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多孔碳化硅陶瓷制备方法的研究进展


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多孔碳化硅陶瓷制备方法的研究进展2020-12-07 多孔碳化硅陶瓷制备方法的研究进展[160]

  一直以来,碳化硅(SiC)陶瓷凭借硬度高、强度高、热膨胀系数小、高导热、化学稳定性好、抗热震性能和抗氧化性能优良等特点,被广泛应用于各种先进制造领域。多孔碳化硅陶瓷除了具备碳化硅陶瓷的以上特点外,其独特的微观多孔结构使其在冶金、化工、环保和能源等领域拥有广阔的应用前景,极大地拓展了碳化硅陶瓷的应用范围。

  多孔碳化硅陶瓷的特殊性能主要得益于其特殊的多孔结构,它的多孔结构包含气孔率、孔径大小及分布、孔的形状等。因此需要通过制备方法来调控其孔隙率、孔径大小及分布、孔的形状来得到所需的多孔结构。所以,它的制备方法一直是人们的研究重点。本文主要综述了近年来国内外在多孔碳化硅陶瓷制备方法方面的研究进展。

  1、物理法

  物理法是指多孔碳化硅陶瓷中的空隙是由制备过程中的一系列物理现象导致的,并没有化学反应的发生或新物质的生成。其主要机理是依靠固相物质的受热收缩、液相的蒸发、固相的直接升华而留下的空隙而形成多孔结构。常见方法有颗粒堆积法、冷冻干燥法、溶胶凝胶法等,近年来兴起的3D打印技术也可以用来直接打印制备出多孔结构。

  1.1 颗粒堆积法

  颗粒堆积烧结法是最为简单的制备多孔碳化硅陶瓷的方法。该法的原理是利用陶瓷颗粒自身的烧结性能 ,在不同的SiC颗粒间形成烧结颈,从而使得颗粒堆积体形成多孔陶瓷。为了降低烧结温度,通常添加一定量熔点较低的粘结剂使不同SiC颗粒之间形成连接。由于颗粒堆积烧结法中所有的孔隙都是由SiC颗粒之间的堆积间隙转变而来的,因此,通过改变粉末尺寸、粘结剂种类及添加量和烧结参数,可以控制多孔陶瓷成品的孔率和孔径。

  颗粒堆积法制备多孔碳化硅陶瓷不需要添加额外的造孔剂,工艺简单,而且过程也比较容易控制。但是采用该方法制备的多孔陶瓷气孔率普遍较低,孔的形状、孔径以及气孔率的高低主要受原料颗粒的形状、粒径大小和分布、以及烧结程度决定。

  1.2 冷冻干燥法

  冷冻干燥法是将陶瓷骨料与适量分散剂或结合剂作用下的水或有机溶剂均匀混合制成浆料,然后将混合均匀的浆料倒入模具中,在低温条件下使其快速冷冻,让液相基体迅速凝结为固体,而后再通过减压或真空干燥处理使凝结的固相升华去除,从而得到在浆料内部留下定向排列孔洞结构的坯体,最后经烧结制得多孔碳化硅陶瓷的方法。

  1.3 3D打印法

  3D打印法制备多孔碳化硅陶瓷是近些年发展起来的一种新型制备工艺。该工艺借助于计算机辅助设计的三维数据模型,通过打印头喷射结合剂将原料粉体层层堆叠成三维网状结构。3D打印法与反应烧结工艺相结合,可实现复杂形状陶瓷的无模制造与近净尺寸成型。

  3D打印法制备多孔碳化硅陶瓷具有成型工艺简单、制备和加工效率高且无需模具等特点,不仅可用来制备形状复杂、显微结构均匀和孔连通性好的多孔碳化硅陶瓷,而且多孔陶瓷的孔隙率和孔径大小均可控可调。但是,该方法目前仍处于探索研究阶段,工艺参数还需进一步优化。另外,该方法很难一步制备出高强度的多孔碳化硅陶瓷,需要辅助其他工艺来制备所需制品,成本较高。

  1.4发泡法

  发泡成型法是将气体或者可以通过后续处理产生气体的物质加入陶瓷坯体或前驱体,然后再经过烧结得到多孔碳化硅陶瓷。与其他制备方法不同,发泡法是一种有效的制备闭孔陶瓷的工艺。

  2、化学法

  化学法是指多孔碳化硅陶瓷中的孔状结构是由无机盐或添加的有机物质分解或发生反应之后,在原位置留下空位。常见的化学法制备多孔碳化硅陶瓷的方法有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法及生物模板法等。

  2.1有机泡沫浸渍法

  有机泡沫浸渍法是利用有机泡沫作模板,将调制好的陶瓷浆料均匀涂覆在模板上或将模板浸入浆料中,排除空气,使浆料均匀附着在有机泡沫模板上,然后经干燥高温烧结去除有机模板,从而制得多孔陶瓷的方法。

  该方法最大的缺点则是无法制备出小孔径闭口气孔制品,形状受限制且预制体的性能受原材料的影响较大,所制备的多孔陶瓷材料的密度和强度也不易控制。

  2.2添加造孔剂法

  添加造孔剂法制备多孔碳化硅陶瓷通过将造孔剂加入碳化硅粉末或前驱体中,再通过后续的工艺将造孔剂除去,这样原本造孔剂所占据的位置便形成孔隙,之后再加热烧结形成多孔陶瓷。因此,改变造孔剂的种类及添加量可以很方便地控制多孔陶瓷成品的孔率、孔隙形貌和孔径及分布。造孔剂的种类非常广泛,包括天然或合成有机高分子、液体、盐类、陶瓷或其他粉末等。不同的造孔剂去除工艺各不相同,有机高分子造孔剂通常采用加热分解的方式去除,液体造孔剂则可以通过结晶升华去除,盐类通过用水浸滤去除,陶瓷粉末则通过适当的溶液浸滤去除。

  2.3生物模板法

  生物材料中的微观孔隙结构与人工合成材料中的孔隙结构存在很大差异,由于其独特的结构,以生物体作为模板并制备出与其结构相似的多孔陶瓷材料受到了普遍关注。生物模板法与有机泡沫浸渍法有异曲同工之妙,有机泡沫浸渍法是用人造海绵为模板,生物模板法是用自然生物为模板。

  生物模板法制备多孔碳化硅陶瓷具有工艺简单及成本低廉的优点,可以制备具有复杂形状的陶瓷,并且能够最大程度地复制天然生物材料的结构。但是,生物模板在高温炭化过程中易开裂,对多孔碳化硅陶瓷的力学性能有很大影响,并且所制备多孔碳化硅陶瓷的孔结构主要取决于生物模板自身的组织结构,可设计性较差;此外,该方法还存在着SiC转化效率相对较低,SiC反应层易脱落,制备周期长等缺点。

  综合国内外的发展现状,每种制备技术都有各自的优势与不足。现代工业科技的飞速发展,对新材料、新技术不断提出更高的要求。多孔碳化硅陶瓷作为新型陶瓷材料,其应用日益广泛的同时,其制备技术必会进一步得到重视,尤其是在内部结构方面要做到精准控制,这样我们才能够精准的调控多孔碳化硅陶瓷性能。

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