Τα κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) χρησιμοποιούνται ευρέως από καιρό σε διάφορους προηγμένους τομείς της μεταποίησης λόγω της υψηλής σκληρότητας, της υψηλής αντοχής, του μικρού συντελεστή θερμικής διαστολής, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της καλής χημικής σταθερότητας, της εξαιρετικής αντοχής σε θερμικά σοκ και της αντοχής στην οξείδωση. Εκτός από τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά των κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου, τα πορώδη κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου, με τη μοναδική μικροσκοπική πορώδη δομή τους, έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε τομείς όπως η μεταλλουργία, η χημική μηχανική, η προστασία του περιβάλλοντος και η ενέργεια, διευρύνοντας σημαντικά το πεδίο εφαρμογής των κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου.
Οι ιδιαίτερες ιδιότητες τουπορώδες κεραμικό καρβιδίου του πυριτίουεπωφελούνται κυρίως από τη μοναδική πορώδη δομή τους, η οποία περιλαμβάνει το πορώδες, το μέγεθος και την κατανομή των πόρων, το σχήμα των πόρων κ.λπ. Επομένως, είναι απαραίτητο να ρυθμίζεται το πορώδες, το μέγεθος και την κατανομή των πόρων, καθώς και το σχήμα των πόρων μέσω της μεθόδου παρασκευής για να επιτευχθεί η επιθυμητή πορώδης δομή. Επομένως, η μέθοδος παρασκευής της ήταν πάντα το επίκεντρο της έρευνας των ανθρώπων. Αυτό το άρθρο εξετάζει κυρίως την πρόοδο της έρευνας στις μεθόδους παρασκευής πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου στο εσωτερικό και στο εξωτερικό τα τελευταία χρόνια.
1. Φυσική Μέθοδος
Η φυσική μέθοδος αναφέρεται στο γεγονός ότι τα κενά σε πορώδη κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου προκαλούνται από μια σειρά φυσικών φαινομένων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής, χωρίς την εμφάνιση χημικών αντιδράσεων ή την παραγωγή νέων ουσιών. Ο κύριος μηχανισμός είναι ο σχηματισμός μιας πορώδους δομής βασιζόμενος στα κενά που αφήνονται πίσω από τη θερμική συστολή των στερεών ουσιών, την εξάτμιση της υγρής φάσης και την άμεση εξάχνωση της στερεάς φάσης. Οι συνήθεις μέθοδοι περιλαμβάνουν τη μέθοδο στοίβαξης σωματιδίων, τη μέθοδο λυοφιλίωσης, τη μέθοδο sol-gel κ.λπ. Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης που έχει αναδυθεί τα τελευταία χρόνια μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την άμεση εκτύπωση και προετοιμασία πορωδών δομών.
1.1 Μέθοδος στοίβαξης σωματιδίων
Η μέθοδος συσσωμάτωσης με πακετάρισμα σωματιδίων είναι ο απλούστερος τρόπος για την παρασκευή πορωδών κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου. Η αρχή αυτής της μεθόδου είναι η αξιοποίηση της απόδοσης συσσωμάτωσης των ίδιων των κεραμικών σωματιδίων για τον σχηματισμό λαιμών συσσωμάτωσης μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων SiC, επιτρέποντας έτσι τη συσσώρευση σωματιδίων για τον σχηματισμό πορωδών κεραμικών. Για τη μείωση της θερμοκρασίας συσσωμάτωσης, συνήθως προστίθεται μια ορισμένη ποσότητα συνδετικού υλικού με χαμηλότερο σημείο τήξης για να σχηματιστεί μια σύνδεση μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων SiC. Δεδομένου ότι όλοι οι πόροι στη μέθοδο συσσωμάτωσης με πακετάρισμα σωματιδίων μετασχηματίζονται από τα κενά συσσώρευσης μεταξύ των σωματιδίων SiC, το πορώδες και το μέγεθος των πόρων των τελικών πορωδών κεραμικών μπορούν να ελεγχθούν αλλάζοντας το μέγεθος της σκόνης, τον τύπο και την ποσότητα προσθήκης του συνδετικού υλικού και τις παραμέτρους συσσωμάτωσης.
Η παρασκευή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου με τη μέθοδο στοίβαξης σωματιδίων δεν απαιτεί την προσθήκη πρόσθετων παραγόντων σχηματισμού πόρων. Η διαδικασία είναι απλή και σχετικά εύκολη στον έλεγχο. Ωστόσο, το πορώδες των πορωδών κεραμικών που παρασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο είναι γενικά χαμηλό. Το σχήμα, το μέγεθος των πόρων και το πορώδες των πόρων καθορίζονται κυρίως από το σχήμα, το μέγεθος των σωματιδίων και την κατανομή των σωματιδίων της πρώτης ύλης, καθώς και από τον βαθμό σύντηξης.
1.2 Μέθοδος λυοφιλίωσης
Η λυοφιλίωση είναι μια μέθοδος που περιλαμβάνει την ομοιόμορφη ανάμειξη κεραμικών αδρανών με νερό ή οργανικούς διαλύτες παρουσία κατάλληλης ποσότητας διασπορέων ή συνδετικών για να σχηματιστεί ένας πολτός. Στη συνέχεια, ο καλά αναμεμειγμένος πολτός χύνεται σε ένα καλούπι και καταψύχεται γρήγορα σε χαμηλές θερμοκρασίες, επιτρέποντας στην υγρή φάση να στερεοποιηθεί γρήγορα σε ένα στερεό. Στη συνέχεια, η στερεοποιημένη στερεά φάση εξαχνώνεται και απομακρύνεται μέσω μείωσης πίεσης ή επεξεργασίας ξήρανσης υπό κενό. Η μέθοδος λήψης ενός πράσινου σώματος με κατευθυντικά διατεταγμένες δομές πόρων που παραμένουν μέσα στον πολτό και τέλος η σύντηξή του για την παραγωγή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου.
1.3 Μέθοδος τρισδιάστατης εκτύπωσης
Η μέθοδος τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παρασκευή πορωδών κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου είναι ένας νέος τύπος διαδικασίας παρασκευής που έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια. Αυτή η διαδικασία βασίζεται σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο δεδομένων που έχει σχεδιαστεί με τη βοήθεια υπολογιστή. Μέσω της κεφαλής εκτύπωσης, το συνδετικό υλικό ψεκάζεται για να στοιβάξει την πρώτη ύλη σε σκόνη στρώση προς στρώση σε μια τρισδιάστατη δομή δικτύου. Ο συνδυασμός τρισδιάστατης εκτύπωσης και διαδικασιών πυροσυσσωμάτωσης με αντίδραση μπορεί να επιτύχει κατασκευή χωρίς μούχλα και σχηματισμό κεραμικών πολύπλοκου σχήματος σχεδόν σε καθαρό μέγεθος.
Η μέθοδος τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παρασκευή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου διαθέτει μια απλή διαδικασία διαμόρφωσης, υψηλή απόδοση προετοιμασίας και επεξεργασίας και δεν απαιτεί καλούπια. Δεν μπορεί μόνο να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου με σύνθετα σχήματα, ομοιόμορφες μικροδομές και καλή συνδεσιμότητα πόρων, αλλά και το πορώδες και το μέγεθος πόρων των πορωδών κεραμικών είναι ελεγχόμενα και ρυθμιζόμενα. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της διερευνητικής έρευνας προς το παρόν και οι παράμετροι της διαδικασίας χρειάζονται περαιτέρω βελτιστοποίηση. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος είναι δύσκολη για την παρασκευή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου υψηλής αντοχής σε ένα βήμα. Απαιτεί τη βοήθεια άλλων διαδικασιών για την παραγωγή των επιθυμητών προϊόντων, κάτι που συνεπάγεται σχετικά υψηλό κόστος.
1.4 Αφρισμός
Η μέθοδος χύτευσης με αφρό περιλαμβάνει την προσθήκη αερίου ή ουσιών που μπορούν να παράγουν αέριο μέσω επακόλουθης επεξεργασίας στο κεραμικό πράσινο σώμα ή πρόδρομο και στη συνέχεια την πυροσυσσωμάτωση του για την απόκτηση πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου. Σε αντίθεση με άλλες μεθόδους παρασκευής, η μέθοδος αφρισμού είναι μια αποτελεσματική διαδικασία για την παρασκευή κεραμικών κλειστών κυψελών.
2. Χημική μέθοδος
Η χημική μέθοδος αναφέρεται στο γεγονός ότι η πορώδης δομή στα πορώδη κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου σχηματίζεται από την αποσύνθεση ή την αντίδραση ανόργανων αλάτων ή προστιθέμενων οργανικών ουσιών, αφήνοντας κενά στις αρχικές θέσεις. Οι συνήθεις χημικές μέθοδοι για την παρασκευή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου περιλαμβάνουν τη μέθοδο προσθήκης παράγοντα σχηματισμού πόρων, τη μέθοδο εμποτισμού οργανικού αφρού και τη μέθοδο βιολογικού προτύπου κ.λπ.
2.1 Εμποτισμός με οργανικό αφρό
Η μέθοδος εμποτισμού με οργανικό αφρό περιλαμβάνει τη χρήση οργανικού αφρού ως πρότυπο, την ομοιόμορφη επικάλυψη του παρασκευασμένου κεραμικού πολτού στο πρότυπο ή την εμβάπτιση του προτύπου στο πολτό για την αποβολή του αέρα, διασφαλίζοντας ότι το πολτό προσκολλάται ομοιόμορφα στο πρότυπο οργανικού αφρού. Στη συνέχεια, μέσω ξήρανσης και πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλή θερμοκρασία, το οργανικό πρότυπο αφαιρείται, λαμβάνοντας έτσι πορώδη κεραμικά.
Το σημαντικότερο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν είναι σε θέση να παράγει προϊόντα με κλειστό πορώδες και μικρούς πόρους. Το σχήμα περιορίζεται και η απόδοση του προπλάσματος επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις πρώτες ύλες. Η πυκνότητα και η αντοχή των παρασκευασμένων πορωδών κεραμικών υλικών είναι επίσης δύσκολο να ελεγχθούν.
2.2 Η μέθοδος προσθήκης παραγόντων σχηματισμού πόρων
Η παρασκευή πορωδών κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου με την προσθήκη παραγόντων σχηματισμού πόρων περιλαμβάνει την προσθήκη παραγόντων σχηματισμού πόρων σε σκόνη ή προδρόμους καρβιδίου του πυριτίου και στη συνέχεια την αφαίρεση των παραγόντων σχηματισμού πόρων μέσω επακόλουθων διεργασιών. Ως αποτέλεσμα, οι θέσεις που αρχικά καταλάμβαναν οι παράγοντες σχηματισμού πόρων σχηματίζουν πόρους και στη συνέχεια πραγματοποιούνται θέρμανση και πυροσυσσωμάτωση για τον σχηματισμό πορωδών κεραμικών. Επομένως, η αλλαγή του τύπου και της δοσολογίας των παραγόντων σχηματισμού πόρων μπορεί εύκολα να ελέγξει το πορώδες, τη μορφολογία των πόρων, το μέγεθος των πόρων και την κατανομή των τελικών πορωδών κεραμικών. Οι τύποι παραγόντων σχηματισμού πόρων είναι πολύ εκτεταμένοι, συμπεριλαμβανομένων φυσικών ή συνθετικών οργανικών πολυμερών, υγρών, αλάτων, κεραμικών ή άλλων σκονών κ.λπ. Οι διεργασίες απομάκρυνσης διαφορετικών παραγόντων σχηματισμού πόρων ποικίλλουν. Οι οργανικοί πολυμερείς παράγοντες σχηματισμού πόρων συνήθως απομακρύνονται με θέρμανση και αποσύνθεση, οι υγροί παράγοντες σχηματισμού πόρων μπορούν να απομακρυνθούν μέσω κρυστάλλωσης και εξάχνωσης, τα άλατα μπορούν να απομακρυνθούν με διήθηση νερού και οι κεραμικές σκόνες μπορούν να απομακρυνθούν με κατάλληλη διήθηση διαλύματος.
2.3 Μέθοδος Βιολογικού Προτύπου
Η μικροσκοπική δομή πόρων στα βιοϋλικά διαφέρει σημαντικά από αυτή των συνθετικών υλικών. Λόγω της μοναδικής δομής της, η παρασκευή πορωδών κεραμικών υλικών με παρόμοιες δομές χρησιμοποιώντας οργανισμούς ως πρότυπα έχει λάβει ευρεία προσοχή [10]. Η μέθοδος βιολογικού προτύπου και η μέθοδος εμποτισμού με οργανικό αφρό παρουσιάζουν ομοιότητες. Η μέθοδος εμποτισμού με οργανικό αφρό χρησιμοποιεί τεχνητό σφουγγάρι ως πρότυπο, ενώ η μέθοδος βιολογικού προτύπου χρησιμοποιεί φυσικούς οργανισμούς ως πρότυπο.
Η μέθοδος βιολογικού προτύπου για την παρασκευή πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου έχει τα πλεονεκτήματα της απλής διαδικασίας και του χαμηλού κόστους. Μπορεί να παράγει κεραμικά με σύνθετα σχήματα και να αναπαράγει τη δομή φυσικών βιολογικών υλικών στο μέγιστο βαθμό. Ωστόσο, το βιολογικό πρότυπο είναι επιρρεπές σε ρωγμές κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ενανθράκωσης σε υψηλή θερμοκρασία, η οποία έχει σημαντικό αντίκτυπο στις μηχανικές ιδιότητες των πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου. Επιπλέον, η δομή των πόρων των παρασκευασμένων πορωδών κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου εξαρτάται κυρίως από τη μικροδομή του ίδιου του βιολογικού προτύπου και η δυνατότητα σχεδιασμού του είναι κακή. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος έχει επίσης ορισμένα μειονεκτήματα, όπως η σχετικά χαμηλή απόδοση μετατροπής του SiC, η εύκολη αποβολή του στρώματος αντίδρασης SiC και ο μακρύς κύκλος παρασκευής.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Ιουλίου 2025