Kiselkarbidkeramik (SiC) har länge använts i stor utsträckning inom olika avancerade tillverkningsområden på grund av sin höga hårdhet, höga hållfasthet, låga värmeutvidgningskoefficient, höga värmeledningsförmåga, goda kemiska stabilitet, utmärkta termiska chockbeständighet och oxidationsbeständighet. Utöver de ovan nämnda egenskaperna hos kiselkarbidkeramik har porös kiselkarbidkeramik, med sin unika mikroskopiska porösa struktur, breda tillämpningsmöjligheter inom områden som metallurgi, kemiteknik, miljöskydd och energi, vilket kraftigt utökar tillämpningsområdet för kiselkarbidkeramik.
De speciella egenskaperna hosporös kiselkarbidkeramikdrar främst nytta av sin unika porösa struktur, som inkluderar porositet, porstorlek och fördelning, samt porform, etc. Därför är det nödvändigt att reglera dess porositet, porstorlek och fördelning, såväl som porernas form genom framställningsmetoden för att erhålla den önskade porösa strukturen. Därför har dess framställningsmetod alltid varit i fokus för människors forskning. Denna artikel granskar huvudsakligen forskningsframstegen inom framställningsmetoder för porös kiselkarbidkeramik hemma och utomlands under senare år.
1. Fysisk metod
Den fysikaliska metoden hänvisar till det faktum att hålrummen i porösa kiselkarbidkeramik orsakas av en serie fysikaliska fenomen under framställningsprocessen, utan att kemiska reaktioner eller generering av nya ämnen inträffar. Den huvudsakliga mekanismen är att bilda en porös struktur genom att förlita sig på de hålrum som lämnas efter termisk kontraktion av fasta ämnen, avdunstning av vätskefasen och direkt sublimering av den fasta fasen. Vanliga metoder inkluderar partikelstaplingsmetoden, frystorkningsmetoden, sol-gel-metoden, etc. Den 3D-utskriftsteknik som har framkommit under senare år kan också användas för att direkt skriva ut och framställa porösa strukturer.
1.1 Partikelstaplingsmetod
Partikelpackningssintringsmetoden är det enklaste sättet att framställa porösa kiselkarbidkeramikmaterial. Principen för denna metod är att utnyttja sintringsprestanda hos de keramiska partiklarna själva för att bilda sintringshalsar mellan olika SiC-partiklar, vilket möjliggör partikelansamling för att bilda porös keramik. För att sänka sintringstemperaturen tillsätts vanligtvis en viss mängd bindemedel med lägre smältpunkt för att bilda en förbindelse mellan olika SiC-partiklar. Eftersom alla porer i partikelpackningssintringsmetoden omvandlas från packningsgapen mellan SiC-partiklarna, kan porositeten och porstorleken hos den färdiga porösa keramiken styras genom att ändra pulverstorleken, typen och tillsatt mängd bindemedel samt sintringsparametrarna.
Framställning av porösa kiselkarbidkeramikmaterial med partikelstaplingsmetoden kräver inte tillsats av ytterligare porbildande medel. Processen är enkel och relativt lätt att kontrollera. Porositeten hos porösa keramikmaterial framställt med denna metod är dock generellt låg. Porernas form, porstorlek och porositet bestäms huvudsakligen av formen, partikelstorleken och fördelningen av råmaterialpartiklarna, samt sintringsgraden.
1.2 Frystorkningsmetod
Frystorkning är en metod som innebär att keramiska aggregat blandas jämnt med vatten eller organiska lösningsmedel i närvaro av en lämplig mängd dispergeringsmedel eller bindemedel för att bilda en uppslamning. Därefter hälls den välblandade uppslamningen i en form och fryses snabbt vid låga temperaturer, vilket gör att vätskefasmatrisen snabbt stelnar till ett fast ämne. Därefter sublimeras den stelnade fasta fasen och avlägsnas genom tryckreduktion eller vakuumtorkning. Metoden för att erhålla en grön kropp med riktningsarrangerade porstrukturer kvar inuti uppslamningen och slutligen sintra den för att producera porös kiselkarbidkeramik.
1.3 3D-utskriftsmetod
3D-utskriftsmetoden för att framställa porösa kiselkarbidkeramikmaterial är en ny typ av framställningsprocess som har utvecklats under senare år. Denna process bygger på en tredimensionell datamodell utformad med hjälp av datorstöd. Genom skrivhuvudet sprutas bindemedlet för att stapla råmaterialpulvret lager för lager till en tredimensionell nätverksstruktur. Kombinationen av 3D-utskrift och reaktionssintringsprocesser kan uppnå formfri tillverkning och formning av komplexformade keramikmaterial i nära anslutning till nettostorlek.
3D-utskriftsmetoden för att framställa porös kiselkarbidkeramik har en enkel formningsprocess, hög förberedelse- och bearbetningseffektivitet och inget behov av formar. Den kan inte bara användas för att framställa porös kiselkarbidkeramik med komplexa former, enhetliga mikrostrukturer och god porkoppling, utan även porositeten och porstorleken hos den porösa keramiken är kontrollerbara och justerbara. Denna metod är dock fortfarande i ett utforskande forskningsstadium, och processparametrarna behöver fortfarande optimeras ytterligare. Dessutom är det svårt att framställa höghållfast porös kiselkarbidkeramik i ett steg med denna metod. Det kräver hjälp av andra processer för att producera de önskade produkterna, vilket medför relativt höga kostnader.
1.4 Skumning
Skumgjutningsmetoden innebär att gas eller ämnen som kan generera gas genom efterföljande bearbetning tillsätts till den keramiska råkroppen eller prekursorn, och sedan sintras den för att erhålla porös kiselkarbidkeramik. Till skillnad från andra framställningsmetoder är skumningsmetoden en effektiv process för att framställa keramik med slutna celler.
2. Kemisk metod
Den kemiska metoden avser det faktum att den porösa strukturen i porös kiselkarbidkeramik bildas genom nedbrytning eller reaktion av oorganiska salter eller tillsatta organiska ämnen, vilket lämnar tomrum kvar i sina ursprungliga positioner. Vanliga kemiska metoder för att framställa porös kiselkarbidkeramik inkluderar tillsats av porbildande medel, impregneringsmetoden med organiskt skum och den biologiska mallmetoden, etc.
2.1 Impregnering med organiskt skum
Impregneringsmetoden med organiskt skum innebär att man använder organiskt skum som mall, applicerar den förberedda keramiska uppslamningen jämnt på mallen eller doppar mallen i uppslamningen för att driva ut luft, vilket säkerställer att uppslamningen vidhäftar jämnt till den organiska skummallen. Sedan, genom torkning och högtemperatursintring, avlägsnas den organiska mallen, vilket erhåller porös keramik.
Den största nackdelen med denna metod är att den inte kan producera produkter med små porer och sluten porositet. Formen är begränsad och preformens prestanda påverkas kraftigt av råmaterialen. Densiteten och hållfastheten hos de framställda porösa keramiska materialen är också svåra att kontrollera.
2.2 Metoden för att tillsätta porbildande medel
Framställning av porösa kiselkarbidkeramikmaterial genom tillsats av porbildande medel innebär att man tillsätter porbildande medel till kiselkarbidpulver eller prekursorer, och sedan avlägsnar de porbildande medlen genom efterföljande processer. Som ett resultat bildar de positioner som ursprungligen upptogs av de porbildande medlen porer, och sedan utförs uppvärmning och sintring för att bilda porös keramik. Därför kan ändring av typ och dosering av porbildande medel bekvämt kontrollera porositeten, pormorfologin, porstorleken och fördelningen av den färdiga porösa keramiken. Typerna av porbildande medel är mycket omfattande, inklusive naturliga eller syntetiska organiska polymerer, vätskor, salter, keramik eller andra pulver, etc. Avlägsningsprocesserna för olika porbildande medel varierar. Organiska polymerer som porbildande medel avlägsnas vanligtvis genom uppvärmning och sönderdelning, flytande porbildande medel kan avlägsnas genom kristallisering och sublimering, salter kan avlägsnas genom vattenfiltrering och keramiska pulver kan avlägsnas genom lämplig lösningsfiltrering.
2.3 Biologisk mallmetod
Den mikroskopiska porstrukturen i biomaterial skiljer sig avsevärt från den i syntetiska material. På grund av sin unika struktur har framställningen av porösa keramiska material med liknande strukturer med hjälp av organismer som mallar fått stor uppmärksamhet [10]. Den biologiska mallmetoden och den organiska skumimpregneringsmetoden har likheter. Den organiska skumimpregneringsmetoden använder artificiell svamp som mall, medan den biologiska mallmetoden använder naturliga organismer som mall.
Den biologiska mallmetoden för att framställa porösa kiselkarbidkeramikmaterial har fördelarna med enkel process och låg kostnad. Den kan producera keramik med komplexa former och kan i största möjliga utsträckning replikera strukturen hos naturliga biologiska material. Emellertid är den biologiska mallen benägen att spricka under högtemperaturförkolningsprocessen, vilket har en betydande inverkan på de mekaniska egenskaperna hos porösa kiselkarbidkeramikmaterial. Dessutom beror porstrukturen hos den framställda porösa kiselkarbidkeramiken huvudsakligen på mikrostrukturen hos själva den biologiska mallen, och dess designbarhet är dålig. Dessutom har denna metod också vissa nackdelar, såsom relativt låg omvandlingseffektivitet för SiC, enkel avlossning av SiC-reaktionsskiktet och en lång framställningscykel.
Publiceringstid: 22 juli 2025