A cerâmica de carbeto de silício (SiC) tem sido amplamente utilizada em diversos campos da manufatura avançada devido à sua alta dureza, alta resistência, baixo coeficiente de expansão térmica, alta condutividade térmica, boa estabilidade química, excelente resistência ao choque térmico e à oxidação. Além das características já mencionadas, a cerâmica de carbeto de silício porosa, com sua estrutura microporosa única, apresenta amplas perspectivas de aplicação em áreas como metalurgia, engenharia química, proteção ambiental e energia, expandindo consideravelmente o escopo de aplicação da cerâmica de carbeto de silício.
As propriedades especiais decerâmica de carbeto de silício porosaOs materiais se beneficiam principalmente de sua estrutura porosa única, que inclui porosidade, tamanho e distribuição dos poros, e formato dos poros, etc. Portanto, é necessário regular sua porosidade, tamanho e distribuição dos poros, bem como o formato dos poros, por meio do método de preparação, para obter a estrutura porosa desejada. Assim, seu método de preparação sempre foi foco de pesquisa. Este artigo revisa principalmente o progresso da pesquisa em métodos de preparação de cerâmicas de carbeto de silício porosas no Brasil e no exterior nos últimos anos.
1. Método Físico
O método físico refere-se ao fato de que os vazios em cerâmicas porosas de carbeto de silício são causados por uma série de fenômenos físicos durante o processo de preparação, sem a ocorrência de reações químicas ou a geração de novas substâncias. O principal mecanismo consiste na formação de uma estrutura porosa a partir dos vazios deixados pela contração térmica de substâncias sólidas, pela evaporação da fase líquida e pela sublimação direta da fase sólida. Métodos comuns incluem o método de empilhamento de partículas, o método de liofilização, o método sol-gel, etc. A tecnologia de impressão 3D, que surgiu nos últimos anos, também pode ser usada para imprimir e preparar diretamente estruturas porosas.
1.1 Método de empilhamento de partículas
O método de sinterização por empacotamento de partículas é a maneira mais simples de preparar cerâmicas porosas de carbeto de silício. O princípio desse método é utilizar o próprio desempenho de sinterização das partículas cerâmicas para formar "gargantas" de sinterização entre diferentes partículas de SiC, permitindo assim que o acúmulo de partículas forme cerâmicas porosas. Para reduzir a temperatura de sinterização, geralmente adiciona-se uma certa quantidade de aglutinante com um ponto de fusão mais baixo para formar uma conexão entre as diferentes partículas de SiC. Como todos os poros no método de sinterização por empacotamento de partículas são formados a partir dos espaços de empacotamento entre as partículas de SiC, a porosidade e o tamanho dos poros das cerâmicas porosas finais podem ser controlados alterando-se o tamanho do pó, o tipo e a quantidade de aglutinante adicionado e os parâmetros de sinterização.
A preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício pelo método de empilhamento de partículas não requer a adição de agentes formadores de poros. O processo é simples e relativamente fácil de controlar. No entanto, a porosidade das cerâmicas porosas preparadas por este método é geralmente baixa. A forma, o tamanho e a porosidade dos poros são determinados principalmente pela forma, tamanho e distribuição das partículas da matéria-prima, bem como pelo grau de sinterização.
1.2 Método de liofilização
A liofilização é um método que envolve a mistura homogênea de agregados cerâmicos com água ou solventes orgânicos, na presença de uma quantidade adequada de dispersantes ou aglutinantes, para formar uma pasta. Em seguida, a pasta bem misturada é vertida em um molde e congelada rapidamente a baixas temperaturas, permitindo que a matriz da fase líquida se solidifique rapidamente. Posteriormente, a fase sólida solidificada é sublimada e removida por meio de redução de pressão ou secagem a vácuo. O método consiste na obtenção de um corpo verde com estruturas de poros dispostas direcionalmente no interior da pasta, que é então sinterizado para produzir cerâmicas porosas de carbeto de silício.
1.3 Método de Impressão 3D
O método de impressão 3D para a preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício é um novo tipo de processo de preparação que se desenvolveu nos últimos anos. Este processo baseia-se num modelo de dados tridimensional concebido com o auxílio de computador. Através da cabeça de impressão, o aglutinante é pulverizado para empilhar o pó da matéria-prima camada por camada, formando uma estrutura de rede tridimensional. A combinação dos processos de impressão 3D e sinterização reativa permite a fabricação sem moldes e a conformação de cerâmicas com formatos complexos em dimensões próximas ao tamanho final.
O método de impressão 3D para a preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício apresenta um processo de formação simples, alta eficiência de preparação e processamento, e dispensa o uso de moldes. Ele permite a preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício com formas complexas, microestruturas uniformes e boa conectividade dos poros, além de possibilitar o controle e ajuste da porosidade e do tamanho dos poros. No entanto, esse método ainda se encontra em fase de pesquisa exploratória e os parâmetros do processo precisam ser otimizados. Além disso, a preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício de alta resistência em uma única etapa apresenta dificuldades. A utilização de outros processos para a obtenção dos produtos desejados acarreta custos relativamente elevados.
1.4 Espuma
O método de moldagem por espuma envolve a adição de gás ou substâncias que podem gerar gás por meio de processamento subsequente ao corpo cerâmico cru ou precursor, seguido de sinterização para obtenção de cerâmicas porosas de carbeto de silício. Diferentemente de outros métodos de preparação, o método de espuma é um processo eficaz para a preparação de cerâmicas de células fechadas.
2. Método Químico
O método químico refere-se ao fato de que a estrutura porosa em cerâmicas de carbeto de silício porosas é formada pela decomposição ou reação de sais inorgânicos ou substâncias orgânicas adicionadas, deixando vacâncias nas posições originais. Os métodos químicos comuns para preparar cerâmicas de carbeto de silício porosas incluem o método de adição de agente formador de poros, o método de impregnação com espuma orgânica e o método de molde biológico, etc.
2.1 Impregnação com Espuma Orgânica
O método de impregnação com espuma orgânica envolve o uso de espuma orgânica como molde, revestindo uniformemente o molde com a pasta cerâmica preparada ou imergindo o molde na pasta para expelir o ar, garantindo que a pasta adira uniformemente ao molde de espuma orgânica. Em seguida, por meio de secagem e sinterização em alta temperatura, o molde orgânico é removido, obtendo-se assim cerâmicas porosas.
A principal desvantagem desse método é a incapacidade de produzir materiais com porosidade fechada e poros pequenos. O formato é limitado e o desempenho da pré-forma é fortemente influenciado pelas matérias-primas. A densidade e a resistência dos materiais cerâmicos porosos preparados também são difíceis de controlar.
2.2 O método de adição de agentes formadores de poros
A preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício pela adição de agentes formadores de poros envolve a adição desses agentes ao pó ou precursores de carbeto de silício, seguida da remoção por processos subsequentes. Como resultado, os locais originalmente ocupados pelos agentes formadores de poros formam poros, que são então aquecidos e sinterizados para formar a cerâmica porosa. Portanto, a alteração do tipo e da dosagem dos agentes formadores de poros permite controlar a porosidade, a morfologia, o tamanho e a distribuição dos poros na cerâmica porosa final. Os tipos de agentes formadores de poros são muito variados, incluindo polímeros orgânicos naturais ou sintéticos, líquidos, sais, cerâmicas ou outros pós, etc. Os processos de remoção dos diferentes agentes formadores de poros variam. Os agentes formadores de poros à base de polímeros orgânicos são geralmente removidos por aquecimento e decomposição; os agentes formadores de poros líquidos podem ser removidos por cristalização e sublimação; os sais podem ser removidos por filtração em água; e os pós cerâmicos podem ser removidos por filtração em solução apropriada.
2.3 Método do Modelo Biológico
A estrutura microscópica dos poros em biomateriais é significativamente diferente daquela em materiais sintéticos. Devido à sua estrutura única, a preparação de materiais cerâmicos porosos com estruturas semelhantes, utilizando organismos como moldes, tem recebido grande atenção [10]. O método de molde biológico e o método de impregnação com espuma orgânica compartilham semelhanças. O método de impregnação com espuma orgânica utiliza esponja artificial como molde, enquanto o método de molde biológico utiliza organismos naturais como molde.
O método de molde biológico para a preparação de cerâmicas porosas de carbeto de silício apresenta as vantagens de um processo simples e de baixo custo. Ele permite a produção de cerâmicas com formas complexas e replica a estrutura de materiais biológicos naturais com grande fidelidade. No entanto, o molde biológico é propenso a fissuras durante o processo de carbonização em alta temperatura, o que impacta significativamente as propriedades mecânicas das cerâmicas porosas de carbeto de silício. Além disso, a estrutura dos poros das cerâmicas porosas de carbeto de silício preparadas depende principalmente da microestrutura do próprio molde biológico, apresentando baixa capacidade de personalização. Ademais, esse método também apresenta algumas desvantagens, como a baixa eficiência de conversão do SiC, o fácil desprendimento da camada de reação do SiC e um longo ciclo de preparação.
Data da publicação: 22 de julho de 2025