Ceramica din carbură de siliciu (SiC) este utilizată pe scară largă de mult timp în diverse domenii avansate de producție datorită durității ridicate, rezistenței ridicate, coeficientului mic de dilatare termică, conductivității termice ridicate, stabilității chimice bune, rezistenței excelente la șocuri termice și rezistenței la oxidare. Pe lângă caracteristicile menționate mai sus ale ceramicii din carbură de siliciu, ceramica poroasă din carbură de siliciu, cu structura sa poroasă microscopică unică, are perspective largi de aplicare în domenii precum metalurgia, ingineria chimică, protecția mediului și energia, extinzând considerabil domeniul de aplicare al ceramicii din carbură de siliciu.
Proprietățile speciale aleceramică poroasă din carbură de siliciubeneficiază în principal de structura lor poroasă unică, care include porozitatea, dimensiunea și distribuția porilor, precum și forma porilor etc. Prin urmare, este necesar să se regleze porozitatea, dimensiunea și distribuția porilor, precum și forma porilor prin metoda de preparare pentru a obține structura poroasă dorită. Prin urmare, metoda sa de preparare a fost întotdeauna în centrul cercetărilor. Acest articol analizează în principal progresele cercetării în metodele de preparare a ceramicii poroase din carbură de siliciu, atât în țară, cât și în străinătate, în ultimii ani.
1. Metoda fizică
Metoda fizică se referă la faptul că golurile din ceramica poroasă de carbură de siliciu sunt cauzate de o serie de fenomene fizice în timpul procesului de preparare, fără apariția unor reacții chimice sau generarea de noi substanțe. Mecanismul principal este de a forma o structură poroasă bazându-se pe golurile lăsate în urmă de contracția termică a substanțelor solide, evaporarea fazei lichide și sublimarea directă a fazei solide. Metodele comune includ metoda de stivuire a particulelor, metoda de liofilizare, metoda sol-gel etc. Tehnologia de imprimare 3D apărută în ultimii ani poate fi utilizată și pentru imprimarea și prepararea directă a structurilor poroase.
1.1 Metoda de stivuire a particulelor
Metoda de sinterizare prin împachetare a particulelor este cea mai simplă metodă de preparare a ceramicii poroase din carbură de siliciu. Principiul acestei metode este de a utiliza performanța de sinterizare a particulelor ceramice în sine pentru a forma gâturi de sinterizare între diferite particule de SiC, permițând astfel acumularea de particule pentru a forma ceramică poroasă. Pentru a reduce temperatura de sinterizare, se adaugă de obicei o anumită cantitate de liant cu un punct de topire mai scăzut pentru a forma o conexiune între diferite particule de SiC. Deoarece toți porii din metoda de sinterizare prin împachetare a particulelor sunt transformați din golurile de împachetare dintre particulele de SiC, porozitatea și dimensiunea porilor ceramicii poroase finite pot fi controlate prin modificarea dimensiunii pulberii, a tipului și cantității de liant adăugate și a parametrilor de sinterizare.
Prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu prin metoda de stivuire a particulelor nu necesită adăugarea de agenți suplimentari de formare a porilor. Procesul este simplu și relativ ușor de controlat. Cu toate acestea, porozitatea ceramicii poroase preparate prin această metodă este în general scăzută. Forma, dimensiunea porilor și porozitatea porilor sunt determinate în principal de forma, dimensiunea particulelor și distribuția particulelor de materie primă, precum și de gradul de sinterizare.
1.2 Metoda de liofilizare
Liofilizarea este o metodă care implică amestecarea uniformă a agregatelor ceramice cu apă sau solvenți organici în prezența unei cantități adecvate de dispersanți sau lianți pentru a forma o suspensie. Apoi, suspensia bine amestecată este turnată într-o matriță și congelată rapid la temperaturi scăzute, permițând matricei fazei lichide să se solidifice rapid într-un solid. Ulterior, faza solidă solidificată este sublimată și îndepărtată prin reducerea presiunii sau prin tratament de uscare în vid. Metoda constă în obținerea unui corp crud cu structuri poroase aranjate direcțional în interiorul suspensiei și, în final, sinterizarea acestuia pentru a produce ceramică poroasă din carbură de siliciu.
1.3 Metoda de imprimare 3D
Metoda de imprimare 3D pentru prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu este un nou tip de proces de preparare care s-a dezvoltat în ultimii ani. Acest proces se bazează pe un model de date tridimensional conceput cu ajutorul computerului. Prin intermediul capului de imprimare, liantul este pulverizat pentru a stivui pulberea de materie primă strat cu strat într-o structură de rețea tridimensională. Combinarea dintre imprimarea 3D și procesele de sinterizare prin reacție poate realiza fabricarea fără matriță și formarea de ceramici cu forme complexe, aproape la dimensiuni nete.
Metoda de imprimare 3D pentru prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu se caracterizează prin procesul de formare simplu, eficiență ridicată de preparare și procesare și nu necesită matrițe. Nu numai că poate fi utilizată pentru prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu cu forme complexe, microstructuri uniforme și o bună conectivitate a porilor, dar și porozitatea și dimensiunea porilor ceramicii poroase sunt controlabile și reglabile. Cu toate acestea, această metodă se află încă în stadiul de cercetare exploratorie, iar parametrii procesului trebuie încă optimizați în continuare. În plus, această metodă este dificil de preparat ceramici poroase din carbură de siliciu de înaltă rezistență într-o singură etapă. Necesită asistența altor procese pentru a produce produsele dorite, ceea ce implică costuri relativ ridicate.
1.4 Spumare
Metoda de turnare prin spumare implică adăugarea de gaz sau substanțe care pot genera gaz prin prelucrarea ulterioară la corpul ceramic crud sau precursor, apoi sinterizarea acestuia pentru a obține ceramică poroasă din carbură de siliciu. Spre deosebire de alte metode de preparare, metoda de spumare este un proces eficient pentru prepararea ceramicii cu celule închise.
2. Metoda chimică
Metoda chimică se referă la faptul că structura poroasă din ceramica poroasă din carbură de siliciu se formează prin descompunerea sau reacția sărurilor anorganice sau a substanțelor organice adăugate, lăsând locuri libere în pozițiile inițiale. Metodele chimice comune pentru prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu includ metoda de adăugare a agentului de formare a porilor, metoda de impregnare cu spumă organică și metoda șablonului biologic etc.
2.1 Impregnarea cu spumă organică
Metoda de impregnare cu spumă organică implică utilizarea spumei organice ca șablon, acoperirea uniformă a suspensiei ceramice preparate pe șablon sau imersarea șablonului în suspensie pentru a elimina aerul, asigurându-se că suspensia aderă uniform la șablonul de spumă organică. Apoi, prin uscare și sinterizare la temperatură înaltă, șablonul organic este îndepărtat, obținându-se astfel ceramică poroasă.
Cel mai semnificativ dezavantaj al acestei metode este că nu poate produce produse cu porozitate închisă și pori mici. Forma este restricționată, iar performanța preformei este puternic afectată de materiile prime. Densitatea și rezistența materialelor ceramice poroase preparate sunt, de asemenea, dificil de controlat.
2.2 Metoda de adăugare a agenților formatori de pori
Prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu prin adăugarea de agenți formatori de pori implică adăugarea de agenți formatori de pori la pulberea sau precursorii de carbură de siliciu, apoi îndepărtarea agenților formatori de pori prin procese ulterioare. Drept urmare, pozițiile ocupate inițial de agenții formatori de pori formează pori, iar apoi se efectuează încălzirea și sinterizarea pentru a forma ceramica poroasă. Prin urmare, schimbarea tipului și dozajului de agenți formatori de pori poate controla în mod convenabil porozitatea, morfologia porilor, dimensiunea porilor și distribuția ceramicii poroase finite. Tipurile de agenți formatori de pori sunt foarte extinse, incluzând polimeri organici naturali sau sintetici, lichide, săruri, ceramică sau alte pulberi etc. Procesele de îndepărtare a diferiților agenți formatori de pori variază. Agenții formatori de pori din polimeri organici sunt de obicei îndepărtați prin încălzire și descompunere, agenții formatori de pori lichizi pot fi îndepărtați prin cristalizare și sublimare, sărurile pot fi îndepărtate prin filtrare în apă, iar pulberile ceramice pot fi îndepărtate prin filtrare în soluție adecvată.
2.3 Metoda șablonului biologic
Structura microscopică a porilor din biomateriale este semnificativ diferită de cea din materialele sintetice. Datorită structurii sale unice, prepararea materialelor ceramice poroase cu structuri similare folosind organisme ca șabloane a primit o atenție largă [10]. Metoda șablonului biologic și metoda de impregnare cu spumă organică au asemănări. Metoda de impregnare cu spumă organică folosește un burete artificial ca șablon, în timp ce metoda șablonului biologic folosește organisme naturale ca șablon.
Metoda șablonului biologic pentru prepararea ceramicii poroase din carbură de siliciu are avantajele unui proces simplu și al unui cost redus. Poate produce ceramică cu forme complexe și poate reproduce în cea mai mare măsură structura materialelor biologice naturale. Cu toate acestea, șablonul biologic este predispus la fisuri în timpul procesului de carbonizare la temperatură înaltă, ceea ce are un impact semnificativ asupra proprietăților mecanice ale ceramicii poroase din carbură de siliciu. Mai mult, structura porilor ceramicii poroase din carbură de siliciu preparate depinde în principal de microstructura șablonului biologic în sine, iar proiectabilitatea sa este slabă. În plus, această metodă are și unele dezavantaje, cum ar fi o eficiență de conversie relativ scăzută a SiC, desprinderea ușoară a stratului de reacție SiC și un ciclu lung de preparare.
Data publicării: 22 iulie 2025