Les céramiques en carbure de silicium (SiC) sont utilisées depuis longtemps dans divers secteurs de la fabrication de pointe grâce à leur dureté et leur résistance élevées, leur faible coefficient de dilatation thermique, leur conductivité thermique élevée, leur bonne stabilité chimique, leur excellente résistance aux chocs thermiques et à l'oxydation. Outre ces caractéristiques, les céramiques en carbure de silicium poreuses, avec leur structure microscopique poreuse unique, offrent de vastes perspectives d'application dans des domaines tels que la métallurgie, le génie chimique, la protection de l'environnement et l'énergie, élargissant considérablement le champ d'application des céramiques en carbure de silicium.
Les propriétés particulières decéramique poreuse en carbure de siliciumLeur principal avantage réside dans leur structure poreuse unique, caractérisée par une porosité, une taille et une distribution des pores, ainsi qu'une forme particulière. Il est donc nécessaire de contrôler ces paramètres, ainsi que la forme des pores, par le biais de la méthode de préparation, afin d'obtenir la structure poreuse souhaitée. De ce fait, la méthode de préparation a toujours fait l'objet de nombreuses recherches. Cet article passe en revue les progrès réalisés ces dernières années dans la recherche sur les méthodes de préparation des céramiques poreuses en carbure de silicium, tant en Chine qu'à l'étranger.
1. Méthode physique
La méthode physique repose sur le fait que les vides présents dans les céramiques poreuses en carbure de silicium sont dus à une série de phénomènes physiques survenant lors de leur élaboration, sans réaction chimique ni formation de nouvelles substances. Le mécanisme principal consiste à former une structure poreuse grâce aux vides laissés par la contraction thermique des substances solides, l'évaporation de la phase liquide et la sublimation directe de la phase solide. Parmi les méthodes courantes, on peut citer l'empilement de particules, la lyophilisation et le procédé sol-gel. La technologie d'impression 3D, apparue ces dernières années, permet également d'imprimer et de préparer directement des structures poreuses.
1.1 Méthode d'empilement des particules
Le frittage par tassement de particules est la méthode la plus simple pour préparer des céramiques poreuses en carbure de silicium. Son principe repose sur l'utilisation des propriétés de frittage intrinsèques des particules céramiques pour former des ponts de frittage entre les différentes particules de SiC, permettant ainsi leur agglomération et la formation d'une céramique poreuse. Afin d'abaisser la température de frittage, une certaine quantité de liant à point de fusion inférieur est généralement ajoutée pour assurer la liaison entre les particules de SiC. Puisque tous les pores, dans le cadre de cette méthode, proviennent des espaces entre les particules de SiC, la porosité et la taille des pores de la céramique poreuse finale peuvent être contrôlées en modifiant la granulométrie de la poudre, le type et la quantité de liant ajouté, ainsi que les paramètres de frittage.
La préparation de céramiques poreuses en carbure de silicium par la méthode d'empilement de particules ne nécessite pas l'ajout d'agents porogènes. Le procédé est simple et relativement facile à contrôler. Cependant, la porosité des céramiques ainsi préparées est généralement faible. La forme, la taille et la porosité des pores sont principalement déterminées par la forme, la taille et la distribution des particules de matière première, ainsi que par le degré de frittage.
1.2 Méthode de lyophilisation
La lyophilisation est une méthode qui consiste à mélanger uniformément des agrégats céramiques avec de l'eau ou des solvants organiques en présence d'une quantité appropriée de dispersants ou de liants afin de former une suspension. Cette suspension homogène est ensuite coulée dans un moule et congelée rapidement à basse température, permettant ainsi à la matrice liquide de se solidifier rapidement. La phase solide obtenue est ensuite sublimée et éliminée par réduction de pression ou séchage sous vide. Ce procédé permet d'obtenir une pièce crue présentant une structure poreuse orientée, qui est finalement frittée pour produire des céramiques poreuses en carbure de silicium.
1.3 Méthode d'impression 3D
L'impression 3D pour la fabrication de céramiques poreuses en carbure de silicium est un procédé récent. Ce procédé repose sur un modèle tridimensionnel conçu par ordinateur. La tête d'impression pulvérise un liant qui empile la poudre de matière première couche par couche, formant ainsi une structure réticulaire tridimensionnelle. L'association de l'impression 3D et du frittage réactif permet une fabrication sans moule et le formage de céramiques aux dimensions quasi-finales.
La méthode d'impression 3D pour la préparation de céramiques poreuses en carbure de silicium présente un procédé de fabrication simple, une efficacité de préparation et de traitement élevée, et ne nécessite aucun moule. Elle permet non seulement de fabriquer des céramiques poreuses en carbure de silicium aux formes complexes, aux microstructures uniformes et à la connectivité des pores optimale, mais aussi de contrôler et d'ajuster la porosité et la taille des pores. Cependant, cette méthode demeure au stade de la recherche exploratoire et ses paramètres de procédé doivent encore être optimisés. De plus, elle ne permet pas de fabriquer en une seule étape des céramiques poreuses en carbure de silicium à haute résistance. Elle requiert le recours à d'autres procédés pour obtenir les produits souhaités, ce qui engendre des coûts relativement élevés.
1.4 Moussage
Le procédé de moulage par moussage consiste à incorporer du gaz ou des substances susceptibles de générer du gaz lors des étapes de transformation ultérieures à la pièce céramique crue ou à son précurseur, puis à la fritter pour obtenir des céramiques poreuses en carbure de silicium. Contrairement à d'autres méthodes de préparation, le moussage est un procédé efficace pour l'élaboration de céramiques à cellules fermées.
2. Méthode chimique
La méthode chimique repose sur le fait que la structure poreuse des céramiques de carbure de silicium poreuses se forme par décomposition ou réaction de sels inorganiques ou de substances organiques ajoutées, créant ainsi des lacunes. Parmi les méthodes chimiques courantes de préparation de ces céramiques, on peut citer l'ajout d'agents porogènes, l'imprégnation de mousse organique et l'utilisation de matrices biologiques.
2.1 Imprégnation de mousse organique
La méthode d'imprégnation par mousse organique consiste à utiliser une mousse organique comme matrice, à y déposer uniformément une barbotine céramique préparée ou à immerger la matrice dans la barbotine pour en chasser l'air, assurant ainsi une adhérence homogène de la barbotine à la mousse organique. Après séchage et frittage à haute température, la matrice organique est éliminée, permettant d'obtenir une céramique poreuse.
Le principal inconvénient de cette méthode réside dans son incapacité à produire des matériaux à porosité fermée et à pores fins. La forme est limitée et les performances de la préforme dépendent fortement des matières premières. La densité et la résistance des matériaux céramiques poreux ainsi obtenus sont également difficiles à contrôler.
2.2 Méthode d'ajout d'agents porogènes
La préparation de céramiques poreuses en carbure de silicium par ajout d'agents porogènes consiste à incorporer ces agents à de la poudre ou des précurseurs de carbure de silicium, puis à les éliminer par des étapes successives. Les sites initialement occupés par les agents porogènes se transforment ainsi en pores, qui sont ensuite obtenus par chauffage et frittage pour former la céramique poreuse. Le type et le dosage des agents porogènes permettent donc de contrôler aisément la porosité, la morphologie, la taille et la distribution des pores de la céramique finale. La gamme d'agents porogènes est très étendue : polymères organiques naturels ou synthétiques, liquides, sels, poudres céramiques, etc. Les procédés d'élimination varient selon l'agent porogène utilisé. Les polymères organiques sont généralement éliminés par chauffage et décomposition, les agents liquides par cristallisation et sublimation, les sels par filtration à l'eau et les poudres céramiques par filtration sur une solution appropriée.
2.3 Méthode du modèle biologique
La structure microscopique des pores des biomatériaux diffère significativement de celle des matériaux synthétiques. De par sa structure unique, la préparation de matériaux céramiques poreux aux structures similaires, à partir d'organismes utilisés comme matrices, a suscité un vif intérêt [10]. La méthode de la matrice biologique et la méthode d'imprégnation de mousse organique présentent des similitudes. La première utilise une éponge artificielle comme matrice, tandis que la seconde utilise des organismes naturels.
La méthode de fabrication de céramiques poreuses en carbure de silicium par matrice biologique présente l'avantage d'un procédé simple et peu coûteux. Elle permet de produire des céramiques aux formes complexes et de reproduire au mieux la structure des matériaux biologiques naturels. Cependant, la matrice biologique est sujette à la fissuration lors de la carbonisation à haute température, ce qui affecte considérablement les propriétés mécaniques des céramiques poreuses. De plus, la structure poreuse de ces céramiques dépend principalement de la microstructure de la matrice biologique elle-même, et sa conception est peu maîtrisable. Enfin, cette méthode présente également des inconvénients, tels qu'un rendement de conversion du SiC relativement faible, un décollement facile de la couche de réaction de SiC et un cycle de préparation long.
Date de publication : 22 juillet 2025