Кремний карбиді (SiC) керамикасы жоғары қаттылығы, жоғары беріктігі, жылу кеңеюінің төмен коэффициенті, жоғары жылу өткізгіштігі, жақсы химиялық тұрақтылығы, тамаша жылу соққысына төзімділігі және тотығуға төзімділігі арқасында әртүрлі озық өндіріс салаларында кеңінен қолданылып келеді. Кремний карбиді керамикасының жоғарыда аталған сипаттамаларынан басқа, бірегей микроскопиялық кеуекті құрылымы бар кеуекті кремний карбиді керамикасы металлургия, химиялық инженерия, қоршаған ортаны қорғау және энергетика сияқты салаларда кең қолдану перспективаларына ие, бұл кремний карбиді керамикасының қолданылу аясын айтарлықтай кеңейтеді.
Ерекше қасиеттерікеуекті кремний карбиді керамикасынегізінен олардың бірегей кеуекті құрылымынан, оның ішінде кеуектілігінен, кеуек өлшемінен және таралуынан, кеуек пішінінен және т.б. пайда көреді. Сондықтан қажетті кеуекті құрылымды алу үшін дайындау әдісі арқылы оның кеуектілігін, кеуек өлшемінен және таралуынан, сондай-ақ кеуек пішінінен реттеу қажет. Сондықтан оны дайындау әдісі әрқашан адамдардың зерттеуінің басты назарында болды. Бұл мақалада соңғы жылдары отандық және шетелдегі кеуекті кремний карбидті керамикасын дайындау әдістерін зерттеудегі жетістіктер қарастырылады.
1. Физикалық әдіс
Физикалық әдіс кеуекті кремний карбидті керамикадағы бос орындардың химиялық реакциялар немесе жаңа заттардың пайда болуынсыз дайындау процесінде бірқатар физикалық құбылыстардың нәтижесінде пайда болатынын білдіреді. Негізгі механизм - қатты заттардың термиялық жиырылуы, сұйық фазаның булануы және қатты фазаның тікелей сублимациясы нәтижесінде пайда болатын бос орындарға сүйене отырып, кеуекті құрылымды қалыптастыру. Жалпы әдістерге бөлшектерді қабаттастыру әдісі, мұздатып кептіру әдісі, золь-гель әдісі және т.б. жатады. Соңғы жылдары пайда болған 3D басып шығару технологиясын кеуекті құрылымдарды тікелей басып шығару және дайындау үшін де пайдалануға болады.
1.1 Бөлшектерді қабаттастыру әдісі
Бөлшектерді орау арқылы күйдіру әдісі кеуекті кремний карбиді керамикасын дайындаудың ең қарапайым тәсілі болып табылады. Бұл әдістің принципі - керамикалық бөлшектердің өздерінің күйдіру өнімділігін пайдаланып, әртүрлі SiC бөлшектері арасында күйдіру мойындарын қалыптастыру, осылайша бөлшектердің жиналуы кеуекті керамиканың пайда болуына мүмкіндік береді. Күйдіру температурасын төмендету үшін әдетте әртүрлі SiC бөлшектері арасында байланыс қалыптастыру үшін балқу температурасы төмен белгілі бір мөлшерде байланыстырушы зат қосылады. Бөлшектерді орау арқылы күйдіру әдісіндегі барлық кеуектер SiC бөлшектері арасындағы саңылаулардан түрлендірілгендіктен, дайын кеуекті керамиканың кеуектілігі мен кеуек өлшемін ұнтақ өлшемін, байланыстырушы заттың түрі мен қосу мөлшерін және күйдіру параметрлерін өзгерту арқылы басқаруға болады.
Кеуекті кремний карбидті керамиканы бөлшектерді қабаттастыру әдісімен дайындау қосымша кеуек түзуші агенттерді қосуды қажет етпейді. Процесс қарапайым және салыстырмалы түрде оңай басқарылады. Дегенмен, бұл әдіспен дайындалған кеуекті керамиканың кеуектілігі әдетте төмен. Кеуектердің пішіні, кеуек өлшемі және кеуектілігі негізінен шикізат бөлшектерінің пішінімен, бөлшектердің өлшемімен және таралуымен, сондай-ақ күйдіру дәрежесімен анықталады.
1.2 Мұздатып кептіру әдісі
Мұздатып кептіру - бұл керамикалық агрегаттарды сумен немесе органикалық еріткіштермен тиісті мөлшерде диспергенттер немесе байланыстырғыштар болған кезде біркелкі араластырып, суспензия жасауды қамтитын әдіс. Содан кейін жақсы араласқан суспензия қалыпқа құйылып, төмен температурада тез мұздатады, бұл сұйық фазалық матрицаның тез қатты затқа айналуына мүмкіндік береді. Кейіннен қатқан қатты фаза сублимацияланады және қысымды төмендету немесе вакуумдық кептіру арқылы жойылады. Шламның ішінде қалдырылған бағытта орналасқан кеуекті құрылымдары бар жасыл денені алу және соңында оны кеуекті кремний карбиді керамикасын алу үшін күйдіру әдісі.
1.3 3D басып шығару әдісі
Кеуекті кремний карбиді керамикасын дайындаудың 3D басып шығару әдісі - соңғы жылдары дамыған жаңа дайындау процесінің түрі. Бұл процесс компьютерлік көмек көмегімен жасалған үш өлшемді деректер моделіне негізделген. Басып шығару басы арқылы байланыстырушы зат шашыратылып, шикізат ұнтағы қабат-қабат үш өлшемді желілік құрылымға жиналады. 3D басып шығару мен реакциялық күйдіру процестерінің үйлесімі күрделі пішінді керамиканы қалыпсыз өндіруге және тор өлшеміне жақын пішіндеуге қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Кеуекті кремний карбидті керамиканы дайындаудың 3D басып шығару әдісі қарапайым қалыптау процесімен, жоғары дайындау және өңдеу тиімділігімен және қалыптарды қажет етпеуімен ерекшеленеді. Оны тек күрделі пішінді, біркелкі микроқұрылымды және жақсы кеуекті байланысы бар кеуекті кремний карбидті керамиканы дайындау үшін ғана емес, сонымен қатар кеуекті керамиканың кеуектілігі мен кеуек өлшемін басқаруға және реттеуге болады. Дегенмен, бұл әдіс қазіргі уақытта әлі де зерттеу сатысында және процесс параметрлерін одан әрі оңтайландыру қажет. Сонымен қатар, бұл әдіс жоғары беріктігі бар кеуекті кремний карбидті керамиканы бір қадамда дайындау қиын. Қажетті өнімдерді алу үшін басқа процестердің көмегін қажет етеді, бұл салыстырмалы түрде жоғары шығындарды қажет етеді.
1.4 Көбіктену
Көбіктеніп қалыптау әдісі керамикалық жасыл корпусқа немесе прекурсорға кейінгі өңдеу арқылы газ немесе газ түзе алатын заттарды қосуды, содан кейін кеуекті кремний карбиді керамикасын алу үшін оны күйдіруді қамтиды. Басқа дайындау әдістерінен айырмашылығы, көбіктену әдісі жабық ұяшықты керамиканы дайындаудың тиімді процесі болып табылады.
2. Химиялық әдіс
Химиялық әдіс кеуекті кремний карбидті керамикадағы кеуекті құрылым бейорганикалық тұздардың немесе қосылған органикалық заттардың ыдырауы немесе реакциясы арқылы пайда болатындығын, нәтижесінде бастапқы орындарда бос орындар қалатындығын білдіреді. Кеуекті кремний карбидті керамикасын дайындаудың кең таралған химиялық әдістеріне кеуекті түзуші агентті қосу әдісі, органикалық көбікті сіңдіру әдісі және биологиялық шаблон әдісі және т.б. жатады.
2.1 Органикалық көбікті сіңдіру
Органикалық көбікті сіңдіру әдісі органикалық көбікті шаблон ретінде пайдалануды, дайындалған керамикалық ерітіндіні шаблонға біркелкі жағуды немесе ауаны шығару үшін шаблонды ерітіндіге батыруды, ерітіндінің органикалық көбік шаблонына біркелкі жабысуын қамтамасыз етуді қамтиды. Содан кейін кептіру және жоғары температурада күйдіру арқылы органикалық шаблон алынып, кеуекті керамика алынады.
Бұл әдістің ең маңызды кемшілігі - ол ұсақ кеуекті жабық кеуекті өнімдерді шығара алмайды. Пішіні шектеулі және дайындама өнімділігіне шикізат қатты әсер етеді. Дайындалған кеуекті керамикалық материалдардың тығыздығы мен беріктігін бақылау да қиын.
2.2 Тері тесігін түзетін агенттерді қосу әдісі
Кеуекті кремний карбидті керамиканы кеуек түзетін агенттерді қосу арқылы дайындау кремний карбид ұнтағына немесе прекурсорларына кеуек түзетін агенттерді қосуды, содан кейін кеуек түзетін агенттерді кейінгі процестер арқылы алып тастауды қамтиды. Нәтижесінде, кеуек түзетін агенттер бастапқыда атқарған орындар кеуектерді құрайды, содан кейін кеуекті керамиканы қалыптастыру үшін қыздыру және күйдіру жүзеге асырылады. Сондықтан, кеуек түзетін агенттердің түрі мен мөлшерін өзгерту дайын кеуекті керамиканың кеуектілігін, кеуек морфологиясын, кеуек өлшемін және таралуын ыңғайлы түрде басқаруға мүмкіндік береді. Кеуек түзетін агенттердің түрлері өте кең, соның ішінде табиғи немесе синтетикалық органикалық полимерлер, сұйықтықтар, тұздар, керамика немесе басқа ұнтақтар және т.б. Әр түрлі кеуек түзетін агенттерді жою процестері әртүрлі. Органикалық полимер кеуек түзетін агенттер әдетте қыздыру және ыдырау арқылы, сұйық кеуек түзетін агенттерді кристалдану және сублимация арқылы, тұздарды су сүзу арқылы, ал керамикалық ұнтақтарды тиісті ерітінді сүзу арқылы алып тастауға болады.
2.3 Биологиялық шаблон әдісі
Биоматериалдардағы микроскопиялық кеуек құрылымы синтетикалық материалдардағыдан айтарлықтай ерекшеленеді. Өзінің ерекше құрылымына байланысты, шаблон ретінде организмдерді пайдаланып, ұқсас құрылымдары бар кеуекті керамикалық материалдарды дайындау кеңінен назар аударды [10]. Биологиялық шаблон әдісі мен органикалық көбікті сіңдіру әдісі ұқсастықтарға ие. Органикалық көбікті сіңдіру әдісі шаблон ретінде жасанды губканы пайдаланады, ал биологиялық шаблон әдісі шаблон ретінде табиғи организмдерді пайдаланады.
Кеуекті кремний карбидті керамиканы дайындаудың биологиялық шаблон әдісінің қарапайым процесі мен арзан құнының артықшылықтары бар. Ол күрделі пішінді керамика шығара алады және табиғи биологиялық материалдардың құрылымын барынша қайталай алады. Дегенмен, биологиялық шаблон жоғары температуралы көміртектену процесінде жарылуға бейім, бұл кеуекті кремний карбидті керамиканың механикалық қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді. Сонымен қатар, дайындалған кеуекті кремний карбидті керамиканың кеуекті құрылымы негізінен биологиялық шаблонның өзінің микроқұрылымына байланысты және оның жобалау мүмкіндігі нашар. Сонымен қатар, бұл әдістің SiC түрлендіру тиімділігінің салыстырмалы түрде төмен болуы, SiC реакция қабатының оңай төгілуі және ұзақ дайындау циклі сияқты кейбір кемшіліктері де бар.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 22 шілде