Силициево-карбидната (SiC) керамика отдавна се използва широко в различни области на напредналото производство поради високата си твърдост, висока якост, малък коефициент на термично разширение, висока топлопроводимост, добра химическа стабилност, отлична устойчивост на термичен удар и устойчивост на окисляване. В допълнение към гореспоменатите характеристики на силициево-карбидната керамика, порестата силициево-карбидна керамика, с уникалната си микроскопична пореста структура, има широки перспективи за приложение в области като металургията, химическото инженерство, опазването на околната среда и енергетиката, като значително разширява обхвата на приложение на силициево-карбидната керамика.
Специалните свойства напореста силициево-карбидна керамикасе възползват главно от уникалната си пореста структура, която включва порьозност, размер и разпределение на порите, форма на порите и др. Следователно е необходимо да се регулира порьозността, размерът и разпределението на порите, както и формата на порите чрез метода на приготвяне, за да се получи желаната пореста структура. Поради това методът на приготвяне винаги е бил във фокуса на изследванията на хората. Тази статия разглежда основно напредъка в изследванията на методите за приготвяне на пореста силициево-карбидна керамика в страната и чужбина през последните години.
1. Физически метод
Физическият метод се отнася до факта, че кухините в порестата силициево-карбидна керамика се причиняват от серия физични явления по време на процеса на приготвяне, без да протичат химични реакции или генериране на нови вещества. Основният механизъм е образуването на пореста структура чрез използване на кухините, останали от термичното свиване на твърдите вещества, изпаряването на течната фаза и директното сублимиране на твърдата фаза. Често срещани методи включват метод на натрупване на частици, метод на лиофилизиране, зол-гел метод и др. Технологията за 3D печат, която се появи през последните години, може да се използва и за директно отпечатване и приготвяне на порести структури.
1.1 Метод за подреждане на частици
Методът на синтероване с опаковане на частици е най-лесният начин за приготвяне на пореста силициево-карбидна керамика. Принципът на този метод е да се използва способността на самите керамични частици да синтероват, за да се образуват синтероващи шевове между различните SiC частици, като по този начин се позволява натрупването на частици да образуват пореста керамика. За да се понижи температурата на синтероване, обикновено се добавя определено количество свързващо вещество с по-ниска точка на топене, за да се образува връзка между различните SiC частици. Тъй като всички пори при метода на синтероване с опаковане на частици се трансформират от празнините между SiC частиците, порьозността и размерът на порите на готовата пореста керамика могат да се контролират чрез промяна на размера на праха, вида и количеството на добавеното свързващо вещество, както и параметрите на синтероване.
Приготвянето на пореста силициево-карбидна керамика чрез метода на натрупване на частици не изисква добавяне на допълнителни порообразуващи агенти. Процесът е прост и сравнително лесен за контролиране. Порьозността на порестата керамика, приготвена по този метод, обаче обикновено е ниска. Формата, размерът на порите и порьозността на порите се определят главно от формата, размера на частиците и разпределението на частиците на суровината, както и от степента на синтероване.
1.2 Метод на лиофилизация
Лиофилизирането е метод, който включва равномерно смесване на керамични агрегати с вода или органични разтворители в присъствието на подходящо количество дисперсанти или свързващи вещества, за да се образува суспензия. След това добре смесената суспензия се излива във форма и бързо замразява при ниски температури, което позволява на течнофазната матрица бързо да се втвърди в твърдо вещество. Впоследствие втвърдената твърда фаза се сублимира и отстранява чрез намаляване на налягането или вакуумно сушене. Методът за получаване на зелено тяло с насочено разположени порести структури, оставени вътре в суспензията, и накрая синтероването му за получаване на пореста силициево-карбидна керамика.
1.3 Метод за 3D печат
Методът на 3D печат за получаване на пореста силициево-карбидна керамика е нов вид процес на подготовка, който се разви през последните години. Този процес се основава на триизмерен модел на данни, проектиран с помощта на компютър. Чрез печатащата глава свързващото вещество се напръсква, за да се натрупа прахообразната суровина слой по слой в триизмерна мрежова структура. Комбинацията от 3D печат и реакционно синтероване може да постигне производство без калъпи и формиране на керамика със сложна форма с почти нето размер.
Методът на 3D печат за получаване на пореста силициево-карбидна керамика се характеризира с прост процес на формоване, висока ефективност на подготовка и обработка и без необходимост от форми. Той може не само да се използва за получаване на пореста силициево-карбидна керамика със сложни форми, равномерни микроструктури и добра свързаност на порите, но и порьозността и размерът на порите на порестата керамика са контролируеми и регулируеми. Този метод обаче все още е в етап на проучвателно изследване и параметрите на процеса все още се нуждаят от допълнително оптимизиране. Освен това, този метод е труден за получаване на високоякостна пореста силициево-карбидна керамика наведнъж. Той изисква помощта на други процеси за получаване на желаните продукти, което води до относително високи разходи.
1.4 Пенообразуване
Методът на разпенване включва добавяне на газ или вещества, които могат да генерират газ чрез последваща обработка, към керамичния зелен материал или прекурсор, и след това синтероването му за получаване на пореста силициево-карбидна керамика. За разлика от други методи за получаване, методът на разпенване е ефективен процес за получаване на керамика със затворени клетки.
2. Химичен метод
Химичният метод се отнася до факта, че порестата структура в порестата силициево-карбидна керамика се образува чрез разлагане или реакция на неорганични соли или добавени органични вещества, оставяйки вакантни места в първоначалните си позиции. Често срещани химични методи за получаване на пореста силициево-карбидна керамика включват метода на добавяне на порообразуващ агент, метода на импрегниране с органична пяна и метода на биологичния шаблон и др.
2.1 Импрегниране с органична пяна
Методът на импрегниране с органична пяна включва използване на органична пяна като шаблон, равномерно покриване на шаблона с подготвената керамична суспензия или потапяне на шаблона в суспензията за изтласкване на въздуха, като по този начин се гарантира, че суспензията се прилепва равномерно към шаблона от органична пяна. След това, чрез сушене и високотемпературно синтероване, органичният шаблон се отстранява, като по този начин се получава пореста керамика.
Най-същественият недостатък на този метод е, че не е възможно да се произвеждат продукти с малки пори и затворена порьозност. Формата е ограничена, а характеристиките на заготовката зависят значително от суровините. Плътността и здравината на получените порести керамични материали също са трудни за контролиране.
2.2 Методът за добавяне на порообразуващи агенти
Приготвянето на пореста силициево-карбидна керамика чрез добавяне на порообразуващи агенти включва добавяне на порообразуващи агенти към силициев карбидния прах или прекурсори, а след това отстраняването им чрез последващи процеси. В резултат на това позициите, първоначално заети от порообразуващите агенти, образуват пори, след което се извършва нагряване и синтероване, за да се образува пореста керамика. Следователно, промяната на вида и дозата на порообразуващите агенти може удобно да контролира порьозността, морфологията на порите, размера на порите и разпределението на готовата пореста керамика. Видовете порообразуващи агенти са много разнообразни и включват естествени или синтетични органични полимери, течности, соли, керамика или други прахове и др. Процесите на отстраняване на различните порообразуващи агенти варират. Органичните полимерни порообразуващи агенти обикновено се отстраняват чрез нагряване и разлагане, течните порообразуващи агенти могат да се отстранят чрез кристализация и сублимация, солите могат да се отстранят чрез филтриране на вода, а керамичните прахове могат да се отстранят чрез подходящо филтриране на разтвор.
2.3 Метод на биологичния шаблон
Микроскопичната структура на порите в биоматериалите е значително различна от тази в синтетичните материали. Поради уникалната си структура, приготвянето на порести керамични материали с подобни структури, използващи организми като шаблони, е получило широко внимание [10]. Методът на биологичния шаблон и методът на импрегниране с органична пяна имат сходства. Методът на импрегниране с органична пяна използва изкуствена гъба като шаблон, докато методът на биологичния шаблон използва естествени организми като шаблон.
Методът на биологичния шаблон за получаване на пореста силициево-карбидна керамика има предимствата на простия процес и ниската цена. Той може да произвежда керамика със сложни форми и да възпроизвежда структурата на естествените биологични материали в най-голяма степен. Биологичният шаблон обаче е склонен към напукване по време на процеса на високотемпературна карбонизация, което оказва значително влияние върху механичните свойства на порестата силициево-карбидна керамика. Освен това, порестата структура на получената пореста силициево-карбидна керамика зависи главно от микроструктурата на самия биологичен шаблон и нейната проектируемост е лоша. В допълнение, този метод има и някои недостатъци, като например относително ниска ефективност на преобразуване на SiC, лесно отделяне на реакционния слой SiC и дълъг цикъл на приготвяне.
Време на публикуване: 22 юли 2025 г.