Silīcija karbīda (SiC) keramika jau sen ir plaši izmantota dažādās progresīvās ražošanas jomās, pateicoties tās augstajai cietībai, augstajai izturībai, mazajam termiskās izplešanās koeficientam, augstajai siltumvadītspējai, labai ķīmiskajai stabilitātei, lieliskajai termiskā trieciena izturībai un oksidēšanās izturībai. Papildus iepriekšminētajām silīcija karbīda keramikas īpašībām, porainajai silīcija karbīda keramikai ar savu unikālo mikroskopisko poraino struktūru ir plašas pielietojuma iespējas tādās jomās kā metalurģija, ķīmiskā inženierija, vides aizsardzība un enerģētika, ievērojami paplašinot silīcija karbīda keramikas pielietojuma jomu.
Īpašās īpašībasporaina silīcija karbīda keramikagalvenokārt gūst labumu no to unikālās porainās struktūras, kas ietver porainību, poru izmēru un sadalījumu, kā arī poru formu utt. Tāpēc ir nepieciešams regulēt to porainību, poru izmēru un sadalījumu, kā arī poru formu, izmantojot sagatavošanas metodi, lai iegūtu vēlamo poraino struktūru. Tāpēc to sagatavošanas metode vienmēr ir bijusi cilvēku pētījumu uzmanības centrā. Šajā rakstā galvenokārt tiek apskatīts porainas silīcija karbīda keramikas sagatavošanas metožu pētījumu progress pēdējos gados gan mājās, gan ārzemēs.
1. Fiziskā metode
Fizikālā metode attiecas uz faktu, ka porainas silīcija karbīda keramikas tukšumus rada virkne fizikālu parādību sagatavošanas procesā, neradot ķīmiskas reakcijas vai jaunu vielu veidošanos. Galvenais mehānisms ir porainas struktūras veidošana, izmantojot tukšumus, kas radušies cietvielu termiskās saraušanās, šķidrās fāzes iztvaikošanas un cietās fāzes tiešas sublimācijas rezultātā. Izplatītākās metodes ietver daļiņu kraušanas metodi, saldēšanas žāvēšanas metodi, sol-gēla metodi utt. Pēdējos gados parādījusies 3D drukāšanas tehnoloģija var tikt izmantota arī porainu struktūru tiešai drukāšanai un sagatavošanai.
1.1 Daļiņu sakraušanas metode
Daļiņu pakošanas sintēzes metode ir vienkāršākais veids, kā sagatavot porainu silīcija karbīda keramiku. Šīs metodes princips ir izmantot pašu keramikas daļiņu sintēzes veiktspēju, lai veidotu sintēzes kakliņus starp dažādām SiC daļiņām, tādējādi nodrošinot daļiņu uzkrāšanos porainas keramikas veidošanā. Lai pazeminātu sintēzes temperatūru, parasti pievieno noteiktu daudzumu saistvielas ar zemāku kušanas temperatūru, lai izveidotu savienojumu starp dažādām SiC daļiņām. Tā kā visas poras daļiņu pakošanas sintēzes metodē tiek pārveidotas no SiC daļiņu pildīšanas spraugām, gatavās porainās keramikas porainību un poru izmēru var kontrolēt, mainot pulvera izmēru, saistvielas veidu un pievienošanas daudzumu, kā arī sintēzes parametrus.
Porainas silīcija karbīda keramikas sagatavošanai ar daļiņu sakraušanas metodi nav nepieciešams pievienot papildu poras veidojošus līdzekļus. Process ir vienkāršs un relatīvi viegli kontrolējams. Tomēr ar šo metodi sagatavotās porainās keramikas porainība parasti ir zema. Poru formu, poru izmēru un porainību galvenokārt nosaka izejmateriāla daļiņu forma, daļiņu izmērs un sadalījums, kā arī saķepināšanas pakāpe.
1.2 Saldžāvēšanas metode
Saldžāvēšana ir metode, kurā keramikas agregātus vienmērīgi sajauc ar ūdeni vai organiskajiem šķīdinātājiem atbilstoša daudzuma disperģētāju vai saistvielu klātbūtnē, lai izveidotu suspensiju. Pēc tam labi sajaukto suspensiju ielej veidnē un ātri sasaldē zemā temperatūrā, ļaujot šķidrās fāzes matricai ātri sacietēt cietā vielā. Pēc tam sacietējušo cieto fāzi sublimē un noņem, izmantojot spiediena samazināšanas vai vakuuma žāvēšanas apstrādi. Šī metode ir zaļa ķermeņa iegūšana ar virzīti sakārtotām poru struktūrām, kas paliek suspensijas iekšpusē, un visbeidzot tā saķepināšana, lai iegūtu porainu silīcija karbīda keramiku.
1.3 3D drukāšanas metode
3D drukāšanas metode porainas silīcija karbīda keramikas sagatavošanai ir jauns sagatavošanas procesa veids, kas ir attīstījies pēdējos gados. Šis process balstās uz trīsdimensiju datu modeli, kas izstrādāts ar datora palīdzību. Caur drukas galviņu tiek izsmidzināta saistviela, lai izejmateriāla pulveris slāni pa slānim veidotu trīsdimensiju tīkla struktūru. 3D drukāšanas un reakcijas sintēzes procesu kombinācija var panākt ražošanu bez veidnes un sarežģītas formas keramikas formēšanu gandrīz tīrā izmērā.
3D drukāšanas metode porainas silīcija karbīda keramikas izgatavošanai izceļas ar vienkāršu formēšanas procesu, augstu sagatavošanas un apstrādes efektivitāti un nepieciešamību pēc veidnēm. To var izmantot ne tikai porainas silīcija karbīda keramikas izgatavošanai ar sarežģītām formām, vienmērīgām mikrostruktūrām un labu poru savienojamību, bet arī porainās keramikas porainību un poru izmēru var kontrolēt un regulēt. Tomēr šī metode pašlaik joprojām atrodas izpētes stadijā, un procesa parametri vēl ir jāturpina optimizēt. Turklāt šī metode sarežģī augstas stiprības porainas silīcija karbīda keramikas izgatavošanu vienā posmā. Vēlamo produktu ražošanai nepieciešama citu procesu palīdzība, kas rada salīdzinoši augstas izmaksas.
1.4 Putošana
Putošanas formēšanas metode ietver gāzes vai vielu pievienošanu keramikas materiālam vai prekursoram, kas var radīt gāzi, veicot turpmāku apstrādi, un pēc tam to saķepinot, lai iegūtu porainu silīcija karbīda keramiku. Atšķirībā no citām sagatavošanas metodēm, putošanas metode ir efektīvs process slēgtu šūnu keramikas sagatavošanai.
2. Ķīmiskā metode
Ķīmiskā metode attiecas uz faktu, ka porainā silīcija karbīda keramikā porainā struktūra veidojas neorganisko sāļu vai pievienoto organisko vielu sadalīšanās vai reakcijas rezultātā, atstājot vakances sākotnējās pozīcijās. Izplatītākās ķīmiskās metodes porainas silīcija karbīda keramikas pagatavošanai ietver poru veidojošo vielu pievienošanas metodi, organisko putu piesūcināšanas metodi un bioloģiskās veidnes metodi utt.
2.1 Organisko putu impregnēšana
Organisko putu piesūcināšanas metode ietver organisko putu izmantošanu kā veidni, vienmērīgi pārklājot sagatavoto keramikas suspensiju ar veidni vai iegremdējot veidni suspensijā, lai izspiestu gaisu, nodrošinot, ka suspensija vienmērīgi pielīp pie organisko putu veidnes. Pēc tam, žāvējot un augstā temperatūrā saķepinot, organiskā veidne tiek noņemta, tādējādi iegūstot porainu keramiku.
Šīs metodes būtiskākais trūkums ir tas, ka ar to nav iespējams iegūt slēgtas porainības produktus ar sīkām porām. Sagataves forma ir ierobežota, un tās veiktspēju lielā mērā ietekmē izejvielas. Arī sagatavoto poraino keramikas materiālu blīvumu un stiprību ir grūti kontrolēt.
2.2 Poru veidojošo vielu pievienošanas metode
Porainas silīcija karbīda keramikas sagatavošana, pievienojot poras veidojošas vielas, ietver poras veidojošu vielu pievienošanu silīcija karbīda pulverim vai prekursoriem un pēc tam poras veidojošo vielu noņemšanu, izmantojot turpmākus procesus. Rezultātā sākotnēji poras veidojošo vielu aizņemtās pozīcijas veido poras, un pēc tam tiek veikta karsēšana un saķepināšana, lai veidotu porainu keramiku. Tādēļ, mainot poras veidojošo vielu veidu un devu, var ērti kontrolēt gatavās porainās keramikas porainību, poru morfoloģiju, poru lielumu un sadalījumu. Poras veidojošo vielu veidi ir ļoti plaši, tostarp dabiskie vai sintētiskie organiskie polimēri, šķidrumi, sāļi, keramika vai citi pulveris utt. Dažādu poras veidojošo vielu noņemšanas procesi atšķiras. Organisko polimēru poras veidojošās vielas parasti noņem, karsējot un sadalot, šķidros poras veidojošos vielas var noņemt, kristalizējot un sublimējot, sāļus var noņemt ar ūdens filtrāciju, un keramikas pulverus var noņemt ar atbilstošu šķīduma filtrāciju.
2.3 Bioloģiskās veidnes metode
Biomateriālu mikroskopiskā poru struktūra ievērojami atšķiras no sintētisko materiālu poru struktūras. Pateicoties unikālajai struktūrai, plašu uzmanību ir piesaistījusi porainu keramikas materiālu ar līdzīgām struktūrām sagatavošana, izmantojot organismus kā veidnes [10]. Bioloģiskās veidnes metodei un organisko putu piesūcināšanas metodei ir līdzības. Organisko putu piesūcināšanas metode kā veidni izmanto mākslīgo sūkli, savukārt bioloģiskās veidnes metode kā veidni izmanto dabiskos organismus.
Bioloģiskās veidnes metodei porainas silīcija karbīda keramikas pagatavošanai ir vienkārša procesa un zemo izmaksu priekšrocības. Tā var radīt sarežģītas formas keramiku un maksimāli atkārtot dabisko bioloģisko materiālu struktūru. Tomēr bioloģiskā veidne ir pakļauta plaisāšanai augstas temperatūras karbonizācijas procesā, kas būtiski ietekmē porainas silīcija karbīda keramikas mehāniskās īpašības. Turklāt sagatavotās porainās silīcija karbīda keramikas poru struktūra galvenokārt ir atkarīga no pašas bioloģiskās veidnes mikrostruktūras, un tās projektējamība ir slikta. Turklāt šai metodei ir arī daži trūkumi, piemēram, relatīvi zema SiC konversijas efektivitāte, viegla SiC reakcijas slāņa atdalīšanās un ilgs sagatavošanas cikls.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 22. jūlijs