Specializirane tehnike priprave za keramiko iz silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) keramikamateriali imajo vrsto odličnih lastnosti, vključno z visokotemperaturno trdnostjo, močno odpornostjo proti oksidaciji, vrhunsko odpornostjo proti obrabi, toplotno stabilnostjo, nizkim koeficientom toplotnega raztezanja, visoko toplotno prevodnostjo, visoko trdoto, odpornostjo na toplotne udarce in odpornostjo proti kemični koroziji. Zaradi teh lastnosti je SiC keramika vse bolj uporabna na različnih področjih, kot so avtomobilska, strojna in kemična industrija, varstvo okolja, vesoljska tehnologija, informacijska elektronika in energetika.SiC keramikaso postali nenadomestljiv strukturni keramični material v mnogih industrijskih sektorjih zaradi svojih izjemnih lastnosti.

Katere so strukturne značilnosti, ki izboljšujejoSiC keramika?

Vrhunske lastnostiSiC keramikaso tesno povezani z njihovo edinstveno strukturo. SiC je spojina z zelo močnimi kovalentnimi vezmi, kjer je ionski značaj Si-C vezi le približno 12 %. Rezultat tega je visoka trdnost in velik modul elastičnosti, kar zagotavlja odlično odpornost proti obrabi. Čistega SiC ne razjedajo kislinske raztopine, kot so HCl, HNO3, H2SO4 ali HF, niti alkalne raztopine, kot je NaOH. Medtem ko se pri segrevanju na zraku nagiba k oksidaciji, tvorba plasti SiO2 na površini zavira nadaljnjo difuzijo kisika in tako ohranja nizko stopnjo oksidacije. Poleg tega ima SiC polprevodniške lastnosti z dobro električno prevodnostjo, ko so vnesene majhne količine nečistoč, in odlično toplotno prevodnostjo.

Kako različne kristalne oblike SiC vplivajo na njegove lastnosti?

SiC obstaja v dveh glavnih kristalnih oblikah: α in β. β-SiC ima kubično kristalno strukturo, pri čemer Si in C tvorita na ploskvi osredotočene kubične mreže. α-SiC obstaja v več kot 100 politipih, vključno s 4H, 15R in 6H, pri čemer je 6H najpogosteje uporabljen v industrijskih aplikacijah. Stabilnost teh politipov se spreminja s temperaturo. Pod 1600 °C obstaja SiC v obliki β, medtem ko nad 1600 °C β-SiC postopoma prehaja v različne politipe α-SiC. Na primer, 4H-SiC se oblikuje okoli 2000 °C, medtem ko politipa 15R in 6H potrebujejo temperature nad 2100 °C, da zlahka nastanejo. Politip 6H ostaja stabilen tudi nad 2200°C. Majhna razlika v prosti energiji med temi politipi pomeni, da lahko celo manjše nečistoče spremenijo njihova razmerja toplotne stabilnosti.

Kakšne so tehnike za proizvodnjo SiC praškov?

Pripravo praškov SiC lahko glede na začetno stanje surovin razdelimo na sintezo v trdni fazi in sintezo v tekoči fazi.

Katere metode so vključene v sintezo v trdni fazi? 

Sinteza v trdni fazi vključuje predvsem karbotermalno redukcijo in neposredne reakcije silicij-ogljik. Metoda karbotermalne redukcije zajema postopek Acheson, metodo navpične peči in metodo visokotemperaturne rotacijske peči. Postopek Acheson, ki ga je izumil Acheson, vključuje redukcijo kremena v kremenovem pesku z ogljikom v električni peči Acheson, ki jo poganja elektrokemična reakcija pri visoki temperaturi in močnih električnih poljih. Ta metoda z zgodovino industrijske proizvodnje, ki traja več kot stoletje, daje razmeroma grobe delce SiC in ima visoko porabo energije, ki se večinoma izgubi kot toplota.

V 1970-ih so izboljšave Achesonovega postopka vodile v razvoj v 1980-ih, kot so vertikalne peči in visokotemperaturne rotacijske peči za sintezo prahu β-SiC, z nadaljnjim napredkom v 1990-ih. Ohsaki et al. ugotovili, da plin SiO, ki se sprosti pri segrevanju mešanice prahu SiO2 in Si, reagira z aktivnim ogljem, pri čemer povišana temperatura in podaljšan čas zadrževanja zmanjšata specifično površino prahu, ko se sprosti več plina SiO. Metoda neposredne reakcije silicij-ogljik, uporaba samorazmnoževalne visokotemperaturne sinteze, vključuje vžig reaktanta z zunanjim virom toplote in uporabo toplote kemične reakcije, sproščene med sintezo, za vzdrževanje procesa. Ta metoda ima nizko porabo energije, preprosto opremo in procese ter visoko produktivnost, čeprav je težko nadzorovati reakcijo. Šibka eksotermna reakcija med silicijem in ogljikom otežuje vžig in vzdrževanje pri sobni temperaturi, kar zahteva dodatne vire energije, kot so kemične peči, enosmerni tok, predgretje ali pomožna električna polja.

Kako se prašek SiC sintetizira z metodami tekoče faze? 

Metode sinteze v tekoči fazi vključujejo tehnike sol-gel in polimerne razgradnje. Ewell et al. prvi predlagal sol-gel metodo, ki je bila kasneje uporabljena za pripravo keramike okoli leta 1952. Ta metoda uporablja tekoče kemične reagente za pripravo alkoksidnih predhodnikov, ki se raztopijo pri nizkih temperaturah, da nastane homogena raztopina. Z dodajanjem ustreznih želirnih sredstev se alkoksid hidrolizira in polimerizira, da nastane stabilen solni sistem. Po daljšem stanju ali sušenju se Si in C enakomerno pomešata na molekularni ravni. Segrevanje te mešanice na 1460-1600 °C sproži reakcijo karbotermalne redukcije, da nastane fin prah SiC. Ključni parametri za nadzor med sol-gel obdelavo vključujejo pH raztopine, koncentracijo, reakcijsko temperaturo in čas. Ta metoda olajša homogeno dodajanje različnih komponent v sledovih, vendar ima pomanjkljivosti, kot so ostanki hidroksila in zdravju škodljiva organska topila, visoki stroški surovin in znatno krčenje med predelavo.

Visokotemperaturna razgradnja organskih polimerov je še ena učinkovita metoda za proizvodnjo SiC:

Polisiloksane s segrevanjem gela, da jih razgradimo v majhne monomere, pri čemer na koncu nastaneta SiO2 in C, ki sta nato podvržena karbotermalni redukciji, da nastane prah SiC.

Segrevanje polikarbosilanov, da se razgradijo v majhne monomere, ki tvorijo ogrodje, ki na koncu povzroči prah SiC. Nedavne sol-gel tehnike so omogočile proizvodnjo sol/gel materialov na osnovi SiO2, ki zagotavljajo homogeno porazdelitev dodatkov za sintranje in utrjevanje znotraj gela, kar olajša tvorbo visoko zmogljivih SiC keramičnih praškov.

Zakaj breztlačno sintranje velja za obetavno tehniko zaSiC keramika?

Breztlačno sintranje velja za zelo obetavno metodo zasintranje SiC. Glede na mehanizem sintranja ga lahko razdelimo na sintranje v trdni fazi in sintranje v tekoči fazi. S. Proehazka je dosegel relativno gostoto nad 98 % za sintrana telesa iz SiC z dodajanjem ustreznih količin B in C ultrafinemu prahu β-SiC (z vsebnostjo kisika pod 2 %) in sintranjem pri 2020 °C pod normalnim tlakom. A. Mulla et al. uporabil Al2O3 in Y2O3 kot dodatka za sintranje 0,5 μm β-SiC (z majhno količino SiO2 na površini delcev) pri 1850-1950 °C, pri čemer je dosegel relativno gostoto večjo od 95 % teoretične gostote in drobna zrna s povprečno velikosti 1,5 μm.

Kako vroče stiskanje izboljšaSiC keramika?

Nadeau je poudaril, da je čisti SiC mogoče gosto sintrati le pri izjemno visokih temperaturah brez kakršnih koli pripomočkov za sintranje, kar je mnoge spodbudilo k raziskovanju sintranja v vročem stiskanju. Številne študije so preučevale učinke dodajanja B, Al, Ni, Fe, Cr in drugih kovin na zgoščevanje SiC, pri čemer je bilo ugotovljeno, da sta Al in Fe najučinkovitejša za spodbujanje sintranja v vročem stiskanju. F.F. Lange je raziskal delovanje v vročem stiskanju sintranega SiC z različnimi količinami Al2O3, pri čemer je zgoščevanje pripisal mehanizmu raztapljanja in ponovnega obarjanja. Vendar pa lahko s sintranjem v vročem stiskanju proizvedemo samo komponente SiC preprostih oblik, količina izdelka v enem samem procesu sintranja pa je omejena, zaradi česar je manj primeren za industrijsko proizvodnjo.

Kakšne so prednosti in omejitve reakcijskega sintranja za SiC?

Reakcijsko sintran SiC, znan tudi kot samovezan SiC, vključuje reakcijo poroznega zelenega telesa s plinasto ali tekočo fazo, da se poveča masa, zmanjša poroznost in sintra v močan, dimenzijsko točen izdelek. Postopek vključuje mešanje prahu α-SiC in grafita v določenem razmerju, segrevanje na približno 1650 °C in infiltracijo zelenega telesa s staljenim Si ali plinastim Si, ki reagira z grafitom in tvori β-SiC, ki veže obstoječi α-SiC. delci. Rezultat popolne infiltracije Si je popolnoma gosto, dimenzijsko stabilno reakcijsko sintrano telo. V primerjavi z drugimi metodami sintranja reakcijsko sintranje vključuje minimalne spremembe dimenzij med zgoščevanjem, kar omogoča izdelavo natančnih komponent. Vendar pa prisotnost precejšnje količine SiC v sintranem telesu vodi do slabšega delovanja pri visokih temperaturah.

Če povzamemo,SiC keramikaproizvedeni z breztlačnim sintranjem, sintranjem v vročem stiskanju, vročim izostatičnim stiskanjem in reakcijskim sintranjem imajo različne značilnosti delovanja.SiC keramikaiz vročega stiskanja in vročega izostatičnega stiskanja imajo na splošno višje sintrane gostote in upogibne trdnosti, medtem ko ima reakcijsko sintran SiC razmeroma nižje vrednosti. Mehanske lastnostiSiC keramikarazlikujejo tudi glede na različne dodatke za sintranje. Brez pritiska, vroče stiskanje in reakcijsko sintranoSiC keramikakažejo dobro odpornost proti močnim kislinam in bazam, vendar ima reakcijsko sintran SiC slabšo odpornost proti koroziji proti močnim kislinam, kot je HF. Kar zadeva delovanje pri visokih temperaturah, skoraj vseSiC keramikakažejo izboljšanje trdnosti pod 900 °C, medtem ko se upogibna trdnost reakcijsko sintranega SiC močno zmanjša nad 1400 °C zaradi prisotnosti prostega Si. Visokotemperaturna zmogljivost breztlačnega in vročega izostatičnega stiskanjaSiC keramikaodvisno predvsem od vrste uporabljenih dodatkov.

Medtem ko vsak način sintranja zaSiC keramikaima svoje prednosti, hiter napredek tehnologije zahteva stalne izboljšaveSiC keramikaučinkovitost, proizvodne tehnike in zmanjšanje stroškov. Doseganje nizkotemperaturnega sintranjaSiC keramikaje ključnega pomena za znižanje porabe energije in proizvodnih stroškov ter s tem spodbujanje industrializacijeSiC keramikaizdelkov.**

V podjetju Semicorex smo specializirani zaSiC keramikain drugih keramičnih materialov, ki se uporabljajo v proizvodnji polprevodnikov, če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktni telefon: +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com