Silisiumkarbid (SiC)-keramikk har lenge vært mye brukt i ulike avanserte produksjonsfelt på grunn av sin høye hardhet, høye styrke, lille termiske utvidelseskoeffisient, høye termiske ledningsevne, gode kjemiske stabilitet, utmerkede termiske sjokkmotstand og oksidasjonsmotstand. I tillegg til de ovennevnte egenskapene til silisiumkarbidkeramikk, har porøs silisiumkarbidkeramikk, med sin unike mikroskopiske porøse struktur, brede anvendelsesmuligheter innen felt som metallurgi, kjemiteknikk, miljøvern og energi, noe som utvider anvendelsesområdet for silisiumkarbidkeramikk betraktelig.
De spesielle egenskapene tilporøs silisiumkarbidkeramikkdrar hovedsakelig nytte av sin unike porøse struktur, som inkluderer porøsitet, porestørrelse og -fordeling, og poreform, etc. Derfor er det nødvendig å regulere porøsiteten, porestørrelsen og -fordelingen, samt formen på porene gjennom fremstillingsmetoden for å oppnå den ønskede porøse strukturen. Derfor har fremstillingsmetoden alltid vært fokus for folks forskning. Denne artikkelen gjennomgår hovedsakelig forskningsfremgangen innen fremstillingsmetoder for porøs silisiumkarbidkeramikk i inn- og utland de siste årene.
1. Fysisk metode
Den fysiske metoden refererer til det faktum at hulrommene i porøse silisiumkarbidkeramikk er forårsaket av en rekke fysiske fenomener under fremstillingsprosessen, uten at det forekommer kjemiske reaksjoner eller generering av nye stoffer. Hovedmekanismen er å danne en porøs struktur ved å stole på hulrommene som etterlates av termisk sammentrekning av faste stoffer, fordampning av væskefasen og direkte sublimering av den faste fasen. Vanlige metoder inkluderer partikkelstablingsmetode, frysetørkingsmetode, sol-gel-metode, etc. 3D-printingsteknologien som har dukket opp de siste årene, kan også brukes til å direkte skrive ut og fremstille porøse strukturer.
1.1 Metode for stabling av partikler
Partikkelpakkingssintringsmetoden er den enkleste måten å fremstille porøse silisiumkarbidkeramiske materialer på. Prinsippet bak denne metoden er å utnytte sintringsegenskapene til de keramiske partiklene til å danne sintringshalser mellom forskjellige SiC-partikler, og dermed muliggjøre partikkelopphopning for å danne porøse keramikker. For å senke sintringstemperaturen tilsettes vanligvis en viss mengde bindemiddel med et lavere smeltepunkt for å danne en forbindelse mellom forskjellige SiC-partikler. Siden alle porene i partikkelpakkingssintringsmetoden transformeres fra pakningsgapene mellom SiC-partiklene, kan porøsiteten og porestørrelsen til den ferdige porøse keramikken kontrolleres ved å endre pulverstørrelsen, typen og tilsatt mengde bindemiddel, samt sintringsparametrene.
Fremstilling av porøse silisiumkarbidkeramikk ved hjelp av partikkelstablingsmetoden krever ikke tilsetning av ytterligere poredannende midler. Prosessen er enkel og relativt lett å kontrollere. Porøsiteten til porøs keramikk fremstilt ved denne metoden er imidlertid generelt lav. Formen, porestørrelsen og porøsiteten til porene bestemmes hovedsakelig av formen, partikkelstørrelsen og fordelingen av råmaterialpartiklene, samt sintringsgraden.
1.2 Frysetørkingsmetode
Frysetørking er en metode som innebærer jevn blanding av keramiske aggregater med vann eller organiske løsemidler i nærvær av en passende mengde dispergeringsmidler eller bindemidler for å danne en oppslemming. Deretter helles den godt blandede oppslemmingen i en form og fryses raskt ved lave temperaturer, slik at væskefasematrisen raskt størkner til et fast stoff. Deretter sublimeres den størknede faste fasen og fjernes gjennom trykkreduksjon eller vakuumtørking. Metoden for å oppnå et grønt legeme med retningsbestemte porestrukturer igjen inne i oppslemmingen og til slutt sintre det for å produsere porøs silisiumkarbidkeramikk.
1.3 3D-utskriftsmetode
3D-printingsmetoden for fremstilling av porøs silisiumkarbidkeramikk er en ny type fremstillingsprosess som har utviklet seg de siste årene. Denne prosessen er basert på en tredimensjonal datamodell designet ved hjelp av datamaskinassistanse. Gjennom printhodet sprøytes bindemiddelet for å stable råmaterialepulveret lag for lag til en tredimensjonal nettverksstruktur. Kombinasjonen av 3D-printing og reaksjonssintringsprosesser kan oppnå formfri produksjon og forming av kompleksformede keramikkmaterialer i nesten netto størrelse.
3D-printingsmetoden for fremstilling av porøs silisiumkarbidkeramikk har en enkel formingsprosess, høy forberedelses- og prosesseringseffektivitet, og det er ikke behov for former. Den kan ikke bare brukes til å fremstille porøs silisiumkarbidkeramikk med komplekse former, ensartede mikrostrukturer og god poreforbindelse, men porøsiteten og porestørrelsen til den porøse keramikken er også kontrollerbar og justerbar. Denne metoden er imidlertid fortsatt i den utforskende forskningsfasen, og prosessparametrene må fortsatt optimaliseres ytterligere. I tillegg er det vanskelig å fremstille høyfast porøs silisiumkarbidkeramikk i ett trinn med denne metoden. Det krever hjelp fra andre prosesser for å produsere de ønskede produktene, noe som medfører relativt høye kostnader.
1.4 Skumdannelse
Skumstøpemetoden innebærer å tilsette gass eller stoffer som kan generere gass gjennom påfølgende prosessering til det keramiske rålegemet eller forløperen, og deretter sintre det for å oppnå porøs silisiumkarbidkeramikk. I motsetning til andre fremstillingsmetoder er skummetoden en effektiv prosess for å fremstille lukkede celler i keramikk.
2. Kjemisk metode
Den kjemiske metoden refererer til det faktum at den porøse strukturen i porøs silisiumkarbidkeramikk dannes ved nedbrytning eller reaksjon av uorganiske salter eller tilsatte organiske stoffer, slik at det blir ledige stillinger i de opprinnelige posisjonene. Vanlige kjemiske metoder for fremstilling av porøs silisiumkarbidkeramikk inkluderer tilsetning av poredannende midler, impregnering med organisk skum og biologisk malmetode, etc.
2.1 Impregnering med organisk skum
Impregneringsmetoden med organisk skum innebærer å bruke organisk skum som mal, jevnt belegge den forberedte keramiske oppslemmingen på malen eller senke malen ned i oppslemmingen for å presse ut luft, slik at oppslemmingen fester seg jevnt til den organiske skummalen. Deretter, gjennom tørking og høytemperatursintring, fjernes den organiske malen, og dermed oppnås porøs keramikk.
Den største ulempen med denne metoden er at den ikke kan produsere produkter med små porer og lukket porøsitet. Formen er begrenset, og preformens ytelse påvirkes i stor grad av råmaterialene. Tettheten og styrken til de fremstilte porøse keramiske materialene er også vanskelig å kontrollere.
2.2 Metoden for tilsetning av poredannende stoffer
Fremstilling av porøse silisiumkarbidkeramikk ved å tilsette poredannende midler innebærer å tilsette poredannende midler til silisiumkarbidpulver eller forløpere, og deretter fjerne de poredannende midlene gjennom påfølgende prosesser. Som et resultat danner posisjonene som opprinnelig ble okkupert av de poredannende midlene porer, og deretter utføres oppvarming og sintring for å danne porøs keramikk. Derfor kan endring av type og dosering av poredannende midler enkelt kontrollere porøsiteten, poremorfologien, porestørrelsen og fordelingen av den ferdige porøse keramikken. Typene av poredannende midler er svært omfattende, inkludert naturlige eller syntetiske organiske polymerer, væsker, salter, keramikk eller andre pulver, etc. Fjerningsprosessene for forskjellige poredannende midler varierer. Organiske polymerporedannende midler fjernes vanligvis ved oppvarming og dekomponering, flytende poredannende midler kan fjernes gjennom krystallisering og sublimering, salter kan fjernes ved vannfiltrering, og keramiske pulver kan fjernes ved passende løsningsfiltrering.
2.3 Biologisk malmetode
Den mikroskopiske porestrukturen i biomaterialer er betydelig forskjellig fra den i syntetiske materialer. På grunn av sin unike struktur har fremstilling av porøse keramiske materialer med lignende strukturer ved bruk av organismer som maler fått bred oppmerksomhet [10]. Den biologiske malmetoden og den organiske skumimpregneringsmetoden har likheter. Den organiske skumimpregneringsmetoden bruker kunstig svamp som mal, mens den biologiske malmetoden bruker naturlige organismer som mal.
Den biologiske malmetoden for fremstilling av porøs silisiumkarbidkeramikk har fordelene med enkel prosess og lave kostnader. Den kan produsere keramikk med komplekse former og kan gjenskape strukturen til naturlige biologiske materialer i størst mulig grad. Imidlertid er den biologiske malen utsatt for sprekker under høytemperaturkarboniseringsprosessen, noe som har en betydelig innvirkning på de mekaniske egenskapene til porøs silisiumkarbidkeramikk. Dessuten avhenger porestrukturen til den fremstilte porøse silisiumkarbidkeramikken hovedsakelig av mikrostrukturen til selve den biologiske malen, og dens designbarhet er dårlig. I tillegg har denne metoden også noen ulemper, som relativt lav konverteringseffektivitet av SiC, enkel avskalling av SiC-reaksjonslaget og en lang fremstillingssyklus.
Publisert: 22. juli 2025