Las cerámicas de carburo de silicio (SiC) se han utilizado ampliamente durante mucho tiempo en diversos campos de fabricación avanzada debido a su alta dureza, alta resistencia, bajo coeficiente de dilatación térmica, alta conductividad térmica, buena estabilidad química, excelente resistencia al choque térmico y resistencia a la oxidación. Además de las características mencionadas de las cerámicas de carburo de silicio, las cerámicas de carburo de silicio porosas, con su singular estructura porosa microscópica, tienen amplias perspectivas de aplicación en campos como la metalurgia, la ingeniería química, la protección del medio ambiente y la energía, ampliando considerablemente el ámbito de aplicación de las cerámicas de carburo de silicio.
Las propiedades especiales decerámica de carburo de silicio porosoSe benefician principalmente de su singular estructura porosa, que incluye porosidad, tamaño y distribución de poros, y forma de los mismos, entre otros factores. Por lo tanto, es necesario regular su porosidad, tamaño y distribución, así como la forma de los poros mediante el método de preparación para obtener la estructura porosa deseada. En consecuencia, su método de preparación siempre ha sido objeto de intensa investigación. Este artículo revisa principalmente los avances en la investigación sobre los métodos de preparación de cerámicas porosas de carburo de silicio, tanto a nivel nacional como internacional, en los últimos años.
1. Método físico
El método físico se refiere al hecho de que los huecos en las cerámicas porosas de carburo de silicio se originan por una serie de fenómenos físicos durante el proceso de preparación, sin que se produzcan reacciones químicas ni se generen nuevas sustancias. El mecanismo principal consiste en formar una estructura porosa aprovechando los huecos que quedan tras la contracción térmica de las sustancias sólidas, la evaporación de la fase líquida y la sublimación directa de la fase sólida. Entre los métodos comunes se incluyen el apilamiento de partículas, la liofilización y el método sol-gel. La tecnología de impresión 3D, surgida en los últimos años, también permite imprimir y preparar directamente estructuras porosas.
1.1 Método de apilamiento de partículas
El método de sinterización por empaquetamiento de partículas es la forma más sencilla de preparar cerámicas porosas de carburo de silicio. El principio de este método consiste en aprovechar el comportamiento de sinterización de las propias partículas cerámicas para formar cuellos de sinterización entre diferentes partículas de SiC, lo que permite la acumulación de partículas para formar cerámicas porosas. Para reducir la temperatura de sinterización, se suele añadir una cierta cantidad de aglutinante con un punto de fusión más bajo para crear conexiones entre las diferentes partículas de SiC. Dado que todos los poros en el método de sinterización por empaquetamiento de partículas se generan a partir de los espacios entre las partículas de SiC, la porosidad y el tamaño de poro de las cerámicas porosas finales se pueden controlar modificando el tamaño del polvo, el tipo y la cantidad de aglutinante, y los parámetros de sinterización.
La preparación de cerámicas porosas de carburo de silicio mediante el método de apilamiento de partículas no requiere la adición de agentes formadores de poros. El proceso es sencillo y relativamente fácil de controlar. Sin embargo, la porosidad de las cerámicas porosas preparadas con este método suele ser baja. La forma, el tamaño y la porosidad de los poros están determinados principalmente por la forma, el tamaño y la distribución de las partículas de la materia prima, así como por el grado de sinterización.
1.2 Método de liofilización
La liofilización es un método que consiste en mezclar uniformemente agregados cerámicos con agua o disolventes orgánicos en presencia de una cantidad adecuada de dispersantes o aglutinantes para formar una suspensión. A continuación, esta suspensión se vierte en un molde y se congela rápidamente a bajas temperaturas, lo que permite que la matriz líquida se solidifique rápidamente. Posteriormente, la fase sólida solidificada se sublima y se elimina mediante un tratamiento de secado por reducción de presión o al vacío. El método consiste en obtener un cuerpo verde con estructuras de poros dispuestas direccionalmente dentro de la suspensión y, finalmente, sinterizarlo para producir cerámicas porosas de carburo de silicio.
1.3 Método de impresión 3D
La impresión 3D para la fabricación de cerámicas porosas de carburo de silicio es un nuevo proceso desarrollado en los últimos años. Este proceso se basa en un modelo tridimensional diseñado con la ayuda de un ordenador. Mediante el cabezal de impresión, se pulveriza un aglutinante que deposita el polvo de materia prima capa a capa, formando una estructura tridimensional reticular. La combinación de la impresión 3D y los procesos de sinterización reactiva permite la fabricación sin moldes y la obtención de piezas cerámicas de formas complejas con dimensiones casi definitivas.
El método de impresión 3D para la preparación de cerámicas porosas de carburo de silicio se caracteriza por un proceso de conformado sencillo, alta eficiencia de preparación y procesamiento, y la ausencia de necesidad de moldes. Permite obtener cerámicas porosas de carburo de silicio con formas complejas, microestructuras uniformes y buena conectividad de poros, además de que la porosidad y el tamaño de los poros son controlables y ajustables. Sin embargo, este método se encuentra aún en fase de investigación exploratoria y requiere una mayor optimización de los parámetros del proceso. Asimismo, resulta difícil obtener cerámicas porosas de carburo de silicio de alta resistencia en un solo paso. Requiere la asistencia de otros procesos para producir los productos deseados, lo que conlleva costes relativamente elevados.
1.4 Espumado
El método de moldeo por espumación consiste en añadir gas o sustancias que lo generen mediante un procesamiento posterior al cuerpo cerámico verde o precursor, y luego sinterizarlo para obtener cerámica porosa de carburo de silicio. A diferencia de otros métodos de preparación, el método de espumación es un proceso eficaz para la obtención de cerámica de celda cerrada.
2. Método químico
El método químico se refiere al hecho de que la estructura porosa en la cerámica de carburo de silicio poroso se forma por la descomposición o reacción de sales inorgánicas o sustancias orgánicas añadidas, dejando vacantes en las posiciones originales. Los métodos químicos comunes para preparar cerámica de carburo de silicio poroso incluyen el método de adición de agente formador de poros, el método de impregnación con espuma orgánica y el método de plantilla biológica, entre otros.
2.1 Impregnación de espuma orgánica
El método de impregnación con espuma orgánica consiste en utilizar espuma orgánica como plantilla, recubriendo uniformemente la pasta cerámica preparada sobre la plantilla o sumergiéndola en la pasta para eliminar el aire, asegurando así una adhesión uniforme de la pasta a la plantilla de espuma orgánica. Posteriormente, mediante secado y sinterización a alta temperatura, se retira la plantilla orgánica, obteniendo así cerámica porosa.
La principal desventaja de este método es que no permite obtener productos con porosidad cerrada y poros pequeños. La forma es limitada y el rendimiento de la preforma se ve muy afectado por las materias primas. Además, la densidad y la resistencia de los materiales cerámicos porosos preparados son difíciles de controlar.
2.2 Método de adición de agentes formadores de poros
La preparación de cerámicas porosas de carburo de silicio mediante la adición de agentes formadores de poros implica agregar dichos agentes al polvo o precursores de carburo de silicio y, posteriormente, eliminarlos mediante procesos subsiguientes. Como resultado, las posiciones originalmente ocupadas por los agentes formadores de poros forman poros, que luego se someten a calentamiento y sinterización para formar la cerámica porosa. Por lo tanto, al modificar el tipo y la dosis de los agentes formadores de poros, se puede controlar fácilmente la porosidad, la morfología, el tamaño y la distribución de los poros en la cerámica porosa final. La variedad de agentes formadores de poros es muy amplia e incluye polímeros orgánicos naturales o sintéticos, líquidos, sales, cerámicas u otros polvos, entre otros. Los procesos de eliminación varían según el agente formador de poros. Los polímeros orgánicos se eliminan generalmente mediante calentamiento y descomposición, los líquidos mediante cristalización y sublimación, las sales mediante filtración con agua y los polvos cerámicos mediante filtración con una solución adecuada.
2.3 Método de plantilla biológica
La estructura microscópica de los poros en los biomateriales difiere significativamente de la de los materiales sintéticos. Debido a su estructura única, la preparación de materiales cerámicos porosos con estructuras similares mediante el uso de organismos como plantillas ha recibido gran atención [10]. El método de plantilla biológica y el método de impregnación con espuma orgánica comparten similitudes. El método de impregnación con espuma orgánica utiliza una esponja artificial como plantilla, mientras que el método de plantilla biológica utiliza organismos naturales.
El método de plantilla biológica para la preparación de cerámicas porosas de carburo de silicio presenta las ventajas de un proceso sencillo y un bajo coste. Permite obtener cerámicas con formas complejas y replicar al máximo la estructura de los materiales biológicos naturales. Sin embargo, la plantilla biológica es propensa a agrietarse durante el proceso de carbonización a alta temperatura, lo que repercute significativamente en las propiedades mecánicas de las cerámicas porosas de carburo de silicio. Además, la estructura porosa de las cerámicas preparadas depende principalmente de la microestructura de la propia plantilla biológica, y su capacidad de diseño es limitada. Este método también presenta algunas desventajas, como una eficiencia de conversión de SiC relativamente baja, el fácil desprendimiento de la capa de reacción de SiC y un ciclo de preparación prolongado.
Fecha de publicación: 22 de julio de 2025