ما هي طريقة تحضير السيراميك المسامي من كربيد السيليكون؟

تُستخدم خزفيات كربيد السيليكون (SiC) على نطاق واسع في مختلف مجالات التصنيع المتقدمة نظرًا لصلابتها العالية، وقوتها الفائقة، ومعامل تمددها الحراري المنخفض، وموصلية حرارتها العالية، واستقرارها الكيميائي الجيد، ومقاومتها الممتازة للصدمات الحرارية والأكسدة. إضافةً إلى هذه الخصائص، تتميز خزفيات كربيد السيليكون المسامية، ببنيتها المسامية المجهرية الفريدة، بآفاق تطبيق واسعة في مجالات مثل علم المعادن، والهندسة الكيميائية، وحماية البيئة، والطاقة، مما يُوسع نطاق استخدامات خزفيات كربيد السيليكون بشكل كبير.

الخصائص الخاصة لـسيراميك كربيد السيليكون المساميتستفيد هذه المواد بشكل أساسي من بنيتها المسامية الفريدة، والتي تشمل المسامية، وحجم المسام وتوزيعها، وشكلها، وغيرها. لذا، من الضروري ضبط مساميتها وحجم مسامها وتوزيعها، بالإضافة إلى شكل المسام، من خلال طريقة التحضير للحصول على البنية المسامية المطلوبة. ولهذا السبب، لطالما كانت طريقة تحضيرها محور اهتمام الباحثين. تستعرض هذه المقالة بشكل رئيسي التقدم البحثي في ​​طرق تحضير سيراميك كربيد السيليكون المسامي محليًا وعالميًا في السنوات الأخيرة.

1. الطريقة الفيزيائية

تشير الطريقة الفيزيائية إلى أن الفراغات في سيراميك كربيد السيليكون المسامي تنتج عن سلسلة من الظواهر الفيزيائية أثناء عملية التحضير، دون حدوث تفاعلات كيميائية أو توليد مواد جديدة. وتتمثل الآلية الرئيسية في تكوين بنية مسامية بالاعتماد على الفراغات المتبقية من الانكماش الحراري للمواد الصلبة، وتبخر الطور السائل، والتسامي المباشر للطور الصلب. تشمل الطرق الشائعة طريقة تكديس الجسيمات، وطريقة التجفيف بالتجميد، وطريقة سول-جل، وغيرها. كما يمكن استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي ظهرت في السنوات الأخيرة، لطباعة وتحضير هياكل مسامية مباشرة.

1.1 طريقة تكديس الجسيمات

تُعدّ طريقة التلبيد بتعبئة الجسيمات أبسط الطرق لتحضير خزف كربيد السيليكون المسامي. وتعتمد هذه الطريقة على استغلال خاصية التلبيد لجسيمات الخزف نفسها لتشكيل روابط بين جسيمات كربيد السيليكون المختلفة، مما يسمح بتراكم الجسيمات لتكوين خزف مسامي. ولخفض درجة حرارة التلبيد، تُضاف عادةً كمية معينة من مادة رابطة ذات نقطة انصهار منخفضة لربط جسيمات كربيد السيليكون المختلفة. وبما أن جميع المسام في طريقة التلبيد بتعبئة الجسيمات تتشكل من فجوات التعبئة بين جسيمات كربيد السيليكون، فإنه يُمكن التحكم في مسامية وحجم مسام الخزف المسامي النهائي عن طريق تغيير حجم المسحوق، ونوع وكمية المادة الرابطة المضافة، ومعايير التلبيد.

لا تتطلب عملية تحضير خزف كربيد السيليكون المسامي باستخدام طريقة تكديس الجسيمات إضافة عوامل إضافية لتكوين المسام. وتتميز هذه العملية بالبساطة وسهولة التحكم. مع ذلك، فإن مسامية الخزف المسامي المُحضر بهذه الطريقة تكون منخفضة عمومًا. ويتحدد شكل المسام وحجمها ومساميتها بشكل أساسي من خلال شكل جسيمات المادة الخام وحجمها وتوزيعها، بالإضافة إلى درجة التلبيد.

1.2 طريقة التجفيف بالتجميد

التجفيف بالتجميد هو أسلوب يتضمن خلط حبيبات السيراميك بشكل متجانس مع الماء أو المذيبات العضوية بوجود كمية مناسبة من المشتتات أو المواد الرابطة لتكوين معلق. بعد ذلك، يُصب المعلق المتجانس في قالب ويُجمد بسرعة في درجات حرارة منخفضة، مما يسمح لمصفوفة الطور السائل بالتصلب سريعًا إلى مادة صلبة. ثم تُسامى المادة الصلبة المتصلبة وتُزال عن طريق خفض الضغط أو التجفيف بالتفريغ. يُنتج عن هذه الطريقة جسم أخضر ذو بنية مسامية مرتبة اتجاهيًا داخل المعلق، ثم يُلبد لإنتاج سيراميك كربيد السيليكون المسامي.

1.3 طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد

تُعدّ طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد لتحضير سيراميك كربيد السيليكون المسامي أسلوبًا جديدًا في عمليات التحضير، وقد شهدت تطورًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة. تعتمد هذه العملية على نموذج بيانات ثلاثي الأبعاد مُصمّم بمساعدة الحاسوب. ومن خلال رأس الطباعة، يُرشّ المادة الرابطة لتراص مسحوق المادة الخام طبقةً تلو الأخرى، مُشكّلةً بنية شبكية ثلاثية الأبعاد. يُمكّن الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد وعمليات التلبيد التفاعلي من تصنيع السيراميك المعقد الأشكال دون الحاجة إلى قوالب، وتشكيله بأحجام قريبة من الحجم النهائي.

تتميز طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد لتحضير سيراميك كربيد السيليكون المسامي ببساطة عملية التشكيل، وكفاءة التحضير والمعالجة العالية، وعدم الحاجة إلى قوالب. فهي لا تقتصر على تحضير سيراميك كربيد السيليكون المسامي بأشكال معقدة، وبنية مجهرية متجانسة، وترابط مسامي جيد، بل تتيح أيضًا التحكم في مسامية السيراميك وحجم مسامه وتعديلهما. مع ذلك، لا تزال هذه الطريقة في مرحلة البحث الاستكشافي، وتحتاج معايير العملية إلى مزيد من التحسين. إضافةً إلى ذلك، يصعب تحضير سيراميك كربيد السيليكون المسامي عالي القوة في خطوة واحدة، إذ تتطلب هذه الطريقة الاستعانة بعمليات أخرى لإنتاج المنتجات المطلوبة، مما يزيد التكاليف نسبيًا.

1.4 الرغوة

تعتمد طريقة التشكيل الرغوي على إضافة غاز أو مواد قادرة على توليد الغاز خلال عمليات لاحقة إلى الجسم الخزفي الأخضر أو ​​المادة الأولية، ثم تلبيده للحصول على خزف كربيد السيليكون المسامي. وعلى عكس طرق التحضير الأخرى، تُعدّ طريقة التشكيل الرغوي عملية فعّالة لتحضير الخزف ذي الخلايا المغلقة.

2. الطريقة الكيميائية

تشير الطريقة الكيميائية إلى أن البنية المسامية في سيراميك كربيد السيليكون المسامي تتشكل من خلال تحلل أو تفاعل الأملاح غير العضوية أو المواد العضوية المضافة، مما يترك فراغات في المواقع الأصلية. تشمل الطرق الكيميائية الشائعة لتحضير سيراميك كربيد السيليكون المسامي طريقة إضافة عامل تكوين المسام، وطريقة التشريب بالرغوة العضوية، وطريقة القالب الحيوي، وغيرها.

2.1 تشريب الرغوة العضوية

تعتمد طريقة تشريب الرغوة العضوية على استخدام الرغوة العضوية كقالب، حيث يتم طلاء القالب بملاط السيراميك المُجهز بالتساوي، أو غمر القالب في الملاط لإخراج الهواء، مما يضمن التصاق الملاط بشكل متساوٍ بقالب الرغوة العضوية. بعد ذلك، ومن خلال التجفيف والتلبيد بدرجة حرارة عالية، يُزال القالب العضوي، فنحصل بذلك على خزف مسامي.

تتمثل أبرز عيوب هذه الطريقة في عدم قدرتها على إنتاج منتجات ذات مسامية مغلقة صغيرة. كما أن شكلها محدود، ويتأثر أداء القالب الأولي بشكل كبير بالمواد الخام. بالإضافة إلى ذلك، يصعب التحكم في كثافة وقوة المواد الخزفية المسامية المُحضّرة.

2.2 طريقة إضافة عوامل تكوين المسام

تتضمن عملية تحضير خزف كربيد السيليكون المسامي بإضافة عوامل مُكوِّنة للمسام إضافة هذه العوامل إلى مسحوق كربيد السيليكون أو المواد الأولية، ثم إزالة هذه العوامل من خلال عمليات لاحقة. ونتيجةً لذلك، تتشكل المسام في المواقع التي كانت تشغلها عوامل تكوين المسام، ثم تُجرى عمليتا التسخين والتلبيد لتكوين الخزف المسامي. لذا، يُمكن التحكم بسهولة في مسامية الخزف المسامي النهائي، وشكل المسام، وحجمها، وتوزيعها، عن طريق تغيير نوع وكمية عوامل تكوين المسام. وتتنوع أنواع عوامل تكوين المسام بشكل كبير، وتشمل البوليمرات العضوية الطبيعية أو الاصطناعية، والسوائل، والأملاح، والخزف، أو مساحيق أخرى، وغيرها. وتختلف طرق إزالة عوامل تكوين المسام باختلاف أنواعها. فعادةً ما تُزال عوامل تكوين المسام من البوليمرات العضوية بالتسخين والتحلل، بينما تُزال عوامل تكوين المسام السائلة بالتبلور والتسامي، وتُزال الأملاح بالترشيح المائي، وتُزال مساحيق الخزف بالترشيح المناسب للمحاليل.

2.3 طريقة القالب البيولوجي

تختلف بنية المسام المجهرية في المواد الحيوية اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في المواد الاصطناعية. ونظرًا لبنيتها الفريدة، حظي تحضير مواد خزفية مسامية ذات بنى مماثلة باستخدام الكائنات الحية كقوالب باهتمام واسع النطاق [10]. تتشابه طريقة القالب الحيوي وطريقة تشريب الرغوة العضوية في بعض الجوانب. تستخدم طريقة تشريب الرغوة العضوية إسفنجًا صناعيًا كقالب، بينما تستخدم طريقة القالب الحيوي كائنات حية طبيعية كقالب.

تتميز طريقة القالب البيولوجي لتحضير خزف كربيد السيليكون المسامي ببساطة العملية وانخفاض التكلفة. فهي تُنتج خزفًا بأشكال معقدة، وتُحاكي بنية المواد البيولوجية الطبيعية إلى حد كبير. مع ذلك، فإن القالب البيولوجي عُرضة للتشقق أثناء عملية الكربنة عند درجات الحرارة العالية، مما يؤثر بشكل كبير على الخواص الميكانيكية لخزف كربيد السيليكون المسامي. علاوة على ذلك، تعتمد بنية مسام خزف كربيد السيليكون المُحضر بشكل أساسي على البنية المجهرية للقالب البيولوجي نفسه، مما يحد من إمكانية التحكم في تصميمه. إضافة إلى ذلك، تُعاني هذه الطريقة من بعض العيوب، مثل انخفاض كفاءة تحويل كربيد السيليكون، وسهولة تساقط طبقة التفاعل، وطول دورة التحضير.