Siliciumcarbid-Keramiken (SiC) werden aufgrund ihrer hohen Härte, Festigkeit, ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, guten chemischen Stabilität, ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit seit Langem in verschiedenen Bereichen der modernen Fertigung eingesetzt. Zusätzlich zu den genannten Eigenschaften von Siliciumcarbid-Keramiken bieten poröse Siliciumcarbid-Keramiken mit ihrer einzigartigen mikroskopischen Porenstruktur breite Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Metallurgie, Chemieingenieurwesen, Umweltschutz und Energiewirtschaft und erweitern somit das Anwendungsspektrum von Siliciumcarbid-Keramiken erheblich.
Die besonderen Eigenschaften vonporöse SiliciumcarbidkeramikSie profitieren hauptsächlich von ihrer einzigartigen porösen Struktur, die Porosität, Porengröße und -verteilung sowie Porenform umfasst. Daher ist es notwendig, Porosität, Porengröße und -verteilung sowie die Porenform durch das Herstellungsverfahren zu steuern, um die gewünschte poröse Struktur zu erzielen. Aus diesem Grund steht die Herstellungsmethode seit jeher im Fokus der Forschung. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Forschungsfortschritte bei den Herstellungsverfahren für poröse Siliciumcarbidkeramiken im In- und Ausland in den letzten Jahren.
1. Physikalische Methode
Die physikalische Methode beruht darauf, dass die Hohlräume in poröser Siliciumcarbid-Keramik durch eine Reihe physikalischer Phänomene während des Herstellungsprozesses entstehen, ohne dass chemische Reaktionen stattfinden oder neue Substanzen gebildet werden. Der Hauptmechanismus besteht in der Ausbildung einer porösen Struktur durch die Hohlräume, die bei der thermischen Kontraktion fester Substanzen, der Verdampfung der flüssigen Phase und der direkten Sublimation der festen Phase entstehen. Gängige Methoden sind beispielsweise das Partikelstapelverfahren, das Gefriertrocknungsverfahren und das Sol-Gel-Verfahren. Auch die in den letzten Jahren entwickelte 3D-Drucktechnologie ermöglicht das direkte Drucken und Herstellen poröser Strukturen.
1.1 Partikelstapelverfahren
Das Partikelpackungssinterverfahren ist die einfachste Methode zur Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramik. Das Prinzip dieses Verfahrens beruht darauf, die Sintereigenschaften der Keramikpartikel selbst zu nutzen, um Sinterbrücken zwischen den einzelnen SiC-Partikeln zu bilden. Dadurch können sich die Partikel zu einer porösen Keramik zusammenlagern. Um die Sintertemperatur zu senken, wird üblicherweise eine bestimmte Menge eines Bindemittels mit niedrigerem Schmelzpunkt hinzugefügt, um die SiC-Partikel zu verbinden. Da alle Poren beim Partikelpackungssinterverfahren aus den Zwischenräumen zwischen den SiC-Partikeln entstehen, lassen sich Porosität und Porengröße der fertigen porösen Keramik durch die Pulvergröße, die Art und Menge des Bindemittels sowie die Sinterparameter steuern.
Die Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramiken mittels Partikelstapelung erfordert keine Zugabe zusätzlicher Porenbildner. Das Verfahren ist einfach und relativ leicht zu steuern. Allerdings ist die Porosität der so hergestellten Keramiken im Allgemeinen gering. Form, Porengröße und Porosität der Poren werden hauptsächlich durch Form, Partikelgröße und -verteilung der Rohmaterialpartikel sowie den Sintergrad bestimmt.
1.2 Gefriertrocknungsverfahren
Die Gefriertrocknung ist ein Verfahren, bei dem keramische Zuschlagstoffe in Gegenwart geeigneter Mengen an Dispergiermitteln oder Bindemitteln mit Wasser oder organischen Lösungsmitteln zu einer Suspension vermischt werden. Diese Suspension wird anschließend in eine Form gegossen und bei niedrigen Temperaturen schnell eingefroren, wodurch die flüssige Phase rasch erstarrt. Die erstarrte Phase wird anschließend sublimiert und durch Druckreduzierung oder Vakuumtrocknung entfernt. Mit diesem Verfahren erhält man einen Grünling mit gerichtet angeordneten Porenstrukturen, der in der Suspension verbleibt und schließlich gesintert wird, um poröse Siliciumcarbid-Keramiken herzustellen.
1.3 3D-Druckverfahren
Das 3D-Druckverfahren zur Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramik ist ein neuartiges Verfahren, das in den letzten Jahren entwickelt wurde. Es basiert auf einem computergestützten dreidimensionalen Datenmodell. Durch den Druckkopf wird das Bindemittel aufgesprüht, um das Rohmaterialpulver Schicht für Schicht zu einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur aufzubauen. Die Kombination von 3D-Druck und Reaktionssintern ermöglicht die formfreie Fertigung und die Herstellung komplex geformter Keramiken in nahezu endgültigen Abmessungen.
Das 3D-Druckverfahren zur Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramiken zeichnet sich durch einen einfachen Formgebungsprozess, hohe Herstellungs- und Verarbeitungseffizienz sowie den Verzicht auf Formen aus. Es ermöglicht die Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramiken mit komplexen Formen, homogenen Mikrostrukturen und guter Porenkonnektivität. Zudem sind Porosität und Porengröße der Keramiken kontrollierbar und einstellbar. Allerdings befindet sich dieses Verfahren derzeit noch im Forschungsstadium, und die Prozessparameter müssen weiter optimiert werden. Darüber hinaus ist die Herstellung hochfester poröser Siliciumcarbidkeramiken in einem einzigen Schritt mit diesem Verfahren schwierig. Zur Herstellung der gewünschten Produkte sind weitere Prozessschritte erforderlich, was mit relativ hohen Kosten verbunden ist.
1.4 Schäumen
Beim Schäumformverfahren wird dem keramischen Grünling oder Vorprodukt Gas oder Substanzen, die durch nachfolgende Verarbeitung Gas erzeugen können, zugegeben und anschließend gesintert, um poröse Siliciumcarbidkeramik zu erhalten. Im Gegensatz zu anderen Herstellungsverfahren ist das Schäumverfahren ein effektives Verfahren zur Herstellung von geschlossenzelliger Keramik.
2. Chemische Methode
Das chemische Verfahren beruht darauf, dass die poröse Struktur in poröser Siliciumcarbidkeramik durch die Zersetzung oder Reaktion anorganischer Salze oder zugesetzter organischer Substanzen entsteht, wodurch an den ursprünglichen Positionen Hohlräume zurückbleiben. Gängige chemische Verfahren zur Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramik umfassen die Zugabe von Porenbildnern, die Imprägnierung mit organischem Schaum und die Verwendung biologischer Templatmaterialien.
2.1 Organische Schaumimprägnierung
Bei der Imprägnierungsmethode mit organischem Schaum dient organischer Schaum als Vorlage. Die vorbereitete Keramikschlämme wird gleichmäßig auf die Vorlage aufgetragen oder die Vorlage in die Schlämme eingetaucht, um die Luft zu verdrängen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schlämme gleichmäßig an der organischen Schaumvorlage haftet. Anschließend wird die organische Vorlage durch Trocknen und Hochtemperatursintern entfernt, wodurch poröse Keramik entsteht.
Der größte Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es nicht zur Herstellung von Produkten mit kleiner, geschlossener Porosität geeignet ist. Die Formgebung ist eingeschränkt, und die Eigenschaften des Vorformlings werden stark von den Rohstoffen beeinflusst. Auch die Dichte und Festigkeit der hergestellten porösen Keramikmaterialien lassen sich nur schwer kontrollieren.
2.2 Verfahren zur Zugabe von Porenbildnern
Die Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramiken durch Zugabe von Porenbildnern umfasst das Hinzufügen dieser Porenbildner zu Siliciumcarbidpulver oder -vorstufen und deren anschließende Entfernung durch weitere Prozessschritte. Dadurch bilden sich an den ursprünglich von den Porenbildnern besetzten Stellen Poren, die durch Erhitzen und Sintern zu poröser Keramik verfestigt werden. Durch Variation von Art und Dosierung der Porenbildner lassen sich Porosität, Porenmorphologie, Porengröße und -verteilung der fertigen porösen Keramik gezielt steuern. Die Bandbreite an Porenbildnern ist groß und umfasst natürliche oder synthetische organische Polymere, Flüssigkeiten, Salze, Keramiken und andere Pulver. Die Entfernungsmethoden der verschiedenen Porenbildner unterscheiden sich. Organische Polymere werden üblicherweise durch Erhitzen und Zersetzung entfernt, flüssige Porenbildner durch Kristallisation und Sublimation, Salze durch Wasserfiltration und Keramikpulver durch Filtration mit geeigneten Lösungen.
2.3 Methode mit biologischen Vorlagen
Die mikroskopische Porenstruktur von Biomaterialien unterscheidet sich deutlich von der synthetischer Materialien. Aufgrund dieser einzigartigen Struktur hat die Herstellung poröser Keramikmaterialien mit ähnlichen Strukturen unter Verwendung von Organismen als Vorlage große Beachtung gefunden [10]. Die biologische Vorlagenmethode und die organische Schaumimprägnierungsmethode weisen Gemeinsamkeiten auf. Bei der organischen Schaumimprägnierungsmethode wird ein künstlicher Schwamm als Vorlage verwendet, während bei der biologischen Vorlagenmethode natürliche Organismen zum Einsatz kommen.
Die Methode mit biologischen Vorlagen zur Herstellung poröser Siliciumcarbidkeramiken zeichnet sich durch ein einfaches und kostengünstiges Verfahren aus. Sie ermöglicht die Herstellung von Keramiken mit komplexen Formen und kann die Struktur natürlicher biologischer Materialien weitgehend nachbilden. Allerdings neigt die biologische Vorlage während der Hochtemperatur-Karbonisierung zu Rissbildung, was die mechanischen Eigenschaften der porösen Siliciumcarbidkeramiken erheblich beeinträchtigt. Darüber hinaus hängt die Porenstruktur der hergestellten porösen Siliciumcarbidkeramiken hauptsächlich von der Mikrostruktur der biologischen Vorlage selbst ab, wodurch ihre gezielte Gestaltungsmöglichkeiten begrenzt sind. Weitere Nachteile dieser Methode sind die relativ geringe Umwandlungseffizienz von SiC, das leichte Ablösen der SiC-Reaktionsschicht und der lange Herstellungszyklus.
Veröffentlichungsdatum: 22. Juli 2025