Spesialiserte forberedelsesteknikker for silisiumkarbidkeramikk

Silisiumkarbid (SiC) keramikkMaterialer har en rekke utmerkede egenskaper, inkludert høytemperaturstyrke, sterk oksidasjonsmotstand, overlegen slitestyrke, termisk stabilitet, lav termisk ekspansjonskoeffisient, høy termisk ledningsevne, høy hardhet, termisk sjokkbestandighet og kjemisk korrosjonsbestandighet. Disse egenskapene gjør SiC-keramikk stadig mer anvendelig i ulike felt som bilindustri, mekanisk og kjemisk industri, miljøvern, romteknologi, informasjonselektronikk og energi.SiC keramikkhar blitt et uerstattelig strukturelt keramisk materiale i mange industrisektorer på grunn av deres enestående ytelse.

Hva er de strukturelle egenskapene som forbedrerSiC Keramikk?

De overlegne egenskapene tilSiC keramikker nært knyttet til deres unike struktur. SiC er en forbindelse med meget sterke kovalente bindinger, hvor den ioniske karakteren til Si-C-bindingen bare er ca. 12 %. Dette resulterer i høy styrke og stor elastisitetsmodul, som gir utmerket slitestyrke. Ren SiC korroderes ikke av sure løsninger som HCl, HNO3, H2SO4 eller HF, og heller ikke av alkaliske løsninger som NaOH. Mens det har en tendens til å oksidere når det varmes opp i luft, hemmer dannelsen av et SiO2-lag på overflaten ytterligere oksygendiffusjon, og holder dermed oksidasjonshastigheten lav. I tillegg viser SiC halvlederegenskaper, med god elektrisk ledningsevne når små mengder urenheter blir introdusert, og utmerket termisk ledningsevne.

Hvordan påvirker forskjellige krystallformer av SiC egenskapene?

SiC finnes i to hovedkrystallformer: α og β. β-SiC har en kubisk krystallstruktur, med Si og C som danner flatesentrerte kubiske gitter. α-SiC finnes i over 100 polytyper, inkludert 4H, 15R og 6H, hvor 6H er den mest brukte i industrielle applikasjoner. Stabiliteten til disse polytypene varierer med temperaturen. Under 1600°C eksisterer SiC i β-form, mens over 1600°C forvandles β-SiC gradvis til forskjellige α-SiC-polytyper. For eksempel danner 4H-SiC rundt 2000 °C, mens 15R og 6H polytyper krever temperaturer over 2100 °C for å dannes lett. 6H polytypen forblir stabil selv over 2200°C. Den lille forskjellen i fri energi mellom disse polytypene betyr at selv mindre urenheter kan endre deres termiske stabilitetsforhold.

Hva er teknikkene for å produsere SiC-pulvere?

Fremstillingen av SiC-pulver kan kategoriseres i fastfase-syntese og flytende-fase-syntese basert på den opprinnelige tilstanden til råvarene.

Hva er metodene involvert i solid-fase syntese? 

Fastfasesyntese inkluderer først og fremst karbotermisk reduksjon og direkte silisium-karbon-reaksjoner. Den karbotermiske reduksjonsmetoden omfatter Acheson-prosessen, vertikal ovnsmetode og høytemperatur roterende ovnsmetode. Acheson-prosessen, oppfunnet av Acheson, innebærer reduksjon av silika i kvartssand med karbon i en Acheson elektrisk ovn, drevet av en elektrokjemisk reaksjon under høy temperatur og sterke elektriske felt. Denne metoden, med en historie med industriell produksjon som strekker seg over et århundre, gir relativt grove SiC-partikler og har et høyt strømforbruk, hvorav mye går tapt som varme.

På 1970-tallet førte forbedringer av Acheson-prosessen til utviklingen på 1980-tallet, for eksempel vertikale ovner og høytemperatur roterende ovner for syntetisering av β-SiC-pulver, med ytterligere fremskritt på 1990-tallet. Ohsaki et al. funnet at SiO-gassen som frigjøres fra oppvarming av en blanding av SiO2 og Si-pulver reagerer med aktivert karbon, med økt temperatur og forlenget holdetid som reduserer det spesifikke overflatearealet til pulveret etter hvert som mer SiO-gass frigjøres. Den direkte silisium-karbon-reaksjonsmetoden, en anvendelse av selvforplantende høytemperatursyntese, innebærer å antenne reaktantlegemet med en ekstern varmekilde og bruke den kjemiske reaksjonsvarmen som frigjøres under syntesen for å opprettholde prosessen. Denne metoden har lavt energiforbruk, enkelt utstyr og prosesser, og høy produktivitet, selv om det er vanskelig å kontrollere reaksjonen. Den svake eksoterme reaksjonen mellom silisium og karbon gjør det utfordrende å antennes og opprettholde ved romtemperatur, noe som krever ekstra energikilder som kjemiske ovner, likestrøm, forvarming eller elektriske hjelpefelt.

Hvordan syntetiseres SiC-pulver ved bruk av væskefasemetoder? 

Væskefasesyntesemetoder inkluderer sol-gel og polymernedbrytningsteknikker. Ewell et al. først foreslo sol-gel-metoden, som senere ble brukt på keramikkfremstilling rundt 1952. Denne metoden bruker flytende kjemiske reagenser for å fremstille alkoksyd-forløpere, som løses opp ved lave temperaturer for å danne en homogen løsning. Ved å tilsette passende geleringsmidler gjennomgår alkoksydet hydrolyse og polymerisering for å danne et stabilt solsystem. Etter langvarig henstand eller tørking blandes Si og C jevnt på molekylnivå. Oppvarming av denne blandingen til 1460-1600°C induserer en karbotermisk reduksjonsreaksjon for å produsere fint SiC-pulver. Nøkkelparametere å kontrollere under sol-gel-behandling inkluderer løsningens pH, konsentrasjon, reaksjonstemperatur og tid. Denne metoden letter homogen tilsetning av forskjellige sporkomponenter, men har ulemper som gjenværende hydroksyl og helseskadelige organiske løsemidler, høye råvarekostnader og betydelig krymping under bearbeiding.

Høytemperaturdekomponering av organiske polymerer er en annen effektiv metode for å produsere SiC:

Oppvarming av gelpolysiloksaner for å dekomponere dem til små monomerer, og til slutt danner SiO2 og C, som deretter gjennomgår karbotermisk reduksjon for å produsere SiC-pulver.

Oppvarming av polykarbosilaner for å dekomponere dem til små monomerer, og danner et rammeverk som til slutt resulterer i SiC-pulver. Nyere sol-gel-teknikker har muliggjort produksjon av SiO2-baserte sol/gel-materialer, noe som sikrer homogen fordeling av sintrings- og herdetilsetningsstoffer i gelen, noe som letter dannelsen av høyytelses SiC-keramiske pulvere.

Hvorfor regnes trykkløs sintring som en lovende teknikk forSiC Keramikk?

Trykkløs sintring anses som en svært lovende metode forsintring av SiC. Avhengig av sintringsmekanismen kan den deles inn i solid-fase sintring og flytende sintring. S. Proehazka oppnådde en relativ tetthet over 98 % for sintrede SiC-legemer ved å tilsette passende mengder B og C til ultrafint β-SiC-pulver (med oksygeninnhold under 2 %) og sintring ved 2020°C under normalt trykk. A. Mulla et al. brukte Al2O3 og Y2O3 som tilsetningsstoffer for å sintre 0,5μm β-SiC (med en liten mengde SiO2 på partikkeloverflaten) ved 1850-1950°C, for å oppnå en relativ tetthet større enn 95 % av den teoretiske tettheten og fine korn med en gjennomsnittlig størrelse på 1,5μm.

Hvordan forbedrer varmpresssintringSiC Keramikk?

Nadeau påpekte at ren SiC bare kan sintres tett ved ekstremt høye temperaturer uten noen sintringshjelpemidler, noe som får mange til å utforske varmpresssintring. Tallrike studier har undersøkt effekten av å tilsette B, Al, Ni, Fe, Cr og andre metaller på fortetting av SiC, med Al og Fe funnet å være de mest effektive for å fremme varmpresssintring. F.F. Lange undersøkte ytelsen til varmpresssintret SiC med varierende mengder Al2O3, og tilskrev fortetting til en oppløsnings-gjenutfellingsmekanisme. Varmpresssintring kan imidlertid bare produsere enkeltformede SiC-komponenter, og produktmengden i en enkelt sintringsprosess er begrenset, noe som gjør den mindre egnet for industriell produksjon.

Hva er fordelene og begrensningene ved reaksjonssintring for SiC?

Reaksjonssintret SiC, også kjent som selvbundet SiC, innebærer å reagere en porøs grønn kropp med enten gassformige eller flytende faser for å øke massen, redusere porøsiteten og sintre den til et sterkt, dimensjonalt nøyaktig produkt. Prosessen innebærer å blande α-SiC-pulver og grafitt i et visst forhold, varme opp til rundt 1650°C, og infiltrere den grønne kroppen med smeltet Si eller gassformig Si, som reagerer med grafitt for å danne β-SiC, og binder den eksisterende α-SiC partikler. Fullstendig Si-infiltrasjon resulterer i en fullstendig tett, dimensjonsstabil reaksjonssintret kropp. Sammenlignet med andre sintringsmetoder innebærer reaksjonssintring minimale dimensjonsendringer under fortetting, noe som muliggjør fremstilling av presise komponenter. Imidlertid fører tilstedeværelsen av en betydelig mengde SiC i den sintrede kroppen til dårligere ytelse ved høye temperaturer.

Oppsummert,SiC keramikkprodusert ved trykkløs sintring, varmpresssintring, varm isostatisk pressing og reaksjonssintring viser varierende ytelsesegenskaper.SiC keramikkfra varmpress og varm isostatisk pressing har generelt høyere sintrede tettheter og bøyestyrker, mens reaksjonssintret SiC har relativt lavere verdier. De mekaniske egenskapene tilSiC keramikkvarierer også med forskjellige sintringsadditiver. Trykkløs, varmpresset og reaksjonssintretSiC keramikkviser god motstand mot sterke syrer og baser, men reaksjonssintret SiC har dårligere korrosjonsbestandighet mot sterke syrer som HF. Når det gjelder ytelse ved høy temperatur, nesten alleSiC keramikkviser styrkeforbedring under 900 °C, mens reaksjonssintret SiCs bøyestyrke reduseres kraftig over 1400 °C på grunn av tilstedeværelsen av fritt Si. Høytemperaturytelsen til trykkløs og varm isostatisk pressetSiC keramikkavhenger først og fremst av typen tilsetningsstoffer som brukes.

Mens hver sintringsmetode forSiC keramikkhar sine fordeler, den raske utviklingen av teknologi nødvendiggjør kontinuerlige forbedringer iSiC keramikkytelse, produksjonsteknikker og kostnadsreduksjon. Oppnå lavtemperatursintring avSiC keramikker avgjørende for å senke energiforbruket og produksjonskostnadene, og dermed fremme industrialiseringen avSiC keramikkprodukter.**

Vi i Semicorex er spesialister påSiC Keramikkog andre keramiske materialer brukt 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