Speciális előkészítési technikák szilícium-karbid kerámiákhoz

Szilícium-karbid (SiC) kerámiaAz anyagok számos kiváló tulajdonsággal rendelkeznek, beleértve a magas hőmérsékleti szilárdságot, az erős oxidációval szembeni ellenállást, a kiváló kopásállóságot, a hőstabilitást, az alacsony hőtágulási együtthatót, a magas hővezető képességet, a nagy keménységet, a hősokkállóságot és a kémiai korrózióállóságot. Ezek a jellemzők teszik a SiC kerámiákat egyre inkább alkalmazhatóvá különböző területeken, mint például az autóipar, a gépipar és a vegyipar, a környezetvédelem, az űrtechnológia, az információs elektronika és az energiaipar.SiC kerámiakiemelkedő teljesítményüknek köszönhetően számos ipari szektorban pótolhatatlan szerkezeti kerámia anyaggá váltak.

Melyek azok a szerkezeti jellemzők, amelyek fokozzákSiC kerámia?

A kiváló tulajdonságaiSiC kerámiaszorosan összefüggenek egyedi szerkezetükkel. A SiC egy nagyon erős kovalens kötésekkel rendelkező vegyület, ahol a Si-C kötés ionos jellege csak körülbelül 12%. Ez nagy szilárdságot és nagy rugalmassági modulust eredményez, kiváló kopásállóságot biztosítva. A tiszta SiC-ot nem korrodálják sem a savas oldatok, mint a HCl, HNO3, H2SO4 vagy HF, sem a lúgos oldatok, például a NaOH. Míg levegőn hevítve hajlamos oxidálódni, a felületen kialakuló SiO2 réteg gátolja a további oxigén diffúziót, így alacsonyan tartja az oxidációs sebességet. Ezenkívül a SiC félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, kis mennyiségű szennyeződés esetén jó elektromos vezetőképességgel és kiváló hővezető képességgel rendelkezik.

Hogyan befolyásolják a SiC különböző kristályformái a tulajdonságait?

A SiC két fő kristályformában létezik: α és β. A β-SiC köbös kristályszerkezetű, a Si és C felületközpontú köbös rácsokat alkot. Az α-SiC több mint 100 politípusban létezik, köztük a 4H, 15R és 6H, amelyek közül a 6H a leggyakrabban használt ipari alkalmazásokban. Ezeknek a politípusoknak a stabilitása a hőmérséklet függvényében változik. 1600°C alatt a SiC β formában létezik, míg 1600°C felett a β-SiC fokozatosan átalakul különböző α-SiC politípusokká. Például a 4H-SiC körülbelül 2000 °C-on képződik, míg a 15R és 6H politípusok 2100 °C feletti hőmérsékletet igényelnek a könnyű képződéshez. A 6H politípus még 2200°C felett is stabil marad. Az ilyen politípusok szabadenergia-tartalmának kis különbsége azt jelenti, hogy még a kisebb szennyeződések is megváltoztathatják a hőstabilitási viszonyaikat.

Mik a SiC-porok előállításának technikái?

A SiC porok előállítása a nyersanyagok kiindulási állapota alapján szilárd fázisú szintézisre és folyadékfázisú szintézisre osztható.

Melyek a szilárd fázisú szintézisben részt vevő módszerek? 

A szilárd fázisú szintézis elsősorban karbotermikus redukciót és közvetlen szilícium-szén reakciókat foglal magában. A karbotermikus redukciós módszer magában foglalja az Acheson-eljárást, a függőleges kemencés módszert és a magas hőmérsékletű forgókemencés módszert. Az Acheson által feltalált Acheson eljárás magában foglalja a kvarchomokban lévő szilícium-dioxid szénnel történő redukálását Acheson elektromos kemencében, amelyet elektrokémiai reakció hajt meg magas hőmérsékleten és erős elektromos mezőkben. Ez a módszer, amelynek ipari termelése több mint egy évszázadot ölel fel, viszonylag durva szilícium-karbid-részecskéket eredményez, és nagy az energiafogyasztása, amelynek nagy része hőként elvész.

Az 1970-es években az Acheson-eljárás fejlesztései az 1980-as években olyan fejlesztésekhez vezettek, mint például a függőleges kemencék és a β-SiC por szintetizálására szolgáló magas hőmérsékletű forgókemencék, amelyek további fejlesztései az 1990-es években történtek. Ohsaki et al. azt találták, hogy a SiO2 és Si-por keverékének hevítéséből felszabaduló SiO gáz reagál az aktív szénnel, megnövekedett hőmérséklettel és hosszabb tartási idővel, ami csökkenti a por fajlagos felületét, mivel több SiO gáz szabadul fel. A közvetlen szilícium-szén reakciómódszer, az önszaporodó magas hőmérsékletű szintézis alkalmazása abból áll, hogy a reaktáns testet külső hőforrással meggyújtják, és a szintézis során felszabaduló kémiai reakcióhőt használják fel a folyamat fenntartására. Ez a módszer alacsony energiafogyasztással, egyszerű berendezésekkel és folyamatokkal, valamint nagy termelékenységgel rendelkezik, bár a reakciót nehéz ellenőrizni. A szilícium és a szén közötti gyenge exoterm reakció nehézkessé teszi a szobahőmérsékleten való meggyulladást és fenntartást, ami további energiaforrásokat tesz szükségessé, mint például vegyi kemencék, egyenáram, előmelegítés vagy segédelektromos mezők.

Hogyan szintetizálják a SiC port folyékony fázisú módszerekkel? 

A folyékony fázisú szintézis módszerek közé tartozik a szol-gél és a polimer lebontási technikák. Ewell et al. először javasolta a szol-gél módszert, amelyet később 1952 körül alkalmaztak a kerámiakészítésben. Ez a módszer folyékony kémiai reagenseket használ az alkoxid prekurzorok előállítására, amelyeket alacsony hőmérsékleten feloldva homogén oldatot képeznek. Megfelelő gélesítőszerek hozzáadásával az alkoxid hidrolízisen és polimerizáción megy keresztül, és stabil szolrendszert képez. Hosszabb állás vagy szárítás után a Si és a C molekuláris szinten egyenletesen keveredik. Ezt a keveréket 1460-1600 °C-ra hevítve karbotermikus redukciós reakciót indukálva finom SiC por keletkezik. A szol-gél feldolgozás során szabályozandó legfontosabb paraméterek közé tartozik az oldat pH-ja, koncentrációja, reakcióhőmérséklete és ideje. Ez a módszer megkönnyíti a különböző nyomelemek homogén hozzáadását, de vannak olyan hátrányai, mint a maradék hidroxil és az egészségre káros szerves oldószerek, a magas nyersanyagköltségek és a feldolgozás során bekövetkező jelentős zsugorodás.

A szerves polimerek magas hőmérsékletű lebontása egy másik hatékony módszer a SiC előállítására:

A polisziloxánok hevítésével kis monomerekre bontják őket, végül SiO2-t és C-t képeznek, amelyek azután karbotermikus redukción mennek keresztül SiC-por előállítására.

A polikarboszilánok felmelegítése kis monomerekre bontja őket, és olyan vázat képez, amely végül SiC-port eredményez. A legújabb szol-gél technikák lehetővé tették SiO2 alapú szol/gél anyagok előállítását, biztosítva a szinterező és keményítő adalékok homogén eloszlását a gélen belül, ami megkönnyíti a nagy teljesítményű SiC kerámiaporok képződését.

Miért tekinthető ígéretes technikának a nyomás nélküli szinterezés?SiC kerámia?

A nyomás nélküli szinterezést nagyon ígéretes módszernek tekintikszinterező SiC. A szinterezési mechanizmustól függően szilárd fázisú és folyadékfázisú szinterezésre osztható. S. Proehazka 98% feletti relatív sűrűséget ért el a SiC szintereit testeknél úgy, hogy megfelelő mennyiségű B-t és C-t adtunk az ultrafinom β-SiC porhoz (2% alatti oxigéntartalommal), és 2020°C-on normál nyomáson szinterezték. A. Mulla et al. Al2O3-at és Y2O3-at használt adalékanyagként 0,5 μm β-SiC szinterezésére (kis mennyiségű SiO2-vel a részecske felületén) 1850-1950 °C-on, így az elméleti sűrűség 95%-ánál nagyobb relatív sűrűséget és finom szemcséket ért el átlagosan mérete 1,5 μm.

Hogyan javítja a forró prés szinterezéstSiC kerámia?

Nadeau rámutatott, hogy a tiszta SiC-t csak rendkívül magas hőmérsékleten lehet sűrűn szinterezni szinterezési segédanyagok nélkül, ami sokakat arra késztetett, hogy felfedezzék a melegpréses szinterezést. Számos tanulmány vizsgálta a B, Al, Ni, Fe, Cr és más fémek hozzáadásának a SiC sűrűsödésére gyakorolt ​​hatását, és az Al és a Fe a leghatékonyabb a forró préselési szinterezés elősegítésére. F.F. Lange a forró préseléssel szinterezett SiC teljesítményét vizsgálta változó mennyiségű Al2O3-mal, és a sűrűsödést az oldódás-visszacsapás mechanizmusának tulajdonította. A melegpréses szintereléssel azonban csak egyszerű formájú SiC alkatrészeket lehet előállítani, és az egyetlen szinterezési folyamat termékmennyisége korlátozott, így ipari termelésre kevésbé alkalmas.

Melyek a SiC reakciószinterezésének előnyei és korlátai?

Reakciószinterezett SiCAz önkötő SiC néven is ismert, egy porózus zöld testet gáz- vagy folyékony fázissal reagáltatnak a tömeg növelése, a porozitás csökkentése és erős, méretpontos termékké szinterelése érdekében. Az eljárás során α-SiC port és grafitot kevernek össze meghatározott arányban, körülbelül 1650 °C-ra melegítik, és a zöld testbe olvadt Si-vel vagy gáznemű SiC-vel szivárognak be, amely reakcióba lép a grafittal β-SiC-t képezve, megkötve a meglévő α-SiC-t. részecskék. A teljes Si-infiltráció egy teljesen sűrű, méretstabil reakciószinterezett testet eredményez. Más szinterezési módszerekkel összehasonlítva a reakciószinterezés minimális méretváltozással jár a tömörítés során, ami lehetővé teszi a precíz komponensek gyártását. Azonban a jelentős mennyiségű SiC jelenléte a szinterezett testben gyengébb magas hőmérsékleti teljesítményhez vezet.

Összefoglalva,SiC kerámianyomás nélküli szinterezéssel, melegpréses szintereléssel, meleg izosztatikus sajtolással és reakciószintereléssel előállított termékek változó teljesítményjellemzőket mutatnak.SiC kerámiaa melegprésből és melegizosztatikus préselésből származó termékek általában nagyobb szinterezett sűrűséggel és hajlítószilárdsággal rendelkeznek, míg a reakciószinterezett SiC viszonylag alacsonyabb értéket mutat. A mechanikai tulajdonságaiSiC kerámiakülönböző szinterező adalékokkal is változhatnak. Nyomásmentes, forró préselés és reakciószinterezettSiC kerámiajó ellenálló képességet mutatnak erős savakkal és bázisokkal szemben, de a reakció-szinterezett SiC gyengébb korrózióállósággal rendelkezik az erős savakkal, például a HF-vel szemben. Magas hőmérsékletű teljesítmény szempontjából szinte mindenSiC kerámiaszilárdságjavulást mutatnak 900°C alatt, míg a reakciószinterezett SiC hajlítószilárdsága meredeken csökken 1400°C felett a szabad Si jelenléte miatt. A nyomásmentes és meleg izosztatikus préselés magas hőmérsékletű teljesítményeSiC kerámiaelsősorban a használt adalékanyagok típusától függ.

Míg az egyes szinterezési módszerek számáraSiC kerámiamegvannak a maga előnyei, a technológia gyors fejlődése folyamatos fejlesztéseket tesz szükségesséSiC kerámiateljesítmény, gyártási technikák és költségcsökkentés. Alacsony hőmérsékletű szinterezés eléréseSiC kerámiakulcsfontosságú az energiafogyasztás és a termelési költségek csökkentésében, ezáltal elősegítve az iparosodástSiC kerámiatermékek.**

Mi a Semicorexnél arra specializálódtunkSiC kerámiaés más félvezetőgyártásban alkalmazott kerámia anyagok, ha kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, forduljon hozzánk bizalommal.

Elérhetőség: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com