Keramika z karbidu křemíku (SiC) se již dlouho široce používá v různých pokročilých výrobních oblastech díky své vysoké tvrdosti, vysoké pevnosti, malému koeficientu tepelné roztažnosti, vysoké tepelné vodivosti, dobré chemické stabilitě, vynikající odolnosti proti tepelným šokům a oxidační odolnosti. Kromě výše uvedených vlastností keramiky z karbidu křemíku má porézní keramika z karbidu křemíku se svou jedinečnou mikroskopickou porézní strukturou široké uplatnění v oblastech, jako je metalurgie, chemické inženýrství, ochrana životního prostředí a energetika, což výrazně rozšiřuje oblast použití keramiky z karbidu křemíku.
Zvláštní vlastnostiporézní karbid křemíku keramickýtěží především ze své jedinečné porézní struktury, která zahrnuje pórovitost, velikost a rozložení pórů, tvar pórů atd. Proto je nutné regulovat jejich poréznost, velikost a rozložení pórů, stejně jako tvar pórů, pomocí metody přípravy, aby se dosáhlo požadované porézní struktury. Proto je jejich metoda přípravy vždy středem zájmu výzkumu. Tento článek se zabývá především pokrokem ve výzkumu metod přípravy porézní karbid křemíkové keramiky v tuzemsku i v zahraničí v posledních letech.
1. Fyzikální metoda
Fyzikální metoda se vztahuje ke skutečnosti, že dutiny v porézní karbid křemíkové keramice jsou způsobeny řadou fyzikálních jevů během procesu přípravy, bez výskytu chemických reakcí nebo tvorby nových látek. Hlavním mechanismem je vytvoření porézní struktury spoléháním se na dutiny zanechané tepelnou smršťováním pevných látek, odpařováním kapalné fáze a přímou sublimací pevné fáze. Mezi běžné metody patří metoda vrstvení částic, metoda lyofilizace, metoda sol-gel atd. Technologie 3D tisku, která se objevila v posledních letech, může být také použita k přímému tisku a přípravě porézních struktur.
1.1 Metoda vrstvení částic
Metoda slinování s uspořádáním částic je nejjednodušší způsob přípravy porézní keramiky z karbidu křemíku. Princip této metody spočívá ve využití slinovací schopnosti samotných keramických částic k vytvoření slinovacích krčků mezi různými částicemi SiC, čímž se umožní akumulace částic a vytvoření porézní keramiky. Pro snížení teploty slinování se obvykle přidává určité množství pojiva s nižším bodem tání, které vytváří spojení mezi různými částicemi SiC. Vzhledem k tomu, že všechny póry v metodě slinování s uspořádáním částic jsou transformovány z mezer mezi částicemi SiC, lze poréznost a velikost pórů hotové porézní keramiky řídit změnou velikosti prášku, typu a množství přidaného pojiva a parametrů slinování.
Příprava porézní keramiky z karbidu křemíku metodou vrstvení částic nevyžaduje přidání dalších pórotvorných činidel. Proces je jednoduchý a relativně snadno se reguluje. Pórovitost porézní keramiky připravené touto metodou je však obecně nízká. Tvar, velikost pórů a poréznost pórů jsou určeny především tvarem, velikostí částic a distribucí částic suroviny, jakož i stupněm slinování.
1.2 Metoda lyofilizace
Lyofilizace je metoda, která zahrnuje rovnoměrné smíchání keramických agregátů s vodou nebo organickými rozpouštědly za přítomnosti vhodného množství dispergačních činidel nebo pojiv za vzniku suspenze. Dobře promíchaná suspenze se poté nalije do formy a rychle zmrazí při nízkých teplotách, což umožní kapalné fázi rychle ztuhnout do pevné látky. Následně se ztuhlá pevná fáze sublimuje a odstraní snížením tlaku nebo sušením ve vakuu. Metoda, která zahrnuje získání surového tělesa s orientovaně uspořádanými pórovitými strukturami ponechanými uvnitř suspenze a jeho konečné slinování za účelem výroby porézní keramiky z karbidu křemíku.
1.3 Metoda 3D tisku
Metoda 3D tisku pro přípravu porézní karbid křemíkové keramiky je nový typ procesu přípravy, který se vyvinul v posledních letech. Tento proces se opírá o trojrozměrný datový model navržený s pomocí počítače. Pojivo se stříká tiskovou hlavou, čímž se surovinový prášek vrstvu po vrstvě vrství do trojrozměrné síťové struktury. Kombinace 3D tisku a reakčního spékání umožňuje výrobu bez forem a tváření keramiky složitých tvarů téměř v čisté velikosti.
Metoda 3D tisku pro přípravu porézní karbid křemíkové keramiky se vyznačuje jednoduchým procesem tváření, vysokou účinností přípravy a zpracování a nevyžaduje žádné formy. Lze ji použít nejen k přípravě porézní karbid křemíkové keramiky se složitými tvary, jednotnými mikrostrukturami a dobrou propojeností pórů, ale také s regulovatelnou a nastavitelnou pórovitostí a velikostí pórů porézní keramiky. Tato metoda je však stále ve fázi průzkumného výzkumu a procesní parametry je stále třeba dále optimalizovat. Kromě toho je tato metoda obtížná pro přípravu vysoce pevné porézní karbid křemíkové keramiky v jednom kroku. Vyžaduje pomoc dalších procesů k výrobě požadovaných produktů, což s sebou nese relativně vysoké náklady.
1.4 Pěnění
Metoda pěnového lisování zahrnuje přidání plynu nebo látek, které mohou plyn generovat následným zpracováním, do keramického surového tělesa nebo prekurzoru a jeho následné slinování za účelem získání porézní karbid křemíkové keramiky. Na rozdíl od jiných metod přípravy je metoda pěnování účinným postupem pro přípravu keramiky s uzavřenými buňkami.
2. Chemická metoda
Chemická metoda se vztahuje ke skutečnosti, že porézní struktura v porézní karbid křemíkové keramice vzniká rozkladem nebo reakcí anorganických solí nebo přidaných organických látek, přičemž v původních pozicích vznikají volná místa. Mezi běžné chemické metody pro přípravu porézní karbid křemíkové keramiky patří metoda přidávání pórotvorných činidel, metoda impregnace organickou pěnou a metoda biologického templátu atd.
2.1 Impregnace organickou pěnou
Metoda impregnace organickou pěnou zahrnuje použití organické pěny jako šablony, rovnoměrné nanesení připravené keramické suspenze na šablonu nebo ponoření šablony do suspenze za účelem vytlačení vzduchu, čímž se zajistí rovnoměrné přilnutí suspenze k šabloně z organické pěny. Poté se sušením a slinováním za vysoké teploty organická šablona odstraní, čímž se získá porézní keramika.
Nejvýznamnější nevýhodou této metody je, že nelze vyrábět výrobky s malými póry a uzavřenou porézností. Tvar je omezený a vlastnosti předlisku jsou výrazně ovlivněny použitými surovinami. Hustotu a pevnost připravených porézních keramických materiálů je také obtížné regulovat.
2.2 Způsob přidávání pórotvorných látek
Příprava porézní keramiky z karbidu křemíku přidáním pórotvorných činidel zahrnuje přidání pórotvorných činidel do prášku karbidu křemíku nebo prekurzorů a následné odstranění pórotvorných činidel následnými procesy. V důsledku toho se na místech původně obsazených pórotvornými činidly vytvoří póry a následně se provede zahřívání a spékání za vzniku porézní keramiky. Změnou typu a dávkování pórotvorných činidel lze proto pohodlně řídit pórovitost, morfologii pórů, velikost pórů a distribuci hotové porézní keramiky. Typy pórotvorných činidel jsou velmi rozsáhlé a zahrnují přírodní nebo syntetické organické polymery, kapaliny, soli, keramiku nebo jiné prášky atd. Procesy odstraňování různých pórotvorných činidel se liší. Organická polymerní pórotvorná činidla se obvykle odstraňují zahříváním a rozkladem, kapalná pórotvorná činidla lze odstranit krystalizací a sublimací, soli lze odstranit filtrací vody a keramické prášky lze odstranit vhodnou filtrací roztoku.
2.3 Metoda biologického templátu
Mikroskopická struktura pórů v biomateriálech se výrazně liší od struktury syntetických materiálů. Díky své jedinečné struktuře se přípravě porézních keramických materiálů s podobnými strukturami za použití organismů jako šablon věnuje široká pozornost [10]. Metoda biologické šablony a metoda impregnace organickou pěnou sdílejí podobnosti. Metoda impregnace organickou pěnou používá jako šablonu umělou houbu, zatímco metoda biologické šablony používá jako šablonu přírodní organismy.
Metoda biologického templátu pro přípravu porézní karbid křemíkové keramiky má výhody jednoduchého procesu a nízkých nákladů. Dokáže vyrábět keramiku se složitými tvary a v co největší míře replikovat strukturu přírodních biologických materiálů. Biologický templát je však náchylný k praskání během procesu vysokoteplotní karbonizace, což má významný vliv na mechanické vlastnosti porézní karbid křemíkové keramiky. Struktura pórů připravené porézní karbid křemíkové keramiky navíc závisí hlavně na mikrostruktuře samotného biologického templátu a jeho konstruovatelnost je špatná. Kromě toho má tato metoda i některé nevýhody, jako je relativně nízká účinnost konverze SiC, snadné odlupování reakční vrstvy SiC a dlouhý cyklus přípravy.
Čas zveřejnění: 22. července 2025