Gốm silicon carbide (SiC) từ lâu đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất tiên tiến nhờ độ cứng cao, độ bền cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, độ dẫn nhiệt cao, độ ổn định hóa học tốt, khả năng chống sốc nhiệt và chống oxy hóa tuyệt vời. Bên cạnh những đặc tính nêu trên của gốm silicon carbide, gốm silicon carbide xốp, với cấu trúc xốp vi mô độc đáo, có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như luyện kim, kỹ thuật hóa học, bảo vệ môi trường và năng lượng, mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của gốm silicon carbide.
Các đặc tính đặc biệt củagốm cacbua silic xốpVật liệu này chủ yếu có lợi thế nhờ cấu trúc xốp độc đáo, bao gồm độ xốp, kích thước và phân bố lỗ xốp, hình dạng lỗ xốp, v.v. Do đó, cần phải điều chỉnh độ xốp, kích thước và phân bố lỗ xốp, cũng như hình dạng lỗ xốp thông qua phương pháp chế tạo để thu được cấu trúc xốp mong muốn. Vì vậy, phương pháp chế tạo luôn là trọng tâm nghiên cứu của nhiều người. Bài viết này chủ yếu điểm lại những tiến bộ nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp chế tạo gốm silicon carbide xốp trong và ngoài nước những năm gần đây.
1. Phương pháp vật lý
Phương pháp vật lý đề cập đến thực tế là các lỗ rỗng trong gốm silicon carbide xốp được tạo ra bởi một loạt các hiện tượng vật lý trong quá trình chế tạo, mà không xảy ra phản ứng hóa học hoặc tạo ra các chất mới. Cơ chế chính là tạo thành cấu trúc xốp bằng cách dựa vào các lỗ rỗng còn lại do sự co nhiệt của các chất rắn, sự bay hơi của pha lỏng và sự thăng hoa trực tiếp của pha rắn. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp xếp chồng hạt, phương pháp sấy đông khô, phương pháp sol-gel, v.v. Công nghệ in 3D mới nổi lên trong những năm gần đây cũng có thể được sử dụng để in trực tiếp và chế tạo các cấu trúc xốp.
1.1 Phương pháp xếp chồng hạt
Phương pháp thiêu kết đóng gói hạt là cách đơn giản nhất để chế tạo gốm silicon carbide xốp. Nguyên tắc của phương pháp này là tận dụng khả năng thiêu kết của chính các hạt gốm để tạo thành các liên kết giữa các hạt SiC khác nhau, từ đó cho phép các hạt tích tụ lại tạo thành gốm xốp. Để giảm nhiệt độ thiêu kết, một lượng chất kết dính có điểm nóng chảy thấp hơn thường được thêm vào để tạo liên kết giữa các hạt SiC khác nhau. Vì tất cả các lỗ rỗng trong phương pháp thiêu kết đóng gói hạt đều được hình thành từ các khe hở giữa các hạt SiC, nên độ xốp và kích thước lỗ rỗng của gốm xốp thành phẩm có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi kích thước bột, loại và lượng chất kết dính thêm vào, và các thông số thiêu kết.
Việc chế tạo gốm silicon carbide xốp bằng phương pháp xếp chồng hạt không cần thêm chất tạo lỗ xốp. Quy trình đơn giản và tương đối dễ kiểm soát. Tuy nhiên, độ xốp của gốm xốp được chế tạo bằng phương pháp này thường thấp. Hình dạng, kích thước lỗ và độ xốp chủ yếu được xác định bởi hình dạng, kích thước hạt và sự phân bố của các hạt nguyên liệu, cũng như mức độ thiêu kết.
1.2 Phương pháp sấy đông khô
Sấy đông khô là một phương pháp bao gồm việc trộn đều các cốt liệu gốm với nước hoặc dung môi hữu cơ cùng với một lượng chất phân tán hoặc chất kết dính thích hợp để tạo thành hỗn hợp sệt. Sau đó, hỗn hợp sệt đã trộn đều được đổ vào khuôn và làm đông lạnh nhanh ở nhiệt độ thấp, cho phép ma trận pha lỏng nhanh chóng đông đặc thành chất rắn. Tiếp theo, pha rắn đã đông đặc được thăng hoa và loại bỏ bằng cách giảm áp suất hoặc xử lý sấy chân không. Phương pháp này thu được một sản phẩm thô có cấu trúc lỗ rỗng được sắp xếp theo hướng nhất định bên trong hỗn hợp sệt và cuối cùng nung kết nó để tạo ra gốm silicon carbide xốp.
1.3 Phương pháp in 3D
Phương pháp in 3D để chế tạo gốm silicon carbide xốp là một loại quy trình chế tạo mới được phát triển trong những năm gần đây. Quy trình này dựa trên mô hình dữ liệu ba chiều được thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính. Thông qua đầu in, chất kết dính được phun để xếp chồng các lớp bột nguyên liệu thô từng lớp một thành cấu trúc mạng lưới ba chiều. Sự kết hợp giữa in 3D và quy trình thiêu kết phản ứng có thể đạt được sản xuất không cần khuôn và tạo hình gần kích thước chính xác cho các sản phẩm gốm có hình dạng phức tạp.
Phương pháp in 3D để chế tạo gốm silicon carbide xốp có đặc điểm là quy trình tạo hình đơn giản, hiệu quả chuẩn bị và gia công cao, và không cần khuôn mẫu. Phương pháp này không chỉ có thể được sử dụng để chế tạo gốm silicon carbide xốp với hình dạng phức tạp, cấu trúc vi mô đồng nhất và khả năng kết nối lỗ xốp tốt, mà còn có thể kiểm soát và điều chỉnh độ xốp và kích thước lỗ xốp của gốm xốp. Tuy nhiên, phương pháp này hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu thăm dò, và các thông số quy trình vẫn cần được tối ưu hóa hơn nữa. Ngoài ra, phương pháp này khó có thể chế tạo gốm silicon carbide xốp cường độ cao trong một bước duy nhất. Nó đòi hỏi sự hỗ trợ của các quy trình khác để tạo ra sản phẩm mong muốn, dẫn đến chi phí tương đối cao.
1.4 Tạo bọt
Phương pháp tạo bọt bao gồm việc thêm khí hoặc các chất có khả năng tạo khí thông qua quá trình xử lý tiếp theo vào phôi gốm hoặc tiền chất, sau đó nung kết để thu được gốm silicon carbide xốp. Khác với các phương pháp chế tạo khác, phương pháp tạo bọt là một quy trình hiệu quả để chế tạo gốm có cấu trúc tế bào kín.
2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học đề cập đến thực tế là cấu trúc xốp trong gốm silicon carbide xốp được hình thành do sự phân hủy hoặc phản ứng của các muối vô cơ hoặc các chất hữu cơ được thêm vào, tạo ra các chỗ trống ở vị trí ban đầu. Các phương pháp hóa học phổ biến để chế tạo gốm silicon carbide xốp bao gồm phương pháp thêm chất tạo lỗ xốp, phương pháp tẩm bọt hữu cơ và phương pháp khuôn mẫu sinh học, v.v.
2.1 Thấm tẩm bọt hữu cơ
Phương pháp tẩm xốp hữu cơ bao gồm việc sử dụng xốp hữu cơ làm khuôn mẫu, phủ đều hỗn hợp gốm đã chuẩn bị lên khuôn mẫu hoặc nhúng khuôn mẫu vào hỗn hợp để loại bỏ không khí, đảm bảo hỗn hợp bám đều vào khuôn mẫu xốp hữu cơ. Sau đó, thông qua quá trình sấy khô và thiêu kết ở nhiệt độ cao, khuôn mẫu hữu cơ được loại bỏ, từ đó thu được gốm xốp.
Nhược điểm đáng kể nhất của phương pháp này là không thể tạo ra các sản phẩm có độ xốp kín với lỗ nhỏ. Hình dạng bị hạn chế và hiệu suất của sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào nguyên liệu thô. Mật độ và độ bền của vật liệu gốm xốp được chế tạo cũng khó kiểm soát.
2.2 Phương pháp thêm chất tạo lỗ xốp
Việc chế tạo gốm silicon carbide xốp bằng cách thêm chất tạo lỗ xốp bao gồm việc thêm chất tạo lỗ xốp vào bột silicon carbide hoặc tiền chất, sau đó loại bỏ chất tạo lỗ xốp thông qua các quy trình tiếp theo. Kết quả là, các vị trí ban đầu do chất tạo lỗ xốp chiếm giữ sẽ tạo thành các lỗ xốp, sau đó tiến hành nung và thiêu kết để tạo thành gốm xốp. Do đó, việc thay đổi loại và liều lượng chất tạo lỗ xốp có thể dễ dàng kiểm soát độ xốp, hình thái lỗ xốp, kích thước và sự phân bố lỗ xốp của gốm xốp thành phẩm. Các loại chất tạo lỗ xốp rất đa dạng, bao gồm các polyme hữu cơ tự nhiên hoặc tổng hợp, chất lỏng, muối, bột gốm hoặc các loại bột khác, v.v. Quy trình loại bỏ các chất tạo lỗ xốp khác nhau cũng khác nhau. Chất tạo lỗ xốp polyme hữu cơ thường được loại bỏ bằng cách nung nóng và phân hủy, chất tạo lỗ xốp dạng lỏng có thể được loại bỏ thông qua kết tinh và thăng hoa, muối có thể được loại bỏ bằng cách lọc nước, và bột gốm có thể được loại bỏ bằng cách lọc dung dịch thích hợp.
2.3 Phương pháp khuôn mẫu sinh học
Cấu trúc lỗ rỗng vi mô trong vật liệu sinh học khác biệt đáng kể so với vật liệu tổng hợp. Do cấu trúc độc đáo của nó, việc chế tạo vật liệu gốm xốp có cấu trúc tương tự bằng cách sử dụng sinh vật làm khuôn mẫu đã nhận được sự quan tâm rộng rãi [10]. Phương pháp khuôn mẫu sinh học và phương pháp tẩm bọt hữu cơ có những điểm tương đồng. Phương pháp tẩm bọt hữu cơ sử dụng bọt biển nhân tạo làm khuôn mẫu, trong khi phương pháp khuôn mẫu sinh học sử dụng sinh vật tự nhiên làm khuôn mẫu.
Phương pháp sử dụng khuôn sinh học để chế tạo gốm silicon carbide xốp có ưu điểm là quy trình đơn giản và chi phí thấp. Nó có thể tạo ra gốm sứ với hình dạng phức tạp và có thể mô phỏng cấu trúc của vật liệu sinh học tự nhiên ở mức độ cao nhất. Tuy nhiên, khuôn sinh học dễ bị nứt trong quá trình cacbon hóa ở nhiệt độ cao, điều này ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của gốm silicon carbide xốp. Hơn nữa, cấu trúc lỗ xốp của gốm silicon carbide xốp được chế tạo chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của chính khuôn sinh học, và khả năng thiết kế của nó kém. Ngoài ra, phương pháp này cũng có một số nhược điểm, chẳng hạn như hiệu suất chuyển đổi SiC tương đối thấp, lớp phản ứng SiC dễ bị bong tróc và chu kỳ chế tạo dài.
Thời gian đăng bài: 22/7/2025