Keramik silikon karbida (SiC) telah lama banyak digunakan di berbagai bidang manufaktur canggih karena kekerasannya yang tinggi, kekuatan yang tinggi, koefisien ekspansi termal yang kecil, konduktivitas termal yang tinggi, stabilitas kimia yang baik, ketahanan terhadap guncangan termal yang sangat baik, dan ketahanan terhadap oksidasi. Selain karakteristik keramik silikon karbida yang disebutkan di atas, keramik silikon karbida berpori, dengan struktur pori mikroskopisnya yang unik, memiliki prospek aplikasi yang luas di bidang-bidang seperti metalurgi, teknik kimia, perlindungan lingkungan, dan energi, yang sangat memperluas cakupan aplikasi keramik silikon karbida.
Sifat-sifat khusus darikeramik silikon karbida berporiKeunggulan utamanya terletak pada struktur berpori uniknya, yang meliputi porositas, ukuran dan distribusi pori, serta bentuk pori, dan lain-lain. Oleh karena itu, perlu untuk mengatur porositas, ukuran dan distribusi pori, serta bentuk pori melalui metode preparasi untuk mendapatkan struktur berpori yang diinginkan. Karena itu, metode preparasinya selalu menjadi fokus penelitian. Artikel ini terutama mengulas kemajuan penelitian dalam metode preparasi keramik silikon karbida berpori di dalam dan luar negeri dalam beberapa tahun terakhir.
1. Metode Fisik
Metode fisik mengacu pada fakta bahwa rongga dalam keramik silikon karbida berpori disebabkan oleh serangkaian fenomena fisik selama proses pembuatan, tanpa terjadinya reaksi kimia atau pembentukan zat baru. Mekanisme utamanya adalah membentuk struktur berpori dengan mengandalkan rongga yang tertinggal akibat kontraksi termal zat padat, penguapan fase cair, dan sublimasi langsung fase padat. Metode umum meliputi metode penumpukan partikel, metode pengeringan beku, metode sol-gel, dan lain-lain. Teknologi pencetakan 3D yang muncul dalam beberapa tahun terakhir juga dapat digunakan untuk mencetak dan menyiapkan struktur berpori secara langsung.
1.1 Metode penumpukan partikel
Metode sintering pengemasan partikel adalah cara paling sederhana untuk menyiapkan keramik silikon karbida berpori. Prinsip metode ini adalah memanfaatkan kinerja sintering partikel keramik itu sendiri untuk membentuk leher sintering di antara partikel SiC yang berbeda, sehingga memungkinkan akumulasi partikel untuk membentuk keramik berpori. Untuk menurunkan suhu sintering, sejumlah pengikat dengan titik leleh yang lebih rendah biasanya ditambahkan untuk membentuk koneksi antara partikel SiC yang berbeda. Karena semua pori dalam metode sintering pengemasan partikel terbentuk dari celah pengemasan antara partikel SiC, porositas dan ukuran pori keramik berpori yang dihasilkan dapat dikontrol dengan mengubah ukuran bubuk, jenis dan jumlah penambahan pengikat, dan parameter sintering.
Pembuatan keramik silikon karbida berpori dengan metode penumpukan partikel tidak memerlukan penambahan zat pembentuk pori tambahan. Prosesnya sederhana dan relatif mudah dikendalikan. Namun, porositas keramik berpori yang dibuat dengan metode ini umumnya rendah. Bentuk, ukuran pori, dan porositas pori terutama ditentukan oleh bentuk, ukuran partikel, dan distribusi partikel bahan baku, serta derajat sintering.
1.2 Metode Pengeringan Beku
Pengeringan beku adalah metode yang melibatkan pencampuran agregat keramik secara merata dengan air atau pelarut organik dengan adanya sejumlah dispersan atau pengikat yang sesuai untuk membentuk bubur. Kemudian, bubur yang telah tercampur rata dituangkan ke dalam cetakan dan dibekukan dengan cepat pada suhu rendah, sehingga matriks fase cair dapat dengan cepat mengeras menjadi padat. Selanjutnya, fase padat yang telah mengeras disublimasikan dan dihilangkan melalui pengurangan tekanan atau perlakuan pengeringan vakum. Metode ini menghasilkan benda mentah dengan struktur pori yang tersusun secara terarah yang tertinggal di dalam bubur dan akhirnya disinter untuk menghasilkan keramik silikon karbida berpori.
1.3 Metode Pencetakan 3D
Metode pencetakan 3D untuk pembuatan keramik silikon karbida berpori merupakan jenis proses pembuatan baru yang telah berkembang dalam beberapa tahun terakhir. Proses ini bergantung pada model data tiga dimensi yang dirancang dengan bantuan komputer. Melalui kepala pencetak, pengikat disemprotkan untuk menumpuk lapisan serbuk bahan baku lapis demi lapis menjadi struktur jaringan tiga dimensi. Kombinasi proses pencetakan 3D dan sintering reaksi dapat mencapai pembuatan tanpa cetakan dan pembentukan mendekati ukuran akhir (near-net-size) untuk keramik berbentuk kompleks.
Metode pencetakan 3D untuk pembuatan keramik silikon karbida berpori memiliki fitur proses pembentukan yang sederhana, efisiensi persiapan dan pemrosesan yang tinggi, dan tidak memerlukan cetakan. Metode ini tidak hanya dapat digunakan untuk membuat keramik silikon karbida berpori dengan bentuk kompleks, struktur mikro yang seragam, dan konektivitas pori yang baik, tetapi juga porositas dan ukuran pori keramik berpori dapat dikontrol dan disesuaikan. Namun, metode ini masih dalam tahap penelitian eksplorasi saat ini, dan parameter prosesnya masih perlu dioptimalkan lebih lanjut. Selain itu, metode ini sulit untuk membuat keramik silikon karbida berpori berkekuatan tinggi dalam satu langkah. Metode ini membutuhkan bantuan proses lain untuk menghasilkan produk yang diinginkan, yang menimbulkan biaya yang relatif tinggi.
1.4 Berbusa
Metode pencetakan berbusa melibatkan penambahan gas atau zat yang dapat menghasilkan gas melalui pemrosesan selanjutnya ke badan keramik mentah atau prekursor, kemudian disinter untuk mendapatkan keramik silikon karbida berpori. Tidak seperti metode persiapan lainnya, metode berbusa merupakan proses yang efektif untuk menyiapkan keramik sel tertutup.
2. Metode Kimia
Metode kimia mengacu pada fakta bahwa struktur berpori pada keramik silikon karbida berpori terbentuk melalui dekomposisi atau reaksi garam anorganik atau zat organik yang ditambahkan, sehingga meninggalkan kekosongan pada posisi semula. Metode kimia umum untuk pembuatan keramik silikon karbida berpori meliputi metode penambahan zat pembentuk pori, metode impregnasi busa organik, dan metode templat biologis, dll.
2.1 Impregnasi Busa Organik
Metode impregnasi busa organik melibatkan penggunaan busa organik sebagai cetakan, melapisi cetakan dengan bubur keramik yang telah disiapkan secara merata atau merendam cetakan dalam bubur untuk mengeluarkan udara, memastikan bubur menempel secara merata pada cetakan busa organik. Kemudian, melalui pengeringan dan sintering suhu tinggi, cetakan organik dihilangkan, sehingga diperoleh keramik berpori.
Kelemahan paling signifikan dari metode ini adalah ketidakmampuannya untuk menghasilkan produk dengan pori-pori kecil dan porositas tertutup. Bentuknya terbatas dan kinerja preform sangat dipengaruhi oleh bahan baku. Kepadatan dan kekuatan material keramik berpori yang dihasilkan juga sulit dikendalikan.
2.2 Metode Penambahan Bahan Pembentuk Pori
Pembuatan keramik silikon karbida berpori dengan menambahkan zat pembentuk pori melibatkan penambahan zat pembentuk pori ke bubuk atau prekursor silikon karbida, dan kemudian menghilangkan zat pembentuk pori tersebut melalui proses selanjutnya. Akibatnya, posisi yang awalnya ditempati oleh zat pembentuk pori membentuk pori-pori, dan kemudian dilakukan pemanasan dan sintering untuk membentuk keramik berpori. Oleh karena itu, mengubah jenis dan dosis zat pembentuk pori dapat dengan mudah mengontrol porositas, morfologi pori, ukuran pori, dan distribusi keramik berpori yang dihasilkan. Jenis zat pembentuk pori sangat beragam, termasuk polimer organik alami atau sintetis, cairan, garam, keramik atau bubuk lainnya, dll. Proses penghilangan berbagai zat pembentuk pori berbeda-beda. Zat pembentuk pori polimer organik biasanya dihilangkan dengan pemanasan dan dekomposisi, zat pembentuk pori cair dapat dihilangkan melalui kristalisasi dan sublimasi, garam dapat dihilangkan dengan filtrasi air, dan bubuk keramik dapat dihilangkan dengan filtrasi larutan yang sesuai.
2.3 Metode Templat Biologis
Struktur pori mikroskopis pada biomaterial sangat berbeda dengan struktur pori pada material sintetis. Karena struktur uniknya, pembuatan material keramik berpori dengan struktur serupa menggunakan organisme sebagai templat telah mendapat perhatian luas [10]. Metode templat biologis dan metode impregnasi busa organik memiliki kesamaan. Metode impregnasi busa organik menggunakan spons buatan sebagai templat, sedangkan metode templat biologis menggunakan organisme alami sebagai templat.
Metode cetakan biologis untuk pembuatan keramik silikon karbida berpori memiliki keunggulan proses yang sederhana dan biaya rendah. Metode ini dapat menghasilkan keramik dengan bentuk yang kompleks dan dapat mereplikasi struktur material biologis alami hingga tingkat maksimal. Namun, cetakan biologis rentan terhadap keretakan selama proses karbonisasi suhu tinggi, yang berdampak signifikan pada sifat mekanik keramik silikon karbida berpori. Selain itu, struktur pori keramik silikon karbida berpori yang dihasilkan terutama bergantung pada mikrostruktur cetakan biologis itu sendiri, dan kemampuan desainnya kurang baik. Di samping itu, metode ini juga memiliki beberapa kekurangan, seperti efisiensi konversi SiC yang relatif rendah, lapisan reaksi SiC yang mudah terkelupas, dan siklus pembuatan yang panjang.
Waktu posting: 22 Juli 2025