Les ceràmiques de carbur de silici (SiC) s'han utilitzat àmpliament durant molt de temps en diversos camps de fabricació avançada a causa de la seva alta duresa, alta resistència, petit coeficient d'expansió tèrmica, alta conductivitat tèrmica, bona estabilitat química, excel·lent resistència al xoc tèrmic i resistència a l'oxidació. A més de les característiques esmentades anteriorment de les ceràmiques de carbur de silici, les ceràmiques poroses de carbur de silici, amb la seva estructura porosa microscòpica única, tenen àmplies perspectives d'aplicació en camps com la metal·lúrgia, l'enginyeria química, la protecció del medi ambient i l'energia, ampliant considerablement l'àmbit d'aplicació de les ceràmiques de carbur de silici.
Les propietats especials deceràmica porosa de carbur de silicies beneficien principalment de la seva estructura porosa única, que inclou la porositat, la mida i la distribució dels porus, i la forma dels porus, etc. Per tant, cal regular la seva porositat, la mida i la distribució dels porus, així com la forma dels porus mitjançant el mètode de preparació per obtenir l'estructura porosa desitjada. Per tant, el seu mètode de preparació sempre ha estat el focus de la investigació de la gent. Aquest article revisa principalment els avenços en la investigació dels mètodes de preparació de ceràmiques poroses de carbur de silici a casa i a l'estranger en els darrers anys.
1. Mètode físic
El mètode físic es refereix al fet que els buits en les ceràmiques poroses de carbur de silici són causats per una sèrie de fenòmens físics durant el procés de preparació, sense que es produeixin reaccions químiques ni generin noves substàncies. El mecanisme principal és formar una estructura porosa basant-se en els buits deixats per la contracció tèrmica de les substàncies sòlides, l'evaporació de la fase líquida i la sublimació directa de la fase sòlida. Els mètodes comuns inclouen el mètode d'apilament de partícules, el mètode de liofilització, el mètode sol-gel, etc. La tecnologia d'impressió 3D que ha sorgit en els darrers anys també es pot utilitzar per imprimir i preparar directament estructures poroses.
1.1 Mètode d'apilament de partícules
El mètode de sinterització per empaquetament de partícules és la manera més senzilla de preparar ceràmiques poroses de carbur de silici. El principi d'aquest mètode és utilitzar el rendiment de sinterització de les pròpies partícules ceràmiques per formar colls de sinterització entre diferents partícules de SiC, permetent així l'acumulació de partícules per formar ceràmiques poroses. Per reduir la temperatura de sinterització, normalment s'afegeix una certa quantitat d'aglutinant amb un punt de fusió més baix per formar una connexió entre diferents partícules de SiC. Com que tots els porus del mètode de sinterització per empaquetament de partícules es transformen a partir dels espais d'empaquetament entre les partícules de SiC, la porositat i la mida dels porus de les ceràmiques poroses acabades es poden controlar canviant la mida de la pols, el tipus i la quantitat d'addició de l'aglutinant i els paràmetres de sinterització.
La preparació de ceràmiques poroses de carbur de silici mitjançant el mètode d'apilament de partícules no requereix l'addició d'agents formadors de porus addicionals. El procés és senzill i relativament fàcil de controlar. Tanmateix, la porositat de les ceràmiques poroses preparades per aquest mètode és generalment baixa. La forma, la mida dels porus i la porositat dels porus estan determinades principalment per la forma, la mida de les partícules i la distribució de les partícules de matèria primera, així com pel grau de sinterització.
1.2 Mètode de liofilització
La liofilització és un mètode que consisteix a barrejar uniformement agregats ceràmics amb aigua o dissolvents orgànics en presència d'una quantitat adequada de dispersants o aglutinants per formar una pasta. A continuació, la pasta ben barrejada s'aboca en un motlle i es congela ràpidament a baixes temperatures, permetent que la matriu de fase líquida solidifiqui ràpidament en un sòlid. Posteriorment, la fase sòlida solidificada es sublima i s'elimina mitjançant un tractament de reducció de pressió o assecat al buit. El mètode consisteix a obtenir un cos verd amb estructures de porus disposades direccionalment que queden dins de la pasta i finalment sinteritzar-lo per produir ceràmica porosa de carbur de silici.
1.3 Mètode d'impressió 3D
El mètode d'impressió 3D per a la preparació de ceràmiques poroses de carbur de silici és un nou tipus de procés de preparació que s'ha desenvolupat en els darrers anys. Aquest procés es basa en un model de dades tridimensional dissenyat amb l'ajuda d'ordinadors. A través del capçal d'impressió, l'aglomerant es polvoritza per apilar la pols de matèria primera capa per capa en una estructura de xarxa tridimensional. La combinació dels processos d'impressió 3D i sinterització per reacció pot aconseguir una fabricació sense motlle i una conformació de ceràmiques de formes complexes gairebé a mida neta.
El mètode d'impressió 3D per a la preparació de ceràmiques poroses de carbur de silici presenta un procés de conformació senzill, una alta eficiència de preparació i processament, i no necessita motlles. No només es pot utilitzar per preparar ceràmiques poroses de carbur de silici amb formes complexes, microestructures uniformes i bona connectivitat de porus, sinó que també la porositat i la mida dels porus de les ceràmiques poroses són controlables i ajustables. Tanmateix, aquest mètode encara es troba en fase de recerca exploratòria i els paràmetres del procés encara s'han d'optimitzar més. A més, aquest mètode és difícil de preparar ceràmiques poroses de carbur de silici d'alta resistència en un sol pas. Requereix l'assistència d'altres processos per produir els productes desitjats, cosa que comporta uns costos relativament elevats.
1.4 Formació d'escuma
El mètode d'emmotllament per escuma consisteix a afegir gas o substàncies que poden generar gas mitjançant un processament posterior al cos o precursor ceràmic en verd, i després sinteritzar-lo per obtenir ceràmica porosa de carbur de silici. A diferència d'altres mètodes de preparació, el mètode d'escuma és un procés eficaç per preparar ceràmica de cèl·lules tancades.
2. Mètode químic
El mètode químic fa referència al fet que l'estructura porosa de la ceràmica porosa de carbur de silici es forma per la descomposició o reacció de sals inorgàniques o substàncies orgàniques afegides, deixant vacants a les posicions originals. Els mètodes químics habituals per a la preparació de ceràmica porosa de carbur de silici inclouen el mètode d'addició d'agent formador de porus, el mètode d'impregnació d'escuma orgànica i el mètode de plantilla biològica, etc.
2.1 Impregnació d'escuma orgànica
El mètode d'impregnació d'escuma orgànica consisteix a utilitzar escuma orgànica com a plantilla, recobrir uniformement la pasta ceràmica preparada sobre la plantilla o submergir la plantilla en la pasta per expulsar l'aire, assegurant-se que la pasta s'adhereixi uniformement a la plantilla d'escuma orgànica. A continuació, mitjançant l'assecat i la sinterització a alta temperatura, s'elimina la plantilla orgànica, obtenint així ceràmica porosa.
L'inconvenient més significatiu d'aquest mètode és que no permet produir productes de porositat tancada amb porus petits. La forma és restringida i el rendiment de la preforma es veu molt afectat per les matèries primeres. La densitat i la resistència dels materials ceràmics porosos preparats també són difícils de controlar.
2.2 El mètode d'addició d'agents formadors de porus
La preparació de ceràmiques poroses de carbur de silici mitjançant l'addició d'agents formadors de porus implica afegir agents formadors de porus a la pols o precursors de carbur de silici i després eliminar els agents formadors de porus mitjançant processos posteriors. Com a resultat, les posicions que ocupaven originalment els agents formadors de porus formen porus i, a continuació, es realitza un escalfament i una sinterització per formar ceràmiques poroses. Per tant, canviar el tipus i la dosi dels agents formadors de porus pot controlar convenientment la porositat, la morfologia dels porus, la mida dels porus i la distribució de les ceràmiques poroses acabades. Els tipus d'agents formadors de porus són molt extensos, incloent polímers orgànics naturals o sintètics, líquids, sals, ceràmiques o altres pols, etc. Els processos d'eliminació dels diferents agents formadors de porus varien. Els agents formadors de porus de polímer orgànic s'eliminen normalment mitjançant escalfament i descomposició, els agents formadors de porus líquids es poden eliminar mitjançant cristal·lització i sublimació, les sals es poden eliminar mitjançant filtració d'aigua i les pols ceràmiques es poden eliminar mitjançant una filtració en solució adequada.
2.3 Mètode de plantilla biològica
L'estructura microscòpica dels porus dels biomaterials és significativament diferent de la dels materials sintètics. A causa de la seva estructura única, la preparació de materials ceràmics porosos amb estructures similars utilitzant organismes com a plantilles ha rebut una àmplia atenció [10]. El mètode de plantilla biològica i el mètode d'impregnació d'escuma orgànica comparteixen similituds. El mètode d'impregnació d'escuma orgànica utilitza una esponja artificial com a plantilla, mentre que el mètode de plantilla biològica utilitza organismes naturals com a plantilla.
El mètode de plantilla biològica per a la preparació de ceràmiques poroses de carbur de silici té els avantatges d'un procés senzill i de baix cost. Pot produir ceràmiques amb formes complexes i pot replicar l'estructura dels materials biològics naturals en la major mesura. Tanmateix, la plantilla biològica és propensa a esquerdar-se durant el procés de carbonització a alta temperatura, cosa que té un impacte significatiu en les propietats mecàniques de les ceràmiques poroses de carbur de silici. A més, l'estructura dels porus de les ceràmiques poroses de carbur de silici preparades depèn principalment de la microestructura de la plantilla biològica en si, i la seva capacitat de disseny és deficient. A més, aquest mètode també té alguns desavantatges, com ara una eficiència de conversió relativament baixa del SiC, un despreniment fàcil de la capa de reacció de SiC i un cicle de preparació llarg.
Data de publicació: 22 de juliol de 2025