Керамика из карбида кремния (SiC) уже давно широко используется в различных передовых областях производства благодаря своей высокой твердости, прочности, малому коэффициенту теплового расширения, высокой теплопроводности, хорошей химической стабильности, превосходной термостойкости и стойкости к окислению. В дополнение к вышеупомянутым характеристикам, пористая керамика из карбида кремния, обладающая уникальной микроскопической пористой структурой, имеет широкие перспективы применения в таких областях, как металлургия, химическая инженерия, охрана окружающей среды и энергетика, значительно расширяя сферу применения керамики из карбида кремния.
Особые свойствапористая керамика из карбида кремнияОсновные преимущества пористых материалов заключаются в их уникальной пористой структуре, включающей пористость, размер и распределение пор, а также форму пор и т.д. Поэтому для получения желаемой пористой структуры необходимо регулировать пористость, размер и распределение пор, а также форму пор посредством метода получения. Следовательно, методы их получения всегда были в центре внимания исследователей. В данной статье в основном рассматриваются достижения в исследованиях методов получения пористой керамики из карбида кремния в стране и за рубежом за последние годы.
1. Физический метод
Физический метод подразумевает, что пустоты в пористой керамике из карбида кремния образуются в результате ряда физических явлений в процессе получения, без протекания химических реакций или образования новых веществ. Основной механизм заключается в формировании пористой структуры за счет пустот, образующихся в результате термического сжатия твердых веществ, испарения жидкой фазы и прямой сублимации твердой фазы. К распространенным методам относятся метод послойного нанесения частиц, метод лиофилизации, золь-гель метод и др. Технология 3D-печати, появившаяся в последние годы, также может быть использована для прямой печати и получения пористых структур.
1.1 Метод укладки частиц
Метод спекания с упаковкой частиц является простейшим способом получения пористой керамики из карбида кремния. Принцип этого метода заключается в использовании спекающих свойств самих керамических частиц для образования спекающих перемычек между различными частицами SiC, что позволяет накапливать частицы и формировать пористую керамику. Для снижения температуры спекания обычно добавляют определенное количество связующего вещества с более низкой температурой плавления для образования связи между различными частицами SiC. Поскольку все поры в методе спекания с упаковкой частиц образуются из зазоров между частицами SiC, пористость и размер пор готовой пористой керамики можно контролировать, изменяя размер порошка, тип и количество добавляемого связующего вещества, а также параметры спекания.
Получение пористой керамики из карбида кремния методом послойного нанесения частиц не требует добавления дополнительных порообразующих агентов. Процесс прост и относительно легко контролируется. Однако пористость пористой керамики, полученной этим методом, обычно низкая. Форма, размер пор и пористость пор в основном определяются формой, размером частиц и распределением частиц исходного материала, а также степенью спекания.
1.2 Метод лиофилизации
Сублимационная сушка — это метод, включающий равномерное смешивание керамических заполнителей с водой или органическими растворителями в присутствии соответствующего количества диспергаторов или связующих веществ для образования суспензии. Затем хорошо перемешанная суспензия заливается в форму и быстро замораживается при низких температурах, что позволяет жидкой фазе матрицы быстро затвердеть. Впоследствии затвердевшая твердая фаза сублимируется и удаляется путем снижения давления или вакуумной сушки. Метод получения заготовки с направленно расположенными пористыми структурами, остающимися внутри суспензии, и ее последующего спекания для получения пористой керамики из карбида кремния.
1.3 Метод 3D-печати
Метод 3D-печати для получения пористой керамики из карбида кремния — это новый тип процесса, разработанный в последние годы. Этот процесс основан на трехмерной модели данных, созданной с помощью компьютера. Через печатающую головку распыляется связующее вещество, которое послойно укладывает порошок исходного материала в трехмерную сетчатую структуру. Сочетание 3D-печати и реакционного спекания позволяет добиться безформовочного производства и получения керамических изделий сложной формы с размерами, близкими к окончательному.
Метод 3D-печати для получения пористой керамики из карбида кремния отличается простотой процесса формования, высокой эффективностью подготовки и обработки, а также отсутствием необходимости в формах. Он позволяет не только получать пористую керамику из карбида кремния сложной формы, с однородной микроструктурой и хорошей связностью пор, но и контролировать и регулировать пористость и размер пор. Однако в настоящее время этот метод находится на стадии исследования, и параметры процесса нуждаются в дальнейшей оптимизации. Кроме того, этот метод затрудняет получение высокопрочной пористой керамики из карбида кремния за один этап. Для получения желаемых изделий требуется использование дополнительных процессов, что влечет за собой относительно высокие затраты.
1.4 Вспенивание
Метод формования с вспениванием включает добавление газа или веществ, способных генерировать газ в процессе последующей обработки, к керамической заготовке или прекурсору, а затем спекание для получения пористой керамики из карбида кремния. В отличие от других методов получения, метод вспенивания является эффективным процессом для получения керамики с закрытыми порами.
2. Химический метод
Химический метод подразумевает, что пористая структура в пористой керамике из карбида кремния образуется в результате разложения или реакции неорганических солей или добавленных органических веществ, оставляя вакансии на исходных местах. К распространенным химическим методам получения пористой керамики из карбида кремния относятся метод добавления порообразующих агентов, метод пропитки органической пеной, метод биологического темплатирования и др.
2.1 Пропитка органической пеной
Метод пропитки органической пеной включает использование органической пены в качестве шаблона, равномерное нанесение приготовленной керамической суспензии на шаблон или погружение шаблона в суспензию для удаления воздуха, что обеспечивает равномерное прилипание суспензии к шаблону из органической пены. Затем, путем сушки и высокотемпературного спекания, органический шаблон удаляется, в результате чего получают пористую керамику.
Наиболее существенным недостатком этого метода является невозможность получения изделий с мелкопористой закрытой пористостью. Форма ограничена, а характеристики заготовки в значительной степени зависят от используемого сырья. Плотность и прочность получаемых пористых керамических материалов также трудно контролировать.
2.2 Способ добавления порообразующих агентов
Получение пористой керамики из карбида кремния путем добавления порообразующих агентов включает в себя добавление порообразующих агентов к порошку или прекурсорам карбида кремния, а затем удаление порообразующих агентов посредством последующих процессов. В результате в местах, первоначально занимаемых порообразующими агентами, образуются поры, после чего проводится нагрев и спекание для образования пористой керамики. Таким образом, изменение типа и дозировки порообразующих агентов позволяет удобно контролировать пористость, морфологию пор, размер пор и распределение пор в готовой пористой керамике. Типы порообразующих агентов очень разнообразны и включают природные или синтетические органические полимеры, жидкости, соли, керамику или другие порошки и т. д. Процессы удаления различных порообразующих агентов различаются. Органические полимерные порообразующие агенты обычно удаляются путем нагрева и разложения, жидкие порообразующие агенты могут быть удалены путем кристаллизации и сублимации, соли — путем фильтрации воды, а керамические порошки — путем фильтрации соответствующего раствора.
2.3 Метод биологического шаблона
Микроскопическая пористая структура биоматериалов значительно отличается от таковой в синтетических материалах. Благодаря своей уникальной структуре, получение пористых керамических материалов с аналогичной структурой с использованием организмов в качестве шаблонов получило широкое внимание [10]. Метод биологического шаблонирования и метод пропитки органической пеной имеют сходства. Метод пропитки органической пеной использует искусственную губку в качестве шаблона, тогда как метод биологического шаблонирования использует природные организмы в качестве шаблона.
Метод получения пористой керамики из карбида кремния с использованием биологического шаблона обладает преимуществами простоты процесса и низкой стоимости. Он позволяет получать керамику сложной формы и в наибольшей степени воспроизводить структуру природных биологических материалов. Однако биологический шаблон склонен к растрескиванию в процессе высокотемпературной карбонизации, что существенно влияет на механические свойства пористой керамики из карбида кремния. Кроме того, пористая структура полученной пористой керамики из карбида кремния в основном зависит от микроструктуры самого биологического шаблона, и возможности его регулирования ограничены. Помимо этого, данный метод имеет и некоторые недостатки, такие как относительно низкая эффективность преобразования SiC, легкое отслоение реакционного слоя SiC и длительный цикл получения.
Дата публикации: 22 июля 2025 г.