Seramik Silicon Carbide dan Pelbagai Proses Fabrikasinya

Seramik silikon karbida (SiC).digunakan secara meluas dalam aplikasi yang menuntut seperti galas ketepatan, pengedap, rotor turbin gas, komponen optik, muncung suhu tinggi, komponen penukar haba, dan bahan reaktor nuklear. Penggunaan meluas ini berpunca daripada sifat luar biasa mereka, termasuk rintangan haus yang tinggi, kekonduksian haba yang sangat baik, rintangan pengoksidaan yang unggul dan sifat mekanikal suhu tinggi yang luar biasa. Walau bagaimanapun, ikatan kovalen yang kuat dan pekali resapan rendah yang wujud kepada SiC memberikan cabaran yang ketara dalam mencapai ketumpatan tinggi semasa proses pensinteran. Akibatnya, proses pensinteran menjadi langkah penting dalam mendapatkan prestasi tinggiseramik SiC.

Kertas kerja ini memberikan gambaran menyeluruh tentang pelbagai teknik pembuatan yang digunakan untuk menghasilkan padatRBSiC/PSSiC/RSiC seramik, menonjolkan ciri dan aplikasi unik mereka:

1. Silikon Karbida Berikat Tindak Balas (RBSiC)

RBSiCmelibatkan mencampurkan serbuk silikon karbida (biasanya 1-10 μm) dengan karbon, membentuk campuran menjadi badan hijau, dan meletakkannya pada suhu tinggi untuk penyusupan silikon. Semasa proses ini, silikon bertindak balas dengan karbon untuk membentuk SiC, yang mengikat dengan zarah SiC sedia ada, akhirnya mencapai ketumpatan. Dua kaedah penyusupan silikon utama digunakan:

Penyusupan Silikon Cecair: Silikon dipanaskan di atas takat leburnya (1450-1470°C), membolehkan silikon cair menyusup ke dalam badan hijau berliang melalui tindakan kapilari. Silikon cair kemudian bertindak balas dengan karbon, membentuk SiC.

Penyusupan Silikon Wap: Silikon dipanaskan melebihi takat leburnya untuk menghasilkan wap silikon. Wap ini meresap ke dalam badan hijau dan seterusnya bertindak balas dengan karbon, membentuk SiC.

Aliran Proses: Serbuk SiC + serbuk C + Pengikat → Membentuk → Pengeringan → Kehabisan pengikat dalam suasana terkawal → Infiltrasi Si suhu tinggi → Pemprosesan selepas

(1) Pertimbangan Utama:

Suhu operasi bagiRBSiCdihadkan oleh baki kandungan silikon bebas dalam bahan. Biasanya, suhu operasi maksimum ialah sekitar 1400°C. Di atas suhu ini, kekuatan bahan merosot dengan cepat disebabkan oleh pencairan silikon bebas.

Penyusupan silikon cecair cenderung meninggalkan kandungan silikon sisa yang lebih tinggi (biasanya 10-15%, kadangkala melebihi 15%), yang boleh memberi kesan negatif kepada sifat produk akhir. Sebaliknya, penyusupan silikon wap membolehkan kawalan yang lebih baik ke atas sisa kandungan silikon. Dengan meminimumkan keliangan dalam badan hijau, kandungan silikon sisa selepas pensinteran boleh dikurangkan kepada di bawah 10%, dan dengan kawalan proses yang teliti, walaupun di bawah 8%. Pengurangan ini meningkatkan prestasi keseluruhan produk akhir dengan ketara.

Adalah penting untuk diperhatikan bahawaRBSiC, tanpa mengira kaedah penyusupan, pasti akan mengandungi beberapa baki silikon (antara 8% hingga lebih 15%). Oleh itu,RBSiCbukanlah seramik silikon karbida fasa tunggal tetapi sebaliknya komposit "silikon + silikon karbida". Akibatnya,RBSiCjuga disebut sebagaiSiSiC (komposit silikon karbida silikon).

(2) Kelebihan dan Aplikasi:

RBSiCmenawarkan beberapa kelebihan, antaranya:

Suhu Pensinteran Rendah: Ini mengurangkan penggunaan tenaga dan kos pengeluaran.

Keberkesanan Kos: Proses ini agak mudah dan menggunakan bahan mentah yang sedia ada, menyumbang kepada kemampuannya.

Ketumpatan Tinggi:RBSiCmencapai tahap ketumpatan tinggi, membawa kepada sifat mekanikal yang lebih baik.

Pembentukan Near-Net: Prabentuk karbon dan silikon karbida boleh dipramesin kepada bentuk yang rumit, dan pengecutan minimum semasa pensinteran (biasanya kurang daripada 3%) memastikan ketepatan dimensi yang sangat baik. Ini mengurangkan keperluan untuk pemesinan pasca pensinteran yang mahal, membuatRBSiCamat sesuai untuk komponen yang besar dan berbentuk kompleks.

Disebabkan kelebihan ini,RBSiCmenikmati penggunaan meluas dalam pelbagai aplikasi perindustrian, terutamanya untuk pembuatan:

Komponen relau: Lapik, mangkuk pijar, dan saggar.

Cermin angkasa:RBSiCPekali pengembangan haba yang rendah dan modulus keanjalan yang tinggi menjadikannya bahan yang ideal untuk cermin berasaskan ruang.

Penukar haba suhu tinggi: Syarikat seperti Refel (UK) telah mempelopori penggunaanRBSiCdalam penukar haba suhu tinggi, dengan aplikasi daripada pemprosesan kimia kepada penjanaan kuasa. Asahi Glass (Jepun) juga telah menggunakan teknologi ini, menghasilkan tiub pertukaran haba antara 0.5 hingga 1 meter panjang.

Tambahan pula, peningkatan permintaan untuk wafer yang lebih besar dan suhu pemprosesan yang lebih tinggi dalam industri semikonduktor telah mendorong pembangunan ketulenan tinggi.RBSiCkomponen. Komponen ini, yang dihasilkan menggunakan serbuk dan silikon SiC ketulenan tinggi, secara beransur-ansur menggantikan bahagian kaca kuarza dalam jig sokongan untuk tiub elektron dan peralatan pemprosesan wafer semikonduktor.

Bot Wafer Semicorex RBSiC untuk Relau Resapan

(3) Had:

Walaupun kelebihannya,RBSiCmempunyai batasan tertentu:

Silikon Sisa: Seperti yang dinyatakan sebelum ini, yangRBSiCproses sememangnya menghasilkan silikon bebas sisa dalam produk akhir. Silikon sisa ini memberi kesan negatif kepada sifat bahan, termasuk:

Mengurangkan kekuatan dan rintangan haus berbanding yang lainseramik SiC.

Rintangan kakisan terhad: Silikon bebas mudah diserang oleh larutan alkali dan asid kuat seperti asid hidrofluorik, menyekatRBSiCpenggunaan dalam persekitaran sedemikian.

Kekuatan suhu tinggi yang lebih rendah: Kehadiran silikon bebas mengehadkan suhu operasi maksimum kepada sekitar 1350-1400°C.

2. Pensinteran Tanpa Tekanan - PSSiC

Pensinteran tanpa tekanan silikon karbidamencapai ketumpatan sampel dengan bentuk dan saiz yang berbeza pada suhu antara 2000-2150°C di bawah suasana lengai dan tanpa menggunakan tekanan luar, dengan menambah alat pensinteran yang sesuai. Teknologi pensinteran tanpa tekanan SiC telah matang, dan kelebihannya terletak pada kos pengeluarannya yang rendah dan tiada sekatan pada bentuk dan saiz produk. Khususnya, seramik SiC tersinter fasa pepejal mempunyai ketumpatan tinggi, struktur mikro seragam, dan sifat bahan komprehensif yang sangat baik, menjadikannya digunakan secara meluas dalam gelang pengedap tahan haus dan tahan kakisan, galas gelongsor dan aplikasi lain.

Proses pensinteran tanpa tekanan silikon karbida boleh dibahagikan kepada fasa pepejalsilikon karbida tersinter (SSiC)dan silikon karbida tersinter fasa cecair (LSiC).

Struktur mikro dan sempadan butiran silikon karbida tersinter fasa pepejal tanpa tekanan

Pensinteran fasa pepejal pertama kali dicipta oleh saintis Amerika Prochazka pada tahun 1974. Beliau menambah sejumlah kecil boron dan karbon kepada submikron β-SiC, merealisasikan pensinteran tanpa tekanan silikon karbida dan memperoleh badan tersinter padat dengan ketumpatan hampir 95% daripada nilai teori. Selepas itu, W. Btcker dan H. Hansner menggunakan α-SiC sebagai bahan mentah dan menambah boron dan karbon untuk mencapai ketumpatan silikon karbida. Banyak kajian kemudian telah menunjukkan bahawa kedua-dua sebatian boron dan boron dan sebatian Al dan Al boleh membentuk larutan pepejal dengan silikon karbida untuk menggalakkan pensinteran. Penambahan karbon bermanfaat untuk pensinteran dengan bertindak balas dengan silikon dioksida pada permukaan silikon karbida untuk meningkatkan tenaga permukaan. Silikon karbida tersinter fasa pepejal mempunyai sempadan butiran yang agak "bersih" dengan asasnya tiada fasa cecair, dan bijirin tumbuh dengan mudah pada suhu tinggi. Oleh itu, patahnya adalah transgranular, dan kekuatan dan keliatan patah secara amnya tidak tinggi. Walau bagaimanapun, disebabkan sempadan butirannya yang "bersih", kekuatan suhu tinggi tidak berubah dengan peningkatan suhu dan secara amnya kekal stabil sehingga 1600°C.

Pensinteran fasa cecair silikon karbida telah dicipta oleh saintis Amerika M.A. Mulla pada awal 1990-an. Aditif pensinteran utamanya ialah Y2O3-Al2O3. Pensinteran fasa cecair mempunyai kelebihan suhu pensinteran yang lebih rendah berbanding pensinteran fasa pepejal, dan saiz butiran adalah lebih kecil.

Kelemahan utama pensinteran fasa pepejal adalah suhu pensinteran yang tinggi yang diperlukan (>2000°C), keperluan ketulenan yang tinggi untuk bahan mentah, keliatan patah badan yang disinter yang rendah, dan kepekaan kuat kekuatan patah kepada retak. Secara struktur, butiran adalah kasar dan tidak sekata, dan mod patah biasanya transgranular. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan mengenai bahan seramik silikon karbida di dalam dan luar negara telah memberi tumpuan kepada pensinteran fasa cecair. Pensinteran fasa cecair dicapai dengan menggunakan sejumlah oksida eutektik rendah berbilang komponen sebagai alat bantu pensinteran. Sebagai contoh, bantuan binari dan ternari Y2O3 boleh membuat SiC dan kompositnya mempamerkan pensinteran fasa cecair, mencapai ketumpatan ideal bahan pada suhu yang lebih rendah. Pada masa yang sama, disebabkan pengenalan fasa cecair sempadan butiran dan kelemahan kekuatan ikatan antara muka yang unik, mod patah bahan seramik berubah kepada mod patah antara butiran, dan keliatan patah bahan seramik bertambah baik dengan ketara. .

3. Karbida Silikon Terhablur Semula - RSiC

Silikon karbida terhablur semula (RSiC)ialah bahan SiC ketulenan tinggi yang diperbuat daripada serbuk silikon karbida (SiC) ketulenan tinggi dengan dua saiz zarah yang berbeza, kasar dan halus. Ia disinter pada suhu tinggi (2200-2450°C) melalui mekanisme penyejatan-kondensasi tanpa menambah alat pensinteran.

Nota: Tanpa bantuan pensinteran, pertumbuhan leher pensinteran biasanya dicapai melalui resapan permukaan atau pemindahan jisim penyejatan-kondensasi. Menurut teori pensinteran klasik, kedua-dua kaedah pemindahan jisim ini tidak dapat mengurangkan jarak antara pusat jisim zarah yang bersentuhan, dengan itu tidak menyebabkan sebarang pengecutan pada skala makroskopik, yang merupakan proses bukan penumpatan. Untuk menyelesaikan masalah ini dan mendapatkan seramik silikon karbida berketumpatan tinggi, orang ramai telah mengambil banyak langkah, seperti menggunakan haba, menambah alat pensinteran atau menggunakan gabungan haba, tekanan dan alat pensinteran.

Imej SEM bagi permukaan patah silikon karbida terhablur semula

Ciri dan Aplikasi:

RSiCmengandungi lebih daripada 99% SiC dan pada asasnya tiada kekotoran sempadan butiran, mengekalkan banyak sifat cemerlang SiC, seperti kekuatan suhu tinggi, rintangan kakisan dan rintangan kejutan haba. Oleh itu, ia digunakan secara meluas dalam perabot tanur suhu tinggi, muncung pembakaran, penukar haba suria, peranti penulenan gas ekzos kenderaan diesel, peleburan logam, dan persekitaran lain dengan keperluan prestasi yang sangat menuntut.

Disebabkan oleh mekanisme pensinteran penyejatan-kondensasi, tiada pengecutan semasa proses penembakan, dan tiada tegasan sisa dihasilkan untuk menyebabkan ubah bentuk atau keretakan produk.

RSiCboleh dibentuk dengan pelbagai kaedah seperti tuangan gelincir, tuangan gel, penyemperitan, dan penekanan. Memandangkan tiada pengecutan semasa proses pembakaran, mudah untuk mendapatkan produk dengan bentuk dan saiz yang tepat asalkan dimensi badan hijau dikawal dengan baik.

Yang dipecatproduk SiC terhablur semulamengandungi kira-kira 10%-20% liang sisa. Keliangan bahan sebahagian besarnya bergantung pada keliangan badan hijau itu sendiri dan tidak berubah dengan ketara dengan suhu pensinteran, menyediakan asas untuk kawalan keliangan.

Di bawah mekanisme pensinteran ini, bahan tersebut mempunyai banyak liang yang saling berkaitan, yang mempunyai pelbagai aplikasi dalam bidang bahan berliang. Sebagai contoh, ia boleh menggantikan produk berliang tradisional dalam bidang penapisan gas ekzos dan penapisan udara bahan api fosil.

RSiCmempunyai sempadan butiran yang sangat jelas dan bersih tanpa fasa kaca dan kekotoran kerana sebarang kekotoran oksida atau logam telah meruap pada suhu tinggi 2150-2300°C. Mekanisme pensinteran sejatan-kondensasi juga boleh membersihkan SiC (kandungan SiC dalamRSiCmelebihi 99%), mengekalkan banyak sifat cemerlang SiC, menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan suhu tinggi, rintangan kakisan dan rintangan kejutan haba, seperti perabot tanur suhu tinggi, muncung pembakaran, penukar haba suria dan peleburan logam .**