سرامیکهای سیلیکون کاربید (SiC) به دلیل سختی بالا، استحکام بالا، ضریب انبساط حرارتی کم، رسانایی حرارتی بالا، پایداری شیمیایی خوب، مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر اکسیداسیون، مدتهاست که به طور گسترده در زمینههای مختلف تولیدی پیشرفته مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر ویژگیهای ذکر شده در مورد سرامیکهای سیلیکون کاربید، سرامیکهای سیلیکون کاربید متخلخل، با ساختار میکروسکوپی متخلخل منحصر به فرد خود، چشمانداز کاربرد گستردهای در زمینههایی مانند متالورژی، مهندسی شیمی، حفاظت از محیط زیست و انرژی دارند و دامنه کاربرد سرامیکهای سیلیکون کاربید را تا حد زیادی گسترش میدهند.
خواص ویژه یسرامیک متخلخل کاربید سیلیکونعمدتاً از ساختار متخلخل منحصر به فرد خود، که شامل تخلخل، اندازه و توزیع منافذ، شکل منافذ و غیره است، بهره میبرند. بنابراین، برای دستیابی به ساختار متخلخل مورد نظر، لازم است تخلخل، اندازه و توزیع منافذ و همچنین شکل منافذ از طریق روش آمادهسازی تنظیم شود. بنابراین، روش آمادهسازی آن همیشه مورد توجه تحقیقات بوده است. این مقاله عمدتاً پیشرفت تحقیقات در روشهای آمادهسازی سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل در داخل و خارج از کشور در سالهای اخیر را بررسی میکند.
۱. روش فیزیکی
روش فیزیکی به این واقعیت اشاره دارد که حفرههای موجود در سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل، بدون وقوع واکنشهای شیمیایی یا تولید مواد جدید، توسط مجموعهای از پدیدههای فیزیکی در طول فرآیند آمادهسازی ایجاد میشوند. مکانیسم اصلی، تشکیل یک ساختار متخلخل با تکیه بر حفرههای به جا مانده از انقباض حرارتی مواد جامد، تبخیر فاز مایع و تصعید مستقیم فاز جامد است. روشهای رایج شامل روش انباشت ذرات، روش خشک کردن انجمادی، روش سل-ژل و غیره است. فناوری چاپ سهبعدی که در سالهای اخیر ظهور کرده است، میتواند برای چاپ مستقیم و آمادهسازی ساختارهای متخلخل نیز مورد استفاده قرار گیرد.
۱.۱ روش انباشت ذرات
روش تفجوشی ذرات، سادهترین روش برای تهیه سرامیکهای متخلخل کاربید سیلیکون است. اصل این روش، استفاده از عملکرد تفجوشی خود ذرات سرامیکی برای تشکیل گلوگاههای تفجوشی بین ذرات مختلف SiC است که در نتیجه تجمع ذرات، سرامیکهای متخلخل را تشکیل میدهد. برای کاهش دمای تفجوشی، معمولاً مقدار مشخصی از چسب با نقطه ذوب پایینتر اضافه میشود تا اتصال بین ذرات مختلف SiC ایجاد شود. از آنجایی که تمام منافذ در روش تفجوشی ذرات از شکافهای بین ذرات SiC ایجاد میشوند، تخلخل و اندازه منافذ سرامیکهای متخلخل نهایی را میتوان با تغییر اندازه پودر، نوع و مقدار چسب و پارامترهای تفجوشی کنترل کرد.
تهیه سرامیکهای متخلخل کاربید سیلیکون با روش انباشت ذرات نیازی به افزودن عوامل تشکیلدهنده منافذ اضافی ندارد. این فرآیند ساده و کنترل آن نسبتاً آسان است. با این حال، تخلخل سرامیکهای متخلخل تهیه شده با این روش عموماً کم است. شکل، اندازه منافذ و تخلخل منافذ عمدتاً توسط شکل، اندازه ذرات و توزیع ذرات ماده اولیه و همچنین درجه پخت تعیین میشود.
۱.۲ روش خشک کردن انجمادی
خشک کردن انجمادی روشی است که شامل مخلوط کردن یکنواخت سنگدانههای سرامیکی با آب یا حلالهای آلی در حضور مقدار مناسبی از پراکندهکنندهها یا چسبها برای تشکیل دوغاب است. سپس، دوغاب کاملاً مخلوط شده در قالب ریخته شده و به سرعت در دماهای پایین منجمد میشود و به ماتریس فاز مایع اجازه میدهد تا به سرعت به جامد تبدیل شود. متعاقباً، فاز جامد جامد شده تصعید شده و از طریق کاهش فشار یا عملیات خشک کردن در خلاء حذف میشود. روشی برای بدست آوردن یک جسم خام با ساختارهای متخلخل جهتدار که در داخل دوغاب باقی مانده و در نهایت تفجوشی آن برای تولید سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل.
۱.۳ روش چاپ سه بعدی
روش چاپ سهبعدی برای تهیه سرامیکهای متخلخل کاربید سیلیکون، نوع جدیدی از فرآیند آمادهسازی است که در سالهای اخیر توسعه یافته است. این فرآیند به یک مدل داده سهبعدی که با کمک کامپیوتر طراحی شده است، متکی است. از طریق هد چاپ، چسب اسپری میشود تا پودر مواد اولیه لایه به لایه در یک ساختار شبکه سهبعدی انباشته شود. ترکیب چاپ سهبعدی و فرآیندهای پخت واکنشی میتواند به تولید بدون قالب و شکلدهی تقریباً به اندازه خالص سرامیکهای پیچیده منجر شود.
روش چاپ سهبعدی برای تهیه سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل دارای یک فرآیند شکلدهی ساده، راندمان بالای آمادهسازی و پردازش و عدم نیاز به قالب است. این روش نه تنها میتواند برای تهیه سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل با اشکال پیچیده، ریزساختارهای یکنواخت و اتصال خوب منافذ استفاده شود، بلکه تخلخل و اندازه منافذ سرامیکهای متخلخل نیز قابل کنترل و تنظیم است. با این حال، این روش در حال حاضر هنوز در مرحله تحقیقات اکتشافی است و پارامترهای فرآیند هنوز نیاز به بهینهسازی بیشتر دارند. علاوه بر این، تهیه سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل با استحکام بالا در یک مرحله با این روش دشوار است. برای تولید محصولات مورد نظر به کمک فرآیندهای دیگر نیاز است که هزینههای نسبتاً بالایی را به همراه دارد.
۱.۴ کف کردن
روش قالبگیری فومی شامل افزودن گاز یا موادی است که میتوانند از طریق پردازش بعدی به بدنه خام سرامیکی یا پیشساز، گاز تولید کنند و سپس آن را زینتر میکنند تا سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل به دست آیند. برخلاف سایر روشهای آمادهسازی، روش فومی یک فرآیند مؤثر برای تهیه سرامیکهای سلول بسته است.
۲. روش شیمیایی
روش شیمیایی به این واقعیت اشاره دارد که ساختار متخلخل در سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل با تجزیه یا واکنش نمکهای معدنی یا مواد آلی اضافه شده تشکیل میشود و در موقعیتهای اصلی جای خالی باقی میگذارد. روشهای شیمیایی رایج برای تهیه سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل شامل روش افزودن عامل تشکیلدهنده منافذ، روش اشباع فوم آلی و روش الگوی بیولوژیکی و غیره است.
۲.۱ اشباع فوم آلی
روش آغشتهسازی با فوم آلی شامل استفاده از فوم آلی به عنوان الگو، پوشش یکنواخت دوغاب سرامیکی آماده شده روی الگو یا غوطهور کردن الگو در دوغاب برای خروج هوا و اطمینان از چسبندگی یکنواخت دوغاب به الگوی فوم آلی است. سپس، از طریق خشک کردن و پخت در دمای بالا، الگوی آلی برداشته میشود و در نتیجه سرامیکهای متخلخل به دست میآید.
مهمترین عیب این روش این است که قادر به تولید محصولات متخلخل بسته با منافذ کوچک نیست. شکل محدود است و عملکرد پیش فرم به شدت تحت تأثیر مواد اولیه قرار میگیرد. کنترل چگالی و استحکام مواد سرامیکی متخلخل تهیه شده نیز دشوار است.
۲.۲ روش افزودن عوامل تشکیلدهنده منافذ
تهیه سرامیکهای متخلخل کاربید سیلیکون با افزودن عوامل تشکیلدهنده منافذ شامل افزودن عوامل تشکیلدهنده منافذ به پودر کاربید سیلیکون یا پیشسازها و سپس حذف عوامل تشکیلدهنده منافذ از طریق فرآیندهای بعدی است. در نتیجه، موقعیتهایی که در ابتدا توسط عوامل تشکیلدهنده منافذ اشغال شدهاند، منافذ را تشکیل میدهند و سپس حرارت دادن و پختن برای تشکیل سرامیکهای متخلخل انجام میشود. بنابراین، تغییر نوع و دوز عوامل تشکیلدهنده منافذ میتواند به راحتی تخلخل، مورفولوژی منافذ، اندازه منافذ و توزیع سرامیکهای متخلخل نهایی را کنترل کند. انواع عوامل تشکیلدهنده منافذ بسیار گسترده هستند، از جمله پلیمرهای آلی طبیعی یا مصنوعی، مایعات، نمکها، سرامیکها یا پودرهای دیگر و غیره. فرآیندهای حذف عوامل مختلف تشکیلدهنده منافذ متفاوت است. عوامل تشکیلدهنده منافذ پلیمری آلی معمولاً با حرارت دادن و تجزیه حذف میشوند، عوامل تشکیلدهنده منافذ مایع را میتوان از طریق تبلور و تصعید حذف کرد، نمکها را میتوان با فیلتراسیون آب حذف کرد و پودرهای سرامیکی را میتوان با فیلتراسیون محلول مناسب حذف کرد.
۲.۳ روش الگوی بیولوژیکی
ساختار منافذ میکروسکوپی در مواد زیستی به طور قابل توجهی با مواد مصنوعی متفاوت است. به دلیل ساختار منحصر به فرد آن، تهیه مواد سرامیکی متخلخل با ساختارهای مشابه با استفاده از موجودات زنده به عنوان الگو، توجه گستردهای را به خود جلب کرده است [10]. روش الگوی بیولوژیکی و روش اشباع فوم آلی شباهتهایی دارند. روش اشباع فوم آلی از اسفنج مصنوعی به عنوان الگو استفاده میکند، در حالی که روش الگوی بیولوژیکی از موجودات طبیعی به عنوان الگو استفاده میکند.
روش قالب بیولوژیکی برای تهیه سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل، مزایای فرآیند ساده و هزینه کم را دارد. این روش میتواند سرامیکهایی با اشکال پیچیده تولید کند و ساختار مواد بیولوژیکی طبیعی را تا حد زیادی تکرار کند. با این حال، قالب بیولوژیکی در طول فرآیند کربنیزاسیون در دمای بالا مستعد ترک خوردن است که تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل دارد. علاوه بر این، ساختار منافذ سرامیکهای کاربید سیلیکون متخلخل تهیه شده عمدتاً به ریزساختار خود قالب بیولوژیکی بستگی دارد و قابلیت طراحی آن ضعیف است. علاوه بر این، این روش دارای معایبی نیز هست، مانند راندمان تبدیل نسبتاً پایین SiC، ریزش آسان لایه واکنش SiC و چرخه آمادهسازی طولانی.
زمان ارسال: ۲۲ ژوئیه ۲۰۲۵