Исследование влияния морфологии исходных порошков на структурно-размерные характеристики пористых керамических материалов на основе SiC

Осуществление необходимых энергоэффективных технологических решений для получения высокопористых SiC-керамических материалов требует соответствующих исследований. В работе представлены результаты разработки энергоэффективных одностадийных методов синтеза пористой керамики на основе SiC, исследований ее характеристик, а также влияния морфологии исходных порошков на получаемый материал. Для синтеза экспериментальных образцов пористой керамики в качестве заполнителей применяли ультрадисперсные порошки карбида кремния двух видов с идентичным характерным размером частиц, но принципиально разной морфологией поверхности. Первый был получен традиционным печным методом (SiC_п), второй синтезирован по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (SiC_свс). Установлено, что морфология частиц исходных порошковых компонентов определяет структурные параметры и характеристики синтезируемой пористой керамики. Параметры порового пространства (средний размер пор, удельная поверхность, эквивалентный гидравлический диаметр, проницаемость и др.) могут значительно различаться. Пористые керамические материалы, синтезированные на основе заполнителя SiC_п, обладают открытой пористостью 47 %, высокой жидкостной проницаемостью (до 2 мДарси), подавляющим доминированием фазы α-SiC, а также узким распределением пор, средний размер которых составляет около 1 мкм. В пористых керамических материалах на основе SiC_свс наблюдаются высокая открытая пористость (более 58 %), высокоразвитая наноструктурированная поверхность порового пространства площадью свыше 12 м²/г, более широкое распределение пор по размерам (средний размер пор — 140 нм). Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования энергоэффективных технологий синтеза и методик прогнозирования свойств высокопористых керамических материалов на основе SiC. Это позволит создавать высокопористую SiC-керамику в заранее прогнозируемых границах эффективной применимости для процессов ультрафильтрации или катализа.

1. Khodaei M., Yaghobizadeh O., Alhosseini S., et al. The effect of oxide, carbide, nitride and boride additives on properties of pressureless sintered SiC: a review / J. Eur. Ceram. Soc. 2019. Vol. 39. P. 2215 – 2231. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.02.042

2. Chainikova A. S., Sorokin O. Yu., Kuznetsov B. Yu., et al. Study of reaction-bonded silicon carbide samples using visual-optical and radiographic methods of nondestructive control / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. No. 6. P. 46 – 51 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-46-51

3. Hotza D., Luccio M., Wilhelm M., et al. Silicon carbide filters and porous membranes: a review of processing, properties, performance and application / J. Membr. Sci. 2020. Vol. 610. P. 118193. DOI: 10.1016/j.memsci.2020.118193

4. Chen J., Zhong Z., Xia Y., et al. Recent developments on catalytic membrane for gas cleaning / Chin. J. Chem. Eng. 2019. Vol. 27. P. 1391 – 1402. DOI: 10.1016/j.cjche.2019.02.001

5. Wei W., Zhang W., Jiang Q., et al. Preparation of non-oxide SiC membrane for gas purification by spray coating / J. Membr. Sci. 2017. Vol. 540. P. 381 – 390. DOI: 10.1016/j.memsci.2017.06.076

6. Chen M., Shang R., Sberna P., et al. Highly permeable silicon carbide-alumina ultrafiltration membranes for oil-in-water filtration produced with low-pressure chemical vapor deposition / Separ. Purif. Technol. 2020. Vol. 253. P. 117496. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.117496

7. Li Y., Yang X., Liu D., et al. Permeability of the porous Al2O3 ceramic with bimodal pore size distribution / Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 5952 – 5957. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.12.064

8. Geltmeyer J., Teixido H., Meire M., et al. TiO2 functionalized nanofibrous membranes for removal of organic (micro)pollutants from water / Separ. Purif. Technol. 2017. Vol. 179. P. 533 – 541. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.02.037

9. Li D., Yao J., Liu B., et al. Preparation and characterization of surface rafting polymer of ZrO2 membrane and ZrO2 powder / Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 471. P. 394 – 402. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.02.037

10. Lee J., Zhang Z., Baek S., et al. Bio-inspired dewetted surfaces based on SiC/Si interlocked structures for enhanced under water stability and regenerative-drag reduction capability / Sci. Rep. 2016. Vol. 79. No. 3. P. 365 – 374. DOI: 10.1038/srep24653

11. Zsirai T., Al-Jaml A., Qiblawey H., et al. Ceramic membrane filtration of produced water: impact of membrane module / Separ. Purif. Technol. 2016. Vol. 165. P. 214 – 221. DOI: 10.1016/j.seppur.2016.04.001

12. Hofs B., Ogier J., Vries D., et al. Comparison of ceramic and polymeric membrane permeability and fouling using surface water / Separ. Purif. Technol. 2011. Vol. 79. No. 3. P. 365 – 374. DOI: 10.1016/j.seppur.2011.03.025

13. Khodaei M., Yaghobizadeh O., Baharvandi H., et al. Effects of different sintering methods on the properties of SiC-TiC, SiC-TiB2 composites / Int. J. Refract. Met. H. 2018. Vol. 70. P. 19 – 31. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2017.09.005

14. Kim Y., Min K., Shim J., et al. Formation of porous SiC ceramics via recrystallization / J. Eur. Ceram. Soc. 2012. Vol. 32. P. 3611 – 3615. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2012.04.044

15. Zhang J., Zhou X., Zhi Q., et al. Microstructure and mechanical properties of porous SiC ceramics by carbothermal reduction and subsequent recrystallization sintering / J. Asian Ceram. Soc. 2020. Vol. 8. No. 2. P. 255 – 264. DOI: 10.1080/21870764.2020.1728045

16. Jin Y. J., Kim Y. W. Low temperature processing of highly porous silicon carbide ceramics with improved flexural strength / J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. P. 282 – 285. DOI: 10.1007/s10853-009-3993-7

17. Fitzgerald T., Michaud V., Mortensen A. Processing of microcellular SiC foams / J. Mater. Sci. 1995. Vol. 30(4). P. 1037 – 1045. DOI: 10.1007/BF01178442

18. Yoon B. H., Lee E. J., Kim H. E. Highly aligned porous silicon carbide ceramics by freezing polycarbosilane/camphene solution / J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. No. 6. P. 1753 – 1759. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01703.x

19. Negita K. Effective sintering aids for silicon carbide ceramics: reactivities of silicon carbide with various additives / J. Am. Ceram. Soc. 1986. Vol. 69. No. 12. P. 308 – 310. DOI: 10.1111/j.1551-2916.1986.tb07398.x

20. Uvarov V. I., Kapustin R. D., Kirillov A. O., et al. The Effect of Correlation between Starting Reagent Size/Ratio and Structural Parameters on the Permeability of Porous Al2O3 Ceramics / Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2022. Vol. 31. P. 220 – 229. DOI: 10.3103/S1061386222040124

21. Uvarov V. I., Kapustin R. D., Kirillov A. O., et al. Development of a porous catalytic converter for dehydrogenation of cumene to α-methylstyrene / Refractories and Industrial Ceramics. 2020. Vol. 61. No. 4. P. 355 – 359. DOI: 10.1007/s11148-020-00486-0

22. Uvarov V. I., Kapustin R. D., Kirillov A. O., et al. Influence of structural-dimensional factor and catalytically active additives of Fe2O3/Cr2O3 in α-Al2O3-based membranes on hydrocarbon dehydrogenation / J. As. Ceram. Soc. 2021. Vol. 9. No. 3. P. 806 – 814. DOI: 10.1080/21870764.2021.1920133

23. Belyakov A., Zo A., Popova N., et al. Strengthening binders for the porous permeable ceramics with the electro-fused corundum aggregate / New refractories. 2017. Vol. 2. P. 25 – 29 [in Russian]. DOI: 10.17073/1683-4518-2017-2-25-29

24. Luo Z., Han W., Yu X., et al. In-situ reaction bonding to obtain porous SiC membrane supports with excellent mechanical and permeable performance / Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 9007 – 9016. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.01.234