วิธีการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์พรุนคืออะไร

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตขั้นสูงต่างๆ มาเป็นเวลานาน เนื่องจากมีความแข็งสูง ความแข็งแรงสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำความร้อนสูง เสถียรภาพทางเคมีที่ดีเยี่ยม ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และทนต่อการออกซิเดชัน นอกจากคุณลักษณะดังกล่าวแล้ว เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์แบบมีรูพรุน ซึ่งมีโครงสร้างรูพรุนระดับจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์ ยังมีโอกาสในการใช้งานอย่างกว้างขวางในด้านต่างๆ เช่น โลหะวิทยา วิศวกรรมเคมี การรักษาสิ่งแวดล้อม และพลังงาน ซึ่งเป็นการขยายขอบเขตการใช้งานของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์อย่างมาก

คุณสมบัติพิเศษของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนโดยหลักแล้ว เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์พรุนได้รับประโยชน์จากโครงสร้างที่มีรูพรุนอันเป็นเอกลักษณ์ ซึ่งรวมถึงความพรุน ขนาดและการกระจายตัวของรูพรุน และรูปร่างของรูพรุน เป็นต้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องควบคุมความพรุน ขนาดและการกระจายตัวของรูพรุน รวมถึงรูปร่างของรูพรุนผ่านวิธีการเตรียมเพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีรูพรุนตามที่ต้องการ ด้วยเหตุนี้ วิธีการเตรียมจึงเป็นหัวข้อที่นักวิจัยให้ความสนใจมาโดยตลอด บทความนี้จึงทบทวนความก้าวหน้าของการวิจัยเกี่ยวกับวิธีการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์พรุนทั้งในและต่างประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

1. วิธีทางกายภาพ

วิธีทางกายภาพหมายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าช่องว่างในเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนนั้นเกิดจากปรากฏการณ์ทางกายภาพหลายอย่างในระหว่างกระบวนการเตรียม โดยไม่มีการเกิดปฏิกิริยาเคมีหรือการสร้างสารใหม่ กลไกหลักคือการสร้างโครงสร้างที่มีรูพรุนโดยอาศัยช่องว่างที่เกิดจากการหดตัวทางความร้อนของสารแข็ง การระเหยของเฟสของเหลว และการระเหิดโดยตรงของเฟสของแข็ง วิธีการทั่วไป ได้แก่ วิธีการเรียงซ้อนอนุภาค วิธีการอบแห้งแบบแช่แข็ง วิธีโซลเจล เป็นต้น เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่เกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาก็สามารถนำมาใช้ในการพิมพ์และเตรียมโครงสร้างที่มีรูพรุนได้โดยตรงเช่นกัน

1.1 วิธีการเรียงซ้อนอนุภาค

วิธีการเผาผนึกแบบบรรจุอนุภาคเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุน หลักการของวิธีนี้คือการใช้ประสิทธิภาพการเผาผนึกของอนุภาคเซรามิกเองเพื่อสร้างคอเชื่อมระหว่างอนุภาค SiC ที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดการสะสมของอนุภาคเพื่อสร้างเซรามิกที่มีรูพรุน เพื่อลดอุณหภูมิการเผาผนึก โดยทั่วไปจะมีการเติมสารยึดเกาะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อสร้างการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาค SiC ที่แตกต่างกัน เนื่องจากรูพรุนทั้งหมดในวิธีการเผาผนึกแบบบรรจุอนุภาคเกิดจากช่องว่างระหว่างอนุภาค SiC ดังนั้นความพรุนและขนาดรูพรุนของเซรามิกที่มีรูพรุนที่ได้จึงสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนขนาดผง ชนิดและปริมาณของสารยึดเกาะ และพารามิเตอร์การเผาผนึก

การเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนโดยวิธีเรียงซ้อนอนุภาคไม่จำเป็นต้องเติมสารก่อรูพรุนเพิ่มเติม กระบวนการนี้เรียบง่ายและควบคุมได้ค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตาม ความพรุนของเซรามิกที่มีรูพรุนที่เตรียมโดยวิธีนี้โดยทั่วไปจะต่ำ รูปร่าง ขนาด และความพรุนของรูพรุนส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยรูปร่าง ขนาด และการกระจายตัวของอนุภาควัตถุดิบ รวมถึงระดับการเผาผนึกด้วย

1.2 วิธีการอบแห้งแบบแช่แข็ง

การแช่แข็งแบบแห้ง (Freeze-drying) เป็นวิธีการที่เกี่ยวข้องกับการผสมเม็ดเซรามิกกับน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์อย่างสม่ำเสมอ โดยมีสารช่วยกระจายตัวหรือสารยึดเกาะในปริมาณที่เหมาะสม เพื่อให้ได้สารละลายข้น จากนั้น สารละลายข้นที่ผสมเข้ากันดีแล้วจะถูกเทลงในแม่พิมพ์และแช่แข็งอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำ ทำให้เมทริกซ์ในเฟสของเหลวแข็งตัวอย่างรวดเร็วกลายเป็นของแข็ง ต่อมา เฟสของแข็งที่แข็งตัวแล้วจะถูกทำให้ระเหิดและแยกออกโดยการลดความดันหรือการอบแห้งด้วยสุญญากาศ วิธีการนี้ได้ชิ้นงานดิบที่มีโครงสร้างรูพรุนเรียงตัวในทิศทางที่กำหนดอยู่ภายในสารละลายข้น และสุดท้ายนำไปเผาผนึกเพื่อผลิตเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุน

1.3 วิธีการพิมพ์ 3 มิติ

วิธีการพิมพ์สามมิติสำหรับการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนเป็นกระบวนการเตรียมแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กระบวนการนี้อาศัยแบบจำลองข้อมูลสามมิติที่ออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย โดยใช้หัวพิมพ์พ่นสารยึดเกาะเพื่อเรียงผงวัตถุดิบเป็นชั้นๆ จนเกิดเป็นโครงสร้างเครือข่ายสามมิติ การผสมผสานระหว่างการพิมพ์สามมิติและกระบวนการเผาผนึกแบบปฏิกิริยาสามารถทำให้ได้การผลิตแบบไร้แม่พิมพ์และการขึ้นรูปเซรามิกที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ใกล้เคียงกับขนาดสุดท้าย

วิธีการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนนั้นมีกระบวนการขึ้นรูปที่ง่าย ประสิทธิภาพการเตรียมและการประมวลผลสูง และไม่จำเป็นต้องใช้แม่พิมพ์ ไม่เพียงแต่สามารถใช้ในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนที่มีรูปร่างซับซ้อน โครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ และการเชื่อมต่อรูพรุนที่ดีเท่านั้น แต่ยังสามารถควบคุมและปรับเปลี่ยนความพรุนและขนาดรูพรุนของเซรามิกที่มีรูพรุนได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยเชิงสำรวจในปัจจุบัน และพารามิเตอร์ของกระบวนการยังคงต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพิ่มเติม นอกจากนี้ วิธีการนี้ยังยากที่จะเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนที่มีความแข็งแรงสูงในขั้นตอนเดียว ต้องอาศัยกระบวนการอื่น ๆ ช่วยเหลือในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ซึ่งทำให้ต้นทุนค่อนข้างสูง

1.4 การเกิดฟอง

วิธีการขึ้นรูปด้วยการเกิดฟองเกี่ยวข้องกับการเติมก๊าซหรือสารที่สามารถสร้างก๊าซได้ผ่านกระบวนการแปรรูปในภายหลังลงในชิ้นงานเซรามิกดิบหรือสารตั้งต้น จากนั้นจึงนำไปเผาผนึกเพื่อให้ได้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุน แตกต่างจากวิธีการเตรียมอื่นๆ วิธีการขึ้นรูปด้วยการเกิดฟองเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมเซรามิกแบบเซลล์ปิด

2. วิธีทางเคมี

วิธีทางเคมีหมายถึงข้อเท็จจริงที่ว่าโครงสร้างที่มีรูพรุนในเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนนั้นเกิดจากการสลายตัวหรือปฏิกิริยาของเกลืออนินทรีย์หรือสารอินทรีย์ที่เติมเข้าไป ทำให้เกิดช่องว่างในตำแหน่งเดิม วิธีทางเคมีทั่วไปในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุน ได้แก่ วิธีการเติมสารก่อรูพรุน วิธีการอัดฉีดโฟมอินทรีย์ และวิธีการใช้แม่แบบทางชีวภาพ เป็นต้น

2.1 การเคลือบด้วยโฟมอินทรีย์

วิธีการเคลือบด้วยโฟมอินทรีย์เกี่ยวข้องกับการใช้โฟมอินทรีย์เป็นแม่แบบ โดยเคลือบสารละลายเซรามิกที่เตรียมไว้ลงบนแม่แบบอย่างสม่ำเสมอ หรือจุ่มแม่แบบลงในสารละลายเพื่อไล่อากาศออก ทำให้สารละลายเกาะติดกับแม่แบบโฟมอินทรีย์อย่างสม่ำเสมอ จากนั้นจึงกำจัดแม่แบบอินทรีย์ออกโดยการอบแห้งและการเผาที่อุณหภูมิสูง ทำให้ได้เซรามิกที่มีรูพรุน

ข้อเสียที่สำคัญที่สุดของวิธีนี้คือไม่สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กและปิดสนิทได้ รูปทรงมีข้อจำกัด และประสิทธิภาพของชิ้นงานขึ้นรูปได้รับผลกระทบอย่างมากจากวัตถุดิบ นอกจากนี้ ความหนาแน่นและความแข็งแรงของวัสดุเซรามิกพรุนที่เตรียมได้ก็ควบคุมได้ยากเช่นกัน

2.2 วิธีการเติมสารก่อรูพรุน

การเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนโดยการเติมสารก่อรูพรุนนั้นเกี่ยวข้องกับการเติมสารก่อรูพรุนลงในผงซิลิคอนคาร์ไบด์หรือสารตั้งต้น จากนั้นจึงกำจัดสารก่อรูพรุนออกด้วยกระบวนการต่างๆ ผลที่ได้คือ ตำแหน่งที่เดิมโดยสารก่อรูพรุนจะกลายเป็นรูพรุน จากนั้นจึงทำการให้ความร้อนและเผาผนึกเพื่อสร้างเซรามิกที่มีรูพรุน ดังนั้น การเปลี่ยนชนิดและปริมาณของสารก่อรูพรุนจึงสามารถควบคุมความพรุน รูปร่างของรูพรุน ขนาดรูพรุน และการกระจายตัวของรูพรุนในเซรามิกที่มีรูพรุนที่ได้โดยสะดวก ชนิดของสารก่อรูพรุนนั้นมีหลากหลายมาก รวมถึงพอลิเมอร์อินทรีย์จากธรรมชาติหรือสังเคราะห์ ของเหลว เกลือ เซรามิก หรือผงอื่นๆ เป็นต้น กระบวนการกำจัดสารก่อรูพรุนแต่ละชนิดก็แตกต่างกัน สารก่อรูพรุนที่เป็นพอลิเมอร์อินทรีย์มักจะถูกกำจัดโดยการให้ความร้อนและการสลายตัว สารก่อรูพรุนที่เป็นของเหลวสามารถกำจัดได้โดยการตกผลึกและการระเหิด เกลือสามารถกำจัดได้โดยการกรองด้วยน้ำ และผงเซรามิกสามารถกำจัดได้โดยการกรองด้วยสารละลายที่เหมาะสม

2.3 วิธีการใช้แม่แบบทางชีวภาพ

โครงสร้างรูพรุนระดับจุลภาคในวัสดุชีวภาพนั้นแตกต่างจากในวัสดุสังเคราะห์อย่างมาก เนื่องจากโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ การเตรียมวัสดุเซรามิกที่มีรูพรุนที่มีโครงสร้างคล้ายกันโดยใช้สิ่งมีชีวิตเป็นแม่แบบจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง [10] วิธีการใช้แม่แบบทางชีวภาพและวิธีการอัดฉีดโฟมอินทรีย์มีความคล้ายคลึงกัน วิธีการอัดฉีดโฟมอินทรีย์ใช้ฟองน้ำเทียมเป็นแม่แบบ ในขณะที่วิธีการใช้แม่แบบทางชีวภาพใช้สิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติเป็นแม่แบบ

วิธีการใช้แม่แบบทางชีวภาพในการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนมีข้อดีคือ กระบวนการไม่ซับซ้อนและต้นทุนต่ำ สามารถผลิตเซรามิกที่มีรูปร่างซับซ้อนและจำลองโครงสร้างของวัสดุชีวภาพตามธรรมชาติได้มากที่สุด อย่างไรก็ตาม แม่แบบทางชีวภาพมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวในระหว่างกระบวนการคาร์บอนไนเซชันที่อุณหภูมิสูง ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุน นอกจากนี้ โครงสร้างรูพรุนของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีรูพรุนที่เตรียมได้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาคของแม่แบบทางชีวภาพเอง และความสามารถในการออกแบบก็ค่อนข้างจำกัด ยิ่งไปกว่านั้น วิธีนี้ยังมีข้อเสียบางประการ เช่น ประสิทธิภาพการแปลง SiC ค่อนข้างต่ำ การหลุดลอกของชั้นปฏิกิริยา SiC ได้ง่าย และวงจรการเตรียมที่ยาวนาน