Ceramika z węglika krzemu (SiC) od dawna cieszy się szerokim zastosowaniem w różnych zaawansowanych dziedzinach produkcji ze względu na wysoką twardość, wysoką wytrzymałość, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoką przewodność cieplną, dobrą stabilność chemiczną, doskonałą odporność na szok termiczny i utlenianie. Oprócz wyżej wymienionych właściwości ceramiki z węglika krzemu, porowata ceramika z węglika krzemu, dzięki swojej unikalnej mikroskopijnej strukturze, ma szerokie perspektywy zastosowania w takich dziedzinach jak metalurgia, inżynieria chemiczna, ochrona środowiska i energetyka, znacznie rozszerzając zakres zastosowań ceramiki z węglika krzemu.
Szczególne właściwościporowata ceramika z węglika krzemuCzerpią one korzyści głównie ze swojej unikalnej porowatej struktury, obejmującej porowatość, wielkość i rozkład porów, a także kształt porów itp. Dlatego też, aby uzyskać pożądaną strukturę porowatą, konieczne jest regulowanie porowatości, wielkości i rozkładu porów, a także ich kształtu poprzez odpowiednią metodę przygotowania. Dlatego metoda przygotowania zawsze była przedmiotem badań naukowych. Niniejszy artykuł stanowi przegląd postępów w badaniach nad metodami przygotowania porowatej ceramiki z węglika krzemu w ostatnich latach w kraju i za granicą.
1. Metoda fizyczna
Metoda fizyczna odnosi się do faktu, że puste przestrzenie w porowatej ceramice z węglika krzemu powstają w wyniku szeregu zjawisk fizycznych zachodzących w procesie przygotowania, bez zachodzenia reakcji chemicznych ani wytwarzania nowych substancji. Głównym mechanizmem jest formowanie struktury porowatej poprzez wykorzystanie pustych przestrzeni powstałych w wyniku skurczu termicznego substancji stałych, odparowania fazy ciekłej i bezpośredniej sublimacji fazy stałej. Do popularnych metod należą metoda układania cząstek, metoda liofilizacji, metoda sol-żel itp. Technologia druku 3D, która rozwinęła się w ostatnich latach, może być również wykorzystywana do bezpośredniego drukowania i przygotowywania struktur porowatych.
1.1 Metoda układania cząstek
Metoda spiekania z wypełnieniem cząstek jest najprostszym sposobem przygotowania porowatej ceramiki z węglika krzemu. Zasada tej metody polega na wykorzystaniu właściwości spiekania samych cząstek ceramicznych do tworzenia szyjek spiekanych między różnymi cząsteczkami SiC, umożliwiając w ten sposób akumulację cząstek i tworzenie porowatej ceramiki. Aby obniżyć temperaturę spiekania, zazwyczaj dodaje się pewną ilość spoiwa o niższej temperaturze topnienia, aby utworzyć połączenie między różnymi cząsteczkami SiC. Ponieważ wszystkie pory w metodzie spiekania z wypełnieniem cząstek powstają w wyniku szczelin między cząsteczkami SiC, porowatość i rozmiar porów gotowej porowatej ceramiki można kontrolować poprzez zmianę rozmiaru proszku, rodzaju i ilości dodanego spoiwa oraz parametrów spiekania.
Przygotowanie porowatej ceramiki z węglika krzemu metodą układania cząstek nie wymaga dodawania dodatkowych środków porotwórczych. Proces jest prosty i stosunkowo łatwy do kontrolowania. Jednakże porowatość ceramiki porowatej przygotowanej tą metodą jest zazwyczaj niska. Kształt, rozmiar porów i porowatość porów zależą głównie od kształtu, rozmiaru i rozkładu cząstek surowca, a także od stopnia spiekania.
1.2 Metoda liofilizacji
Liofilizacja to metoda polegająca na równomiernym wymieszaniu kruszyw ceramicznych z wodą lub rozpuszczalnikami organicznymi w obecności odpowiedniej ilości dyspergatorów lub spoiw w celu utworzenia zawiesiny. Następnie dobrze wymieszaną zawiesinę wlewa się do formy i szybko zamraża w niskich temperaturach, co pozwala matrycy fazy ciekłej na szybkie zestalenie się w ciało stałe. Następnie zestalona faza stała jest sublimowana i usuwana poprzez redukcję ciśnienia lub suszenie próżniowe. Metoda ta polega na uzyskaniu surowej bryły z kierunkowo ułożonymi porami pozostawionymi wewnątrz zawiesiny, a następnie spiekaniu jej w celu wytworzenia porowatej ceramiki z węglika krzemu.
1.3 Metoda drukowania 3D
Metoda druku 3D do przygotowywania porowatej ceramiki z węglika krzemu to nowy rodzaj procesu przygotowawczego, który rozwinął się w ostatnich latach. Proces ten opiera się na trójwymiarowym modelu danych zaprojektowanym z pomocą komputerowego wspomagania. Spoiwo jest natryskiwane przez głowicę drukującą, tworząc warstwowo sproszkowany surowiec w trójwymiarową strukturę sieciową. Połączenie druku 3D i procesów spiekania reakcyjnego pozwala na produkcję bez użycia form i formowanie ceramiki o złożonych kształtach w rozmiarze zbliżonym do rzeczywistego.
Metoda druku 3D do wytwarzania porowatej ceramiki z węglika krzemu charakteryzuje się prostym procesem formowania, wysoką wydajnością przygotowania i przetwarzania oraz brakiem konieczności stosowania form. Umożliwia ona nie tylko wytwarzanie porowatej ceramiki z węglika krzemu o złożonych kształtach, jednorodnej mikrostrukturze i dobrej łączności porów, ale także pozwala na kontrolowanie i regulację porowatości i wielkości porów. Metoda ta jest jednak nadal w fazie badań eksploracyjnych, a parametry procesu wymagają dalszej optymalizacji. Ponadto, wytwarzanie porowatej ceramiki z węglika krzemu o wysokiej wytrzymałości za pomocą tej metody jest trudne. Wymaga ona wspomagania innych procesów w celu uzyskania pożądanych produktów, co wiąże się ze stosunkowo wysokimi kosztami.
1.4 Pienienie
Metoda formowania spieniającego polega na dodaniu gazu lub substancji, które mogą generować gaz poprzez późniejszą obróbkę, do surowej masy ceramicznej lub prekursora, a następnie spiekaniu w celu uzyskania porowatej ceramiki z węglika krzemu. W przeciwieństwie do innych metod przygotowania, metoda spieniania jest skutecznym procesem wytwarzania ceramiki o zamkniętych komórkach.
2. Metoda chemiczna
Metoda chemiczna odnosi się do faktu, że porowata struktura w porowatej ceramice z węglika krzemu powstaje w wyniku rozkładu lub reakcji soli nieorganicznych lub dodanych substancji organicznych, pozostawiając puste przestrzenie w pierwotnych miejscach. Typowe metody chemiczne wytwarzania porowatej ceramiki z węglika krzemu obejmują metodę dodawania środka porotwórczego, metodę impregnacji pianką organiczną oraz metodę matrycy biologicznej itp.
2.1 Impregnacja pianką organiczną
Metoda impregnacji pianką organiczną polega na użyciu pianki organicznej jako szablonu, równomiernym pokryciu szablonu przygotowaną zawiesiną ceramiczną lub zanurzeniu szablonu w zawiesinie w celu usunięcia powietrza, zapewniając równomierne przyleganie zawiesiny do szablonu z pianki organicznej. Następnie, poprzez suszenie i spiekanie w wysokiej temperaturze, szablon organiczny jest usuwany, uzyskując w ten sposób porowatą ceramikę.
Najpoważniejszą wadą tej metody jest brak możliwości wytwarzania wyrobów o małych porach i porowatości zamkniętej. Kształt jest ograniczony, a parametry preformy w dużym stopniu zależą od surowców. Gęstość i wytrzymałość przygotowanych porowatych materiałów ceramicznych są również trudne do kontrolowania.
2.2 Metoda dodawania środków porotwórczych
Przygotowanie porowatej ceramiki z węglika krzemu poprzez dodanie środków porotwórczych obejmuje dodanie środków porotwórczych do proszku lub prekursorów węglika krzemu, a następnie usunięcie tych środków w kolejnych procesach. W rezultacie, miejsca pierwotnie zajmowane przez środki porotwórcze tworzą pory, a następnie przeprowadza się ogrzewanie i spiekanie w celu uzyskania porowatej ceramiki. Dlatego zmiana rodzaju i dawki środków porotwórczych pozwala wygodnie kontrolować porowatość, morfologię porów, rozmiar porów i rozkład gotowej porowatej ceramiki. Rodzaje środków porotwórczych są bardzo różnorodne i obejmują naturalne lub syntetyczne polimery organiczne, ciecze, sole, ceramikę lub inne proszki itp. Procesy usuwania różnych środków porotwórczych różnią się. Organiczne środki porotwórcze będące polimerami usuwa się zazwyczaj przez ogrzewanie i rozkład, ciekłe środki porotwórcze można usunąć przez krystalizację i sublimację, sole można usunąć przez filtrowanie wody, a proszki ceramiczne można usunąć przez odpowiednią filtrację roztworu.
2.3 Metoda szablonu biologicznego
Mikroskopijna struktura porów w biomateriałach znacząco różni się od struktury porów w materiałach syntetycznych. Ze względu na swoją unikalną strukturę, wytwarzanie porowatych materiałów ceramicznych o podobnej strukturze z wykorzystaniem organizmów jako szablonów spotkało się z szerokim zainteresowaniem [10]. Metoda matrycy biologicznej i metoda impregnacji pianką organiczną mają ze sobą wiele wspólnego. Metoda impregnacji pianką organiczną wykorzystuje jako szablon sztuczną gąbkę, podczas gdy metoda matrycy biologicznej wykorzystuje jako szablon organizmy naturalne.
Metoda biologicznego szablonu do otrzymywania porowatej ceramiki z węglika krzemu charakteryzuje się prostotą procesu i niskim kosztem. Umożliwia ona wytwarzanie ceramiki o złożonych kształtach i w największym stopniu odzwierciedla strukturę naturalnych materiałów biologicznych. Jednakże szablon biologiczny jest podatny na pękanie podczas procesu karbonizacji w wysokiej temperaturze, co ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne porowatej ceramiki z węglika krzemu. Ponadto struktura porów przygotowanej porowatej ceramiki z węglika krzemu zależy głównie od mikrostruktury samego szablonu biologicznego, a jej projektowanie jest utrudnione. Ponadto metoda ta ma również pewne wady, takie jak stosunkowo niska wydajność konwersji SiC, łatwe odrywanie się warstwy reakcyjnej SiC oraz długi cykl otrzymywania.
Czas publikacji: 22 lipca 2025 r.