Seramik silikon karbida (SiC) telah lama digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang pembuatan canggih kerana kekerasannya yang tinggi, kekuatan tinggi, pekali pengembangan haba yang kecil, kekonduksian haba yang tinggi, kestabilan kimia yang baik, rintangan kejutan haba yang sangat baik dan rintangan pengoksidaan. Selain ciri-ciri seramik silikon karbida yang dinyatakan di atas, seramik silikon karbida berliang, dengan struktur berliang mikroskopiknya yang unik, mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam bidang seperti metalurgi, kejuruteraan kimia, perlindungan alam sekitar dan tenaga, yang meluaskan skop aplikasi seramik silikon karbida dengan ketara.
Sifat-sifat istimewa bagiseramik silikon karbida berliangterutamanya mendapat manfaat daripada struktur berliangnya yang unik, yang merangkumi keliangan, saiz dan taburan liang, dan bentuk liang, dan sebagainya. Oleh itu, adalah perlu untuk mengawal keliangan, saiz dan taburan liangnya, serta bentuk liang melalui kaedah penyediaan untuk mendapatkan struktur berliang yang diingini. Oleh itu, kaedah penyediaannya sentiasa menjadi tumpuan penyelidikan orang ramai. Artikel ini terutamanya mengulas kemajuan penyelidikan dalam kaedah penyediaan seramik silikon karbida berliang di dalam dan luar negara dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
1. Kaedah Fizikal
Kaedah fizikal merujuk kepada fakta bahawa lompang dalam seramik silikon karbida berliang disebabkan oleh satu siri fenomena fizikal semasa proses penyediaan, tanpa berlakunya tindak balas kimia atau penjanaan bahan baharu. Mekanisme utama adalah untuk membentuk struktur berliang dengan bergantung pada lompang yang ditinggalkan oleh pengecutan haba bahan pepejal, penyejatan fasa cecair, dan pemejalwapan langsung fasa pepejal. Kaedah biasa termasuk kaedah penyusunan zarah, kaedah pengeringan beku, kaedah sol-gel, dan sebagainya. Teknologi percetakan 3D yang telah muncul dalam beberapa tahun kebelakangan ini juga boleh digunakan untuk mencetak dan menyediakan struktur berliang secara langsung.
1.1 Kaedah penyusunan zarah
Kaedah pensinteran pembungkusan zarah adalah cara paling mudah untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang. Prinsip kaedah ini adalah untuk menggunakan prestasi pensinteran zarah seramik itu sendiri untuk membentuk leher pensinteran antara zarah SiC yang berbeza, sekali gus membolehkan pengumpulan zarah membentuk seramik berliang. Untuk menurunkan suhu pensinteran, sejumlah pengikat dengan takat lebur yang lebih rendah biasanya ditambah untuk membentuk sambungan antara zarah SiC yang berbeza. Memandangkan semua liang dalam kaedah pensinteran pembungkusan zarah diubah daripada jurang pembungkusan antara zarah SiC, keliangan dan saiz liang seramik berliang yang telah siap boleh dikawal dengan mengubah saiz serbuk, jenis dan jumlah penambahan pengikat, dan parameter pensinteran.
Penyediaan seramik silikon karbida berliang melalui kaedah penyusunan zarah tidak memerlukan penambahan agen pembentuk liang tambahan. Prosesnya mudah dan agak mudah dikawal. Walau bagaimanapun, keliangan seramik berliang yang disediakan melalui kaedah ini secara amnya rendah. Bentuk, saiz liang dan keliangan liang terutamanya ditentukan oleh bentuk, saiz zarah dan taburan zarah bahan mentah, serta tahap pensinteran.
1.2 Kaedah Pengeringan Beku
Pengeringan beku ialah kaedah yang melibatkan pencampuran agregat seramik secara seragam dengan air atau pelarut organik dengan kehadiran jumlah dispersan atau pengikat yang sesuai untuk membentuk buburan. Kemudian, buburan yang telah dicampur dengan baik dituang ke dalam acuan dan dibekukan dengan cepat pada suhu rendah, membolehkan matriks fasa cecair memejal dengan cepat menjadi pepejal. Seterusnya, fasa pepejal yang telah dipejalkan disublimasikan dan disingkirkan melalui pengurangan tekanan atau rawatan pengeringan vakum. Kaedah mendapatkan jasad hijau dengan struktur liang yang tersusun secara berarah yang tertinggal di dalam buburan dan akhirnya mensinteringnya untuk menghasilkan seramik silikon karbida berliang.
1.3 Kaedah Percetakan 3D
Kaedah pencetakan 3D untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang merupakan sejenis proses penyediaan baharu yang telah berkembang dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Proses ini bergantung pada model data tiga dimensi yang direka bentuk dengan bantuan komputer. Melalui kepala pencetakan, pengikat disembur untuk menyusun serbuk bahan mentah lapisan demi lapisan ke dalam struktur rangkaian tiga dimensi. Gabungan pencetakan 3D dan proses pensinteran tindak balas boleh mencapai pembuatan bebas acuan dan pembentukan seramik berbentuk kompleks yang hampir bersaiz bersih.
Kaedah percetakan 3D untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang mempunyai proses pembentukan yang mudah, kecekapan penyediaan dan pemprosesan yang tinggi, dan tidak memerlukan acuan. Ia bukan sahaja boleh digunakan untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang dengan bentuk yang kompleks, mikrostruktur seragam dan sambungan liang yang baik, tetapi juga keliangan dan saiz liang seramik berliang boleh dikawal dan dilaraskan. Walau bagaimanapun, kaedah ini masih dalam peringkat penyelidikan penerokaan pada masa ini, dan parameter proses masih perlu dioptimumkan lagi. Di samping itu, kaedah ini sukar untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang berkekuatan tinggi dalam satu langkah. Ia memerlukan bantuan proses lain untuk menghasilkan produk yang diingini, yang menanggung kos yang agak tinggi.
1.4 Berbuih
Kaedah pengacuan pembuih melibatkan penambahan gas atau bahan yang boleh menghasilkan gas melalui pemprosesan berikutnya pada badan hijau atau prekursor seramik, dan kemudian menyinterkannya untuk mendapatkan seramik silikon karbida berliang. Tidak seperti kaedah penyediaan lain, kaedah pembuih merupakan proses yang berkesan untuk menyediakan seramik sel tertutup.
2. Kaedah Kimia
Kaedah kimia merujuk kepada fakta bahawa struktur berliang dalam seramik silikon karbida berliang dibentuk oleh penguraian atau tindak balas garam tak organik atau bahan organik yang ditambah, meninggalkan kekosongan pada kedudukan asal. Kaedah kimia biasa untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang termasuk kaedah penambahan agen pembentuk liang, kaedah penghamilan busa organik, dan kaedah templat biologi, dsb.
2.1 Pengimpregnasi Buih Organik
Kaedah pengimpregnasian busa organik melibatkan penggunaan busa organik sebagai templat, menyalut buburan seramik yang telah disediakan secara sekata pada templat atau merendam templat dalam buburan untuk mengeluarkan udara, memastikan buburan melekat sekata pada templat busa organik. Kemudian, melalui pengeringan dan pensinteran suhu tinggi, templat organik disingkirkan, sekali gus menghasilkan seramik berliang.
Kelemahan paling ketara kaedah ini ialah ia tidak dapat menghasilkan produk keliangan tertutup berliang kecil. Bentuknya terhad dan prestasi pra-bentuk sangat dipengaruhi oleh bahan mentah. Ketumpatan dan kekuatan bahan seramik berliang yang disediakan juga sukar dikawal.
2.2 Kaedah Menambah Agen Pembentuk Liang Pori
Penyediaan seramik silikon karbida berliang dengan menambah agen pembentuk liang melibatkan penambahan agen pembentuk liang kepada serbuk atau prekursor silikon karbida, dan kemudian membuang agen pembentuk liang melalui proses seterusnya. Hasilnya, kedudukan asal yang diduduki oleh agen pembentuk liang membentuk liang, dan kemudian pemanasan dan pensinteran dijalankan untuk membentuk seramik berliang. Oleh itu, mengubah jenis dan dos agen pembentuk liang boleh mengawal keliangan, morfologi liang, saiz liang dan taburan seramik berliang yang telah siap dengan mudah. Jenis agen pembentuk liang sangat luas, termasuk polimer organik semula jadi atau sintetik, cecair, garam, seramik atau serbuk lain, dsb. Proses penyingkiran agen pembentuk liang yang berbeza adalah berbeza. Agen pembentuk liang polimer organik biasanya dibuang melalui pemanasan dan penguraian, agen pembentuk liang cecair boleh dibuang melalui penghabluran dan pemejalwapan, garam boleh dibuang melalui penapisan air, dan serbuk seramik boleh dibuang melalui penapisan larutan yang sesuai.
2.3 Kaedah Templat Biologi
Struktur liang mikroskopik dalam biobahan adalah jauh berbeza daripada bahan sintetik. Disebabkan oleh strukturnya yang unik, penyediaan bahan seramik berliang dengan struktur yang serupa menggunakan organisma sebagai templat telah mendapat perhatian meluas [10]. Kaedah templat biologi dan kaedah penghamilan busa organik mempunyai persamaan. Kaedah penghamilan busa organik menggunakan span buatan sebagai templat, manakala kaedah templat biologi menggunakan organisma semula jadi sebagai templat.
Kaedah templat biologi untuk menyediakan seramik silikon karbida berliang mempunyai kelebihan proses yang mudah dan kos yang rendah. Ia boleh menghasilkan seramik dengan bentuk yang kompleks dan boleh meniru struktur bahan biologi semula jadi pada tahap yang paling tinggi. Walau bagaimanapun, templat biologi mudah retak semasa proses pengkarbonan suhu tinggi, yang mempunyai kesan yang ketara terhadap sifat mekanikal seramik silikon karbida berliang. Selain itu, struktur liang seramik silikon karbida berliang yang disediakan terutamanya bergantung pada mikrostruktur templat biologi itu sendiri, dan kebolehreka bentuknya adalah lemah. Di samping itu, kaedah ini juga mempunyai beberapa kelemahan, seperti kecekapan penukaran SiC yang agak rendah, mudah tertanggalnya lapisan tindak balas SiC, dan kitaran penyediaan yang panjang.
Masa siaran: 22 Julai 2025