多孔碳化硅陶瓷制備方法的研究進展

       一直以來，碳化硅（SiC）陶瓷憑借硬度高、強度高、熱膨脹系數小、高導熱、化學穩(wěn)定性好、抗熱震性能和抗氧化性能優(yōu)良等特點，被廣泛應用于各種先進制造領域。多孔碳化硅陶瓷除了具備碳化硅陶瓷的以上特點外，其獨特的微觀多孔結構使其在冶金、化工、環(huán)保和能源等領域擁有廣闊的應用前景，極大地拓展了碳化硅陶瓷的應用范圍。

       多孔碳化硅陶瓷的特殊性能主要得益于其特殊的多孔結構，它的多孔結構包含氣孔率、孔徑大小及分布、孔的形狀等。因此需要通過制備方法來調控其孔隙率、孔徑大小及分布、孔的形狀來得到所需的多孔結構。所以，它的制備方法一直是人們的研究重點。本文主要綜述了近年來國內外在多孔碳化硅陶瓷制備方法方面的研究進展。

1、物理法

       物理法是指多孔碳化硅陶瓷中的空隙是由制備過程中的一系列物理現(xiàn)象導致的，并沒有化學反應的發(fā)生或新物質的生成。其主要機理是依靠固相物質的受熱收縮、液相的蒸發(fā)、固相的直接升華而留下的空隙而形成多孔結構。常見方法有顆粒堆積法、冷凍干燥法、溶膠凝膠法等，近年來興起的3D打印技術也可以用來直接打印制備出多孔結構。

1.1 顆粒堆積法

       顆粒堆積燒結法是最為簡單的制備多孔碳化硅陶瓷的方法。該法的原理是利用陶瓷顆粒自身的燒結性能 ，在不同的SiC顆粒間形成燒結頸，從而使得顆粒堆積體形成多孔陶瓷。為了降低燒結溫度，通常添加一定量熔點較低的粘結劑使不同SiC顆粒之間形成連接。由于顆粒堆積燒結法中所有的孔隙都是由SiC顆粒之間的堆積間隙轉變而來的，因此，通過改變粉末尺寸、粘結劑種類及添加量和燒結參數，可以控制多孔陶瓷成品的孔率和孔徑。

       顆粒堆積法制備多孔碳化硅陶瓷不需要添加額外的造孔劑，工藝簡單，而且過程也比較容易控制。但是采用該方法制備的多孔陶瓷氣孔率普遍較低，孔的形狀、孔徑以及氣孔率的高低主要受原料顆粒的形狀、粒徑大小和分布、以及燒結程度決定[11]。

1.2 冷凍干燥法

冷凍干燥法是將陶瓷骨料與適量分散劑或結合劑作用下的水或有機溶劑均勻混合制成漿料，然后將混合均勻的漿料倒入模具中，在低溫條件下使其快速冷凍，讓液相基體迅速凝結為固體，而后再通過減壓或真空干燥處理使凝結的固相升華去除，從而得到在漿料內部留下定向排列孔洞結構的坯體，最后經燒結制得多孔碳化硅陶瓷的方法。[5]-[6]

1.3 3D打印法

      3D打印法制備多孔碳化硅陶瓷是近些年發(fā)展起來的一種新型制備工藝。該工藝借助于計算機輔助設計的三維數據模型，通過打印頭噴射結合劑將原料粉體層層堆疊成三維網狀結構。3D打印法與反應燒結工藝相結合，可實現(xiàn)復雜形狀陶瓷的無模制造與近凈尺寸成型。

       3D打印法制備多孔碳化硅陶瓷具有成型工藝簡單、制備和加工效率高且無需模具等特點，不僅可用來制備形狀復雜、顯微結構均勻和孔連通性好的多孔碳化硅陶瓷，而且多孔陶瓷的孔隙率和孔徑大小均可控可調。但是，該方法目前仍處于探索研究階段，工藝參數還需進一步優(yōu)化。另外，該方法很難一步制備出高強度的多孔碳化硅陶瓷，需要輔助其他工藝來制備所需制品，成本較高。

1.4發(fā)泡法

       發(fā)泡成型法是將氣體或者可以通過后續(xù)處理產生氣體的物質加入陶瓷坯體或前驅體，然后再經過燒結得到多孔碳化硅陶瓷。與其他制備方法不同，發(fā)泡法是一種有效的制備閉孔陶瓷的工藝。

2、化學法

       化學法是指多孔碳化硅陶瓷中的孔狀結構是由無機鹽或添加的有機物質分解或發(fā)生反應之后，在原位置留下空位。常見的化學法制備多孔碳化硅陶瓷的方法有添加造孔劑法、有機泡沫浸漬法及生物模板法等。

2.1有機泡沫浸漬法

      有機泡沫浸漬法是利用有機泡沫作模板，將調制好的陶瓷漿料均勻涂覆在模板上或將模板浸入漿料中，排除空氣，使?jié){料均勻附著在有機泡沫模板上，然后經干燥高溫燒結去除有機模板，從而制得多孔陶瓷的方法。

       該方法最大的缺點則是無法制備出小孔徑閉口氣孔制品，形狀受限制且預制體的性能受原材料的影響較大，所制備的多孔陶瓷材料的密度和強度也不易控制。

2.2添加造孔劑法

       添加造孔劑法制備多孔碳化硅陶瓷通過將造孔劑加入碳化硅粉末或前驅體中，再通過后續(xù)的工藝將造孔劑除去，這樣原本造孔劑所占據的位置便形成孔隙，之后再加熱燒結形成多孔陶瓷。因此，改變造孔劑的種類及添加量可以很方便地控制多孔陶瓷成品的孔率、孔隙形貌和孔徑及分布。造孔劑的種類非常廣泛，包括天然或合成有機高分子、液體、鹽類、陶瓷或其他粉末等。不同的造孔劑去除工藝各不相同，有機高分子造孔劑通常采用加熱分解的方式去除，液體造孔劑則可以通過結晶升華去除，鹽類通過用水浸濾去除，陶瓷粉末則通過適當的溶液浸濾去除。

2.3生物模板法

       生物材料中的微觀孔隙結構與人工合成材料中的孔隙結構存在很大差異，由于其獨特的結構，以生物體作為模板并制備出與其結構相似的多孔陶瓷材料受到了普遍關注[10]。生物模板法與有機泡沫浸漬法有異曲同工之妙，有機泡沫浸漬法是用人造海綿為模板，生物模板法是用自然生物為模板。

      生物模板法制備多孔碳化硅陶瓷具有工藝簡單及成本低廉的優(yōu)點，可以制備具有復雜形狀的陶瓷，并且能夠最大程度地復制天然生物材料的結構。但是，生物模板在高溫炭化過程中易開裂，對多孔碳化硅陶瓷的力學性能有很大影響，并且所制備多孔碳化硅陶瓷的孔結構主要取決于生物模板自身的組織結構，可設計性較差；此外，該方法還存在著SiC轉化效率相對較低，SiC反應層易脫落，制備周期長等缺點。

       綜合國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，每種制備技術都有各自的優(yōu)勢與不足?，F(xiàn)代工業(yè)科技的飛速發(fā)展，對新材料、新技術不斷提出更高的要求。多孔碳化硅陶瓷作為新型陶瓷材料，其應用日益廣泛的同時，其制備技術必會進一步得到重視，尤其是在內部結構方面要做到精準控制，這樣我們才能夠精準的調控多孔碳化硅陶瓷性能。