מהי שיטת ההכנה של קרמיקה נקבובית מסיליקון קרביד

קרמיקה מסיליקון קרביד (SiC) נמצאת בשימוש נרחב זה מכבר בתחומי ייצור מתקדמים שונים בשל קשיותה הגבוהה, חוזקה הגבוה, מקדם התפשטות תרמית קטן, מוליכות תרמית גבוהה, יציבותה הכימית הטובה, עמידותה מצוינת לזעזועים תרמיים ועמידותה לחמצון. בנוסף למאפיינים שהוזכרו לעיל של קרמיקה מסיליקון קרביד, לקרמיקה נקבובית מסיליקון קרביד, עם המבנה הנקבובי המיקרוסקופי הייחודי שלה, יש אפשרויות יישום רחבות בתחומים כמו מטלורגיה, הנדסה כימית, הגנת הסביבה ואנרגיה, מה שמרחיב מאוד את היקף היישום של קרמיקה מסיליקון קרביד.

המאפיינים המיוחדים שלקרמיקה סיליקון קרביד נקבובינהנים בעיקר מהמבנה הנקבובי הייחודי שלהם, הכולל נקבוביות, גודל הנקבוביות ופיזורן, צורת הנקבוביות וכו'. לכן, יש צורך לווסת את נקבוביותן, גודל הנקבוביות ופיזורן, כמו גם את צורת הנקבוביות באמצעות שיטת ההכנה כדי להשיג את המבנה הנקבובי הרצוי. לכן, שיטת ההכנה שלה תמיד הייתה מוקד המחקר של אנשים. מאמר זה סוקר בעיקר את התקדמות המחקר בשיטות ההכנה של קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי בארץ ובחו"ל בשנים האחרונות.

1. שיטה פיזיקלית

השיטה הפיזיקלית מתייחסת לעובדה שחללים בקרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי נגרמים על ידי סדרה של תופעות פיזיקליות במהלך תהליך ההכנה, ללא התרחשות תגובות כימיות או יצירת חומרים חדשים. המנגנון העיקרי הוא יצירת מבנה נקבובי על ידי הסתמכות על החללים שנותרים כתוצאה מהתכווצות תרמית של חומרים מוצקים, אידוי הפאזה הנוזלית וסובלימציה ישירה של הפאזה המוצקה. שיטות נפוצות כוללות שיטת ערימת חלקיקים, שיטת ייבוש בהקפאה, שיטת סול-ג'ל ועוד. טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית שצצה בשנים האחרונות יכולה לשמש גם להדפסה והכנה ישירה של מבנים נקבוביים.

1.1 שיטת ערימת חלקיקים

שיטת סינטור אריזת חלקיקים היא הדרך הפשוטה ביותר להכין קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי. העיקרון של שיטה זו הוא להשתמש בביצועי הסינטור של חלקיקי הקרמיקה עצמם כדי ליצור צווארי סינטור בין חלקיקי SiC שונים, ובכך לאפשר הצטברות חלקיקים ליצירת קרמיקה נקבובית. כדי להוריד את טמפרטורת הסינטור, מוסיפים בדרך כלל כמות מסוימת של חומר מקשר בעל נקודת התכה נמוכה יותר כדי ליצור חיבור בין חלקיקי SiC שונים. מכיוון שכל הנקבוביות בשיטת סינטור אריזת החלקיקים משתנות ממרווחי האריזה בין חלקיקי SiC, ניתן לשלוט בנקבוביות ובגודל הנקבוביות של הקרמיקה הנקבובית המוגמרת על ידי שינוי גודל האבקה, סוג וכמות החיבור ופרמטרי הסינטור.

הכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי בשיטת ערימת חלקיקים אינה דורשת תוספת של חומרים נוספים ליצירת נקבוביות. התהליך פשוט וקל יחסית לשליטה. עם זאת, נקבוביות הקרמיקה הנקבובית המוכנה בשיטה זו היא בדרך כלל נמוכה. הצורה, גודל הנקבוביות והנקבוביות של הנקבוביות נקבעים בעיקר על ידי הצורה, גודל החלקיקים ופיזור חלקיקי חומר הגלם, כמו גם על ידי מידת הסינטר.

1.2 שיטת ייבוש בהקפאה

ייבוש בהקפאה היא שיטה הכוללת ערבוב אחיד של אגרגטים קרמיים עם מים או ממסים אורגניים בנוכחות כמות מתאימה של חומרי פיזור או חומרי קשירה ליצירת תרחיף. לאחר מכן, התרחיף המעורבב היטב יוצק לתבנית ומוקפא במהירות בטמפרטורות נמוכות, מה שמאפשר למטריצת הפאזה הנוזלית להתמצק במהירות למוצק. לאחר מכן, הפאזה המוצקה שהתמצקה עוברת סובלימציה ומוסרת באמצעות הפחתת לחץ או טיפול ייבוש בוואקום. השיטה של ​​קבלת גוף ירוק עם מבני נקבוביות מסודרים כיווניים שנותרים בתוך התרחיף ולבסוף סינטור שלו לייצור קרמיקה סיליקון קרביד נקבובית.

1.3 שיטת הדפסה תלת-ממדית

שיטת ההדפסה התלת-ממדית להכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי היא סוג חדש של תהליך הכנה שהתפתח בשנים האחרונות. תהליך זה מסתמך על מודל נתונים תלת-ממדי שתוכנן בעזרת מחשב. באמצעות ראש ההדפסה, חומר הקישור מרוסס כדי לערום את אבקת חומר הגלם שכבה אחר שכבה למבנה רשת תלת-ממדי. השילוב של תהליכי הדפסה תלת-ממדית וסינטור ריאקטיבי יכול להשיג ייצור ללא תבנית ועיצוב כמעט בגודל נטו של קרמיקה מורכבת.

שיטת ההדפסה התלת-ממדית להכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי מתאפיינת בתהליך עיצוב פשוט, יעילות הכנה ועיבוד גבוהה, ואינה דורשת תבניות. ניתן להשתמש בה לא רק להכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי בעלת צורות מורכבות, מיקרו-מבנים אחידים וקישוריות טובה בין הנקבוביות, אלא גם שהנקבוביות וגודל הנקבוביות של הקרמיקה הנקבובית ניתנים לשליטה והתאמה. עם זאת, שיטה זו עדיין נמצאת בשלב המחקר הגישוש כרגע, ופרמטרי התהליך עדיין זקוקים לייעל עוד יותר. בנוסף, שיטה זו קשה להכין קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי בעלת חוזק גבוה בשלב אחד. היא דורשת סיוע של תהליכים אחרים כדי לייצר את המוצרים הרצויים, מה שגורר עלויות גבוהות יחסית.

1.4 הקצפה

שיטת הקצפת כרוכה בהוספת גז או חומרים שיכולים לייצר גז באמצעות עיבוד נוסף לגוף הירוק הקרמי או לחומר המבשר, ולאחר מכן סינטור שלו כדי לקבל קרמיקה סיליקון קרביד נקבובית. שלא כמו שיטות הכנה אחרות, שיטת ההקצפה היא תהליך יעיל להכנת קרמיקה בעלת תאים סגורים.

2. שיטה כימית

השיטה הכימית מתייחסת לעובדה שהמבנה הנקבובי בקרמיקה מסיליקון קרביד נקבובית נוצר על ידי פירוק או תגובה של מלחים אנאורגניים או חומרים אורגניים שנוספו, ומשאירים מקומות פנויים במקומות המקוריים. שיטות כימיות נפוצות להכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובית כוללות את שיטת הוספת חומר יוצר נקבוביות, שיטת הספגת קצף אורגני ושיטת התבנית הביולוגית ועוד.

2.1 הספגה בקצף אורגני

שיטת הספגת הקצף האורגני כוללת שימוש בקצף אורגני כתבנית, ציפוי אחיד של תרחיף הקרמיקה המוכן על התבנית או טבילת התבנית בתרחיף כדי להוציא אוויר, תוך הבטחה שהתרחיף יידבק באופן שווה לתבנית הקצף האורגני. לאחר מכן, באמצעות ייבוש וסינטור בטמפרטורה גבוהה, התבנית האורגנית מוסרת, ובכך מתקבלת קרמיקה נקבובית.

החיסרון המשמעותי ביותר של שיטה זו הוא שהיא אינה מסוגלת לייצר מוצרים בעלי נקבוביות סגורה וקטנה. הצורה מוגבלת וביצועי הפרפורם מושפעים מאוד מחומרי הגלם. קשה גם לשלוט בצפיפות ובחוזק של חומרי הקרמיקה הנקבוביים המוכנים.

2.2 שיטת הוספת חומרים יוצרי נקבוביות

הכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי על ידי הוספת חומרים יוצרי נקבוביות כרוכה בהוספת חומרים יוצרי נקבוביות לאבקת סיליקון קרביד או לחומרים קודמים, ולאחר מכן הסרת חומרי היוצרים נקבוביות באמצעות תהליכים נוספים. כתוצאה מכך, התפקידים שתפסו במקור חומרי היוצרים נקבוביות יוצרים נקבוביות, ולאחר מכן חימום וסינטור מתבצעים ליצירת קרמיקה נקבובית. לכן, שינוי סוג ומינון חומרי היוצרים נקבוביות יכול לשלוט בנוחות בנקבוביות, במורפולוגיה של הנקבוביות, בגודל הנקבוביות ובפיזור של הקרמיקה הנקבובית המוגמרת. סוגי חומרי היוצרים נקבוביות רבים מאוד, כולל פולימרים אורגניים טבעיים או סינתטיים, נוזלים, מלחים, קרמיקה או אבקות אחרות וכו'. תהליכי הסרת חומרי היוצרים נקבוביות שונים משתנים. חומרי יוצרי נקבוביות פולימריים אורגניים מוסרים בדרך כלל על ידי חימום ופירוק, חומרי יוצרי נקבוביות נוזליים ניתן להסיר באמצעות התגבשות וסובלימציה, מלחים ניתן להסיר על ידי סינון מים, ואבקות קרמיות ניתן להסיר על ידי סינון תמיסה מתאים.

2.3 שיטת תבנית ביולוגית

מבנה הנקבוביות המיקרוסקופי בחומרים ביולוגיים שונה באופן משמעותי מזה שבחומרים סינתטיים. בשל המבנה הייחודי שלו, הכנת חומרים קרמיים נקבוביים בעלי מבנים דומים באמצעות אורגניזמים כתבניות זכתה לתשומת לב נרחבת [10]. לשיטת התבנית הביולוגית ולשיטת הספגת הקצף האורגני יש קווי דמיון. שיטת הספגת הקצף האורגני משתמשת בספוג מלאכותי כתבנית, בעוד ששיטת התבנית הביולוגית משתמשת באורגניזמים טבעיים כתבנית.

לשיטת התבנית הביולוגית להכנת קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי יש יתרונות של תהליך פשוט ועלות נמוכה. היא יכולה לייצר קרמיקה בעלת צורות מורכבות ויכולה לשכפל את המבנה של חומרים ביולוגיים טבעיים במידה רבה. עם זאת, התבנית הביולוגית נוטה להיסדק במהלך תהליך הפחמן בטמפרטורה גבוהה, דבר המשפיע באופן משמעותי על התכונות המכניות של קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי. יתר על כן, מבנה הנקבוביות של קרמיקה מסיליקון קרביד נקבובי שהוכנה תלוי בעיקר במיקרו-מבנה של התבנית הביולוגית עצמה, ויכולת העיצוב שלה ירודה. בנוסף, לשיטה זו יש גם כמה חסרונות, כגון יעילות המרה נמוכה יחסית של SiC, נשירה קלה של שכבת התגובה של SiC ומחזור הכנה ארוך.