Piikarbidikeraamia (SiC) on pitkään käytetty laajalti erilaisilla edistyneillä valmistusaloilla niiden korkean kovuuden, suuren lujuuden, pienen lämpölaajenemiskertoimen, korkean lämmönjohtavuuden, hyvän kemiallisen stabiilisuuden, erinomaisen lämpöshokkien kestävyyden ja hapettumisenkestävyyden ansiosta. Edellä mainittujen piikarbidikeraamien ominaisuuksien lisäksi huokoisilla piikarbidikeraamilla on ainutlaatuisen mikroskooppisen huokoisen rakenteensa ansiosta laajat sovellusmahdollisuudet esimerkiksi metallurgian, kemiantekniikan, ympäristönsuojelun ja energian aloilla, mikä laajentaa huomattavasti piikarbidikeraamien käyttöaluetta.
Erityisominaisuudethuokoinen piikarbidikeramiikkahyötyvät pääasiassa ainutlaatuisesta huokoisesta rakenteestaan, johon kuuluvat huokoisuus, huokoskoko ja -jakauma sekä huokosmuoto jne. Siksi on tarpeen säädellä sen huokoisuutta, huokoskokoa ja -jakaumaa sekä huokosten muotoa valmistusmenetelmällä halutun huokoisen rakenteen saavuttamiseksi. Siksi sen valmistusmenetelmä on aina ollut ihmisten tutkimuksen keskipisteessä. Tässä artikkelissa tarkastellaan pääasiassa huokoisen piikarbidikeraamin valmistusmenetelmien tutkimuksen edistymistä kotimaassa ja ulkomailla viime vuosina.
1. Fyysinen menetelmä
Fysikaalinen menetelmä viittaa siihen, että huokoisten piikarbidikeraamien tyhjät tilat syntyvät valmistusprosessin aikana useiden fysikaalisten ilmiöiden seurauksena ilman kemiallisia reaktioita tai uusien aineiden muodostumista. Päämekanismi on huokoisen rakenteen muodostaminen kiinteiden aineiden lämpösupistumisen, nestefaasin haihtumisen ja kiinteän faasin suoran sublimaation jättämien tyhjätilojen avulla. Yleisiä menetelmiä ovat hiukkaspinoamismenetelmä, pakkaskuivausmenetelmä ja sol-geelimenetelmä. Viime vuosina kehittynyttä 3D-tulostustekniikkaa voidaan käyttää myös huokoisten rakenteiden suoraan tulostamiseen ja valmistukseen.
1.1 Hiukkasten pinoamismenetelmä
Hiukkasten pakkaussintrausmenetelmä on yksinkertaisin tapa valmistaa huokoisia piikarbidikeraameja. Menetelmän periaatteena on hyödyntää keraamisten hiukkasten sintrauskykyä sintrauskaulojen muodostamiseksi eri piikarbidihiukkasten väliin, mikä mahdollistaa hiukkasten kertymisen huokoisten keraamien muodostamiseksi. Sintrauslämpötilan alentamiseksi lisätään yleensä tietty määrä alhaisemman sulamispisteen omaavaa sideainetta, jotta eri piikarbidihiukkasten välille muodostuu yhteys. Koska kaikki hiukkasten pakkaussintrausmenetelmän huokoset muuttuvat piikarbidihiukkasten välisistä pakkausraoista, valmiiden huokoisten keraamien huokoisuutta ja huokoskokoa voidaan säätää muuttamalla jauheen kokoa, sideaineen tyyppiä ja lisäysmäärää sekä sintrausparametreja.
Huokoisten piikarbidikeraamien valmistus hiukkaspinoamismenetelmällä ei vaadi lisähuokosia muodostavien aineiden lisäämistä. Prosessi on yksinkertainen ja suhteellisen helppo hallita. Tällä menetelmällä valmistettujen huokoisten keraamien huokoisuus on kuitenkin yleensä alhainen. Huokosten muoto, huokoskoko ja huokoisuus määräytyvät pääasiassa raaka-ainehiukkasten muodon, hiukkaskoon ja jakautuman sekä sintrausasteen perusteella.
1.2 Pakastekuivausmenetelmä
Pakastekuivaus on menetelmä, jossa keraamiset kiviainekset sekoitetaan tasaisesti veden tai orgaanisten liuottimien kanssa sopivan määrän dispergointi- tai sideaineiden läsnä ollessa lietteen muodostamiseksi. Sitten hyvin sekoitettu liete kaadetaan muottiin ja jäädytetään nopeasti matalissa lämpötiloissa, jolloin nestemäinen matriisi jähmettyy nopeasti kiinteäksi aineeksi. Tämän jälkeen jähmettynyt kiinteä faasi sublimoidaan ja poistetaan paineenalennus- tai tyhjiökuivauskäsittelyllä. Menetelmä, jossa saadaan aikaan vihreä kappale, jonka lietteen sisään jäävät suunnatut huokosrakenteet, ja lopuksi sintrataan se huokoisten piikarbidikeraamien tuottamiseksi.
1.3 3D-tulostusmenetelmä
Huokoisen piikarbidikeraamin 3D-tulostusmenetelmä on viime vuosina kehittynyt uudentyyppinen valmistusprosessi. Tämä prosessi perustuu tietokoneella suunniteltuun kolmiulotteiseen datamalliin. Tulostuspään kautta sideaine ruiskutetaan, jolloin raaka-ainejauhe pinotaan kerros kerrokselta kolmiulotteiseksi verkkorakenteeksi. 3D-tulostuksen ja reaktiosintrausprosessien yhdistelmällä voidaan saavuttaa muotiton valmistus ja monimutkaisten muotoisten keraamien lähes nettokokoinen muovaus.
Huokoisen piikarbidikeraamin valmistukseen tarkoitettu 3D-tulostusmenetelmä on yksinkertainen muovausprosessi, korkea valmistus- ja prosessointitehokkuus, eikä se vaadi muotteja. Sitä voidaan käyttää paitsi monimutkaisten muotojen, yhtenäisten mikrorakenteiden ja hyvän huokosyhteyden omaavien huokoisten piikarbidikeraamin valmistukseen, myös huokoisen keraamin huokoisuutta ja huokoskokoa voidaan hallita ja säätää. Tämä menetelmä on kuitenkin vielä tutkimusvaiheessa, ja prosessiparametreja on vielä optimoitava. Lisäksi tällä menetelmällä on vaikea valmistaa erittäin lujia huokoisia piikarbidikeraameja yhdessä vaiheessa. Haluttujen tuotteiden tuottaminen vaatii muiden prosessien apua, mikä aiheuttaa suhteellisen korkeita kustannuksia.
1.4 Vaahtoaminen
Vaahdotusmuovausmenetelmässä keraamiseen raakakappaleeseen tai esiasteeseen lisätään kaasua tai aineita, jotka voivat tuottaa kaasua myöhemmässä käsittelyssä, ja sitten se sintrataan huokoisen piikarbidikeraamin saamiseksi. Toisin kuin muut valmistusmenetelmät, vaahdotusmenetelmä on tehokas prosessi suljettujen kennokeramiikan valmistukseen.
2. Kemiallinen menetelmä
Kemiallinen menetelmä viittaa siihen, että huokoisen piikarbidikeraamin huokoinen rakenne muodostuu epäorgaanisten suolojen tai lisättyjen orgaanisten aineiden hajoamisen tai reaktion seurauksena, jolloin alkuperäisille paikoille jää tyhjiä kohtia. Yleisiä kemiallisia menetelmiä huokoisen piikarbidikeraamin valmistamiseksi ovat huokostenmuodostajien lisäämismenetelmä, orgaanisen vaahdon kyllästysmenetelmä ja biologinen templaattimenetelmä jne.
2.1 Orgaanisen vaahdon kyllästäminen
Orgaanisen vaahdon kyllästysmenetelmässä käytetään orgaanista vaahtoa mallineena, ja valmistettu keraaminen liete levitetään tasaisesti mallineen päälle tai malline upotetaan lieteeseen ilman poistamiseksi, varmistaen, että liete tarttuu tasaisesti orgaaniseen vaahtomallineen. Sitten orgaaninen malline poistetaan kuivaamalla ja korkeassa lämpötilassa sintraamalla, jolloin saadaan huokoista keramiikkaa.
Tämän menetelmän merkittävin haittapuoli on, että sillä ei voida tuottaa pienihuokoisia, suljettuja huokoisia tuotteita. Muoto on rajoitettu ja raaka-aineet vaikuttavat suuresti esimuotin suorituskykyyn. Myös valmistettujen huokoisten keraamisten materiaalien tiheyttä ja lujuutta on vaikea hallita.
2.2 Huokosia muodostavien aineiden lisäämismenetelmä
Huokoisten piikarbidikeraamien valmistus lisäämällä huokosia muodostavia aineita käsittää huokosia muodostavien aineiden lisäämisen piikarbidijauheeseen tai -esiasteisiin ja huokosia muodostavien aineiden poistamisen seuraavien prosessien avulla. Tämän seurauksena huokosia muodostavien aineiden alun perin täyttämät paikat muodostavat huokosia, ja sitten suoritetaan kuumennus ja sintraus huokoisten keraamien muodostamiseksi. Siksi huokosia muodostavien aineiden tyypin ja annostuksen muuttaminen voi kätevästi hallita valmiiden huokoisten keraamien huokoisuutta, huokosten morfologiaa, huokoskokoa ja jakautumista. Huokosia muodostavien aineiden tyypit ovat hyvin laajat, mukaan lukien luonnolliset tai synteettiset orgaaniset polymeerit, nesteet, suolat, keraamit tai muut jauheet jne. Erilaisten huokosia muodostavien aineiden poistoprosessit vaihtelevat. Orgaaniset polymeerihuokosia muodostavat aineet poistetaan yleensä kuumentamalla ja hajottamalla, nestemäiset huokosia muodostavat aineet voidaan poistaa kiteyttämällä ja sublimaatiolla, suolat voidaan poistaa vesisuodatuksella ja keraamiset jauheet voidaan poistaa sopivalla liuossuodatuksella.
2.3 Biologinen mallimenetelmä
Biomateriaalien mikroskooppinen huokosrakenne eroaa merkittävästi synteettisten materiaalien huokosrakenteesta. Ainutlaatuisen rakenteensa ansiosta huokoisten keraamisten materiaalien valmistus samankaltaisilla rakenteilla käyttäen organismeja templaatteina on saanut laajaa huomiota [10]. Biologisella templaattimenetelmällä ja orgaanisen vaahdon kyllästysmenetelmällä on samankaltaisuuksia. Orgaanisen vaahdon kyllästysmenetelmässä käytetään keinotekoista sientä templaattina, kun taas biologisessa templaattimenetelmässä käytetään luonnollisia organismeja templaattina.
Biologiseen templaattimenetelmään huokoisten piikarbidikeraamien valmistamiseksi liittyy etuna yksinkertainen prosessi ja alhaiset kustannukset. Se voi tuottaa monimutkaisia muotoja omaavia keramiikoita ja jäljitellä luonnollisten biologisten materiaalien rakennetta mahdollisimman hyvin. Biologinen templaatti on kuitenkin altis halkeilulle korkean lämpötilan hiilestymisprosessin aikana, mikä vaikuttaa merkittävästi huokoisten piikarbidikeraamien mekaanisiin ominaisuuksiin. Lisäksi valmistettujen huokoisten piikarbidikeraamien huokosrakenne riippuu pääasiassa itse biologisen templaatin mikrorakenteesta, ja niiden suunnittelukyky on heikko. Lisäksi tällä menetelmällä on joitakin haittoja, kuten piikarbidin suhteellisen alhainen konversiotehokkuus, piikarbidireaktiokerroksen helppo irtoaminen ja pitkä valmistussykli.
Julkaisuaika: 22.7.2025