Silicij-karbidna (SiC) keramika već se dugo široko koristi u raznim naprednim proizvodnim područjima zbog svoje visoke tvrdoće, visoke čvrstoće, malog koeficijenta toplinskog širenja, visoke toplinske vodljivosti, dobre kemijske stabilnosti, izvrsne otpornosti na toplinske udare i otpornosti na oksidaciju. Uz gore navedene karakteristike silicij-karbidne keramike, porozna silicij-karbidna keramika, sa svojom jedinstvenom mikroskopskom poroznom strukturom, ima široke mogućnosti primjene u područjima kao što su metalurgija, kemijsko inženjerstvo, zaštita okoliša i energetika, uvelike proširujući područje primjene silicij-karbidne keramike.
Posebna svojstvaporozna silicij-karbidna keramikauglavnom imaju koristi od svoje jedinstvene porozne strukture, koja uključuje poroznost, veličinu i raspodjelu pora te oblik pora itd. Stoga je potrebno regulirati njegovu poroznost, veličinu i raspodjelu pora, kao i oblik pora kroz metodu pripreme kako bi se postigla željena porozna struktura. Stoga je njegova metoda pripreme oduvijek bila u fokusu istraživanja. Ovaj članak uglavnom pregledava napredak istraživanja u metodama pripreme porozne silicij-karbidne keramike u zemlji i inozemstvu posljednjih godina.
1. Fizička metoda
Fizička metoda odnosi se na činjenicu da su šupljine u poroznoj silicij-karbidnoj keramici uzrokovane nizom fizičkih pojava tijekom procesa pripreme, bez pojave kemijskih reakcija ili stvaranja novih tvari. Glavni mehanizam je stvaranje porozne strukture oslanjanjem na šupljine koje ostaju toplinskim skupljanjem krutih tvari, isparavanjem tekuće faze i izravnom sublimacijom krute faze. Uobičajene metode uključuju metodu slaganja čestica, metodu liofilizacije, sol-gel metodu itd. Tehnologija 3D ispisa koja se pojavila posljednjih godina također se može koristiti za izravan ispis i pripremu poroznih struktura.
1.1 Metoda slaganja čestica
Metoda sinteriranja pakiranjem čestica najjednostavniji je način pripreme porozne silicij-karbidne keramike. Princip ove metode je korištenje performansi sinteriranja samih keramičkih čestica za stvaranje sinterirajućih vratova između različitih SiC čestica, čime se omogućuje nakupljanje čestica za stvaranje porozne keramike. Kako bi se snizila temperatura sinteriranja, obično se dodaje određena količina veziva s nižom točkom taljenja kako bi se stvorila veza između različitih SiC čestica. Budući da se sve pore u metodi sinteriranja pakiranjem čestica transformiraju iz pakirajućih praznina između SiC čestica, poroznost i veličina pora gotove porozne keramike mogu se kontrolirati promjenom veličine praha, vrste i količine dodanog veziva te parametara sinteriranja.
Priprema porozne silicij-karbidne keramike metodom slaganja čestica ne zahtijeva dodavanje dodatnih sredstava za stvaranje pora. Postupak je jednostavan i relativno ga je lako kontrolirati. Međutim, poroznost porozne keramike pripremljene ovom metodom općenito je niska. Oblik, veličina pora i poroznost pora uglavnom su određeni oblikom, veličinom čestica i raspodjelom čestica sirovine, kao i stupnjem sinteriranja.
1.2 Metoda liofilizacije
Liofilizacija je metoda koja uključuje ravnomjerno miješanje keramičkih agregata s vodom ili organskim otapalima u prisutnosti odgovarajuće količine disperzanata ili veziva kako bi se formirala suspenzija. Zatim se dobro izmiješana suspenzija ulije u kalup i brzo zamrzava na niskim temperaturama, što omogućuje tekućoj fazi da se matrica brzo skrutne u krutinu. Nakon toga, skrutnuta kruta faza se sublimira i uklanja smanjenjem tlaka ili vakuumskim sušenjem. Metoda dobivanja zelenog tijela s usmjereno raspoređenim strukturama pora koje ostaju unutar suspenzije i konačno sinteriranje za proizvodnju porozne silicij-karbidne keramike.
1.3 Metoda 3D ispisa
Metoda 3D ispisa za pripremu porozne silicij-karbidne keramike nova je vrsta postupka pripreme koja se razvila posljednjih godina. Ovaj se postupak oslanja na trodimenzionalni model podataka dizajniran uz pomoć računala. Kroz glavu za ispis, vezivo se raspršuje kako bi se sirovi prah sloj po sloj slagao u trodimenzionalnu mrežnu strukturu. Kombinacija 3D ispisa i procesa reakcijskog sinteriranja može postići proizvodnju bez kalupa i oblikovanje keramike složenog oblika gotovo u stvarnoj veličini.
Metoda 3D ispisa za pripremu porozne silicij-karbidne keramike odlikuje se jednostavnim postupkom oblikovanja, visokom učinkovitošću pripreme i obrade te nema potrebe za kalupima. Ne samo da se može koristiti za pripremu porozne silicij-karbidne keramike složenih oblika, ujednačenih mikrostruktura i dobre povezanosti pora, već se poroznost i veličina pora porozne keramike mogu kontrolirati i podešavati. Međutim, ova metoda je trenutno još uvijek u fazi istraživanja i procesne parametre još je potrebno dodatno optimizirati. Osim toga, ovom metodom je teško pripremiti visokočvrstu poroznu silicij-karbidnu keramiku u jednom koraku. Za proizvodnju željenih proizvoda potrebna je pomoć drugih procesa, što uzrokuje relativno visoke troškove.
1.4 Pjenjenje
Metoda pjenjenja uključuje dodavanje plina ili tvari koje mogu stvarati plin naknadnom obradom keramičkom zelenom tijelu ili prekursoru, a zatim sinteriranje kako bi se dobila porozna silicij-karbidna keramika. Za razliku od drugih metoda pripreme, metoda pjenjenja je učinkovit postupak za pripremu keramike zatvorenih ćelija.
2. Kemijska metoda
Kemijska metoda odnosi se na činjenicu da se porozna struktura u poroznoj silicij-karbidnoj keramici formira razgradnjom ili reakcijom anorganskih soli ili dodanih organskih tvari, ostavljajući prazna mjesta u izvornim položajima. Uobičajene kemijske metode za pripremu porozne silicij-karbidne keramike uključuju metodu dodavanja sredstva za stvaranje pora, metodu impregnacije organskom pjenom i metodu biološkog predloška itd.
2.1 Impregnacija organskom pjenom
Metoda impregnacije organskom pjenom uključuje korištenje organske pjene kao predloška, ravnomjerno nanošenje pripremljene keramičke suspenzije na predložak ili uranjanje predloška u suspenziju kako bi se istisnuo zrak, osiguravajući da se suspenzija ravnomjerno prilijepi za predložak od organske pjene. Zatim se sušenjem i sinteriranjem na visokoj temperaturi uklanja organski predložak, čime se dobiva porozna keramika.
Najznačajniji nedostatak ove metode je taj što ne može proizvesti proizvode s malim porama zatvorene poroznosti. Oblik je ograničen, a na performanse predoblika uvelike utječu sirovine. Gustoću i čvrstoću pripremljenih poroznih keramičkih materijala također je teško kontrolirati.
2.2 Metoda dodavanja sredstava za stvaranje pora
Priprema porozne silicij-karbidne keramike dodavanjem sredstava za stvaranje pora uključuje dodavanje sredstava za stvaranje pora u prah silicij-karbida ili prekursore, a zatim uklanjanje sredstava za stvaranje pora kroz naknadne procese. Kao rezultat toga, položaji koje su izvorno zauzimala sredstva za stvaranje pora formiraju pore, a zatim se provodi zagrijavanje i sinteriranje kako bi se formirala porozna keramika. Stoga, promjenom vrste i doze sredstava za stvaranje pora može se prikladno kontrolirati poroznost, morfologija pora, veličina pora i raspodjela gotove porozne keramike. Vrste sredstava za stvaranje pora su vrlo opsežne, uključujući prirodne ili sintetske organske polimere, tekućine, soli, keramiku ili druge prahove itd. Procesi uklanjanja različitih sredstava za stvaranje pora variraju. Organska polimerna sredstva za stvaranje pora obično se uklanjaju zagrijavanjem i razgradnjom, tekuća sredstva za stvaranje pora mogu se ukloniti kristalizacijom i sublimacijom, soli se mogu ukloniti filtracijom vode, a keramički prahovi mogu se ukloniti odgovarajućom filtracijom otopine.
2.3 Metoda biološkog predloška
Mikroskopska struktura pora u biomaterijalima značajno se razlikuje od one u sintetičkim materijalima. Zbog svoje jedinstvene strukture, priprema poroznih keramičkih materijala sa sličnim strukturama korištenjem organizama kao predložaka privukla je široku pozornost [10]. Metoda biološkog predloška i metoda impregnacije organskom pjenom imaju sličnosti. Metoda impregnacije organskom pjenom koristi umjetnu spužvu kao predložak, dok metoda biološkog predloška koristi prirodne organizme kao predložak.
Metoda biološkog predloška za pripremu porozne silicij-karbidne keramike ima prednosti jednostavnog postupka i niske cijene. Može proizvesti keramiku složenih oblika i u najvećoj mjeri replicirati strukturu prirodnih bioloških materijala. Međutim, biološki predložak sklon je pucanju tijekom procesa karbonizacije na visokim temperaturama, što ima značajan utjecaj na mehanička svojstva porozne silicij-karbidne keramike. Štoviše, struktura pora pripremljene porozne silicij-karbidne keramike uglavnom ovisi o mikrostrukturi samog biološkog predloška, a njezina oblikovnost je loša. Osim toga, ova metoda ima i neke nedostatke, kao što su relativno niska učinkovitost pretvorbe SiC-a, lako odvajanje reakcijskog sloja SiC-a i dug ciklus pripreme.
Vrijeme objave: 22. srpnja 2025.