Keramika z karbidu kremíka (SiC) sa už dlho široko používa v rôznych pokročilých výrobných oblastiach vďaka svojej vysokej tvrdosti, vysokej pevnosti, malému koeficientu tepelnej rozťažnosti, vysokej tepelnej vodivosti, dobrej chemickej stabilite, vynikajúcej odolnosti voči tepelným šokom a odolnosti voči oxidácii. Okrem vyššie uvedených vlastností keramiky z karbidu kremíka má porézna keramika z karbidu kremíka so svojou jedinečnou mikroskopickou pórovitou štruktúrou široké uplatnenie v oblastiach, ako je metalurgia, chemické inžinierstvo, ochrana životného prostredia a energetika, čím výrazne rozširuje rozsah použitia keramiky z karbidu kremíka.
Špeciálne vlastnostipórovitá karbidová keramikaťažia najmä zo svojej jedinečnej pórovitej štruktúry, ktorá zahŕňa pórovitosť, veľkosť a rozloženie pórov, tvar pórov atď. Preto je potrebné regulovať ich pórovitosť, veľkosť a rozloženie pórov, ako aj tvar pórov prostredníctvom metódy prípravy, aby sa dosiahla požadovaná pórovitá štruktúra. Preto je ich metóda prípravy vždy predmetom výskumu. Tento článok sa zameriava najmä na pokrok vo výskume metód prípravy poréznej karbidovej keramiky kremíka doma aj v zahraničí v posledných rokoch.
1. Fyzikálna metóda
Fyzikálna metóda sa vzťahuje na skutočnosť, že dutiny v pórovitej karbidovej keramike kremíka sú spôsobené radom fyzikálnych javov počas procesu prípravy, bez výskytu chemických reakcií alebo tvorby nových látok. Hlavným mechanizmom je vytvorenie pórovitej štruktúry spoliehaním sa na dutiny, ktoré zostanú tepelnou kontrakciou pevných látok, odparovaním kvapalnej fázy a priamou sublimáciou pevnej fázy. Medzi bežné metódy patrí metóda stohovania častíc, metóda lyofilizácie, metóda sol-gel atď. Technológia 3D tlače, ktorá sa objavila v posledných rokoch, sa môže použiť aj na priamu tlač a prípravu pórovitých štruktúr.
1.1 Metóda stohovania častíc
Metóda spekania s balením častíc je najjednoduchší spôsob prípravy poréznej karbidovej keramiky kremíka. Princípom tejto metódy je využitie spekania samotných keramických častíc na vytvorenie spekania medzi rôznymi časticami SiC, čím sa umožní akumulácia častíc a vytvorenie poréznej keramiky. Na zníženie teploty spekania sa zvyčajne pridáva určité množstvo spojiva s nižším bodom topenia, aby sa vytvorilo spojenie medzi rôznymi časticami SiC. Keďže všetky póry pri metóde spekania s balením častíc sa transformujú z medzier medzi časticami SiC, pórovitosť a veľkosť pórov hotovej poréznej keramiky je možné regulovať zmenou veľkosti prášku, typu a množstva pridaného spojiva a parametrov spekania.
Príprava poréznej karbidovej keramiky kremíka metódou stohovania častíc nevyžaduje pridanie ďalších pórotvorných činidiel. Proces je jednoduchý a relatívne ľahko kontrolovateľný. Pórovitosť poréznej keramiky pripravenej touto metódou je však vo všeobecnosti nízka. Tvar, veľkosť pórov a pórovitosť pórov sú určené najmä tvarom, veľkosťou častíc a rozložením častíc suroviny, ako aj stupňom spekania.
1.2 Metóda lyofilizácie
Lyofilizácia je metóda, ktorá zahŕňa rovnomerné zmiešanie keramických agregátov s vodou alebo organickými rozpúšťadlami v prítomnosti vhodného množstva dispergačných činidiel alebo spojív za vzniku suspenzie. Dobre premiešaná suspenzia sa potom naleje do formy a rýchlo zmrazí pri nízkych teplotách, čo umožní kvapalnej fáze rýchlo stuhnúť na pevnú látku. Následne sa stuhnutá pevná fáza sublimuje a odstráni sa redukciou tlaku alebo vákuovým sušením. Metóda spočíva v získaní surového telesa so smerovo usporiadanými pórovitými štruktúrami ponechanými vo vnútri suspenzie a jeho konečnom spekaní za účelom výroby poréznej karbidovej keramiky kremíka.
1.3 Metóda 3D tlače
Metóda 3D tlače na prípravu poréznej karbidovej keramiky kremíka je nový typ procesu prípravy, ktorý sa vyvinul v posledných rokoch. Tento proces sa opiera o trojrozmerný dátový model navrhnutý s pomocou počítača. Prostredníctvom tlačiacej hlavy sa nastrieka spojivo, čím sa surový prášok vrstvu po vrstve ukladá do trojrozmernej sieťovej štruktúry. Kombinácia 3D tlače a reakčného spekania umožňuje dosiahnuť výrobu bez použitia foriem a tvarovanie zložito tvarovanej keramiky takmer v čistej veľkosti.
Metóda 3D tlače na prípravu poréznej karbidovej keramiky kremíka sa vyznačuje jednoduchým procesom tvarovania, vysokou účinnosťou prípravy a spracovania a nevyžaduje žiadne formy. Dá sa použiť nielen na prípravu poréznej karbidovej keramiky kremíka so zložitými tvarmi, jednotnými mikroštruktúrami a dobrou konektivitou pórov, ale aj na reguláciu a kontrolu pórovitosti a veľkosti pórov poréznej keramiky. Táto metóda je však v súčasnosti stále vo fáze prieskumného výskumu a procesné parametre je potrebné ďalej optimalizovať. Okrem toho je táto metóda náročná na prípravu vysokopevnostnej poréznej karbidovej keramiky kremíka v jednom kroku. Na výrobu požadovaných produktov je potrebná pomoc iných procesov, čo so sebou nesie relatívne vysoké náklady.
1.4 Penenie
Metóda penového formovania zahŕňa pridanie plynu alebo látok, ktoré môžu následným spracovaním generovať plyn, do keramického surového telesa alebo prekurzora a následné jeho spekanie za účelom získania poréznej karbidovej keramiky kremíka. Na rozdiel od iných metód prípravy je metóda penenia účinným procesom na prípravu keramiky s uzavretými bunkami.
2. Chemická metóda
Chemická metóda sa vzťahuje na skutočnosť, že pórovitá štruktúra v pórovitej karbid-kremíkovej keramike vzniká rozkladom alebo reakciou anorganických solí alebo pridaných organických látok, pričom zostávajú voľné miesta v pôvodných polohách. Medzi bežné chemické metódy prípravy pórovitej karbid-kremíkovej keramiky patrí metóda pridávania pórotvorného činidla, metóda impregnácie organickou penou a metóda biologickej templátovej metódy atď.
2.1 Impregnácia organickou penou
Metóda impregnácie organickou penou zahŕňa použitie organickej peny ako šablóny, rovnomerné nanesenie pripravenej keramickej suspenzie na šablónu alebo ponorenie šablóny do suspenzie za účelom vytlačenia vzduchu, čím sa zabezpečí rovnomerné priľnutie suspenzie k šablóne z organickej peny. Následne sa sušením a spekaním pri vysokej teplote organická šablóna odstráni, čím sa získa porézna keramika.
Najvýznamnejšou nevýhodou tejto metódy je, že nedokáže vyrobiť výrobky s malými pórmi a uzavretou pórovitosťou. Tvar je obmedzený a vlastnosti predlisku sú výrazne ovplyvnené surovinami. Hustotu a pevnosť pripravených pórovitých keramických materiálov je tiež ťažké kontrolovať.
2.2 Metóda pridávania pórotvorných činidiel
Príprava poréznej karbidovej keramiky kremíka pridaním pórotvorných činidiel zahŕňa pridanie pórotvorných činidiel do prášku alebo prekurzorov karbidu kremíka a následné odstránenie pórotvorných činidiel následnými procesmi. V dôsledku toho sa pôvodne na miestach, ktoré pórotvorné činidlá obsadili, vytvoria póry a následne sa zahrieva a speká, čím sa vytvorí porézna keramika. Zmenou typu a dávkovania pórotvorných činidiel sa preto dá pohodlne regulovať pórovitosť, morfológiu pórov, veľkosť pórov a rozloženie hotovej poréznej keramiky. Typy pórotvorných činidiel sú veľmi rozsiahle a zahŕňajú prírodné alebo syntetické organické polyméry, kvapaliny, soli, keramiku alebo iné prášky atď. Procesy odstraňovania rôznych pórotvorných činidiel sa líšia. Organické polymérne pórotvorné činidlá sa zvyčajne odstraňujú zahrievaním a rozkladom, kvapalné pórotvorné činidlá sa môžu odstrániť kryštalizáciou a sublimáciou, soli sa môžu odstrániť filtráciou vody a keramické prášky sa môžu odstrániť vhodnou filtráciou roztoku.
2.3 Metóda biologických templátov
Mikroskopická štruktúra pórov v biomateriáloch sa výrazne líši od štruktúry v syntetických materiáloch. Vďaka svojej jedinečnej štruktúre sa príprava poréznych keramických materiálov s podobnými štruktúrami s použitím organizmov ako templátov teší veľkej pozornosti [10]. Metóda biologických templátov a metóda impregnácie organickou penou majú spoločné črty. Metóda impregnácie organickou penou používa ako templát umelú špongiu, zatiaľ čo metóda biologických templátov používa ako templát prírodné organizmy.
Metóda biologickej templátovej metódy na prípravu poréznej karbid kremíka a keramiky má výhody jednoduchého procesu a nízkych nákladov. Dokáže vyrobiť keramiku so zložitými tvarmi a v čo najväčšej miere replikovať štruktúru prírodných biologických materiálov. Biologická templátová metóda je však náchylná na praskanie počas procesu karbonizácie pri vysokej teplote, čo má významný vplyv na mechanické vlastnosti poréznej karbid kremíka a keramiky. Okrem toho, štruktúra pórov pripravenej poréznej karbid kremíka a keramiky závisí hlavne od mikroštruktúry samotnej biologickej templátovej metódy a jej dizajn je slabý. Okrem toho má táto metóda aj určité nevýhody, ako je relatívne nízka účinnosť konverzie SiC, ľahké odlupovanie reakčnej vrstvy SiC a dlhý cyklus prípravy.
Čas uverejnenia: 22. júla 2025