Siliciumcarbide (SiC) keramiek wordt al lange tijd veelvuldig gebruikt in diverse geavanceerde productieprocessen vanwege de hoge hardheid, hoge sterkte, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, hoge thermische geleidbaarheid, goede chemische stabiliteit, uitstekende thermische schokbestendigheid en oxidatiebestendigheid. Naast de bovengenoemde eigenschappen van siliciumcarbide keramiek, biedt poreus siliciumcarbide keramiek, met zijn unieke microscopische poreuze structuur, brede toepassingsmogelijkheden in sectoren zoals metallurgie, chemische technologie, milieubescherming en energie, waardoor het toepassingsgebied van siliciumcarbide keramiek aanzienlijk wordt uitgebreid.
De bijzondere eigenschappen vanporeus siliciumcarbide keramiekDe voordelen van poreus siliciumcarbidekeramiek zijn voornamelijk te danken aan hun unieke poreuze structuur, die onder andere porositeit, poriegrootte en -verdeling, en porievorm omvat. Daarom is het noodzakelijk om de porositeit, poriegrootte en -verdeling, evenals de vorm van de poriën, te reguleren door middel van de bereidingsmethode om de gewenste poreuze structuur te verkrijgen. De bereidingsmethode is dan ook altijd een belangrijk onderzoeksgebied geweest. Dit artikel geeft een overzicht van de recente onderzoeksvooruitgang op het gebied van bereidingsmethoden voor poreus siliciumcarbidekeramiek in binnen- en buitenland.
1. Fysieke methode
De fysische methode verwijst naar het feit dat de holtes in poreuze siliciumcarbidekeramiek ontstaan door een reeks fysische verschijnselen tijdens het bereidingsproces, zonder dat er chemische reacties optreden of nieuwe stoffen worden gevormd. Het belangrijkste mechanisme is het vormen van een poreuze structuur door gebruik te maken van de holtes die achterblijven door de thermische krimp van vaste stoffen, de verdamping van de vloeibare fase en de directe sublimatie van de vaste fase. Gangbare methoden zijn onder andere de deeltjesstapelmethode, de vriesdroogmethode en de sol-gelmethode. De 3D-printtechnologie die de afgelopen jaren is opgekomen, kan ook worden gebruikt om direct poreuze structuren te printen en te produceren.
1.1 Deeltjesstapelmethode
De deeltjespakkingssintermethode is de eenvoudigste manier om poreus siliciumcarbidekeramiek te bereiden. Het principe van deze methode is gebaseerd op het benutten van de sintereigenschappen van de keramische deeltjes zelf om sinterverbindingen te vormen tussen verschillende SiC-deeltjes, waardoor de deeltjes zich ophopen en poreus keramiek ontstaat. Om de sintertemperatuur te verlagen, wordt meestal een bepaalde hoeveelheid bindmiddel met een lager smeltpunt toegevoegd om een verbinding tussen de verschillende SiC-deeltjes te vormen. Omdat alle poriën in de deeltjespakkingssintermethode ontstaan uit de pakkingsruimten tussen de SiC-deeltjes, kunnen de porositeit en poriegrootte van het uiteindelijke poreuze keramiek worden geregeld door de poedergrootte, het type en de hoeveelheid bindmiddel en de sinterparameters aan te passen.
De bereiding van poreuze siliciumcarbidekeramiek via de deeltjesstapelmethode vereist geen toevoeging van extra porievormende middelen. Het proces is eenvoudig en relatief gemakkelijk te beheersen. De porositeit van poreuze keramiek die met deze methode wordt bereid, is echter over het algemeen laag. De vorm, poriegrootte en porositeit van de poriën worden voornamelijk bepaald door de vorm, de deeltjesgrootte en de verdeling van de grondstoffen, evenals de mate van sintering.
1.2 Vriesdroogmethode
Vriesdrogen is een methode waarbij keramische aggregaten uniform worden gemengd met water of organische oplosmiddelen in aanwezigheid van een geschikte hoeveelheid dispergeermiddelen of bindmiddelen om een suspensie te vormen. Vervolgens wordt de goed gemengde suspensie in een mal gegoten en snel bevroren bij lage temperaturen, waardoor de vloeibare fasematrix snel stolt tot een vaste stof. Daarna wordt de gestolde vaste fase gesublimeerd en verwijderd door middel van drukverlaging of vacuümdrogen. De methode resulteert in een groenlichaam met directioneel geordende poriënstructuren in de suspensie, dat vervolgens wordt gesinterd om poreuze siliciumcarbidekeramiek te produceren.
1.3 3D-printmethode
De 3D-printmethode voor het vervaardigen van poreus siliciumcarbidekeramiek is een nieuw productieproces dat zich de afgelopen jaren heeft ontwikkeld. Dit proces is gebaseerd op een driedimensionaal datamodel dat met behulp van een computer is ontworpen. Via de printkop wordt het bindmiddel gespoten om de grondstofpoederlaag voor laag op te stapelen tot een driedimensionale netwerkstructuur. De combinatie van 3D-printen en reactiesinteren maakt het mogelijk om mallen te gebruiken voor de productie en om complexe keramische vormen te realiseren die dicht bij de uiteindelijke afmetingen liggen.
De 3D-printmethode voor het vervaardigen van poreus siliciumcarbidekeramiek kenmerkt zich door een eenvoudig vormingsproces, een hoge efficiëntie bij de bereiding en verwerking, en de afwezigheid van mallen. Deze methode maakt het niet alleen mogelijk om poreus siliciumcarbidekeramiek met complexe vormen, uniforme microstructuren en goede poriënconnectiviteit te produceren, maar ook om de porositeit en poriegrootte van het poreuze keramiek te controleren en aan te passen. Deze methode bevindt zich echter nog in de onderzoeksfase en de procesparameters moeten nog verder worden geoptimaliseerd. Bovendien is het met deze methode lastig om in één stap zeer sterk poreus siliciumcarbidekeramiek te produceren. Hiervoor zijn andere processen nodig, wat relatief hoge kosten met zich meebrengt.
1.4 Schuimvorming
Bij de schuimvormmethode wordt gas of stoffen die gas kunnen genereren tijdens de daaropvolgende verwerking toegevoegd aan het keramische groene lichaam of de precursor, waarna dit wordt gesinterd om poreus siliciumcarbidekeramiek te verkrijgen. In tegenstelling tot andere bereidingsmethoden is de schuimvormmethode een effectief proces voor de bereiding van keramiek met gesloten cellen.
2. Chemische methode
De chemische methode verwijst naar het feit dat de poreuze structuur in poreus siliciumcarbidekeramiek wordt gevormd door de ontbinding of reactie van anorganische zouten of toegevoegde organische stoffen, waarbij lege plekken ontstaan op de oorspronkelijke posities. Gangbare chemische methoden voor de bereiding van poreus siliciumcarbidekeramiek zijn onder andere de methode met toevoeging van porievormende middelen, de methode met impregnering met organisch schuim en de methode met biologische sjablonen.
2.1 Impregnatie van organisch schuim
Bij de impregneringsmethode met organisch schuim wordt organisch schuim als sjabloon gebruikt. De voorbereide keramische suspensie wordt gelijkmatig op het sjabloon aangebracht, of het sjabloon wordt in de suspensie ondergedompeld om de lucht eruit te persen, waardoor de suspensie gelijkmatig aan het organische schuimsjabloon hecht. Vervolgens wordt het organische sjabloon door drogen en sinteren bij hoge temperatuur verwijderd, waardoor poreus keramiek wordt verkregen.
Het grootste nadeel van deze methode is dat er geen producten met kleine, gesloten poriën mee geproduceerd kunnen worden. De vorm is beperkt en de eigenschappen van het voorvormmateriaal worden sterk beïnvloed door de gebruikte grondstoffen. Ook de dichtheid en sterkte van de geproduceerde poreuze keramische materialen zijn moeilijk te controleren.
2.2 De methode voor het toevoegen van porievormende middelen
De bereiding van poreuze siliciumcarbidekeramiek door toevoeging van porievormende middelen omvat het toevoegen van porievormende middelen aan siliciumcarbidepoeder of -precursoren, waarna deze middelen via latere processen worden verwijderd. Hierdoor ontstaan poriën op de oorspronkelijk door de porievormende middelen ingenomen plaatsen. Vervolgens vindt verhitting en sintering plaats, wat resulteert in poreuze keramiek. Door het type en de dosering van de porievormende middelen aan te passen, kunnen de porositeit, poriemorfologie, poriegrootte en porieverdeling van de uiteindelijke poreuze keramiek eenvoudig worden geregeld. Er bestaat een breed scala aan porievormende middelen, waaronder natuurlijke of synthetische organische polymeren, vloeistoffen, zouten, keramische of andere poeders, enzovoort. De verwijderingsprocessen van de verschillende porievormende middelen variëren. Organische polymere porievormende middelen worden doorgaans verwijderd door verhitting en ontleding, vloeibare porievormende middelen door kristallisatie en sublimatie, zouten door waterfiltratie en keramische poeders door filtratie met een geschikte oplossing.
2.3 Biologische sjabloonmethode
De microscopische poriënstructuur in biomaterialen verschilt aanzienlijk van die in synthetische materialen. Vanwege deze unieke structuur heeft de bereiding van poreuze keramische materialen met vergelijkbare structuren met behulp van organismen als sjablonen veel aandacht gekregen [10]. De biologische sjabloonmethode en de organische schuimimpregnatiemethode vertonen overeenkomsten. Bij de organische schuimimpregnatiemethode wordt een kunstmatige spons als sjabloon gebruikt, terwijl bij de biologische sjabloonmethode natuurlijke organismen als sjabloon worden gebruikt.
De biologische sjabloonmethode voor de bereiding van poreus siliciumcarbidekeramiek heeft als voordelen een eenvoudig proces en lage kosten. Het maakt de productie mogelijk van keramiek met complexe vormen en kan de structuur van natuurlijke biologische materialen zo goed mogelijk nabootsen. Echter, de biologische sjabloon is gevoelig voor scheuren tijdens het carbonisatieproces bij hoge temperaturen, wat een aanzienlijke invloed heeft op de mechanische eigenschappen van het poreuze siliciumcarbidekeramiek. Bovendien is de poriestructuur van het bereide poreuze siliciumcarbidekeramiek voornamelijk afhankelijk van de microstructuur van de biologische sjabloon zelf, waardoor de ontwerpmogelijkheden beperkt zijn. Daarnaast kent deze methode ook enkele nadelen, zoals een relatief lage conversie-efficiëntie van SiC, het gemakkelijk loslaten van de SiC-reactielaag en een lange bereidingstijd.
Geplaatst op: 22 juli 2025