Szilícium-karbid kerámiák és változatos gyártási eljárásaik

Szilícium-karbid (SiC) kerámiaszéles körben alkalmazzák olyan igényes alkalmazásokban, mint a precíziós csapágyak, tömítések, gázturbina rotorok, optikai alkatrészek, magas hőmérsékletű fúvókák, hőcserélő alkatrészek és atomreaktorok anyagai. Ez a széles körben elterjedt használat a kivételes tulajdonságaikból fakad, beleértve a nagy kopásállóságot, a kiváló hővezető képességet, a kiváló oxidációs ellenállást és a kiemelkedő magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságokat. A szilícium-karbamidban rejlő erős kovalens kötés és alacsony diffúziós együttható azonban jelentős kihívást jelent a szinterezési folyamat során a nagy sűrűség elérésében. Következésképpen a szinterezési folyamat a nagy teljesítmény elérésének döntő lépésévé válikSiC kerámia.

Ez a cikk átfogó áttekintést nyújt a sűrű gyártásához alkalmazott különféle gyártási technikákrólRBSiC/PSSiC/RSiC kerámiák, kiemelve egyedi tulajdonságaikat és alkalmazási területeiket:

1. Reakciókötésű szilícium-karbid (RBSiC)

RBSiCmagában foglalja a szilícium-karbid por (jellemzően 1-10 μm) szénnel való összekeverését, a keverék zöld testté formálását, és magas hőmérsékletnek kitéve a szilícium beszivárgása érdekében. A folyamat során a szilícium a szénnel reagálva szilícium-karbidot képez, amely megköti a meglévő SiC-részecskéket, és végül sűrűsödést ér el. Két elsődleges szilícium-infiltrációs módszert alkalmaznak:

Folyékony szilícium beszivárgás: A szilíciumot olvadáspontja fölé melegítik (1450-1470 °C), így az olvadt szilícium kapilláris hatáson keresztül beszivároghat a porózus zöld testbe. Az olvadt szilícium ezután szénnel reagál, és SiC keletkezik.

Gőz szilícium beszivárgás: A szilíciumot az olvadáspontja fölé melegítik, hogy szilíciumgőz képződjön. Ez a gőz áthatol a zöld testen, majd reakcióba lép a szénnel, SiC-t képezve.

Folyamatfolyamat: SiC por + C por + Kötőanyag → Formázás → Szárítás → A kötőanyag kiégése ellenőrzött atmoszférában → Magas hőmérsékletű Si beszivárgás → Utófeldolgozás

(1) Főbb szempontok:

Az üzemi hőmérsékletRBSiCkorlátozza az anyag maradék szabad szilíciumtartalma. A maximális üzemi hőmérséklet jellemzően 1400°C körül van. E hőmérséklet felett az anyag szilárdsága gyorsan romlik a szabad szilícium olvadása miatt.

A folyékony szilícium beszivárgása általában magasabb maradék szilícium tartalmat hagy maga után (általában 10-15%, néha meghaladja a 15%-ot), ami negatívan befolyásolhatja a végtermék tulajdonságait. Ezzel szemben a szilíciumgőz-infiltráció lehetővé teszi a maradék szilíciumtartalom jobb szabályozását. A zöld test porozitásának minimalizálásával a szinterezés utáni maradék szilíciumtartalom 10% alá, gondos folyamatszabályozással pedig akár 8% alá is csökkenthető. Ez a csökkentés jelentősen javítja a végtermék általános teljesítményét.

Fontos megjegyezni, hogyRBSiC, függetlenül az infiltrációs módszertől, elkerülhetetlenül tartalmaz majd maradék szilíciumot (8%-tól 15%-ig terjedő mennyiségben). Ezért,RBSiCnem egyfázisú szilícium-karbid kerámia, hanem „szilícium + szilícium-karbid” kompozit. Következésképpen,RBSiCnéven is említikSiSiC (szilícium-szilícium-karbid kompozit).

(2) Előnyök és alkalmazások:

RBSiCszámos előnyt kínál, többek között:

Alacsony szinterezési hőmérséklet: Ez csökkenti az energiafogyasztást és a termelési költségeket.

Költséghatékonyság: Az eljárás viszonylag egyszerű, és könnyen elérhető nyersanyagokat használ, ami hozzájárul a megfizethetőséghez.

Nagy sűrűség:RBSiCnagy sűrűségű szintet ér el, ami jobb mechanikai tulajdonságokhoz vezet.

Near-Net Formázás: A szén- és szilícium-karbid előforma bonyolult formákká előre megmunkálható, és a szinterezés közbeni minimális zsugorodás (általában kevesebb, mint 3%) kiváló méretpontosságot biztosít. Ez csökkenti a drága szinterezés utáni megmunkálás, gyártás szükségességétRBSiCkülönösen alkalmas nagy, összetett alakú alkatrészekhez.

Ezen előnyöknek köszönhetőenRBSiCszéles körben elterjedt a különféle ipari alkalmazásokban, elsősorban a gyártásban:

A kemence alkatrészei: Bélések, olvasztótégelyek és süllyesztékek.

Űrtükrök:RBSiCAlacsony hőtágulási együtthatója és nagy rugalmassági modulusa ideális anyaggá teszik a térben elhelyezett tükrök számára.

Magas hőmérsékletű hőcserélők: Olyan cégek, mint a Refel (Egyesült Királyság) úttörő szerepet játszottak a használatábanRBSiCmagas hőmérsékletű hőcserélőkben, a vegyi feldolgozástól az energiatermelésig terjedő alkalmazásokban. Az Asahi Glass (Japán) is alkalmazta ezt a technológiát, és 0,5-1 méter hosszúságú hőcserélő csöveket gyárt.

Ezenkívül a félvezetőiparban a nagyobb lapkák és a magasabb feldolgozási hőmérséklet iránti növekvő kereslet ösztönözte a nagy tisztaságú termékek fejlesztését.RBSiCalkatrészek. Ezek a nagy tisztaságú szilícium-karbamid-porból és szilíciumból gyártott alkatrészek fokozatosan felváltják a kvarcüveg alkatrészeket az elektroncsövek és a félvezető lapka-feldolgozó berendezések tartószerkezeteiben.

Semicorex RBSiC ostyahajó diffúziós kemencéhez

(3) Korlátozások:

Előnyei ellenére,RBSiCbizonyos korlátokkal rendelkezik:

Maradék szilícium: Mint korábban említettük, aRBSiCA folyamat eredendően szabad szilíciummaradékot eredményez a végtermékben. Ez a maradék szilícium negatívan befolyásolja az anyag tulajdonságait, beleértve:

Csökkentett szilárdság és kopásállóság a többihez képestSiC kerámia.

Korlátozott korrózióállóság: A szabad szilícium érzékeny lúgos oldatok és erős savak, például fluorsav támadására, korlátozvaRBSiChasználata ilyen környezetben.

Alacsonyabb magas hőmérsékletű szilárdság: A szabad szilícium jelenléte a maximális üzemi hőmérsékletet 1350-1400°C körülire korlátozza.

2. Nyomásmentes szinterezés - PSSiC

Szilícium-karbid nyomásmentes szinterezésekülönböző alakú és méretű minták tömörítését 2000-2150°C közötti hőmérsékleten, inert atmoszférában, külső nyomás alkalmazása nélkül, megfelelő szinterezési segédanyagok hozzáadásával éri el. A SiC nyomásmentes szinterezési technológiája kiforrott, előnye az alacsony gyártási költség, valamint a termékek alakjának és méretének korlátozása. A szilárd fázisú szinterezett SiC kerámiák különösen nagy sűrűséggel, egyenletes mikroszerkezettel és kiváló átfogó anyagtulajdonságokkal rendelkeznek, így széles körben használják kopásálló és korrózióálló tömítőgyűrűkben, csúszócsapágyakban és egyéb alkalmazásokban.

A szilícium-karbid nyomásmentes szinterezési folyamata szilárd fázisra oszthatószinterezett szilícium-karbid (SSiC)és folyadékfázisú szinterezett szilícium-karbid (LSiC).

Nyomásmentes szilárd fázisú szinterezett szilícium-karbid mikroszerkezete és szemcsehatára

A szilárdfázisú szinterezést először Prochazka amerikai tudós találta fel 1974-ben. Kis mennyiségű bórt és szenet adott a szubmikron β-SiC-hez, megvalósítva a szilícium-karbid nyomás nélküli szinterezését, és sűrű szinterezett testet kapott, amelynek sűrűsége megközelíti a 95%-át. elméleti értéke. Ezt követően W. Btcker és H. Hansner α-SiC-t használt nyersanyagként, és bórt és szenet adtak hozzá a szilícium-karbid sűrűségének eléréséhez. Számos későbbi tanulmány kimutatta, hogy a bór és a bórvegyületek, valamint az Al- és Al-vegyületek szilícium-karbiddal szilárd oldatokat képezhetnek a szinterezés elősegítése érdekében. A szén hozzáadása előnyös a szinterezés során, mivel a szilícium-karbid felületén lévő szilícium-dioxiddal reagál a felületi energia növelésére. A szilárd fázisú szinterezett szilícium-karbid viszonylag „tiszta” szemcsehatárokkal rendelkezik, gyakorlatilag nincs jelen folyékony fázis, és a szemcsék könnyen növekednek magas hőmérsékleten. Ezért a törés transzgranuláris, és a szilárdság és a törési szívósság általában nem magas. A „tiszta” szemcsehatárok miatt azonban a magas hőmérsékletű szilárdság nem változik a hőmérséklet emelkedésével, és általában 1600 °C-ig stabil marad.

A szilícium-karbid folyadékfázisú szinterezését M.A. Mulla amerikai tudós találta fel az 1990-es évek elején. Fő szinterező adaléka az Y2O3-Al2O3. A folyékony fázisú szinterezés előnye, hogy a szilárd fázisú szintereléshez képest alacsonyabb a szinterezési hőmérséklet, és kisebb a szemcseméret.

A szilárd fázisú szinterezés fő hátrányai a magas szinterezési hőmérséklet szükségessége (>2000°C), a nyersanyagok magas tisztasági követelményei, a szinterezett test csekély törési szívóssága, valamint a törési szilárdság erős repedésérzékenysége. Szerkezetileg a szemcsék durvák és egyenetlenek, a törési mód pedig jellemzően transzgranuláris. Az elmúlt években a szilícium-karbid kerámia anyagokkal kapcsolatos kutatások itthon és külföldön a folyadékfázisú szinterezésre összpontosítottak. A folyékony fázisú szinterezést bizonyos mennyiségű többkomponensű alacsony eutektikus oxidok szinterezési segédanyagként történő felhasználásával érik el. Például az Y2O3 bináris és háromkomponensű segédanyagai a SiC-t és kompozitjait folyékony fázisú szinterezéssel tudják elérni, ami az anyag ideális sűrűsödését éri el alacsonyabb hőmérsékleten. Ugyanakkor a szemcsehatár folyadékfázis bevezetése és az egyedi határfelületi kötési szilárdság gyengülése miatt a kerámiaanyag törési módja szemcseközi törési módra változik, és a kerámiaanyag törési szívóssága jelentősen javul. .

3. Újrakristályosított szilícium-karbid - RSiC

Újrakristályosított szilícium-karbid (RSiC)egy nagy tisztaságú szilícium-karbid (SiC) porból készült nagy tisztaságú anyag, két különböző szemcseméretű, durva és finom szemcsemérettel. Magas hőmérsékleten (2200-2450°C) szinterelik párolgási-kondenzációs mechanizmussal szinterezési segédanyagok hozzáadása nélkül.

Megjegyzés: Szinterezési segédanyagok nélkül a szinterezőnyak növekedése általában felületi diffúzióval vagy párolgási-kondenzációs tömegátadással érhető el. A klasszikus szinterezési elmélet szerint egyik anyagátviteli módszer sem képes csökkenteni az érintkező részecskék tömegközéppontjai közötti távolságot, így nem okoz makroszkopikus léptékű zsugorodást, ami nem tömörítési folyamat. A probléma megoldása és a nagy sűrűségű szilícium-karbid kerámiák előállítása érdekében az emberek számos intézkedést hoztak, például hőt alkalmaztak, szinterezési segédanyagokat adtak hozzá, vagy hő, nyomás és szinterezési segédanyagok kombinációját alkalmazták.

SEM kép az átkristályosított szilícium-karbid törésfelületéről

Jellemzők és alkalmazások:

RSiCtöbb mint 99% SiC-ot tartalmaz, és alapvetően nem tartalmaz szemcsehatár-szennyeződéseket, megőrizve a SiC számos kiváló tulajdonságát, például a magas hőmérsékleti szilárdságot, a korrózióállóságot és a hősokkállóságot. Ezért széles körben használják magas hőmérsékletű kemencebútorokban, égető fúvókákban, szoláris hőátalakítókban, dízeljárművek kipufogógáz-tisztító készülékeiben, fémkohászatban és más rendkívül magas teljesítményigényű környezetekben.

A párolgásos-kondenzációs szinterezési mechanizmusnak köszönhetően az égetési folyamat során nincs zsugorodás, és nem keletkezik maradék feszültség, amely deformációt vagy repedést okozna a termékben.

RSiCkülönféle módszerekkel alakítható ki, mint például csúszóöntéssel, gélöntéssel, extrudálással és préseléssel. Mivel az égetési folyamat során nincs zsugorodás, könnyen előállíthatók pontos formájú és méretű termékek, amennyiben a zöld test méretei jól szabályozottak.

A kirúgottátkristályosított SiC termékkörülbelül 10-20% maradék pórusokat tartalmaz. Az anyag porozitása nagymértékben függ magának a zöldtest porozitásától, és nem változik jelentősen a szinterezési hőmérséklettel, alapot adva a porozitás szabályozásához.

Ennek a szinterezési mechanizmusnak köszönhetően az anyagnak sok egymással összefüggő pórusa van, aminek széles köre van a porózus anyagok területén. Például helyettesítheti a hagyományos porózus termékeket a kipufogógáz-szűrés és a fosszilis tüzelőanyag-levegő-szűrés területén.

RSiCnagyon tiszta és tiszta szemcsehatárokkal rendelkezik, üveges fázisok és szennyeződések nélkül, mivel az oxid- vagy fémszennyeződések magas, 2150-2300 °C-os hőmérsékleten elpárologtak. A párolgásos-kondenzációs szinterező mechanizmus a SiC-t (SiC-tartalom) is tisztíthatjaRSiC99% felett van, megőrizve a SiC számos kiváló tulajdonságát, így alkalmas magas hőmérsékleti szilárdságot, korrózióállóságot és hősokkállóságot igénylő alkalmazásokhoz, mint például a magas hőmérsékletű kemencebútorok, égető fúvókák, szoláris hőátalakítók és fémolvasztás .**