Керамика од силикон карбид и нивните различни процеси на производство

Керамика од силициум карбид (SiC).се широко користени во тешки апликации како што се прецизни лежишта, заптивки, ротори на гасна турбина, оптички компоненти, прскалки со висока температура, компоненти за разменувачи на топлина и материјали за нуклеарни реактори. Оваа широка употреба произлегува од нивните исклучителни својства, вклучувајќи висока отпорност на абење, одлична топлинска спроводливост, супериорна отпорност на оксидација и извонредни механички својства на висока температура. Сепак, силната ковалентна врска и нискиот коефициент на дифузија својствени за SiC претставуваат значаен предизвик за постигнување висока згуснување за време на процесот на синтерување. Следствено, процесот на синтерување станува клучен чекор за добивање на високи перформансиSiC керамика.

Овој труд дава сеопфатен преглед на различните производствени техники кои се користат за производство на густиRBSiC/PSSiC/RSiC керамика, истакнувајќи ги нивните уникатни карактеристики и апликации:

1. Силикон карбид поврзан со реакција (RBSiC)

RBSiCвклучува мешање на силициум карбид во прав (обично 1-10 μm) со јаглерод, обликување на смесата во зелено тело и подложување на високи температури за силиконска инфилтрација. За време на овој процес, силиконот реагира со јаглеродот за да формира SiC, кој се врзува со постоечките SiC честички, со што на крајот се постигнува згуснување. Се користат два основни методи на инфилтрација на силикон:

Инфилтрација на течен силикон: Силиконот се загрева над неговата точка на топење (1450-1470°C), дозволувајќи му на стопениот силикон да се инфилтрира во порозното зелено тело преку капиларно дејство. Стопениот силициум потоа реагира со јаглерод, формирајќи SiC.

Силиконска инфилтрација на пареа: Силиконот се загрева над точката на топење за да се генерира силициумска пареа. Оваа пареа продира во зеленото тело и последователно реагира со јаглерод, формирајќи SiC.

Процесен тек: SiC прав + C прав + врзивно средство → Обликување → сушење → изгорување на врзиво во контролирана атмосфера → инфилтрација на Si висока температура → пост-обработка

(1) Клучни размислувања:

Работната температура наRBSiCе ограничен со преостанатата содржина на слободен силициум во материјалот. Вообичаено, максималната работна температура е околу 1400°C. Над оваа температура, јачината на материјалот брзо се влошува поради топењето на слободниот силициум.

Инфилтрацијата на течниот силикон има тенденција да остави поголема содржина на остаток на силициум (обично 10-15%, понекогаш надминувајќи 15%), што може негативно да влијае на својствата на финалниот производ. Спротивно на тоа, инфилтрацијата на силиконот на пареа овозможува подобра контрола врз преостанатата содржина на силициум. Со минимизирање на порозноста во зеленото тело, резидуалната содржина на силициум по синтерувањето може да се намали на под 10%, а со внимателна контрола на процесот, дури и под 8%. Ова намалување значително ги подобрува вкупните перформанси на финалниот производ.

Важно е да се напомене декаRBSiC, без оглед на методот на инфилтрација, неизбежно ќе содржи малку остаток на силициум (во опсег од 8% до над 15%). Затоа,RBSiCне е еднофазна керамика со силициум карбид, туку композит „силициум + силициум карбид“. Следствено,RBSiCсе нарекува и какоSiSiC (композит од силициум силициум карбид).

(2) Предности и апликации:

RBSiCнуди неколку предности, вклучувајќи:

Ниска температура на синтерување: Ова ја намалува потрошувачката на енергија и трошоците за производство.

Ефективност на трошоците: Процесот е релативно едноставен и користи лесно достапни суровини, што придонесува за неговата достапност.

Висока густина:RBSiCпостигнува високи нивоа на густина, што доведува до подобрени механички својства.

Обликување во близина на мрежата: Заготовката на јаглерод и силициум карбид може да се преобработи до сложени форми, а минималното собирање при синтерување (обично помалку од 3%) обезбедува одлична димензионална точност. Ова ја намалува потребата за скапа пост-синтерувачка обработка, изработкаRBSiCособено погоден за големи компоненти со сложена форма.

Поради овие предности,RBSiCужива широка употреба во различни индустриски апликации, првенствено за производство:

Компоненти на печката: облоги, садници и сагари.

Вселенски огледала:RBSiCНискиот коефициент на термичка експанзија и високиот модул на еластичност го прават идеален материјал за вселенски ретровизори.

Високотемпературни разменувачи на топлина: Компании како Refel (Велика Британија) се пионери во употребата наRBSiCво разменувачи на топлина со висока температура, со апликации кои се движат од хемиска обработка до производство на електрична енергија. Asahi Glass (Јапонија), исто така, ја усвои оваа технологија, произведувајќи цевки за размена на топлина со должина од 0,5 до 1 метар.

Понатаму, зголемената побарувачка за поголеми обланди и повисоки температури на обработка во индустријата за полупроводници го поттикна развојот на висока чистотаRBSiCкомпоненти. Овие компоненти, произведени со употреба на SiC прашок и силициум со висока чистота, постепено ги заменуваат деловите од кварцно стакло во потпорните жици за електронски цевки и опрема за обработка на полупроводнички нафора.

Семикорекс RBSiC нафора за дифузна печка

(3) Ограничувања:

И покрај неговите предности,RBSiCпоседува одредени ограничувања:

Остаток на силициум: Како што претходно беше споменато, наRBSiCпроцесот инхерентно резултира со резидуален слободен силициум во финалниот производ. Овој остаток на силициум негативно влијае на својствата на материјалот, вклучувајќи:

Намалена јачина и отпорност на абење во споредба со другитеSiC керамика.

Ограничена отпорност на корозија: слободниот силициум е подложен на напад од алкални раствори и силни киселини како флуороводородна киселина, ограничувајќиRBSiCупотреба во такви средини.

Пониска јачина на висока температура: Присуството на слободен силициум ја ограничува максималната работна температура на околу 1350-1400°C.

2. Синтерување без притисок - PSSiC

Силикон карбид без притисоксе постигнува згуснување на примероците со различни форми и големини на температури помеѓу 2000-2150°C под инертна атмосфера и без да се изврши надворешен притисок, со додавање соодветни средства за синтерување. Технологијата на синтерување без притисок на SiC созреа, а нејзините предности лежат во неговата ниска цена на производството и без ограничувања за обликот и големината на производите. Особено, синтеруваната SiC керамика со цврста фаза има висока густина, униформа микроструктура и одлични сеопфатни својства на материјалот, што ги прави широко користени во заптивни прстени отпорни на абење и отпорни на корозија, лизгачки лежишта и други апликации.

Процесот на синтерување без притисок на силициум карбид може да се подели на цврста фазасинтеруван силициум карбид (SSiC)и синтеруван силициум карбид во течна фаза (LSiC).

Микроструктура и граница на зрно на цврстофазен синтеруван силициум карбид без притисок

Цврстофазното синтерување првпат го измисли американскиот научник Прочаска во 1974 година. Тој додаде мала количина на бор и јаглерод на подмикронскиот β-SiC, реализирајќи синтерување без притисок на силициум карбид и добивајќи густо синтерувано тело со густина блиску до 95% од теоретска вредност. Последователно, В. Бткер и Х. Ханснер користеле α-SiC како суровина и додале бор и јаглерод за да постигнат згуснување на силициум карбид. Многу подоцнежни студии покажаа дека и соединенијата на бор и бор и соединенијата на Al и Al можат да формираат цврсти раствори со силициум карбид за да промовираат синтерување. Додавањето јаглерод е корисно за синтерување со реакција со силициум диоксид на површината на силициум карбид за да се зголеми површинската енергија. Цврстиот фазен синтеруван силициум карбид има релативно „чисти“ граници на зрната, во основа без присутна течна фаза, а зрната лесно растат на високи температури. Затоа, фрактурата е трансгрануларна, а јачината и цврстината на фрактура генерално не се високи. Сепак, поради неговите „чисти“ граници на зрната, јачината на висока температура не се менува со зголемувањето на температурата и генерално останува стабилна до 1600°C.

Силциум карбид во течна фаза беше измислен од американскиот научник М.А. Мула во раните 1990-ти. Нејзиниот главен додаток за синтерување е Y2O3-Al2O3. Синтерувањето во течна фаза ја има предноста на пониска температура на синтерување во споредба со синтерувањето во цврста фаза, а големината на зрното е помала.

Главните недостатоци на синтерувањето во цврста фаза се потребната висока температура на синтерување (>2000°C), високите барања за чистота за суровините, ниската цврстина на фрактура на синтеруваното тело и силната чувствителност на јачината на кршење на пукнатини. Структурно, зрната се груби и нерамни, а режимот на фрактура е типично трансгрануларен. Во последниве години, истражувањето на керамичките материјали од силициум карбид дома и во странство се фокусираше на синтерување во течна фаза. Синтерувањето во течна фаза се постигнува со користење на одредена количина на повеќекомпонентни нискоеутектички оксиди како помагала за синтерување. На пример, бинарните и тројните помагала на Y2O3 можат да направат SiC и неговите композити да покажат синтерување во течна фаза, постигнувајќи идеално згуснување на материјалот на пониски температури. Во исто време, поради воведувањето на течната фаза на границата на зрното и слабеењето на уникатната цврстина на поврзување на интерфејсот, режимот на фрактура на керамичкиот материјал се менува во режим на интергрануларна фрактура, а цврстината на фрактура на керамичкиот материјал е значително подобрена .

3. Рекристализиран силициум карбид - RSiC

Рекристализиран силициум карбид (RSiC)е SiC материјал со висока чистота направен од прав со висока чистота на силициум карбид (SiC) со две различни големини на честички, груби и фини. Се синтерува на високи температури (2200-2450°C) преку механизам за испарување-кондензација без додавање средства за синтерување.

Забелешка: Без помошни средства за синтерување, растот на синтерувачкиот врат генерално се постигнува преку површинска дифузија или пренос на маса со испарување-кондензација. Според класичната теорија на синтерување, ниту еден од овие методи за пренос на маса не може да го намали растојанието помеѓу центрите на маса на контактните честички, со што не предизвикува никакво собирање во макроскопска скала, што е процес кој не се згуснува. За да се реши овој проблем и да се добие керамика со силициум карбид со висока густина, луѓето презедоа многу мерки, како што се нанесување топлина, додавање средства за синтерување или користење на комбинација од топлина, притисок и помагала за синтерување.

SEM слика на површината на фрактура на рекристализиран силициум карбид

Карактеристики и апликации:

RSiCсодржи повеќе од 99% SiC и во основа нема гранични нечистотии на зрната, задржувајќи многу одлични својства на SiC, како што се јачина на висока температура, отпорност на корозија и отпорност на термички шок. Затоа, широко се користи во мебел од печка со висока температура, млазници за согорување, соларни термални конвертори, уреди за прочистување на издувните гасови на дизел возила, топење метали и други средини со исклучително тешки барања за изведба.

Поради механизмот за синтерување со испарување-кондензација, нема собирање за време на процесот на печење и не се создава остаток на стрес за да предизвика деформација или пукање на производот.

RSiCможе да се формира со различни методи како што се лиење со лизгање, лиење со гел, истиснување и пресување. Бидејќи нема собирање за време на процесот на печење, лесно е да се добијат производи со точни форми и големини се додека димензиите на зеленото тело се добро контролирани.

Отпуштенитерекристализиран производ на SiCсодржи приближно 10%-20% резидуални пори. Порозноста на материјалот во голема мера зависи од порозноста на самото зелено тело и не се менува значително со температурата на синтерување, што обезбедува основа за контрола на порозноста.

Под овој механизам за синтерување, материјалот има многу меѓусебно поврзани пори, што има широк опсег на примени во областа на порозните материјали. На пример, може да ги замени традиционалните порозни производи во областа на филтрација на издувните гасови и филтрација на воздухот од фосилни горива.

RSiCима многу јасни и чисти граници на зрната без стаклени фази и нечистотии бидејќи сите нечистотии од оксид или метал се испаруваат на високи температури од 2150-2300°C. Механизмот за синтерување со испарување-кондензација, исто така, може да го прочисти SiC (содржината на SiC воRSiCе над 99%), задржувајќи многу одлични својства на SiC, што го прави погоден за апликации кои бараат јачина на висока температура, отпорност на корозија и отпорност на термички удари, како што се мебел од печка на висока температура, млазници за согорување, соларни термални конвертори и топење метали .**