Le ceramiche di carburo di silicio (SiC) sono da tempo ampiamente utilizzate in diversi settori della produzione avanzata grazie alla loro elevata durezza, elevata resistenza, basso coefficiente di dilatazione termica, elevata conduttività termica, buona stabilità chimica, eccellente resistenza agli shock termici e all'ossidazione. Oltre alle suddette caratteristiche, le ceramiche di carburo di silicio porose, con la loro peculiare struttura porosa microscopica, presentano ampie prospettive di applicazione in campi quali la metallurgia, l'ingegneria chimica, la protezione ambientale e l'energia, ampliando notevolmente il campo di applicazione delle ceramiche di carburo di silicio.
Le proprietà speciali diceramica porosa di carburo di silicioI materiali traggono principalmente vantaggio dalla loro particolare struttura porosa, che comprende porosità, dimensione e distribuzione dei pori, nonché forma dei pori, ecc. Pertanto, è necessario regolarne la porosità, la dimensione e la distribuzione dei pori, così come la forma dei pori, attraverso il metodo di preparazione per ottenere la struttura porosa desiderata. Di conseguenza, il metodo di preparazione è sempre stato al centro della ricerca. Questo articolo esamina principalmente i progressi della ricerca sui metodi di preparazione delle ceramiche porose di carburo di silicio negli ultimi anni, sia a livello nazionale che internazionale.
1. Metodo fisico
Il metodo fisico si basa sul fatto che i vuoti nelle ceramiche porose di carburo di silicio sono causati da una serie di fenomeni fisici durante il processo di preparazione, senza che si verifichino reazioni chimiche o la generazione di nuove sostanze. Il meccanismo principale consiste nella formazione di una struttura porosa sfruttando i vuoti lasciati dalla contrazione termica delle sostanze solide, dall'evaporazione della fase liquida e dalla sublimazione diretta della fase solida. I metodi più comuni includono il metodo di impilamento delle particelle, il metodo di liofilizzazione, il metodo sol-gel, ecc. Anche la tecnologia di stampa 3D, emersa negli ultimi anni, può essere utilizzata per stampare e preparare direttamente strutture porose.
1.1 Metodo di impilamento delle particelle
Il metodo di sinterizzazione a impaccamento di particelle è il modo più semplice per preparare ceramiche porose di carburo di silicio. Il principio di questo metodo consiste nell'utilizzare le proprietà di sinterizzazione delle particelle ceramiche stesse per formare dei "colli" di sinterizzazione tra le diverse particelle di SiC, consentendo così l'accumulo delle particelle per formare ceramiche porose. Per abbassare la temperatura di sinterizzazione, si aggiunge solitamente una certa quantità di legante con un punto di fusione inferiore per creare un collegamento tra le diverse particelle di SiC. Poiché tutti i pori nel metodo di sinterizzazione a impaccamento di particelle si formano negli spazi di impaccamento tra le particelle di SiC, la porosità e la dimensione dei pori delle ceramiche porose finite possono essere controllate modificando la granulometria della polvere, il tipo e la quantità di legante aggiunto e i parametri di sinterizzazione.
La preparazione di ceramiche porose di carburo di silicio mediante il metodo di impilamento delle particelle non richiede l'aggiunta di agenti porogeni. Il processo è semplice e relativamente facile da controllare. Tuttavia, la porosità delle ceramiche porose preparate con questo metodo è generalmente bassa. La forma, la dimensione e la porosità dei pori sono determinate principalmente dalla forma, dalla dimensione e dalla distribuzione delle particelle della materia prima, nonché dal grado di sinterizzazione.
1.2 Metodo di liofilizzazione
La liofilizzazione è un metodo che prevede la miscelazione uniforme di aggregati ceramici con acqua o solventi organici in presenza di una quantità appropriata di disperdenti o leganti per formare una sospensione. Successivamente, la sospensione ben miscelata viene versata in uno stampo e congelata rapidamente a basse temperature, consentendo alla matrice in fase liquida di solidificarsi velocemente. In seguito, la fase solida solidificata viene sublimata e rimossa mediante riduzione di pressione o trattamento di essiccazione sotto vuoto. Il metodo prevede l'ottenimento di un corpo verde con strutture porose disposte direzionalmente all'interno della sospensione e la sua successiva sinterizzazione per produrre ceramiche porose di carburo di silicio.
1.3 Metodo di stampa 3D
Il metodo di stampa 3D per la preparazione di ceramiche porose di carburo di silicio è un nuovo tipo di processo produttivo sviluppato negli ultimi anni. Questo processo si basa su un modello di dati tridimensionale progettato con l'ausilio di un sistema informatico. Attraverso la testina di stampa, il legante viene spruzzato per depositare strato dopo strato la polvere della materia prima, formando una struttura reticolare tridimensionale. La combinazione della stampa 3D e dei processi di sinterizzazione reattiva consente la produzione senza stampo e la formatura di ceramiche di forma complessa con dimensioni prossime a quelle finali.
Il metodo di stampa 3D per la preparazione di ceramiche porose di carburo di silicio si caratterizza per un processo di formatura semplice, un'elevata efficienza di preparazione e lavorazione e non richiede l'utilizzo di stampi. Permette non solo di preparare ceramiche porose di carburo di silicio con forme complesse, microstrutture uniformi e una buona connettività dei pori, ma anche di controllare e regolare la porosità e la dimensione dei pori. Tuttavia, questo metodo è attualmente ancora in fase di ricerca esplorativa e i parametri di processo necessitano di ulteriori ottimizzazioni. Inoltre, con questo metodo è difficile preparare ceramiche porose di carburo di silicio ad alta resistenza in un unico passaggio. Richiede l'ausilio di altri processi per produrre i prodotti desiderati, il che comporta costi relativamente elevati.
1.4 Schiumatura
Il metodo di stampaggio a schiuma prevede l'aggiunta di gas o sostanze in grado di generare gas attraverso successive lavorazioni al corpo ceramico grezzo o precursore, e la successiva sinterizzazione per ottenere ceramiche porose di carburo di silicio. A differenza di altri metodi di preparazione, il metodo a schiuma è un processo efficace per la produzione di ceramiche a celle chiuse.
2. Metodo chimico
Il metodo chimico si riferisce al fatto che la struttura porosa nelle ceramiche di carburo di silicio poroso si forma attraverso la decomposizione o la reazione di sali inorganici o sostanze organiche aggiunte, lasciando vuoti nelle posizioni originali. I metodi chimici comuni per la preparazione di ceramiche di carburo di silicio poroso includono il metodo di aggiunta di agenti porogeni, il metodo di impregnazione con schiuma organica e il metodo con stampo biologico, ecc.
2.1 Impregnazione di schiuma organica
Il metodo di impregnazione con schiuma organica prevede l'utilizzo di schiuma organica come stampo, rivestendo uniformemente lo stampo con la sospensione ceramica preparata oppure immergendo lo stampo nella sospensione per espellere l'aria, garantendo così un'adesione uniforme della sospensione alla schiuma organica. Successivamente, tramite essiccazione e sinterizzazione ad alta temperatura, lo stampo organico viene rimosso, ottenendo in tal modo ceramiche porose.
Il principale svantaggio di questo metodo è l'impossibilità di produrre prodotti a porosità chiusa e a pori piccoli. La forma è limitata e le prestazioni del preformato sono fortemente influenzate dalle materie prime. Anche la densità e la resistenza dei materiali ceramici porosi ottenuti sono difficili da controllare.
2.2 Metodo di aggiunta di agenti porogeni
La preparazione di ceramiche porose di carburo di silicio mediante l'aggiunta di agenti porogeni prevede l'aggiunta di tali agenti alla polvere di carburo di silicio o ai suoi precursori, seguita dalla rimozione degli agenti porogeni attraverso processi successivi. Di conseguenza, le posizioni originariamente occupate dagli agenti porogeni formano dei pori, che vengono poi sottoposti a riscaldamento e sinterizzazione per ottenere la ceramica porosa. Pertanto, variando il tipo e il dosaggio degli agenti porogeni è possibile controllare agevolmente la porosità, la morfologia, la dimensione e la distribuzione dei pori della ceramica porosa finita. Le tipologie di agenti porogeni sono molto ampie e includono polimeri organici naturali o sintetici, liquidi, sali, polveri ceramiche o di altro tipo, ecc. I processi di rimozione dei diversi agenti porogeni variano. Gli agenti porogeni polimerici organici vengono solitamente rimossi mediante riscaldamento e decomposizione, gli agenti porogeni liquidi possono essere rimossi tramite cristallizzazione e sublimazione, i sali possono essere rimossi mediante filtrazione con acqua e le polveri ceramiche possono essere rimosse mediante filtrazione con soluzione appropriata.
2.3 Metodo del modello biologico
La struttura microscopica dei pori nei biomateriali è significativamente diversa da quella dei materiali sintetici. Grazie alla sua struttura unica, la preparazione di materiali ceramici porosi con strutture simili utilizzando organismi come stampi ha ricevuto ampia attenzione [10]. Il metodo dello stampo biologico e il metodo di impregnazione della schiuma organica presentano delle similitudini. Il metodo di impregnazione della schiuma organica utilizza una spugna artificiale come stampo, mentre il metodo dello stampo biologico utilizza organismi naturali come stampo.
Il metodo del template biologico per la preparazione di ceramiche porose di carburo di silicio presenta i vantaggi di un processo semplice e di un basso costo. Consente di produrre ceramiche con forme complesse e di replicare la struttura dei materiali biologici naturali nella massima misura possibile. Tuttavia, il template biologico è soggetto a fessurazioni durante il processo di carbonizzazione ad alta temperatura, il che ha un impatto significativo sulle proprietà meccaniche delle ceramiche porose di carburo di silicio. Inoltre, la struttura dei pori delle ceramiche porose di carburo di silicio prodotte dipende principalmente dalla microstruttura del template biologico stesso, e la sua progettazione è limitata. Infine, questo metodo presenta anche alcuni svantaggi, come la relativamente bassa efficienza di conversione del SiC, il facile distacco dello strato di reazione di SiC e un ciclo di preparazione lungo.
Data di pubblicazione: 22 luglio 2025