რა არის ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადების მეთოდი?

სილიციუმის კარბიდის (SiC) კერამიკა დიდი ხანია ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა მოწინავე წარმოების სფეროში მათი მაღალი სიმტკიცის, მაღალი სიმტკიცის, თერმული გაფართოების მცირე კოეფიციენტის, მაღალი თბოგამტარობის, კარგი ქიმიური სტაბილურობის, შესანიშნავი თერმული დარტყმისადმი მდგრადობის და დაჟანგვისადმი მდგრადობის გამო. სილიციუმის კარბიდის კერამიკის ზემოთ აღნიშნული მახასიათებლების გარდა, ფოროვან სილიციუმის კარბიდის კერამიკას, თავისი უნიკალური მიკროსკოპული ფოროვანი სტრუქტურით, ფართო გამოყენების პერსპექტივები აქვს ისეთ სფეროებში, როგორიცაა მეტალურგია, ქიმიური ინჟინერია, გარემოს დაცვა და ენერგეტიკა, რაც მნიშვნელოვნად აფართოებს სილიციუმის კარბიდის კერამიკის გამოყენების ფარგლებს.

განსაკუთრებული თვისებებიფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკაძირითადად სარგებლობენ მათი უნიკალური ფოროვანი სტრუქტურით, რომელიც მოიცავს ფორიანობას, ფორების ზომასა და განაწილებას, ფორების ფორმას და ა.შ. ამიტომ, სასურველი ფოროვანი სტრუქტურის მისაღებად აუცილებელია მისი ფორიანობის, ფორების ზომისა და განაწილების, ასევე ფორების ფორმის რეგულირება მომზადების მეთოდით. ​​ამიტომ, მისი მომზადების მეთოდი ყოველთვის იყო ხალხური კვლევის ფოკუსი. ეს სტატია ძირითადად განიხილავს ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადების მეთოდებში ბოლო წლებში ქვეყნის შიგნით და მის ფარგლებს გარეთ მიღწეულ კვლევის პროგრესს.

1. ფიზიკური მეთოდი

ფიზიკური მეთოდი გულისხმობს იმ ფაქტს, რომ ფოროვან სილიციუმის კარბიდის კერამიკაში სიცარიელეები გამოწვეულია მომზადების პროცესში ფიზიკური მოვლენების სერიით, ქიმიური რეაქციების ან ახალი ნივთიერებების წარმოქმნის გარეშე. მთავარი მექანიზმია ფოროვანი სტრუქტურის ფორმირება მყარი ნივთიერებების თერმული შეკუმშვის, თხევადი ფაზის აორთქლებისა და მყარი ფაზის პირდაპირი სუბლიმაციის შედეგად დარჩენილ სიცარიელეებზე დაყრდნობით. გავრცელებული მეთოდებია ნაწილაკების დაწყობის მეთოდი, გაყინვით გაშრობის მეთოდი, სოლ-გელის მეთოდი და ა.შ. ბოლო წლებში გაჩენილი 3D ბეჭდვის ტექნოლოგია ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფოროვანი სტრუქტურების პირდაპირი ბეჭდვისა და მომზადებისთვის.

1.1 ნაწილაკების დაწყობის მეთოდი

ნაწილაკების შეფუთვის სინთეზირების მეთოდი ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადების უმარტივესი გზაა. ამ მეთოდის პრინციპია თავად კერამიკული ნაწილაკების სინთეზირების მახასიათებლების გამოყენება სხვადასხვა SiC ნაწილაკებს შორის სინთეზირების ყელების შესაქმნელად, რითაც ნაწილაკების დაგროვება ხდება ფოროვანი კერამიკის ფორმირებისთვის. სინთეზირების ტემპერატურის შესამცირებლად, ჩვეულებრივ, ემატება გარკვეული რაოდენობის შემაკავშირებელი უფრო დაბალი დნობის წერტილით, რათა შეიქმნას კავშირი სხვადასხვა SiC ნაწილაკებს შორის. რადგან ნაწილაკების შეფუთვის სინთეზირების მეთოდის ყველა ფორი გარდაიქმნება SiC ნაწილაკებს შორის შეფუთვის ნაპრალებიდან, დასრულებული ფოროვანი კერამიკის ფორიანობისა და ფორების ზომის კონტროლი შესაძლებელია ფხვნილის ზომის, შემაკავშირებლის ტიპისა და დამატების რაოდენობის, ასევე სინთეზირების პარამეტრების შეცვლით.

ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის ნაწილაკების დაწყობის მეთოდით მომზადება არ საჭიროებს დამატებითი ფორების წარმომქმნელი აგენტების დამატებას. პროცესი მარტივი და შედარებით ადვილი საკონტროლოა. თუმცა, ამ მეთოდით მომზადებული ფოროვანი კერამიკის ფორიანობა ზოგადად დაბალია. ფორების ფორმა, ფორების ზომა და ფორიანობა ძირითადად განისაზღვრება ნედლეულის ნაწილაკების ფორმით, ნაწილაკების ზომით და განაწილებით, ასევე შედუღების ხარისხით.

1.2 გაყინვით გაშრობის მეთოდი

გაყინვით გაშრობა არის მეთოდი, რომელიც გულისხმობს კერამიკული აგრეგატების ერთგვაროვან შერევას წყალთან ან ორგანულ გამხსნელებთან დისპერსანტების ან შემკვრელების შესაბამისი რაოდენობის თანაობისას სუსპენზიის მისაღებად. შემდეგ, კარგად შერეული სუსპენზია იყრება ყალიბში და სწრაფად იყინება დაბალ ტემპერატურაზე, რაც თხევადი ფაზის მატრიცას საშუალებას აძლევს სწრაფად გამყარდეს მყარ ნივთიერებად. შემდგომში, გამყარებული მყარი ფაზა სუბლიმირდება და იხსნება წნევის შემცირებით ან ვაკუუმური გაშრობით. მეთოდი, რომლის დროსაც მიიღება მწვანე სხეული, რომლის ფოროვანი სტრუქტურები სუსპენზიის შიგნით რჩება და საბოლოოდ იწვება ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მისაღებად.

1.3 3D ბეჭდვის მეთოდი

ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის დასამზადებლად 3D ბეჭდვის მეთოდი მომზადების ახალი ტიპის პროცესია, რომელიც ბოლო წლებში განვითარდა. ეს პროცესი ეფუძნება კომპიუტერული დახმარებით შექმნილ სამგანზომილებიან მონაცემთა მოდელს. საბეჭდი თავის მეშვეობით, შემაკავშირებელი ნივთიერება იფრქვევა ნედლეულის ფხვნილის ფენა-ფენად დასაწყობად სამგანზომილებიან ქსელურ სტრუქტურაში. 3D ბეჭდვისა და რეაქტიული სინთეზირების პროცესების კომბინაციით შესაძლებელია ობის გარეშე წარმოებისა და რთული ფორმის კერამიკის ბადისებრ ზომასთან ახლოს ფორმირების მიღწევა.

ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის დასამზადებლად 3D ბეჭდვის მეთოდი გამოირჩევა მარტივი ფორმირების პროცესით, მომზადებისა და დამუშავების მაღალი ეფექტურობით და ყალიბების საჭიროებისგან თავის დაღწევით. მისი გამოყენება შესაძლებელია არა მხოლოდ რთული ფორმების, ერთგვაროვანი მიკროსტრუქტურებისა და ფორებთან კარგი შეერთების მქონე ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის დასამზადებლად, არამედ ფოროვანი კერამიკის ფორიანობა და ფორების ზომა კონტროლირებადი და რეგულირებადია. თუმცა, ეს მეთოდი ამჟამად კვლევის ეტაპზეა და პროცესის პარამეტრები კვლავ საჭიროებს შემდგომ ოპტიმიზაციას. გარდა ამისა, ამ მეთოდით რთულია მაღალი სიმტკიცის ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის ერთ ეტაპად მომზადება. სასურველი პროდუქტების მისაღებად საჭიროა სხვა პროცესების დახმარება, რაც შედარებით მაღალ ხარჯებს იწვევს.

1.4 ქაფი

ქაფიანი ჩამოსხმის მეთოდი გულისხმობს კერამიკულ მწვანე სხეულს ან წინამორბედს გაზის ან ისეთი ნივთიერებების დამატებას, რომლებსაც შეუძლიათ გაზის წარმოქმნა შემდგომი დამუშავების გზით, შემდეგ კი მის შედუღებას ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მისაღებად. სხვა მომზადების მეთოდებისგან განსხვავებით, ქაფიანი ჩამოსხმის მეთოდი დახურული უჯრედის კერამიკის მომზადების ეფექტური პროცესია.

2. ქიმიური მეთოდი

ქიმიური მეთოდი გულისხმობს იმ ფაქტს, რომ ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის ფოროვანი სტრუქტურა წარმოიქმნება არაორგანული მარილების ან დამატებული ორგანული ნივთიერებების დაშლის ან რეაქციის შედეგად, რაც საწყის პოზიციებზე ვაკანსიებს ტოვებს. ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადების გავრცელებული ქიმიური მეთოდებია ფორების წარმომქმნელი აგენტის დამატების მეთოდი, ორგანული ქაფის გაჟღენთვის მეთოდი და ბიოლოგიური შაბლონის მეთოდი და ა.შ.

2.1 ორგანული ქაფის გაჟღენთვა

ორგანული ქაფის გაჟღენთვის მეთოდი გულისხმობს ორგანული ქაფის გამოყენებას შაბლონად, მომზადებული კერამიკული სუსპენზიის თანაბრად დაფარვას შაბლონზე ან შაბლონის ჩაძირვას სუფრაში ჰაერის გამოსადევნად, რათა უზრუნველყოფილი იყოს სუსპენზიის თანაბრად მიკვრა ორგანული ქაფის შაბლონზე. შემდეგ, გაშრობისა და მაღალტემპერატურული შედუღების გზით, ორგანული შაბლონი შორდება, რითაც მიიღება ფოროვანი კერამიკა.

ამ მეთოდის ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაკლი ის არის, რომ მისი მეშვეობით შეუძლებელია მცირე ფორებით დახურული ფორიანობის მქონე პროდუქტების წარმოება. ფორმა შეზღუდულია და პრეფორმის მუშაობაზე მნიშვნელოვნად მოქმედებს ნედლეული. ასევე რთულია მომზადებული ფოროვანი კერამიკული მასალების სიმკვრივისა და სიმტკიცის კონტროლი.

2.2 ფორების წარმომქმნელი აგენტების დამატების მეთოდი

ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადება ფორების წარმომქმნელი აგენტების დამატებით გულისხმობს ფორების წარმომქმნელი აგენტების დამატებას სილიციუმის კარბიდის ფხვნილში ან პრეკურსორებს, შემდეგ კი ფორების წარმომქმნელი აგენტების მოცილებას შემდგომი პროცესებით. შედეგად, ფორების წარმომქმნელი აგენტების მიერ თავდაპირველად დაკავებული პოზიციები ქმნის ფორებს, შემდეგ კი ხდება გათბობა და შედუღება ფოროვანი კერამიკის ფორმირებისთვის. ამიტომ, ფორების წარმომქმნელი აგენტების ტიპისა და დოზის შეცვლა მოხერხებულად აკონტროლებს მზა ფოროვანი კერამიკის ფორიანობას, ფორების მორფოლოგიას, ფორების ზომას და განაწილებას. ფორების წარმომქმნელი აგენტების ტიპები ძალიან ფართოა, მათ შორის ბუნებრივი ან სინთეზური ორგანული პოლიმერები, სითხეები, მარილები, კერამიკა ან სხვა ფხვნილები და ა.შ. სხვადასხვა ფორების წარმომქმნელი აგენტების მოცილების პროცესები განსხვავებულია. ორგანული პოლიმერული ფორების წარმომქმნელი აგენტები ჩვეულებრივ შორდებიან გათბობით და დაშლით, თხევადი ფორების წარმომქმნელი აგენტების მოცილება შესაძლებელია კრისტალიზაციისა და სუბლიმაციის გზით, მარილების მოცილება შესაძლებელია წყლის ფილტრაციით, ხოლო კერამიკული ფხვნილების მოცილება შესაძლებელია შესაბამისი ხსნარის ფილტრაციით.

2.3 ბიოლოგიური შაბლონის მეთოდი

ბიომასალების მიკროსკოპული ფორების სტრუქტურა მნიშვნელოვნად განსხვავდება სინთეზური მასალებისგან. უნიკალური სტრუქტურის გამო, მსგავსი სტრუქტურების მქონე ფოროვანი კერამიკული მასალების მომზადებამ ორგანიზმების, როგორც შაბლონების გამოყენებით ფართო ყურადღება მიიპყრო [10]. ბიოლოგიური შაბლონის მეთოდსა და ორგანული ქაფის გაჟღენთვის მეთოდს აქვთ მსგავსება. ორგანული ქაფის გაჟღენთვის მეთოდი შაბლონად იყენებს ხელოვნურ ღრუბელს, ხოლო ბიოლოგიური შაბლონის მეთოდი შაბლონად იყენებს ბუნებრივ ორგანიზმებს.

ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მოსამზადებლად ბიოლოგიური შაბლონის მეთოდს აქვს მარტივი პროცესისა და დაბალი ღირებულების უპირატესობები. მისი საშუალებით შესაძლებელია რთული ფორმების კერამიკის წარმოება და ბუნებრივი ბიოლოგიური მასალების სტრუქტურის უდიდესი ხარისხით რეპლიკაცია. თუმცა, ბიოლოგიური შაბლონი მიდრეკილია ბზარებისკენ მაღალტემპერატურულ კარბონიზაციის პროცესში, რაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მექანიკურ თვისებებზე. გარდა ამისა, მომზადებული ფოროვანი სილიციუმის კარბიდის კერამიკის ფორების სტრუქტურა ძირითადად დამოკიდებულია თავად ბიოლოგიური შაბლონის მიკროსტრუქტურაზე და მისი დიზაინი ცუდია. გარდა ამისა, ამ მეთოდს ასევე აქვს გარკვეული ნაკლოვანებები, როგორიცაა SiC-ის შედარებით დაბალი გარდაქმნის ეფექტურობა, SiC რეაქციის ფენის მარტივი მოცილება და ხანგრძლივი მომზადების ციკლი.