Silicio karbido (SiC) keramika jau seniai plačiai naudojama įvairiose pažangios gamybos srityse dėl didelio kietumo, didelio stiprumo, mažo šiluminio plėtimosi koeficiento, didelio šilumos laidumo, gero cheminio stabilumo, puikaus atsparumo šiluminiam smūgiui ir oksidacijai. Be minėtų silicio karbido keramikos savybių, porėta silicio karbido keramika, pasižyminti unikalia mikroskopine porėta struktūra, turi plačias taikymo perspektyvas tokiose srityse kaip metalurgija, chemijos inžinerija, aplinkos apsauga ir energetika, labai išplėsdama silicio karbido keramikos taikymo sritį.
Ypatingos savybėsporėtos silicio karbido keramikosdaugiausia naudos iš jų unikalios porėtos struktūros, kuri apima poringumą, porų dydį ir pasiskirstymą, porų formą ir kt. Todėl norint gauti norimą porėtą struktūrą, būtina reguliuoti jų poringumą, porų dydį ir pasiskirstymą, taip pat porų formą paruošimo metodu. Todėl jų paruošimo metodas visada buvo žmonių tyrimų dėmesio centre. Šiame straipsnyje daugiausia apžvelgiama pastaraisiais metais šalyje ir užsienyje atliktų porėtų silicio karbido keramikos paruošimo metodų tyrimų pažanga.
1. Fizinis metodas
Fizinis metodas reiškia, kad porėtoje silicio karbido keramikoje susidarančios tuštumos susidaro dėl daugybės fizikinių reiškinių gamybos proceso metu, be cheminių reakcijų ar naujų medžiagų susidarymo. Pagrindinis mechanizmas yra porėtos struktūros formavimas, naudojant kietųjų medžiagų terminio susitraukimo, skystosios fazės išgaravimo ir tiesioginės kietosios fazės sublimacijos paliktas tuštumas. Įprasti metodai apima dalelių kaupimo metodą, šaldymo-džiovinimo metodą, zolio-gelio metodą ir kt. Pastaraisiais metais atsiradusi 3D spausdinimo technologija taip pat gali būti naudojama tiesiogiai spausdinti ir paruošti porėtas struktūras.
1.1 Dalelių kaupimo metodas
Dalelių pakavimo sukepinimo metodas yra paprasčiausias būdas paruošti porėtą silicio karbido keramiką. Šio metodo principas yra išnaudoti pačių keramikos dalelių sukepinimo savybes, kad būtų suformuoti sukepinimo kakleliai tarp skirtingų SiC dalelių, taip sudarant sąlygas dalelėms kauptis ir suformuoti porėtą keramiką. Norint sumažinti sukepinimo temperatūrą, paprastai pridedamas tam tikras kiekis rišiklio, kurio lydymosi temperatūra žemesnė, kad susidarytų jungtis tarp skirtingų SiC dalelių. Kadangi visos poros dalelių pakavimo sukepinimo metodu transformuojamos iš pakavimo tarpų tarp SiC dalelių, gatavo porėtos keramikos poringumą ir porų dydį galima kontroliuoti keičiant miltelių dydį, rišiklio tipą ir kiekį bei sukepinimo parametrus.
Porėtos silicio karbido keramikos paruošimas dalelių kaupimo metodu nereikalauja papildomų poras formuojančių medžiagų. Procesas yra paprastas ir gana lengvai kontroliuojamas. Tačiau šiuo metodu pagamintos porėtos keramikos poringumas paprastai yra mažas. Porų formą, porų dydį ir poringumą daugiausia lemia žaliavos dalelių forma, dalelių dydis ir pasiskirstymas, taip pat sukepinimo laipsnis.
1.2 Šaldymo džiovinimo metodas
Šaltinis džiovinimas – tai metodas, kurio metu keraminiai užpildai tolygiai sumaišomi su vandeniu arba organiniais tirpikliais, esant atitinkamam kiekiui dispergentų arba rišiklių, kad susidarytų suspensija. Tada gerai sumaišyta suspensija supilama į formą ir greitai užšaldoma žemoje temperatūroje, kad skystosios fazės matrica greitai sukietėtų į kietą medžiagą. Vėliau sukietėjusi kietoji fazė sublimuojama ir pašalinama mažinant slėgį arba vakuuminiu džiovinimu. Tai metodas, leidžiantis gauti žalią kūną su kryptingai išdėstytomis porų struktūromis, paliktomis suspensijos viduje, ir galiausiai jį sukepinti, kad būtų pagaminta porėta silicio karbido keramika.
1.3 3D spausdinimo metodas
3D spausdinimo metodas porėtai silicio karbido keramikai paruošti yra naujas pastaraisiais metais sukurtas paruošimo proceso tipas. Šis procesas remiasi trimačiu duomenų modeliu, sukurtu kompiuterinės pagalbos pagalba. Per spausdinimo galvutę rišiklis purškiamas, kad žaliavos milteliai sluoksnis po sluoksnio sudėtų į trimatę tinklo struktūrą. 3D spausdinimo ir reakcinio sukepinimo procesų derinys gali pasiekti gamybą be formų ir beveik grynojo dydžio sudėtingos formos keramikos formavimą.
3D spausdinimo metodas, skirtas porėtai silicio karbido keramikai gaminti, pasižymi paprastu formavimo procesu, dideliu paruošimo ir apdorojimo efektyvumu bei nereikalauja formų. Jis gali būti naudojamas ne tik sudėtingų formų, vienodų mikrostruktūrų ir gero porų sujungimo porėtai silicio karbido keramikai gaminti, bet ir kontroliuojamas bei reguliuojamas porėtos keramikos poringumas bei porų dydis. Tačiau šiuo metu šis metodas vis dar yra tiriamojoje tyrimų stadijoje, todėl proceso parametrus dar reikia optimizuoti. Be to, šiuo metodu sunku vienu etapu paruošti didelio stiprumo porėtą silicio karbido keramiką. Norint pagaminti norimus produktus, reikia kitų procesų pagalbos, o tai kainuoja gana brangiai.
1.4 Putavimas
Putojimo formavimo metodas apima dujų arba medžiagų, kurios vėliau apdorojant gali išskirti dujas, pridėjimą prie keraminio žalio korpuso arba pirmtako, o po to jo sukepinimą, kad būtų gauta porėta silicio karbido keramika. Skirtingai nuo kitų paruošimo būdų, putojimo metodas yra efektyvus uždarų porų keramikos gamybos procesas.
2. Cheminis metodas
Cheminis metodas reiškia, kad porėta silicio karbido keramika susidaro skaidantis arba reaguojant neorganinėms druskoms arba pridėtoms organinėms medžiagoms, paliekant laisvas vietas pradinėse vietose. Įprasti cheminiai porėtos silicio karbido keramikos gamybos metodai apima poras formuojančių medžiagų pridėjimo metodą, organinių putų impregnavimo metodą, biologinio šablono metodą ir kt.
2.1 Organinių putų impregnavimas
Organinių putų impregnavimo metodas apima organinių putų naudojimą kaip šabloną, tolygiai padengiant paruoštą keraminę suspensiją šablonu arba šabloną panardinant į suspensiją, kad būtų išstumtas oras, užtikrinant, kad suspensija tolygiai priliptų prie organinių putų šablono. Tada, džiovinant ir sukepinant aukštoje temperatūroje, organinis šablonas pašalinamas, taip gaunant porėtą keramiką.
Svarbiausias šio metodo trūkumas yra tas, kad juo negalima pagaminti smulkių porų uždaro poringumo gaminių. Ruošinio forma yra ribota, o jo eksploatacinėms savybėms didelę įtaką daro žaliavos. Taip pat sunku kontroliuoti paruoštų porėtų keraminių medžiagų tankį ir stiprumą.
2.2 Poras formuojančių medžiagų pridėjimo metodas
Porėtos silicio karbido keramikos paruošimas pridedant poras formuojančių medžiagų apima poras formuojančių medžiagų pridėjimą prie silicio karbido miltelių arba pirmtakų, o po to poras formuojančių medžiagų pašalinimą vėlesniais procesais. Dėl to poras formuojančios medžiagos iš pradžių užimamose vietose susidaro poros, o tada atliekamas kaitinimas ir sukepinimas, kad susidarytų porėta keramika. Todėl keičiant poras formuojančių medžiagų tipą ir dozę galima patogiai kontroliuoti gatavo porėtos keramikos poringumą, porų morfologiją, porų dydį ir pasiskirstymą. Poras formuojančių medžiagų rūšys yra labai plačios, įskaitant natūralius arba sintetinius organinius polimerus, skysčius, druskas, keramiką ar kitus miltelius ir kt. Skirtingų poras formuojančių medžiagų šalinimo procesai skiriasi. Organinės polimerinės poras formuojančios medžiagos paprastai pašalinamos kaitinant ir skaidant, skystos poras formuojančios medžiagos gali būti pašalintos kristalizacijos ir sublimacijos būdu, druskos gali būti pašalintos vandens filtravimo būdu, o keramikos milteliai gali būti pašalinti tinkamu tirpalo filtravimo būdu.
2.3 Biologinio šablono metodas
Biomedžiagų mikroskopinė porų struktūra gerokai skiriasi nuo sintetinių medžiagų porų struktūros. Dėl unikalios struktūros, porėtų keraminių medžiagų su panašia struktūra gavimas naudojant organizmus kaip šablonus sulaukė didelio dėmesio [10]. Biologinio šablono metodas ir organinių putų impregnavimo metodas turi panašumų. Organinių putų impregnavimo metode kaip šablonas naudojama dirbtinė kempinė, o biologinio šablono metode – natūralūs organizmai.
Biologinio šablono metodas porėtai silicio karbido keramikai gaminti pasižymi paprastu procesu ir mažomis sąnaudomis. Juo galima pagaminti sudėtingų formų keramiką ir maksimaliai atkartoti natūralių biologinių medžiagų struktūrą. Tačiau biologinis šablonas yra linkęs įtrūkti aukštoje temperatūroje vykstančio karbonizacijos proceso metu, o tai daro didelę įtaką porėtos silicio karbido keramikos mechaninėms savybėms. Be to, paruoštos porėtos silicio karbido keramikos porų struktūra daugiausia priklauso nuo paties biologinio šablono mikrostruktūros, o jos projektavimo galimybės yra prastos. Šis metodas taip pat turi tam tikrų trūkumų, tokių kaip santykinai mažas SiC konversijos efektyvumas, lengvas SiC reakcijos sluoksnio nukritimas ir ilgas paruošimo ciklas.
Įrašo laikas: 2025 m. liepos 22 d.