Ränikarbiidi (SiC) keraamikat on tänu oma kõrgele kõvadusele, suurele tugevusele, väikesele soojuspaisumistegurile, kõrgele soojusjuhtivusele, heale keemilisele stabiilsusele, suurepärasele termilisele löögikindlusele ja oksüdatsioonikindlusele pikka aega laialdaselt kasutatud erinevates täiustatud tootmisvaldkondades. Lisaks ränikarbiidi keraamika eespool nimetatud omadustele on poorsel ränikarbiidi keraamikal oma ainulaadse mikroskoopilise poorse struktuuriga laialdased rakendusvõimalused sellistes valdkondades nagu metallurgia, keemiatehnika, keskkonnakaitse ja energeetika, laiendades oluliselt ränikarbiidi keraamika rakendusala.
Erilised omadusedpoorne ränikarbiidi keraamikapeamiselt saavad kasu oma ainulaadsest poorsest struktuurist, mis hõlmab poorsust, pooride suurust ja jaotust ning pooride kuju jne. Seetõttu on soovitud poorse struktuuri saavutamiseks vaja valmistusmeetodi abil reguleerida selle poorsust, pooride suurust ja jaotust, samuti pooride kuju. Seetõttu on selle valmistusmeetod alati olnud inimeste uurimistöö keskmes. See artikkel annab peamiselt ülevaate poorse ränikarbiidkeraamika valmistusmeetodite uurimistöö edusammudest nii kodu- kui ka välismaal viimastel aastatel.
1. Füüsiline meetod
Füüsikaline meetod viitab asjaolule, et poorse ränikarbiidkeraamika tühimikud tekivad valmistusprotsessi käigus mitmete füüsikaliste nähtuste tagajärjel, ilma keemiliste reaktsioonide või uute ainete tekkimiseta. Peamine mehhanism on poorse struktuuri moodustamine tahkete ainete termilise kokkutõmbumise, vedela faasi aurustumise ja tahke faasi otsese sublimatsiooni tagajärjel tekkinud tühimike abil. Levinud meetodite hulka kuuluvad osakeste virnastamise meetod, külmkuivatamise meetod, sool-geelmeetod jne. Viimastel aastatel tekkinud 3D-printimistehnoloogiat saab kasutada ka poorsete struktuuride otseseks printimiseks ja valmistamiseks.
1.1 Osakeste virnastamise meetod
Osakeste pakkimise paagutamise meetod on poorse ränikarbiidkeraamika valmistamise lihtsaim viis. Selle meetodi põhimõte on kasutada keraamiliste osakeste endi paagutamisvõimet, et moodustada erinevate SiC-osakeste vahele paagutuskaelu, võimaldades seeläbi osakeste akumuleerumist poorse keraamika moodustamiseks. Paagutamistemperatuuri alandamiseks lisatakse tavaliselt teatud kogus madalama sulamistemperatuuriga sideainet, et moodustada ühendus erinevate SiC-osakeste vahel. Kuna kõik osakeste pakkimise paagutamise meetodi poorid transformeeritakse SiC-osakeste vahelistest pakkimispiludest, saab valmis poorse keraamika poorsust ja pooride suurust kontrollida pulbri suuruse, sideaine tüübi ja lisatava koguse ning paagutamisparameetrite muutmise abil.
Poorse ränikarbiidkeraamika valmistamine osakeste virnastamise meetodil ei vaja täiendavate pooride moodustavate ainete lisamist. Protsess on lihtne ja suhteliselt kergesti kontrollitav. Selle meetodi abil valmistatud poorse keraamika poorsus on aga üldiselt madal. Pooride kuju, pooride suurus ja poorsus sõltuvad peamiselt tooraine osakeste kujust, osakeste suurusest ja jaotusest, samuti paagutamise astmest.
1.2 Külmkuivatamise meetod
Külmkuivatamine on meetod, mis hõlmab keraamiliste agregaatide ühtlast segamist vee või orgaaniliste lahustitega sobiva koguse dispergeerivate või sideainete juuresolekul, et moodustada suspensioon. Seejärel valatakse hästi segatud suspensioon vormi ja külmutatakse kiiresti madalal temperatuuril, võimaldades vedelfaasi maatriksi kiiresti tahkestuda. Seejärel sublimeeritakse tahkestunud tahke faas ja eemaldatakse rõhu alandamise või vaakumkuivatamise teel. Meetod on rohelise keha saamine, mille suspensiooni sisse jäävad suunatud pooristruktuurid, ja lõpuks paagutamine, et saada poorne ränikarbiidkeraamika.
1.3 3D-printimise meetod
3D-printimise meetod poorse ränikarbiidist keraamika valmistamiseks on uut tüüpi valmistusprotsess, mis on viimastel aastatel välja töötatud. See protsess tugineb arvuti abil loodud kolmemõõtmelisele andmemudelile. Printimispea kaudu pihustatakse sideainet, et toormaterjali pulber kiht kihi haaval kolmemõõtmeliseks võrgustikstruktuuriks laotada. 3D-printimise ja reaktsioonpaagutamise protsesside kombinatsioon võimaldab saavutada vormivaba tootmise ja keeruka kujuga keraamika peaaegu netosuuruses vormimise.
Poorse ränikarbiidkeraamika valmistamise 3D-printimismeetodit iseloomustab lihtne vormimisprotsess, kõrge ettevalmistus- ja töötlemistõhusus ning vormide puudumine. Seda saab kasutada mitte ainult keeruka kuju, ühtlase mikrostruktuuri ja hea pooride ühenduvusega poorse ränikarbiidkeraamika valmistamiseks, vaid ka poorse keraamika poorsus ja pooride suurus on kontrollitavad ja reguleeritavad. See meetod on aga praegu veel uurimisjärgus ja protsessi parameetreid tuleb veel optimeerida. Lisaks on selle meetodi puhul keeruline ühes etapis valmistada ülitugevat poorset ränikarbiidkeraamikat. Soovitud toodete valmistamiseks on vaja teiste protsesside abi, mis toob kaasa suhteliselt kõrgeid kulusid.
1.4 Vahustamine
Vahtvormimise meetod hõlmab gaasi või ainete lisamist, mis võivad järgneva töötlemise käigus gaasi tekitada, keraamilisele rohelisele kehale või eelkäijale ja seejärel selle paagutamist, et saada poorne ränikarbiidkeraamika. Erinevalt teistest valmistusmeetoditest on vahustusmeetod tõhus protsess suletud pooridega keraamika valmistamiseks.
2. Keemiline meetod
Keemiline meetod viitab asjaolule, et poorse ränikarbiidkeraamika poorne struktuur moodustub anorgaaniliste soolade või lisatud orgaaniliste ainete lagunemise või reageerimise teel, jättes tühjad kohad algsetele kohtadele. Poorse ränikarbiidkeraamika valmistamise levinud keemiliste meetodite hulka kuuluvad pooride moodustava aine lisamise meetod, orgaanilise vahu immutamise meetod ja bioloogilise malli meetod jne.
2.1 Orgaanilise vahuga immutamine
Orgaanilise vahuga immutamise meetod hõlmab orgaanilise vahu kasutamist šabloonina, ettevalmistatud keraamilise suspensiooni ühtlast katmist šabloonile või šablooni kastmist suspensiooni õhu väljutamiseks, tagades suspensiooni ühtlase nakkumise orgaanilise vahu šablooniga. Seejärel eemaldatakse orgaaniline matriits kuivatamise ja kõrgel temperatuuril paagutamise teel, saades poorse keraamika.
Selle meetodi kõige olulisem puudus on see, et see ei võimalda toota väikesepoorilisi suletud poorsusega tooteid. Kuju on piiratud ja tooriku jõudlust mõjutavad oluliselt toorained. Valmistatud poorsete keraamiliste materjalide tihedust ja tugevust on samuti raske kontrollida.
2.2 Pooride moodustavate ainete lisamise meetod
Poorse ränikarbiidkeraamika valmistamine pooride moodustavate ainete lisamise teel hõlmab pooride moodustavate ainete lisamist ränikarbiidi pulbrile või lähteainetele ja seejärel pooride moodustavate ainete eemaldamist järgnevate protsesside abil. Selle tulemusel moodustavad pooride moodustavate ainete algselt hõivatud positsioonid poorid ning seejärel kuumutatakse ja paagutatakse poorne keraamika. Seega saab pooride moodustavate ainete tüübi ja annuse muutmisega mugavalt kontrollida valmis poorse keraamika poorsust, pooride morfoloogiat, pooride suurust ja jaotust. Pooride moodustavate ainete tüübid on väga laiad, sealhulgas looduslikud või sünteetilised orgaanilised polümeerid, vedelikud, soolad, keraamika või muud pulbrid jne. Erinevate pooride moodustavate ainete eemaldamisprotsessid on erinevad. Orgaaniliste polümeeride pooride moodustavad ained eemaldatakse tavaliselt kuumutamise ja lagundamise teel, vedelad pooride moodustavad ained saab eemaldada kristalliseerimise ja sublimatsiooni teel, soolad saab eemaldada veefiltreerimise teel ja keraamilised pulbrid saab eemaldada sobiva lahuse filtreerimise teel.
2.3 Bioloogilise malli meetod
Biomaterjalide mikroskoopiline pooride struktuur erineb oluliselt sünteetiliste materjalide omast. Tänu oma ainulaadsele struktuurile on laialdast tähelepanu pälvinud sarnaste struktuuridega poorsete keraamiliste materjalide valmistamine, kasutades organisme mallidena [10]. Bioloogilise matriitsi meetodil ja orgaanilise vahuga immutamise meetodil on sarnasusi. Orgaanilise vahuga immutamise meetodis kasutatakse matriitsina tehiskäsna, bioloogilise matriitsi meetodis aga looduslikke organisme.
Bioloogilise matriitsi meetodil poorse ränikarbiidkeraamika valmistamiseks on eelised lihtsus ja madal hind. See võimaldab toota keeruka kujuga keraamikat ja jäljendada looduslike bioloogiliste materjalide struktuuri maksimaalselt. Bioloogiline matriits on aga kõrgel temperatuuril karboniseerimisprotsessi ajal altid pragunemisele, millel on oluline mõju poorse ränikarbiidkeraamika mehaanilistele omadustele. Lisaks sõltub valmistatud poorse ränikarbiidkeraamika pooride struktuur peamiselt bioloogilise matriitsi enda mikrostruktuurist ja selle disainitavus on halb. Lisaks on sellel meetodil ka mõningaid puudusi, näiteks ränikarbiidi suhteliselt madal konversioonitõhusus, ränikarbiidi reaktsioonikihi lihtne eraldumine ja pikk ettevalmistustsükkel.
Postituse aeg: 22. juuli 2025