Silisiumkarbidkeramikk og deres forskjellige fremstillingsprosesser

Silisiumkarbid (SiC) keramikker mye brukt i krevende bruksområder som presisjonslagre, tetninger, gassturbinrotorer, optiske komponenter, høytemperaturdyser, varmevekslerkomponenter og atomreaktormaterialer. Denne utbredte bruken stammer fra deres eksepsjonelle egenskaper, inkludert høy slitestyrke, utmerket termisk ledningsevne, overlegen oksidasjonsmotstand og fremragende mekaniske egenskaper ved høy temperatur. Imidlertid utgjør den sterke kovalente bindingen og den lave diffusjonskoeffisienten som er iboende til SiC en betydelig utfordring for å oppnå høy fortetting under sintringsprosessen. Følgelig blir sintringsprosessen et avgjørende skritt for å oppnå høy ytelseSiC keramikk.

Denne artikkelen gir en omfattende oversikt over de ulike produksjonsteknikkene som brukes for å produsere tettRBSiC/PSSiC/RSiC keramikk, som fremhever deres unike egenskaper og bruksområder:

1. Reaksjonsbundet silisiumkarbid (RBSiC)

RBSiCinnebærer å blande silisiumkarbidpulver (typisk 1-10 μm) med karbon, forme blandingen til en grønn kropp, og utsette den for høye temperaturer for silisiuminfiltrasjon. Under denne prosessen reagerer silisium med karbon for å danne SiC, som binder seg til de eksisterende SiC-partiklene, og til slutt oppnår fortetting. To primære silisiuminfiltrasjonsmetoder brukes:

Infiltrasjon av flytende silisium: Silisium varmes opp over smeltepunktet (1450-1470 °C), slik at det smeltede silisiumet kan infiltrere den porøse grønne kroppen gjennom kapillærvirkning. Det smeltede silisiumet reagerer deretter med karbon og danner SiC.

Vapor Silisium Infiltration: Silisium varmes opp over smeltepunktet for å generere silisiumdamp. Denne dampen trenger gjennom den grønne kroppen og reagerer deretter med karbon og danner SiC.

Prosessflyt: SiC-pulver + C-pulver + bindemiddel → forming → tørking → utbrent bindemiddel i en kontrollert atmosfære → høytemperatur-si-infiltrering → etterbehandling

(1) Viktige hensyn:

Driftstemperaturen påRBSiCer begrenset av restinnholdet av fritt silisium i materialet. Vanligvis er den maksimale driftstemperaturen rundt 1400°C. Over denne temperaturen forringes materialets styrke raskt på grunn av smeltingen av det frie silisiumet.

Infiltrasjon av flytende silisium har en tendens til å etterlate et høyere restsilisiuminnhold (typisk 10-15 %, noen ganger over 15 %), noe som kan påvirke sluttproduktets egenskaper negativt. I kontrast tillater infiltrasjon av dampsilisium bedre kontroll over det gjenværende silisiuminnholdet. Ved å minimere porøsiteten i grønnlegemet kan restsilisiuminnholdet etter sintring reduseres til under 10 %, og med nøye prosesskontroll, til og med under 8 %. Denne reduksjonen forbedrer den totale ytelsen til sluttproduktet betydelig.

Det er viktig å merke seg detRBSiC, uavhengig av infiltrasjonsmetoden, vil uunngåelig inneholde noe gjenværende silisium (som varierer fra 8 % til over 15 %). Derfor,RBSiCer ikke en enfaset silisiumkarbidkeramikk, men en "silisium + silisiumkarbid"-kompositt. FølgeligRBSiCer også referert til somSiSiC (silisium silisiumkarbid kompositt).

(2) Fordeler og bruksområder:

RBSiCtilbyr flere fordeler, inkludert:

Lav sintringstemperatur: Dette reduserer energiforbruket og produksjonskostnadene.

Kostnadseffektivitet: Prosessen er relativt enkel og bruker lett tilgjengelige råvarer, noe som bidrar til at den er rimelig.

Høy fortetting:RBSiCoppnår høye tetthetsnivåer, noe som fører til forbedrede mekaniske egenskaper.

Near-Net Shaping: Karbon- og silisiumkarbidpreformen kan forhåndsbearbeides til intrikate former, og den minimale krympingen under sintring (vanligvis mindre enn 3%) sikrer utmerket dimensjonsnøyaktighet. Dette reduserer behovet for kostbar ettersintringsbearbeidingRBSiCspesielt egnet for store, kompleksformede komponenter.

På grunn av disse fordelene,RBSiChar utstrakt bruk i ulike industrielle applikasjoner, først og fremst for produksjon:

Ovnskomponenter: Foringer, digler og saggars.

Romspeil:RBSiCDen lave termiske ekspansjonskoeffisienten og den høye elastisitetsmodulen gjør det til et ideelt materiale for rombaserte speil.

Høytemperaturvarmevekslere: Selskaper som Refel (Storbritannia) har vært banebrytende i bruken avRBSiCi høytemperaturvarmevekslere, med bruksområder som spenner fra kjemisk prosessering til kraftproduksjon. Asahi Glass (Japan) har også tatt i bruk denne teknologien, og produserer varmevekslerrør som varierer fra 0,5 til 1 meter lange.

Videre har den økende etterspørselen etter større wafere og høyere prosesseringstemperaturer i halvlederindustrien ansporet utviklingen av høy renhetRBSiCkomponenter. Disse komponentene, produsert med høyrent SiC-pulver og silisium, erstatter gradvis kvartsglassdeler i støttejigger for elektronrør og prosesseringsutstyr for halvlederwafer.

Semicorex RBSiC Wafer Boat for diffusjonsovn

(3) Begrensninger:

Til tross for sine fordeler,RBSiChar visse begrensninger:

Residual Silisium: Som tidligere nevnt, er detRBSiCprosessen resulterer i seg selv i gjenværende fritt silisium i sluttproduktet. Dette gjenværende silisiumet påvirker materialets egenskaper negativt, inkludert:

Redusert styrke og slitestyrke sammenlignet med andreSiC keramikk.

Begrenset korrosjonsbestandighet: Fritt silisium er utsatt for angrep av alkaliske løsninger og sterke syrer som flussyre, begrensendeRBSiCbruk i slike miljøer.

Lavere høytemperaturstyrke: Tilstedeværelsen av fritt silisium begrenser den maksimale driftstemperaturen til rundt 1350-1400°C.

2. Trykkløs sintring - PSSiC

Trykkløs sintring av silisiumkarbidoppnår fortetting av prøver med forskjellige former og størrelser ved temperaturer mellom 2000-2150°C under en inert atmosfære og uten å påføre eksternt trykk, ved å tilsette egnede sintringshjelpemidler. Den trykkløse sintringsteknologien til SiC har modnet, og fordelene ligger i lave produksjonskostnader og ingen begrensninger på form og størrelse på produktene. Spesielt solid-fase sintret SiC keramikk har høy tetthet, jevn mikrostruktur og utmerkede omfattende materialegenskaper, noe som gjør dem mye brukt i slitasjebestandige og korrosjonsbestandige tetningsringer, glidelagre og andre applikasjoner.

Den trykkløse sintringsprosessen av silisiumkarbid kan deles inn i fast fasesintret silisiumkarbid (SSiC)og væskefase sintret silisiumkarbid (LSiC).

Mikrostruktur og korngrense av trykkløst fastfase sintret silisiumkarbid

Fastfasesintring ble først oppfunnet av den amerikanske vitenskapsmannen Prochazka i 1974. Han tilsatte en liten mengde bor og karbon til submikron β-SiC, og oppnådde trykkløs sintring av silisiumkarbid og oppnådde en tett sintret kropp med en tetthet nær 95 % av teoretisk verdi. Deretter brukte W. Btcker og H. Hansner α-SiC som råmateriale og tilsatte bor og karbon for å oppnå fortetting av silisiumkarbid. Mange senere studier har vist at både bor- og borforbindelser og Al- og Al-forbindelser kan danne faste løsninger med silisiumkarbid for å fremme sintring. Tilsetning av karbon er gunstig for sintring ved å reagere med silisiumdioksid på overflaten av silisiumkarbid for å øke overflateenergien. Fastfase sintret silisiumkarbid har relativt "rene" korngrenser uten i utgangspunktet flytende fase, og kornene vokser lett ved høye temperaturer. Derfor er bruddet transgranulært, og styrken og bruddseigheten er generelt ikke høy. På grunn av dens "rene" korngrenser, endres ikke høytemperaturstyrken med økende temperatur og forblir generelt stabil opp til 1600°C.

Væskefasesintring av silisiumkarbid ble oppfunnet av den amerikanske forskeren M.A. Mulla på begynnelsen av 1990-tallet. Dens viktigste sintringsadditiv er Y2O3-Al2O3. Væskefasesintring har fordelen med lavere sintringstemperatur sammenlignet med fastfasesintring, og kornstørrelsen er mindre.

De viktigste ulempene med fastfasesintring er den høye sintringstemperaturen som kreves (>2000°C), de høye renhetskravene til råmaterialer, den lave bruddseigheten til det sintrede legemet og den sterke følsomheten til bruddstyrken for sprekker. Strukturelt er kornene grove og ujevne, og bruddmodusen er typisk transgranulær. De siste årene har forskning på silisiumkarbidkeramiske materialer i inn- og utland fokusert på væskefasesintring. Væskefasesintring oppnås ved å bruke en viss mengde multikomponent laveutektiske oksider som sintringshjelpemidler. For eksempel kan binære og ternære hjelpemidler av Y2O3 få SiC og dets kompositter til å vise væskefase sintring, og oppnå ideell fortetting av materialet ved lavere temperaturer. På samme tid, på grunn av introduksjonen av korngrensevæskefasen og svekkelsen av den unike grensesnittbindingsstyrken, endres bruddmodusen til det keramiske materialet til en intergranulær bruddmodus, og bruddseigheten til det keramiske materialet er betydelig forbedret .

3. Omkrystallisert silisiumkarbid - RSiC

Rekrystallisert silisiumkarbid (RSiC)er et høyrent SiC-materiale laget av høyrent silisiumkarbid (SiC) pulver med to forskjellige partikkelstørrelser, grove og fine. Den sintres ved høye temperaturer (2200-2450°C) gjennom en fordampnings-kondenseringsmekanisme uten å tilsette sintringshjelpemidler.

Merk: Uten sintringshjelpemidler oppnås veksten av sintringshalsen vanligvis gjennom overflatediffusjon eller fordampning-kondensasjonsmasseoverføring. I følge den klassiske sintringsteorien kan ingen av disse masseoverføringsmetodene redusere avstanden mellom massesentrene til de kontaktende partiklene, og dermed ikke forårsake noen krymping i makroskopisk skala, som er en ikke-fortettingsprosess. For å løse dette problemet og få silisiumkarbidkeramikk med høy tetthet, har folk tatt mange tiltak, som å påføre varme, legge til sintringshjelpemidler eller bruke en kombinasjon av varme, trykk og sintringshjelpemidler.

SEM-bilde av bruddoverflaten til rekrystallisert silisiumkarbid

Egenskaper og bruksområder:

RSiCinneholder mer enn 99% SiC og i utgangspunktet ingen korngrenseforurensninger, og beholder mange utmerkede egenskaper til SiC, som høytemperaturstyrke, korrosjonsbestandighet og termisk sjokkbestandighet. Derfor er det mye brukt i høytemperaturovnsmøbler, forbrenningsdyser, solvarmeomformere, eksosrenseenheter for dieselbiler, metallsmelting og andre miljøer med ekstremt krevende ytelseskrav.

På grunn av sintringsmekanismen for fordampning og kondens, er det ingen krymping under brenningsprosessen, og ingen gjenværende spenning genereres som forårsaker deformasjon eller sprekkdannelse av produktet.

RSiCkan dannes ved forskjellige metoder som slipstøping, gelstøping, ekstrudering og pressing. Siden det ikke er noen krymping under brenningsprosessen, er det enkelt å få produkter med nøyaktige former og størrelser så lenge de grønne kroppsdimensjonene er godt kontrollert.

Den sparkederekrystallisert SiC-produktinneholder omtrent 10%-20% gjenværende porer. Porøsiteten til materialet avhenger i stor grad av porøsiteten til selve grønnlegemet og endres ikke vesentlig med sintringstemperaturen, noe som gir grunnlag for porøsitetskontroll.

Under denne sintringsmekanismen har materialet mange sammenkoblede porer, som har et bredt spekter av bruksområder innen porøse materialer. Den kan for eksempel erstatte tradisjonelle porøse produkter innen eksosfiltrering og luftfiltrering av fossilt brensel.

RSiChar veldig klare og rene korngrenser uten glassaktige faser og urenheter fordi eventuelle oksid- eller metallurenheter har fordampet ved høye temperaturer på 2150-2300°C. Fordampnings-kondensasjonssintringsmekanismen kan også rense SiC (SiC-innhold iRSiCer over 99 %), og beholder mange utmerkede egenskaper til SiC, noe som gjør den egnet for applikasjoner som krever høytemperaturstyrke, korrosjonsbestandighet og termisk støtmotstand, for eksempel høytemperaturovnsmøbler, forbrenningsdyser, solvarmeomformere og metallsmelting .**