En gjennomgang av 9 sintringsteknikker for silisiumkarbidkeramikk

Silisiumkarbid (SiC), en fremtredende strukturell keramikk, er kjent for sine eksepsjonelle egenskaper, inkludert høytemperaturstyrke, hardhet, elastisitetsmodul, slitestyrke, termisk ledningsevne og korrosjonsbestandighet. Disse egenskapene gjør den egnet for et bredt spekter av bruksområder, fra tradisjonell industriell bruk i høytemperaturovnsmøbler, brennerdyser, varmevekslere, tetningsringer og glidelagre, til avanserte bruksområder som ballistisk rustning, romspeil, halvlederwafer-chucker, og kjernebrenselkledning.

Sintringsprosessen er avgjørende for å bestemme de endelige egenskapene tilSiC keramikk. Omfattende forskning har ført til utviklingen av ulike sintringsteknikker, alt fra etablerte metoder som reaksjonssintring, trykkløs sintring, rekrystalliseringssintring og varmpressing, til nyere innovasjoner som gnistplasmasintring, flashsintring og oscillerende trykksintring.

Her er en nærmere titt på ni fremtredendeSiC keramikksintringsteknikker:

1. Varmpressing:

Pioneret av Alliegro et al. hos Norton Company innebærer varmpressing å påføre varme og trykk samtidig på enSiC pulverkompakt i en dyse. Denne metoden muliggjør samtidig fortetting og forming. Selv om det er effektivt, krever varmpressing komplekst utstyr, spesialiserte dyser og streng prosesskontroll. Begrensningene inkluderer høyt energiforbruk, begrenset formkompleksitet og høye produksjonskostnader.

2. Reaksjonssintring:

Først foreslått av P. Popper på 1950-tallet, involverer reaksjonssintring blandingSiC pulvermed en karbonkilde. Den grønne kroppen, dannet via slipstøping, tørrpressing eller kald isostatisk pressing, gjennomgår en silisiuminfiltrasjonsprosess. Oppvarming over 1500°C i vakuum eller inert atmosfære smelter silisiumet, som infiltrerer den porøse kroppen via kapillærvirkning. Det flytende eller gassformige silisiumet reagerer med karbon, og danner in situ β-SiC som binder seg til eksisterende SiC-partikler, noe som resulterer i en tett keramikk.

Reaksjonsbundet SiC har lave sintringstemperaturer, kostnadseffektivitet og høy tetthet. Den ubetydelige krympingen under sintring gjør den spesielt egnet for store, kompleksformede komponenter. Typiske bruksområder inkluderer høytemperaturovnsmøbler, strålerør, varmevekslere og avsvovlingsdyser.

Semicorex prosessrute for RBSiC-båt

3. Trykkløs sintring:

Utviklet av S. Prochazka et al. ved GE i 1974 eliminerer trykkløs sintring behovet for eksternt trykk. Fortetting skjer ved 2000-2150°C under atmosfærisk trykk (1,01×105 Pa) i en inert atmosfære ved hjelp av sintringsadditiver. Trykkløs sintring kan videre kategoriseres i solid-state og flytende-fase sintring.

Faststoff trykkløs sintring oppnår høye tettheter (3,10-3,15 g/cm3) uten intergranulære glassfaser, noe som resulterer i eksepsjonelle høytemperatur mekaniske egenskaper, med brukstemperaturer som når 1600°C. Imidlertid kan overdreven kornvekst ved høye sintringstemperaturer påvirke styrken negativt.

Væskefase trykkløs sintring utvider anvendelsesområdet for SiC-keramikk. Væskefasen, dannet ved å smelte en enkelt komponent eller eutektisk reaksjon av flere komponenter, forbedrer fortettingskinetikk ved å gi en høy diffusivitetsbane, noe som fører til lavere sintringstemperaturer sammenlignet med solid-state sintring. Den fine kornstørrelsen og gjenværende intergranulære væskefase i sintret SiC i væskefase fremmer en overgang fra transgranulær til intergranulær fraktur, noe som øker bøyestyrken og bruddseigheten.

Trykkløs sintring er en moden teknologi med fordeler som kostnadseffektivitet og formallsidighet. Solid-state sintret SiC, spesielt, tilbyr høy tetthet, jevn mikrostruktur og utmerket total ytelse, noe som gjør den egnet for slitasje- og korrosjonsbestandige komponenter som tetningsringer og glidelagre.

Trykkløs sintret silisiumkarbidrustning

4. Rekrystallisasjonssintring:

På 1980-tallet demonstrerte Kriegesmann fremstillingen av høyytelses rekrystallisertSiC keramikkved glidestøping etterfulgt av sintring ved 2450°C. Denne teknikken ble raskt tatt i bruk for storskala produksjon av FCT (Tyskland) og Norton (USA).

Rekrystallisert SiC innebærer sintring av et grønt legeme dannet ved å pakke SiC-partikler av forskjellige størrelser. Fine partikler, jevnt fordelt i mellomrommene til grovere partikler, fordamper og kondenserer ved kontaktpunktene til større partikler ved temperaturer over 2100°C under en kontrollert atmosfære. Denne fordampnings-kondenseringsmekanismen danner nye korngrenser ved partikkelhalser, noe som fører til kornvekst, nakkedannelse og en sintret kropp med gjenværende porøsitet.

Nøkkeltrekk ved rekrystallisert SiC inkluderer:

Minimal krymping: Fraværet av korngrense eller volumdiffusjon under sintring resulterer i ubetydelig krymping.

Near-Net Shaping: Sintret tetthet forblir nesten identisk med den grønne kroppstettheten.

Rene korngrenser: Rekrystallisert SiC viser rene korngrenser uten glassfaser eller urenheter.

Resterende porøsitet: Den sintrede kroppen beholder vanligvis 10-20 % porøsitet.

5. Varm isostatisk pressing (HIP):

HIP bruker inertgasstrykk (typisk argon) for å øke fortettingen. SiC-pulverkompakten, forseglet i en glass- eller metallbeholder, utsettes for isostatisk trykk i en ovn. Når temperaturen stiger til sintringsområdet, opprettholder en kompressor et startgasstrykk på flere megapascal. Dette trykket øker gradvis under oppvarming, når opp til 200 MPa, eliminerer effektivt indre porer og oppnår høy tetthet.

6. Spark Plasma Sintering (SPS):

SPS er en ny pulvermetallurgiteknikk for å produsere tette materialer, inkludert metaller, keramikk og kompositter. Den bruker høyenergiske elektriske pulser for å generere en pulset elektrisk strøm og gnistplasma mellom pulverpartikler. Denne lokaliserte oppvarmingen og plasmagenereringen skjer ved relativt lave temperaturer og kort varighet, noe som muliggjør rask sintring. Prosessen fjerner effektivt overflateforurensninger, aktiverer partikkeloverflater og fremmer rask fortetting. SPS har blitt brukt med hell for å fremstille tett SiC-keramikk ved å bruke Al2O3 og Y2O3 som sintringshjelpemidler.

7. Mikrobølgesintring:

I motsetning til konvensjonell oppvarming, utnytter mikrobølgesintring det dielektriske tapet av materialer i et elektromagnetisk mikrobølgefelt for å oppnå volumetrisk oppvarming og sintring. Denne metoden gir fordeler som lavere sintringstemperaturer, raskere oppvarmingshastigheter og forbedret fortetting. Den forbedrede massetransporten under mikrobølgesintring fremmer også finkornede mikrostrukturer.

8. Flash Sintring:

Flash sintring (FS) har fått oppmerksomhet for sitt lave energiforbruk og ultraraske sintringskinetikk. Prosessen innebærer å påføre en spenning over en grønn kropp i en ovn. Ved å nå en terskeltemperatur genererer en plutselig ikke-lineær økning i strømmen rask Joule-oppvarming, noe som fører til nesten øyeblikkelig fortetting i løpet av sekunder.

9. Oscillerende trykksintring (OPS):

Innføring av dynamisk trykk under sintring forstyrrer partikkelsammenlåsing og agglomerering, og reduserer porestørrelse og distribusjon. Dette resulterer i svært tette, finkornede og homogene mikrostrukturer, som gir høy styrke og pålitelig keramikk. Pioneret av Xie Zhipengs team ved Tsinghua University, erstatter OPS det konstante statiske trykket i konvensjonell sintring med dynamisk oscillerende trykk.

OPS tilbyr flere fordeler:

Forbedret grønn tetthet: Kontinuerlig oscillerende trykk fremmer omorganisering av partikler, og øker den grønne tettheten til pulverkompakten betydelig.

Økt sintringsdrivkraft: OPS gir en større drivkraft for fortetting, forbedrer kornrotasjon, glidning og plastflyt. Dette er spesielt fordelaktig under de senere stadiene av sintringen, hvor kontrollert oscillasjonsfrekvens og amplitude effektivt eliminerer gjenværende porer ved korngrenser.

Fotografi av oscillerende trykksintringsutstyr

Sammenligning av vanlige teknikker:

Blant disse teknikkene er reaksjonssintring, trykkløs sintring og rekrystallisasjonssintring mye brukt for industriell SiC-produksjon, hver med unike fordeler, noe som resulterer i distinkte mikrostrukturer, egenskaper og applikasjoner.

Reaksjonsbundet SiC:Tilbyr lave sintringstemperaturer, kostnadseffektivitet, minimal krymping og høy tetthet, noe som gjør den egnet for store, kompleksformede komponenter. Typiske bruksområder inkluderer høytemperaturovnsmøbler, brennerdyser, varmevekslere og optiske reflektorer.

Trykkløs sintret SiC:Gir kostnadseffektivitet, formallsidighet, høy tetthet, ensartet mikrostruktur og utmerkede generelle egenskaper, noe som gjør den ideell for presisjonskomponenter som tetninger, glidelagre, ballistisk rustning, optiske reflektorer og halvlederwafer-chucker.

Omkrystallisert SiC:Har rene SiC-faser, høy renhet, høy porøsitet, utmerket termisk ledningsevne og termisk støtmotstand, noe som gjør den egnet for høytemperaturovnsmøbler, varmevekslere og brennerdyser.**

Vi i Semicorex er spesialister påSiC Keramikk og annetKeramiske materialerbrukt i halvlederproduksjon, hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com