A szilícium-karbid (SiC) kerámiákat régóta széles körben használják különféle fejlett gyártási területeken nagy keménységük, nagy szilárdságuk, kis hőtágulási együtthatójuk, magas hővezető képességük, jó kémiai stabilitásuk, kiváló hősokk-állóságuk és oxidációs ellenállásuk miatt. A szilícium-karbid kerámiák fent említett tulajdonságain túl a porózus szilícium-karbid kerámiák egyedi mikroszkopikus porózus szerkezetükkel széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek olyan területeken, mint a kohászat, a vegyipar, a környezetvédelem és az energetika, jelentősen bővítve a szilícium-karbid kerámiák alkalmazási körét.
A különleges tulajdonságaiporózus szilícium-karbid kerámiaelsősorban egyedi porózus szerkezetükből profitálnak, amely magában foglalja a porozitást, a pórusméretet és -eloszlást, valamint a pórusok alakját stb. Ezért a kívánt porózus szerkezet elérése érdekében szabályozni kell a porozitást, a pórusméretet és -eloszlást, valamint a pórusok alakját az előállítási módszerrel. Ezért az előállítási módszere mindig is az emberek kutatásának középpontjában állt. Ez a cikk főként a porózus szilícium-karbid kerámiák előállítási módszereivel kapcsolatos kutatások előrehaladását tekinti át itthon és külföldön az elmúlt években.
1. Fizikai módszer
A fizikai módszer arra utal, hogy a porózus szilícium-karbid kerámiákban lévő üregeket az előállítási folyamat során fellépő fizikai jelenségek sorozata okozza, kémiai reakciók vagy új anyagok keletkezése nélkül. A fő mechanizmus a porózus szerkezet kialakítása a szilárd anyagok termikus összehúzódása, a folyékony fázis elpárolgása és a szilárd fázis közvetlen szublimációja által visszamaradó üregek felhasználásával. Az elterjedt módszerek közé tartozik a részecskehalmozási módszer, a fagyasztva szárítási módszer, a szol-gél módszer stb. Az utóbbi években megjelent 3D nyomtatási technológia porózus szerkezetek közvetlen nyomtatására és előállítására is használható.
1.1 Részecskehalmozási módszer
A részecsketömítéses szinterelési módszer a porózus szilícium-karbid kerámiák előállításának legegyszerűbb módja. A módszer alapelve, hogy a kerámia részecskék szinterelési teljesítményét kihasználva szinterelési nyakakat képez a különböző SiC részecskék között, ezáltal lehetővé téve a részecskék felhalmozódását és porózus kerámiák kialakulását. A szinterelési hőmérséklet csökkentése érdekében általában alacsonyabb olvadáspontú kötőanyagot adnak hozzá, hogy kapcsolatot hozzon létre a különböző SiC részecskék között. Mivel a részecsketömítéses szinterelési módszerben az összes pórus a SiC részecskék közötti tömörségi résekből alakul át, a kész porózus kerámia porozitása és pórusmérete a por méretének, a kötőanyag típusának és adagolási mennyiségének, valamint a szinterelési paraméterek változtatásával szabályozható.
A porózus szilícium-karbid kerámiák részecskehalmozási módszerrel történő előállítása nem igényli további pórusképző anyagok hozzáadását. Az eljárás egyszerű és viszonylag könnyen szabályozható. Az ezzel a módszerrel előállított porózus kerámiák porozitása azonban általában alacsony. A pórusok alakját, pórusméretét és porozitását főként a nyersanyag-részecskék alakja, részecskemérete és eloszlása, valamint a szinterezés mértéke határozza meg.
1.2 Fagyasztva szárítási módszer
A fagyasztva szárítás egy olyan módszer, amely során a kerámia adalékanyagokat egyenletesen összekeverik vízzel vagy szerves oldószerekkel megfelelő mennyiségű diszpergálószer vagy kötőanyag jelenlétében, hogy szuszpenziót képezzenek. Ezután a jól összekevert szuszpenziót öntőformába öntik, és alacsony hőmérsékleten gyorsan lefagyasztják, lehetővé téve a folyékony fázisú mátrix gyors szilárd halmazállapotúvá történő megszilárdulását. Ezt követően a megszilárdult szilárd fázist szublimálják, és nyomáscsökkentéssel vagy vákuumszárítással eltávolítják. A módszer egy olyan zöld test előállítására szolgál, amelynek irányított pórusszerkezete a szuszpenzióban marad, majd végül szinterelik, így porózus szilícium-karbid kerámiákat állítanak elő.
1.3 3D nyomtatási módszer
A porózus szilícium-karbid kerámiák 3D nyomtatási módszere egy újfajta előkészítési eljárás, amely az elmúlt években fejlődött ki. Ez az eljárás egy számítógép segítségével tervezett háromdimenziós adatmodellre támaszkodik. A nyomtatófejen keresztül a kötőanyagot permetezik, hogy a nyersanyagpor rétegről rétegre egy háromdimenziós hálózati struktúrát alkosson. A 3D nyomtatás és a reakciós szinterezési folyamatok kombinációja lehetővé teszi a formamentes gyártást és a komplex alakú kerámiák közel nettó méretű formázását.
A porózus szilícium-karbid kerámiák előállítására szolgáló 3D nyomtatási módszer egyszerű formázási folyamatot, magas előkészítési és feldolgozási hatékonyságot, valamint öntőformák nélküliséget kínál. Nemcsak komplex formájú, egyenletes mikroszerkezetű és jó pórusösszekötő képességű porózus szilícium-karbid kerámiák előállítására használható, hanem a porózus kerámiák porozitása és pórusmérete is szabályozható és állítható. Ez a módszer azonban jelenleg még a feltáró kutatási szakaszban van, és a folyamatparamétereket még tovább kell optimalizálni. Ezenkívül ezzel a módszerrel nehéz nagy szilárdságú porózus szilícium-karbid kerámiákat egyetlen lépésben előállítani. A kívánt termékek előállításához más eljárások segítségére van szükség, ami viszonylag magas költségekkel jár.
1.4 Habzás
A habosító formázási módszer során gázt vagy olyan anyagokat adnak a kerámia zöld testhez vagy prekurzorhoz, amelyek a későbbi feldolgozás során gázt fejleszthetnek, majd szinterelik, így porózus szilícium-karbid kerámiákat kapnak. Más előkészítési módszerekkel ellentétben a habosító módszer hatékony eljárás zártcellás kerámiák előállítására.
2. Kémiai módszer
A kémiai módszer arra a tényre utal, hogy a porózus szilícium-karbid kerámiák porózus szerkezete szervetlen sók vagy hozzáadott szerves anyagok bomlásával vagy reakciójával alakul ki, így az eredeti helyeken üresedések maradnak. A porózus szilícium-karbid kerámiák előállításának általános kémiai módszerei közé tartozik a pórusképző szer hozzáadásának módszere, a szerves habos impregnálási módszer és a biológiai sablon módszere stb.
2.1 Szerves hab impregnálás
A szerves habbal történő impregnálási módszer során szerves habot használnak sablonként, majd az előkészített kerámiaszuszpenziót egyenletesen bevonják a sablonra, vagy a sablont a szuszpenzióba merítik a levegő eltávolítása érdekében, biztosítva, hogy a szuszpenzió egyenletesen tapadjon a szerves hab sablonhoz. Ezután szárítással és magas hőmérsékletű szintereléssel a szerves sablont eltávolítják, így porózus kerámiát kapnak.
Ennek a módszernek a legjelentősebb hátránya, hogy nem képes kis pórusú, zárt porozitású termékek előállítására. Az alak korlátozott, és az előforma teljesítményét nagymértékben befolyásolják a nyersanyagok. Az előállított porózus kerámiaanyagok sűrűségét és szilárdságát is nehéz szabályozni.
2.2 A pórusképző szerek hozzáadásának módja
A porózus szilícium-karbid kerámiák előállítása pórusképző szerekkel magában foglalja a pórusképző szereknek a szilícium-karbid porhoz vagy prekurzorokhoz való hozzáadását, majd a pórusképző szereknek a későbbi eljárások során történő eltávolítását. Ennek eredményeként a pórusképző szerek által eredetileg elfoglalt helyek pórusokat képeznek, majd melegítéssel és szintereléssel porózus kerámiákat hoznak létre. Ezért a pórusképző szerek típusának és dózisának változtatásával kényelmesen szabályozható a kész porózus kerámiák porozitása, pórusmorfológiája, pórusmérete és eloszlása. A pórusképző szerek típusai nagyon szélesek, beleértve a természetes vagy szintetikus szerves polimereket, folyadékokat, sókat, kerámiákat vagy egyéb porokat stb. A különböző pórusképző szerek eltávolítási folyamatai változatosak. A szerves polimer pórusképző szereket általában melegítéssel és bomlással távolítják el, a folyékony pórusképző szereket kristályosítással és szublimációval, a sókat vízszűréssel, a kerámia porokat pedig megfelelő oldatszűréssel távolítják el.
2.3 Biológiai sablon módszer
A bioanyagok mikroszkopikus pórusszerkezete jelentősen eltér a szintetikus anyagokétól. Egyedi szerkezetének köszönhetően széles körű figyelmet kapott a hasonló szerkezetű porózus kerámiaanyagok előállítása organizmusok sablonként való felhasználásával [10]. A biológiai sablonmódszer és a szerves habbal történő impregnálási módszer hasonlóságokat mutat. A szerves habbal történő impregnálási módszer mesterséges szivacsot használ sablonként, míg a biológiai sablonmódszer természetes organizmusokat használ sablonként.
A porózus szilícium-karbid kerámiák előállítására szolgáló biológiai sablon módszer előnyei az egyszerű folyamat és az alacsony költség. Komplex alakú kerámiákat lehet vele előállítani, és a lehető legnagyobb mértékben reprodukálni lehet a természetes biológiai anyagok szerkezetét. A biológiai sablon azonban hajlamos a repedésekre a magas hőmérsékletű karbonizációs folyamat során, ami jelentős hatással van a porózus szilícium-karbid kerámiák mechanikai tulajdonságaira. Ezenkívül az előállított porózus szilícium-karbid kerámiák pórusszerkezete főként magának a biológiai sablonnak a mikroszerkezetétől függ, és tervezhetősége gyenge. Ezenkívül ennek a módszernek vannak hátrányai is, mint például a SiC viszonylag alacsony konverziós hatékonysága, a SiC reakcióréteg könnyű leválása és a hosszú előkészítési ciklus.
Közzététel ideje: 2025. július 22.