto. Os anéis foram então empilhados sucessivamente um no topo do outro em várias orientações. Uma pequena quantidade de mistura de aglutinante de acrílico/pó de alumina foi adicionada aos pontos de contato entre cada anel novo e o leito de anéis anteriormente colocados. Isso criou ligações fortes entre as unidades de anel durante sinterização. A montagem foi sinterizada em ar por 4 h a 14 00°C. Nesse exemplo, as paredes do anel da estrutura sinterizada são porosas, embora paredes de anel densas também possam ser produzidas pelo ajuste da razão de alumina para acrílico, tamanho de partícula de alumina, temperatura de sinterização, etc.

Conclusão

Embora a invenção acima tenha sido descrita em algum detalhe para fins de clareza de entendimento, aqueles versados na técnica reconhecerão que várias adaptações e modificações das modalidades preferidas descritas há pouco podem ser configuradas sem se afastar do escopo e espírito da invenção. Além disso, as características de motor de classificação e distribuição de processamento descritas da presente invenção podem ser implementadas juntas ou independentemente. Portanto, as modalidades descritas devem ser consideradas como ilustrativas e não restritivas, e a invenção não deve ser limitada aos detalhes dados aqui, porém deve ser definida pelas reivindicações a seguir e seu escopo de equivalentes amplo.

Claims (50)

1. Método de fabricar uma rede porosa, o método caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer uma pluralidade de elementos não esféricos verdes, em que cada elemento não esférico compreende partículas; dispor os elementos não esféricos em um formato de rede desejado para formar um corpo poroso verde; e sinterizar simultaneamente as partículas juntas para formar elementos não esféricos sinterizados e sinterizar os elementos não esféricos juntos para formar a rede porosa.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos não esféricos são unidos antes de serem sinterizados juntos.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a junção dos elementos não esféricos compreende pelo menos um entre: queima de biscoito dos elementos não esféricos, compressão dos elementos não esféricos, revestimento por lavagem ou revestimento de pasta dos elementos com aglutinante ou partículas, e exposição dos elementos não esféricos ao pelo menos um dentre calor, solvente, luz e ondas ultra-sonoras.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os elementos não esféricos compreendem um polímero e a junção dos elementos não esféricos compreende curar ou termoendurecer o polímero.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda aplicar um aditivo aos elementos não esféricos dispostos para aumentar a ligação entre os elementos não esféricos.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a disposição dos elementos não esféricos compreende inserir os elementos não esféricos em uma matriz ou molde por um entre injeção, alimentação por gravidade, pulverização de projétil e extrusão.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a disposição dos elementos não esféricos compreende acondicionar aleatoriamente os elementos não esféricos em uma matriz ou molde.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que os elementos não esféricos compreendem pelo menos um entre aglutinante, um plastificante e um formador de poro fugitivo.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda formar os elementos não esféricos por pelo menos um entre pó de fusão em fita, pó de moldagem por injeção e pó de extrusão.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que os elementos não esféricos compreendem um material selecionado entre metal, cerâmica, cermet, polímero, vidro, carvão ativado e zeólito.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o corpo poroso verde tem uma densidade menor do que aproximadamente 45%.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o corpo poroso verde tem uma densidade menor do que aproximadamente 30%.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a rede porosa tem uma porosidade conectada de pelo menos 30%.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a rede porosa tem uma porosidade conectada de pelo menos 40%.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a rede porosa tem uma porosidade conectada de pelo menos 60%.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a rede porosa tem uma porosidade conectada de pelo menos 90%.

17. Rede porosa compreendendo uma pluralidade de elementos não esféricos sinterizados juntos, caracterizada pelo fato de que cada elemento não esférico compreende uma pluralidade de partículas sinterizadas juntas.

18. Rede porosa, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a rede é substancialmente plana.

19. Rede porosa, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que a rede define uma pluralidade de trajetórias de fluxo entre superfícies principais da rede.

20. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos são selecionados do grupo que consiste em elementos no formato de estrela, elementos de filamento linear, curvo ou enrolado, elementos em espiral, elementos no formato de tijolo, elementos no formato de anel, elementos tubulares, elementos toroidais, elementos no formato de sela, discos, folhas, elementos trançados e elementos no formato de jack.

21. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos são elementos de filamento.

22. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos têm pelo menos uma superfície plana.

23. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos têm pelo menos uma superfície côncava.

24. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18 ou 19, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos têm pelo menos dois dos seguintes: uma superfície convexa; uma superfície côncava e uma superfície plana.

25. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 ou 24, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos compreendem um material selecionado entre metal, cerâmica, cermet, polímero, vidro, carvão ativado e zeólito.

26. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 ou 24, caracterizada pelo fato de que a rede tem uma porosidade conectada de pelo menos 40%.

27. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 ou 24, caracterizada pelo fato de que a rede tem uma porosidade conectada de pelo menos 60%.

28. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 ou 24, caracterizada pelo fato de que a rede tem uma porosidade conectada de pelo menos 90%.

29. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ou 28, caracterizada pelo fato de que o tamanho dos elementos varia de 5 micrômetros até 5 centímetros.

30. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27,28 ou 29, caracterizada pelo fato de que os tamanhos de elemento não esférico são substancialmente uniformes.

31. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27,28 ou 29, caracterizada pelo fato de que a distribuição de tamanho dos elementos é bimodal.

32. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27,28, 29, 30 ou 31, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos são porosos.

33. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 ou 31, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos são densos.

34. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 ou 29, caracterizada pelo fato de que o tamanho e porosidade da rede porosa são uniformes em todo o seu volume.

35. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 ou 29, caracterizada pelo fato de que a rede porosa tem uma estrutura de poro graduada.

36. Rede porosa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 ou 35, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um eletrodo poroso disposto na rede porosa.

37. Estrutura caracterizada por compreender: uma rede porosa plana de elementos não esféricos sinterizados juntos, tendo primeira e segunda superfície principal; a rede porosa definindo uma pluralidade de trajetórias de fluxo a partir da primeira superfície principal para a segunda superfície principal; em que o tamanho dos elementos varia de 5 micrômetros até 5 centímetros, e em que a rede tem uma porosidade conectada de pelo menos 30%.

38. Estrutura, de acordo com a reivindicação 37, caracterizada pelo fato de que os elementos não esféricos compreendem partículas sinterizadas juntas.

39. Método de fabricar uma rede porosa, o método sendo caracterizado por compreender: fornecer uma pluralidade de elementos não esféricos verdes; dispor a pluralidade de elementos não esféricos em um plano tendo primeira e segunda face principal para formar um corpo poroso verde; e sinterizar a pluralidade de elementos não esféricos juntos para fabricar a rede porosa.

40. Método, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que os elementos não esféricos compreendem individualmente partículas.

41. Método, de acordo com a reivindicação 40, caracterizado por compreender ainda sinterizar as partículas para formar elementos não esféricos sinterizados.

42. Método, de acordo com a reivindicação 41, caracterizado pelo fato de que as partículas e os elementos não esféricos são simultaneamente sinterizados.

43. Método, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a rede é uma rede porosa de folha fina plana.

44. Dispositivo de filtração de fluido, caracterizado por compreender uma rede porosa sinterizada de elementos não esféricos sinterizados, em que o tamanho dos elementos é de aproximadamente 5 micrômetros até 5 centímetros e a rede porosa tem uma porosidade conectada de pelo menos 30%.

45. Dispositivo de filtração de fluido, de acordo com a reivindicação 46, caracterizado pelo fato de que a rede é substancialmente plana e a rede define uma pluralidade de trajetórias de fluxo entre as superfícies principais da rede plana.

46. Dispositivo de filtração de fluido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 46 ou 47, caracterizado pelo fato de que cada elemento não esférico compreende uma pluralidade de partículas sinterizadas juntas.

47. Dispositivo eletroquímico de estado sólido, caracterizado por compreender um substrato poroso sinterizado de elementos não esféricos sinterizados juntos, o substrato tendo uma porosidade conectada de pelo menos 30%; um eletrólito sólido; e um segundo eletrodo poroso.

48. Dispositivo eletroquímico de estado sólido, de acordo com a reivindicação 47, caracterizado pelo fato de que cada elemento não esférico compreende uma pluralidade de partículas sinterizadas juntas.

49. Dispositivo eletroquímico de estado sólido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 47 ou 48, caracterizado pelo fato de que o eletrólito sólido é sinterizado ao substrato.

50. Dispositivo eletroquímico de estado sólido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 47, 4 8 ou 49, caracterizado por compreender ainda uma primeira camada de eletrodo porosa.