Карбідокремнієва (SiC) кераміка вже давно широко використовується в різних галузях передового виробництва завдяки своїй високій твердості, високій міцності, малому коефіцієнту теплового розширення, високій теплопровідності, добрій хімічній стабільності, чудовій термостійкості та стійкості до окислення. Окрім вищезгаданих характеристик карбідокремнієвої кераміки, пориста карбідокремнієва кераміка з її унікальною мікроскопічною пористою структурою має широкі перспективи застосування в таких галузях, як металургія, хімічна інженерія, охорона навколишнього середовища та енергетика, значно розширюючи сферу застосування карбідокремнієвої кераміки.
Особливі властивостіпориста карбід-кремнієва керамікаголовною перевагою є їхня унікальна пориста структура, яка включає пористість, розмір та розподіл пор, форму пор тощо. Тому необхідно регулювати їхню пористість, розмір та розподіл пор, а також форму пор за допомогою методу підготовки, щоб отримати бажану пористу структуру. Тому метод її підготовки завжди був у центрі уваги досліджень. У цій статті в основному розглядається прогрес досліджень у методах підготовки пористої карбідкремнієвої кераміки в країні та за кордоном за останні роки.
1. Фізичний метод
Фізичний метод стосується того факту, що пустоти в пористій карбід-кремнієвій кераміці виникають внаслідок низки фізичних явищ під час процесу приготування, без виникнення хімічних реакцій або утворення нових речовин. Основний механізм полягає у формуванні пористої структури шляхом використання пустот, що утворюються внаслідок термічного стиснення твердих речовин, випаровування рідкої фази та прямої сублімації твердої фази. Поширені методи включають метод укладання частинок, метод ліофілізації, золь-гель метод тощо. Технологія 3D-друку, що з'явилася в останні роки, також може бути використана для безпосереднього друку та виготовлення пористих структур.
1.1 Метод укладання частинок
Метод спікання з упаковкою частинок є найпростішим способом отримання пористої карбід-кремнієвої кераміки. Принцип цього методу полягає у використанні спікальних властивостей самих керамічних частинок для формування спікальних шийок між різними частинками SiC, що дозволяє накопиченню частинок утворювати пористу кераміку. Для зниження температури спікання зазвичай додають певну кількість зв'язуючої речовини з нижчою температурою плавлення, щоб утворити з'єднання між різними частинками SiC. Оскільки всі пори в методі спікання з упаковкою частинок трансформуються з упаковочних проміжків між частинками SiC, пористість і розмір пор готової пористої кераміки можна контролювати, змінюючи розмір порошку, тип і кількість доданого зв'язуючої речовини, а також параметри спікання.
Отримання пористої карбідокремнієвої кераміки методом укладання частинок не вимагає додавання додаткових пороутворювальних агентів. Процес простий і відносно легко контролюється. Однак пористість пористої кераміки, отриманої цим методом, зазвичай низька. Форма, розмір пор та пористість пор головним чином визначаються формою, розміром частинок та розподілом частинок сировини, а також ступенем спікання.
1.2 Метод сублімаційного сушіння
Сублімаційне сушіння – це метод, який включає рівномірне змішування керамічних агрегатів з водою або органічними розчинниками у присутності відповідної кількості диспергаторів або сполучних речовин для утворення суспензії. Потім добре перемішану суспензію виливають у форму та швидко заморожують при низьких температурах, що дозволяє рідкофазній матриці швидко затвердіти у тверду речовину. Згодом затверділа тверда фаза сублімується та видаляється шляхом зниження тиску або вакуумного сушіння. Метод отримання сирого тіла з спрямовано розташованими пористими структурами, що залишаються всередині суспензії, та остаточного спікання її для отримання пористої карбідкремнієвої кераміки.
1.3 Метод 3D-друку
Метод 3D-друку для виготовлення пористої карбід-кремнієвої кераміки – це новий тип процесу підготовки, що розвинувся в останні роки. Цей процес базується на тривимірній моделі даних, розробленій за допомогою комп'ютера. Через друкуючу головку сполучна речовина розпилюється, щоб укладати порошкову сировину шар за шаром у тривимірну сітчасту структуру. Поєднання процесів 3D-друку та реакційного спікання дозволяє досягти виробництва без формування кераміки складної форми майже до розміру мережі.
Метод 3D-друку для виготовлення пористої карбідокремнієвої кераміки характеризується простим процесом формування, високою ефективністю підготовки та обробки, а також відсутністю потреби у формах. Його можна використовувати не лише для виготовлення пористої карбідокремнієвої кераміки зі складними формами, однорідною мікроструктурою та гарною зв'язністю пор, але й для контролю та регулювання пористості та розміру пористої кераміки. Однак, цей метод все ще перебуває на стадії дослідницьких досліджень, і параметри процесу потребують подальшої оптимізації. Крім того, цей метод є складним для виготовлення високоміцної пористої карбідокремнієвої кераміки за один крок. Для отримання бажаних продуктів потрібна допомога інших процесів, що тягне за собою відносно високі витрати.
1.4 Піноутворення
Метод формування спінюванням включає додавання газу або речовин, які можуть генерувати газ під час подальшої обробки, до керамічного зеленого матеріалу або прекурсора, а потім його спікання для отримання пористої карбідокремнієвої кераміки. На відміну від інших методів приготування, метод спінювання є ефективним процесом отримання кераміки із закритими порами.
2. Хімічний метод
Хімічний метод стосується того факту, що пориста структура в пористій карбід-кремнієвій кераміці утворюється внаслідок розкладання або реакції неорганічних солей або доданих органічних речовин, залишаючи вакансії у вихідних положеннях. Загальні хімічні методи отримання пористої карбід-кремнієвої кераміки включають метод додавання пороутворювального агента, метод просочення органічною піною та метод біологічного шаблону тощо.
2.1 Органічна пінопроникна просочення
Метод просочення органічною піною передбачає використання органічної піни як шаблону, рівномірне покриття шаблону підготовленою керамічною суспензією або занурення шаблону в суспензію для видалення повітря, що забезпечує рівномірне прилягання суспензії до шаблону з органічної піни. Потім, шляхом сушіння та високотемпературного спікання, органічний шаблон видаляється, тим самим отримуючи пористу кераміку.
Найбільш суттєвим недоліком цього методу є те, що він не може виготовляти вироби з дрібними порами та закритою пористістю. Форма обмежена, а характеристики заготовки значно залежать від сировини. Щільність та міцність отриманих пористих керамічних матеріалів також важко контролювати.
2.2 Спосіб додавання пороутворювальних агентів
Приготування пористої карбід-кремнієвої кераміки шляхом додавання пороутворювальних агентів включає додавання пороутворювальних агентів до порошку або прекурсорів карбіду кремнію, а потім видалення пороутворювальних агентів за допомогою наступних процесів. В результаті позиції, спочатку зайняті пороутворювальними агентами, утворюють пори, а потім проводять нагрівання та спікання для утворення пористої кераміки. Тому зміна типу та дозування пороутворювальних агентів може зручно контролювати пористість, морфологію пор, розмір пор та розподіл готової пористої кераміки. Типи пороутворювальних агентів дуже різноманітні, включаючи природні або синтетичні органічні полімери, рідини, солі, кераміку або інші порошки тощо. Процеси видалення різних пороутворювальних агентів різняться. Органічні полімерні пороутворювальні агенти зазвичай видаляються нагріванням та розкладанням, рідкі пороутворювальні агенти можна видалити кристалізацією та сублімацією, солі можна видалити фільтрацією води, а керамічні порошки можна видалити відповідною фільтрацією розчину.
2.3 Метод біологічного шаблону
Мікроскопічна структура пор у біоматеріалах суттєво відрізняється від структури синтетичних матеріалів. Завдяки своїй унікальній структурі, виготовлення пористих керамічних матеріалів з подібними структурами з використанням організмів як шаблонів отримало широку увагу [10]. Метод біологічного шаблону та метод просочення органічною піною мають схожі риси. Метод просочення органічною піною використовує штучну губку як шаблон, тоді як метод біологічного шаблону використовує природні організми як шаблон.
Метод біологічного шаблону для виготовлення пористої карбідокремнієвої кераміки має переваги простого процесу та низької вартості. Він дозволяє виготовляти кераміку складних форм та максимально відтворювати структуру природних біологічних матеріалів. Однак біологічний шаблон схильний до розтріскування під час процесу високотемпературної карбонізації, що суттєво впливає на механічні властивості пористої карбідокремнієвої кераміки. Крім того, пориста структура отриманої пористої карбідокремнієвої кераміки головним чином залежить від мікроструктури самого біологічного шаблону, і його придатність для проектування є низькою. Крім того, цей метод має деякі недоліки, такі як відносно низька ефективність перетворення SiC, легке відшаровування реакційного шару SiC та тривалий цикл виготовлення.
Час публікації: 22 липня 2025 р.