Silicijum karbidna (SiC) keramika se dugo široko koristi u raznim naprednim proizvodnim oblastima zbog svoje visoke tvrdoće, visoke čvrstoće, malog koeficijenta toplotnog širenja, visoke toplotne provodljivosti, dobre hemijske stabilnosti, odlične otpornosti na toplotne udare i otpornosti na oksidaciju. Pored gore navedenih karakteristika silicijum karbidne keramike, porozna silicijum karbidna keramika, sa svojom jedinstvenom mikroskopskom poroznom strukturom, ima široke mogućnosti primjene u oblastima kao što su metalurgija, hemijsko inženjerstvo, zaštita okoliša i energetika, značajno proširujući opseg primjene silicijum karbidne keramike.
Posebna svojstvaporozna silicijum karbidna keramikaUglavnom imaju koristi od svoje jedinstvene porozne strukture, koja uključuje poroznost, veličinu i raspodjelu pora, te oblik pora itd. Stoga je potrebno regulirati njihovu poroznost, veličinu i raspodjelu pora, kao i oblik pora kroz metodu pripreme kako bi se dobila željena porozna struktura. Stoga je njihova metoda pripreme oduvijek bila u fokusu istraživanja. Ovaj članak uglavnom razmatra napredak istraživanja u metodama pripreme porozne silicij-karbidne keramike u zemlji i inostranstvu posljednjih godina.
1. Fizička metoda
Fizička metoda se odnosi na činjenicu da su šupljine u poroznoj silicijum-karbidnoj keramici uzrokovane nizom fizičkih pojava tokom procesa pripreme, bez pojave hemijskih reakcija ili stvaranja novih supstanci. Glavni mehanizam je formiranje porozne strukture oslanjanjem na šupljine koje ostaju usljed termičke kontrakcije čvrstih supstanci, isparavanja tečne faze i direktne sublimacije čvrste faze. Uobičajene metode uključuju metodu slaganja čestica, metodu liofilizacije, sol-gel metodu itd. Tehnologija 3D štampanja koja se pojavila posljednjih godina također se može koristiti za direktno štampanje i pripremu poroznih struktura.
1.1 Metoda slaganja čestica
Metoda sinterovanja pakovanjem čestica je najjednostavniji način za pripremu porozne silicijum-karbidne keramike. Princip ove metode je korištenje performansi sinterovanja samih keramičkih čestica za formiranje sinterovanih vrata između različitih SiC čestica, čime se omogućava akumulacija čestica za formiranje porozne keramike. Da bi se snizila temperatura sinterovanja, obično se dodaje određena količina veziva sa nižom tačkom topljenja kako bi se formirala veza između različitih SiC čestica. Budući da se sve pore u metodi sinterovanja pakovanjem čestica transformišu iz praznina u pakovanju između SiC čestica, poroznost i veličina pora gotove porozne keramike mogu se kontrolisati promjenom veličine praha, vrste i količine dodanog veziva i parametara sinterovanja.
Priprema porozne silicijum-karbidne keramike metodom slaganja čestica ne zahtijeva dodavanje dodatnih sredstava za formiranje pora. Proces je jednostavan i relativno ga je lako kontrolisati. Međutim, poroznost porozne keramike pripremljene ovom metodom je uglavnom niska. Oblik, veličina pora i poroznost pora uglavnom su određeni oblikom, veličinom čestica i raspodjelom čestica sirovine, kao i stepenom sinterovanja.
1.2 Metoda liofilizacije
Liofilizacija je metoda koja uključuje ravnomjerno miješanje keramičkih agregata s vodom ili organskim rastvaračima u prisustvu odgovarajuće količine disperzanata ili veziva kako bi se formirala suspenzija. Zatim se dobro izmiješana suspenzija izlije u kalup i brzo zamrzava na niskim temperaturama, omogućavajući matrici tekuće faze da se brzo stvrdne u čvrstu tvar. Nakon toga, stvrdnuta čvrsta faza se sublimira i uklanja smanjenjem pritiska ili tretmanom vakuumskog sušenja. Metoda dobijanja zelenog tijela sa usmjereno raspoređenim strukturama pora koje ostaju unutar suspenzije i konačno sinterovanje za proizvodnju porozne silicijum karbidne keramike.
1.3 Metoda 3D štampanja
Metoda 3D štampanja za pripremu porozne silicijum-karbidne keramike je novi tip procesa pripreme koji se razvio posljednjih godina. Ovaj proces se oslanja na trodimenzionalni model podataka dizajniran uz pomoć računara. Kroz glavu za štampanje, vezivo se raspršuje kako bi se sirovi prah sloj po sloj slagao u trodimenzionalnu mrežnu strukturu. Kombinacija 3D štampanja i procesa reakcijskog sinterovanja može postići proizvodnju bez kalupa i oblikovanje keramike složenog oblika gotovo u skladu sa veličinom mreže.
Metoda 3D štampanja za pripremu porozne silicijum karbidne keramike odlikuje se jednostavnim procesom oblikovanja, visokom efikasnošću pripreme i obrade, te bez potrebe za kalupima. Ne samo da se može koristiti za pripremu porozne silicijum karbidne keramike složenih oblika, ujednačenih mikrostruktura i dobre povezanosti pora, već se poroznost i veličina pora porozne keramike mogu kontrolisati i podešavati. Međutim, ova metoda je trenutno još uvijek u fazi istraživanja i procesni parametri se i dalje moraju optimizovati. Osim toga, ovom metodom je teško pripremiti visokočvrstu poroznu silicijum karbidnu keramiku u jednom koraku. Za proizvodnju željenih proizvoda potrebna je pomoć drugih procesa, što uzrokuje relativno visoke troškove.
1.4 Pjenjenje
Metoda oblikovanja pjenom uključuje dodavanje plina ili tvari koje mogu generirati plin kroz naknadnu obradu keramičkom zelenom tijelu ili prekursoru, a zatim njegovo sinteriranje kako bi se dobila porozna silicijum-karbidna keramika. Za razliku od drugih metoda pripreme, metoda oblikovanja pjenom je efikasan proces za pripremu keramike zatvorenih ćelija.
2. Hemijska metoda
Hemijska metoda se odnosi na činjenicu da se porozna struktura u poroznoj silicijum-karbidnoj keramici formira razgradnjom ili reakcijom neorganskih soli ili dodanih organskih supstanci, ostavljajući prazna mjesta u prvobitnim položajima. Uobičajene hemijske metode za pripremu porozne silicijum-karbidne keramike uključuju metodu dodavanja agensa za formiranje pora, metodu impregnacije organskom pjenom i metodu biološkog kalupa itd.
2.1 Impregnacija organskom pjenom
Metoda impregnacije organskom pjenom uključuje korištenje organske pjene kao predloška, ravnomjerno nanošenje pripremljene keramičke suspenzije na predložak ili uranjanje predloška u suspenziju kako bi se istisnuo zrak, osiguravajući da se suspenzija ravnomjerno prilijepi za predložak od organske pjene. Zatim se sušenjem i sinterovanjem na visokoj temperaturi organski predložak uklanja, čime se dobija porozna keramika.
Najznačajniji nedostatak ove metode je što ne može proizvesti proizvode s malim porama i zatvorenom poroznošću. Oblik je ograničen, a performanse predforme uveliko ovise o sirovinama. Gustoću i čvrstoću pripremljenih poroznih keramičkih materijala također je teško kontrolirati.
2.2 Metoda dodavanja sredstava za stvaranje pora
Priprema porozne silicijum karbidne keramike dodavanjem sredstava za formiranje pora uključuje dodavanje sredstava za formiranje pora u prah silicijum karbida ili prekursore, a zatim uklanjanje sredstava za formiranje pora kroz naknadne procese. Kao rezultat toga, pozicije koje su prvobitno zauzimala sredstva za formiranje pora formiraju pore, a zatim se vrši zagrijavanje i sinterovanje kako bi se formirala porozna keramika. Stoga, promjenom vrste i doze sredstava za formiranje pora može se pogodno kontrolisati poroznost, morfologija pora, veličina pora i distribucija gotove porozne keramike. Vrste sredstava za formiranje pora su veoma široke, uključujući prirodne ili sintetičke organske polimere, tečnosti, soli, keramiku ili druge prahove itd. Procesi uklanjanja različitih sredstava za formiranje pora variraju. Organska polimerna sredstva za formiranje pora obično se uklanjaju zagrijavanjem i razgradnjom, tečna sredstva za formiranje pora mogu se ukloniti kristalizacijom i sublimacijom, soli se mogu ukloniti filtracijom vode, a keramički prahovi se mogu ukloniti odgovarajućom filtracijom rastvora.
2.3 Metoda biološkog šablona
Mikroskopska struktura pora u biomaterijalima značajno se razlikuje od one u sintetičkim materijalima. Zbog svoje jedinstvene strukture, priprema poroznih keramičkih materijala sa sličnim strukturama korištenjem organizama kao predložaka privukla je široku pažnju [10]. Metoda biološkog predloška i metoda impregnacije organskom pjenom imaju sličnosti. Metoda impregnacije organskom pjenom koristi umjetnu spužvu kao predložak, dok metoda biološkog predloška koristi prirodne organizme kao predložak.
Metoda biološkog šablona za pripremu porozne silicijum karbidne keramike ima prednosti jednostavnog procesa i niske cijene. Može proizvesti keramiku složenih oblika i u najvećoj mjeri replicirati strukturu prirodnih bioloških materijala. Međutim, biološki šablon je sklon pucanju tokom procesa karbonizacije na visokim temperaturama, što ima značajan utjecaj na mehanička svojstva porozne silicijum karbidne keramike. Štaviše, struktura pora pripremljene porozne silicijum karbidne keramike uglavnom zavisi od mikrostrukture samog biološkog šablona, a njena mogućnost dizajniranja je loša. Pored toga, ova metoda ima i neke nedostatke, kao što su relativno niska efikasnost konverzije SiC, lako odvajanje reakcijskog sloja SiC i dug ciklus pripreme.
Vrijeme objave: 22. jula 2025.