Keramika iz silicijevega karbida (SiC) se že dolgo pogosto uporablja na različnih področjih napredne proizvodnje zaradi visoke trdote, visoke trdnosti, majhnega koeficienta toplotnega raztezanja, visoke toplotne prevodnosti, dobre kemične stabilnosti, odlične odpornosti proti toplotnim udarcem in odpornosti proti oksidaciji. Poleg zgoraj omenjenih lastnosti silicijevega karbidnega keramika ima porozna silicijev karbidna keramika s svojo edinstveno mikroskopsko porozno strukturo široke možnosti uporabe na področjih, kot so metalurgija, kemijsko inženirstvo, varstvo okolja in energetika, kar močno širi področje uporabe silicijevega karbidnega keramika.
Posebne lastnostiporozna silicijev karbidna keramikaPredvsem imajo koristi od svoje edinstvene porozne strukture, ki vključuje poroznost, velikost in porazdelitev por ter obliko por itd. Zato je treba za dosego želene porozne strukture uravnavati poroznost, velikost in porazdelitev por ter obliko por z metodo priprave. Zato je bila metoda priprave vedno v središču raziskav. Ta članek v glavnem obravnava napredek raziskav na področju metod priprave porozne silicijevega karbidne keramike doma in v tujini v zadnjih letih.
1. Fizična metoda
Fizikalna metoda se nanaša na dejstvo, da praznine v porozni silicijev-karbidni keramiki nastanejo zaradi vrste fizikalnih pojavov med postopkom priprave, brez kemičnih reakcij ali nastajanja novih snovi. Glavni mehanizem je oblikovanje porozne strukture z uporabo praznin, ki nastanejo zaradi toplotnega krčenja trdnih snovi, izhlapevanja tekoče faze in neposredne sublimacije trdne faze. Med pogoste metode spadajo metoda zlaganja delcev, metoda liofilizacije, metoda sol-gel itd. Tehnologija 3D-tiskanja, ki se je pojavila v zadnjih letih, se lahko uporablja tudi za neposredno tiskanje in pripravo poroznih struktur.
1.1 Metoda zlaganja delcev
Metoda sintranja z združevanjem delcev je najpreprostejši način za pripravo porozne silicijevkarbidne keramike. Načelo te metode je izkoriščanje sintralne sposobnosti samih keramičnih delcev za oblikovanje sintralnih vratov med različnimi delci SiC, s čimer se omogoči kopičenje delcev in tvorba porozne keramike. Za znižanje temperature sintranja se običajno doda določena količina veziva z nižjim tališčem, ki tvori povezavo med različnimi delci SiC. Ker se vse pore pri metodi sintranja z združevanjem delcev preoblikujejo iz združevalnega prostora med delci SiC, je mogoče poroznost in velikost por končne porozne keramike nadzorovati s spreminjanjem velikosti prahu, vrste in količine dodanega veziva ter parametrov sintranja.
Priprava porozne silicijevkarbidne keramike z metodo zlaganja delcev ne zahteva dodajanja dodatnih sredstev za tvorbo por. Postopek je preprost in ga je relativno enostavno nadzorovati. Vendar pa je poroznost porozne keramike, pripravljene s to metodo, na splošno nizka. Oblika, velikost por in poroznost por so v glavnem določene z obliko, velikostjo delcev in porazdelitvijo delcev surovine ter stopnjo sintranja.
1.2 Metoda liofilizacije
Liofilizacija je metoda, pri kateri se keramični agregati enakomerno mešajo z vodo ali organskimi topili v prisotnosti ustrezne količine dispergatorjev ali veziv, da se tvori suspenzija. Nato se dobro premešana suspenzija vlije v kalup in hitro zamrzne pri nizkih temperaturah, kar omogoči, da se tekoča faza matrice hitro strdi v trdno snov. Nato se strjena trdna faza sublimira in odstrani z zmanjšanjem tlaka ali vakuumskim sušenjem. Metoda pridobivanja surovega telesa z usmerjeno razporejenimi porami, ki ostanejo znotraj suspenzije, in končnega sintranja za proizvodnjo porozne silicijevkarbidne keramike.
1.3 Metoda 3D-tiskanja
Metoda 3D-tiskanja za pripravo porozne silicijev-karbidne keramike je nova vrsta postopka priprave, ki se je razvila v zadnjih letih. Ta postopek temelji na tridimenzionalnem podatkovnem modelu, zasnovanem s pomočjo računalnika. Vezivo se razprši skozi tiskalno glavo, da se surovinski prah plast za plastjo zloži v tridimenzionalno mrežno strukturo. Kombinacija 3D-tiskanja in reakcijskega sintranja omogoča izdelavo brez kalupov in oblikovanje kompleksne keramike skoraj v velikosti mreže.
Metoda 3D-tiskanja za pripravo porozne silicijev-karbidne keramike se odlikuje po preprostem postopku oblikovanja, visoki učinkovitosti priprave in obdelave ter odsotnost potrebe po kalupih. Uporablja se lahko ne le za pripravo porozne silicijev-karbidne keramike s kompleksnimi oblikami, enakomernimi mikrostrukturami in dobro povezljivostjo por, temveč tudi za nadzor in nastavitev poroznosti in velikosti por porozne keramike. Vendar je ta metoda trenutno še vedno v fazi raziskovalnih raziskav in procesne parametre je treba še dodatno optimizirati. Poleg tega je s to metodo težko pripraviti visoko trdno porozno silicijev-karbidno keramiko v enem koraku. Za proizvodnjo želenih izdelkov je potrebna pomoč drugih procesov, kar povzroča relativno visoke stroške.
1.4 Penjenje
Metoda penjenja vključuje dodajanje plina ali snovi, ki lahko med nadaljnjo obdelavo ustvarijo plin, keramičnemu surovcu ali prekurzorju, nato pa sintranje za pridobitev porozne silicijevkarbidne keramike. Za razliko od drugih metod priprave je metoda penjenja učinkovit postopek za pripravo keramike z zaprtimi celicami.
2. Kemijska metoda
Kemična metoda se nanaša na dejstvo, da porozna struktura v porozni silicijev karbidni keramiki nastane z razgradnjo ali reakcijo anorganskih soli ali dodanih organskih snovi, pri čemer ostanejo prosta mesta na prvotnih mestih. Med običajne kemijske metode za pripravo porozne silicijev karbidne keramike spadajo metoda dodajanja sredstva za tvorbo por, metoda impregnacije z organsko peno in metoda biološke predloge itd.
2.1 Impregnacija z organsko peno
Metoda impregnacije z organsko peno vključuje uporabo organske pene kot predloge, enakomerno nanašanje pripravljene keramične suspenzije na predlogo ali potapljanje predloge v suspenzijo, da se iztisne zrak in se zagotovi enakomeren oprijem suspenzije na predlogo iz organske pene. Nato se s sušenjem in sintranjem pri visoki temperaturi organska predloga odstrani, s čimer se dobi porozna keramika.
Največja pomanjkljivost te metode je, da z njo ni mogoče izdelati izdelkov z majhnimi porami in zaprto poroznostjo. Oblika je omejena, na delovanje predoblike pa močno vplivajo surovine. Gostoto in trdnost pripravljenih poroznih keramičnih materialov je prav tako težko nadzorovati.
2.2 Metoda dodajanja sredstev za tvorbo por
Priprava porozne silicijevkarbidne keramike z dodajanjem sredstev za tvorbo por vključuje dodajanje sredstev za tvorbo por v prah ali predhodnike silicijevega karbida, nato pa se sredstva za tvorbo por odstranijo z nadaljnjimi postopki. Posledično se na mestih, ki so jih prvotno zasedala sredstva za tvorbo por, tvorijo pore, nato pa se izvede segrevanje in sintranje, da se tvori porozna keramika. Zato lahko s spreminjanjem vrste in odmerka sredstev za tvorbo por priročno nadzorujemo poroznost, morfologijo por, velikost por in porazdelitev končne porozne keramike. Vrste sredstev za tvorbo por so zelo raznolike in vključujejo naravne ali sintetične organske polimere, tekočine, soli, keramiko ali druge prahove itd. Postopki odstranjevanja različnih sredstev za tvorbo por se razlikujejo. Organska polimerna sredstva za tvorbo por se običajno odstranijo s segrevanjem in razgradnjo, tekoča sredstva za tvorbo por se lahko odstranijo s kristalizacijo in sublimacijo, soli se lahko odstranijo z vodno filtracijo, keramični prah pa z ustrezno filtracijo raztopine.
2.3 Metoda bioloških predlog
Mikroskopska struktura por v biomaterialih se bistveno razlikuje od strukture v sintetičnih materialih. Zaradi svoje edinstvene strukture je priprava poroznih keramičnih materialov s podobnimi strukturami z uporabo organizmov kot predlog deležna široke pozornosti [10]. Metoda bioloških predlog in metoda impregnacije z organsko peno imata podobnosti. Metoda impregnacije z organsko peno uporablja umetno gobo kot predlogo, medtem ko metoda bioloških predlog uporablja naravne organizme kot predlogo.
Metoda biološke predloge za pripravo porozne silicijevkarbidne keramike ima prednosti preprostega postopka in nizkih stroškov. Omogoča izdelavo keramike kompleksnih oblik in v največji meri posnema strukturo naravnih bioloških materialov. Vendar pa je biološka predloga nagnjena k razpokanju med postopkom karbonizacije pri visoki temperaturi, kar pomembno vpliva na mehanske lastnosti porozne silicijevkarbidne keramike. Poleg tega je struktura por pripravljene porozne silicijevkarbidne keramike v glavnem odvisna od same mikrostrukture biološke predloge, njena oblikovna sposobnost pa je slaba. Poleg tega ima ta metoda tudi nekaj pomanjkljivosti, kot so relativno nizka učinkovitost pretvorbe SiC, enostavno luščenje reakcijske plasti SiC in dolg cikel priprave.
Čas objave: 22. julij 2025