Siliciumcarbid (SiC) keramik har længe været meget anvendt inden for forskellige avancerede produktionsområder på grund af deres høje hårdhed, høje styrke, lille termiske udvidelseskoefficient, høje termiske ledningsevne, gode kemiske stabilitet, fremragende termisk chokmodstand og oxidationsmodstand. Ud over de ovennævnte egenskaber ved siliciumcarbidkeramik har porøs siliciumcarbidkeramik med deres unikke mikroskopiske porøse struktur brede anvendelsesmuligheder inden for områder som metallurgi, kemiteknik, miljøbeskyttelse og energi, hvilket i høj grad udvider anvendelsesområdet for siliciumcarbidkeramik.
De særlige egenskaber vedporøs siliciumcarbidkeramikdrager hovedsageligt fordel af deres unikke porøse struktur, som omfatter porøsitet, porestørrelse og -fordeling, poreform osv. Derfor er det nødvendigt at regulere deres porøsitet, porestørrelse og -fordeling samt porernes form gennem fremstillingsmetoden for at opnå den ønskede porøse struktur. Derfor har fremstillingsmetoden altid været fokus for folks forskning. Denne artikel gennemgår hovedsageligt forskningsfremskridtene inden for fremstillingsmetoder til porøs siliciumcarbidkeramik i ind- og udland i de senere år.
1. Fysisk metode
Den fysiske metode refererer til det faktum, at hulrummene i porøse siliciumcarbidkeramik er forårsaget af en række fysiske fænomener under fremstillingsprocessen, uden at der forekommer kemiske reaktioner eller dannelse af nye stoffer. Hovedmekanismen er at danne en porøs struktur ved at benytte de hulrum, der efterlades af termisk sammentrækning af faste stoffer, fordampning af væskefasen og direkte sublimering af den faste fase. Almindelige metoder omfatter partikelstablingsmetode, frysetørringsmetode, sol-gel-metode osv. Den 3D-printteknologi, der er opstået i de senere år, kan også bruges til direkte at printe og fremstille porøse strukturer.
1.1 Partikelstablingsmetode
Partikelpakningssintringsmetoden er den enkleste måde at fremstille porøse siliciumcarbidkeramikmaterialer på. Princippet bag denne metode er at udnytte de keramiske partiklers sintringsevne til at danne sintringshalse mellem forskellige SiC-partikler, hvorved partikelakkumulering muliggøres, så der dannes porøse keramikmaterialer. For at sænke sintringstemperaturen tilsættes normalt en vis mængde bindemiddel med et lavere smeltepunkt for at danne en forbindelse mellem forskellige SiC-partikler. Da alle porer i partikelpakningssintringsmetoden transformeres fra pakningsgabene mellem SiC-partiklerne, kan porøsiteten og porestørrelsen af den færdige porøse keramik styres ved at ændre pulverstørrelsen, typen og tilsætningsmængden af bindemidlet samt sintringsparametrene.
Fremstillingen af porøse siliciumcarbidkeramikmaterialer ved hjælp af partikelstablingsmetoden kræver ikke tilsætning af yderligere poredannende stoffer. Processen er enkel og relativt nem at kontrollere. Porøsiteten af porøse keramikmaterialer fremstillet ved denne metode er dog generelt lav. Formen, porestørrelsen og porøsiteten af porerne bestemmes hovedsageligt af formen, partikelstørrelsen og fordelingen af råmaterialepartiklerne samt sintringsgraden.
1.2 Frysetørringsmetode
Frysetørring er en metode, der involverer ensartet blanding af keramiske aggregater med vand eller organiske opløsningsmidler i nærvær af en passende mængde dispergeringsmidler eller bindemidler for at danne en opslæmning. Derefter hældes den velblandede opslæmning i en form og fryses hurtigt ved lave temperaturer, hvilket gør det muligt for den flydende fasematrix hurtigt at størkne til et fast stof. Derefter sublimeres den størknede faste fase og fjernes ved trykreduktion eller vakuumtørring. Metoden til at opnå et grønt legeme med retningsbestemte porestrukturer tilbage inde i opslæmningen og endelig sintre det for at producere porøs siliciumcarbidkeramik.
1.3 3D-printmetode
3D-printmetoden til fremstilling af porøs siliciumcarbidkeramik er en ny type fremstillingsproces, der er udviklet i de senere år. Denne proces er baseret på en tredimensionel datamodel designet ved hjælp af computerassistance. Gennem printhovedet sprøjtes bindemidlet for at stable råmaterialepulveret lag for lag i en tredimensionel netværksstruktur. Kombinationen af 3D-print og reaktionssintringsprocesser kan opnå støbefri fremstilling og formning af komplekse keramikformer i næsten nettostørrelse.
3D-printmetoden til fremstilling af porøs siliciumcarbidkeramik har en simpel formningsproces, høj forberedelses- og forarbejdningseffektivitet og intet behov for forme. Den kan ikke kun bruges til at fremstille porøs siliciumcarbidkeramik med komplekse former, ensartede mikrostrukturer og god poreforbindelse, men porøsiteten og porestørrelsen af den porøse keramik er også kontrollerbar og justerbar. Denne metode er dog stadig i den udforskende forskningsfase, og procesparametrene skal stadig optimeres yderligere. Derudover er denne metode vanskelig at fremstille porøs siliciumcarbidkeramik med høj styrke i ét trin. Det kræver hjælp fra andre processer for at producere de ønskede produkter, hvilket medfører relativt høje omkostninger.
1.4 Skumdannelse
Skumstøbemetoden involverer tilsætning af gas eller stoffer, der kan generere gas gennem efterfølgende bearbejdning, til det keramiske rålegeme eller forstadium, og derefter sintring af det for at opnå porøs siliciumcarbidkeramik. I modsætning til andre fremstillingsmetoder er skumningsmetoden en effektiv proces til fremstilling af lukkede celler i keramik.
2. Kemisk metode
Den kemiske metode refererer til det faktum, at den porøse struktur i porøs siliciumcarbidkeramik dannes ved nedbrydning eller reaktion af uorganiske salte eller tilsatte organiske stoffer, hvilket efterlader huller i deres oprindelige positioner. Almindelige kemiske metoder til fremstilling af porøs siliciumcarbidkeramik omfatter tilsætning af poredannende midler, imprægnering med organisk skum og den biologiske skabelonmetode osv.
2.1 Imprægnering med organisk skum
Imprægneringsmetoden med organisk skum involverer brug af organisk skum som skabelon, hvor den forberedte keramiske opslæmning påføres skabelonen jævnt eller skabelonen nedsænkes i opslæmningen for at uddrive luft, hvilket sikrer, at opslæmningen klæber jævnt til skabelonen af organisk skum. Derefter fjernes den organiske skabelon gennem tørring og sintring ved høj temperatur, hvorved der opnås porøs keramik.
Den væsentligste ulempe ved denne metode er, at den ikke er i stand til at producere produkter med små porer og lukket porøsitet. Formen er begrænset, og præformens ydeevne påvirkes i høj grad af råmaterialerne. Densiteten og styrken af de fremstillede porøse keramiske materialer er også vanskelige at kontrollere.
2.2 Metoden til tilsætning af poredannende stoffer
Fremstillingen af porøse siliciumcarbidkeramikmaterialer ved tilsætning af poredannende stoffer involverer tilsætning af poredannende stoffer til siliciumcarbidpulver eller -forløbere, og derefter fjernelse af de poredannende stoffer gennem efterfølgende processer. Som følge heraf danner de positioner, der oprindeligt blev optaget af de poredannende stoffer, porer, og derefter udføres opvarmning og sintring for at danne porøs keramik. Derfor kan ændring af typen og doseringen af poredannende stoffer bekvemt kontrollere porøsiteten, poremorfologien, porestørrelsen og fordelingen af den færdige porøse keramik. Typerne af poredannende stoffer er meget omfattende, herunder naturlige eller syntetiske organiske polymerer, væsker, salte, keramik eller andre pulvere osv. Fjernelsesprocesserne for forskellige poredannende stoffer varierer. Organiske polymerporedannende stoffer fjernes normalt ved opvarmning og nedbrydning, flydende poredannende stoffer kan fjernes gennem krystallisering og sublimering, salte kan fjernes ved vandfiltrering, og keramiske pulvere kan fjernes ved passende opløsningsfiltrering.
2.3 Biologisk skabelonmetode
Den mikroskopiske porestruktur i biomaterialer er væsentligt forskellig fra den i syntetiske materialer. På grund af sin unikke struktur har fremstillingen af porøse keramiske materialer med lignende strukturer ved hjælp af organismer som skabeloner fået udbredt opmærksomhed [10]. Den biologiske skabelonmetode og den organiske skumimprægneringsmetode deler ligheder. Den organiske skumimprægneringsmetode bruger kunstig svamp som skabelon, mens den biologiske skabelonmetode bruger naturlige organismer som skabelon.
Den biologiske skabelonmetode til fremstilling af porøs siliciumcarbidkeramik har fordelene ved en simpel proces og lave omkostninger. Den kan producere keramik med komplekse former og kan i videst muligt omfang replikere strukturen af naturlige biologiske materialer. Den biologiske skabelon er dog tilbøjelig til at revne under højtemperaturkarboniseringsprocessen, hvilket har en betydelig indvirkning på de mekaniske egenskaber af porøs siliciumcarbidkeramik. Desuden afhænger porestrukturen af den fremstillede porøse siliciumcarbidkeramik hovedsageligt af selve den biologiske skabelons mikrostruktur, og dens designbarhed er dårlig. Derudover har denne metode også nogle ulemper, såsom relativt lav konverteringseffektivitet af SiC, let afgivelse af SiC-reaktionslaget og en lang fremstillingscyklus.
Opslagstidspunkt: 22. juli 2025