En gennemgang af 9 sintringsteknikker til siliciumcarbidkeramik

Siliciumcarbid (SiC), en fremtrædende strukturel keramik, er kendt for sine exceptionelle egenskaber, herunder højtemperaturstyrke, hårdhed, elasticitetsmodul, slidstyrke, termisk ledningsevne og korrosionsbestandighed. Disse egenskaber gør den velegnet til en bred vifte af applikationer, fra traditionelle industrielle anvendelser i højtemperaturovnsmøbler, brænderdyser, varmevekslere, tætningsringe og glidelejer, til avancerede applikationer som ballistisk panser, rumspejle, halvlederwafer patroner, og kernebrændselsbeklædning.

Sintringsprocessen er afgørende for at bestemme de endelige egenskaber afSiC keramik. Omfattende forskning har ført til udviklingen af ​​forskellige sintringsteknikker, lige fra etablerede metoder som reaktionssintring, trykløs sintring, omkrystallisationssintring og varmpresning til nyere innovationer som gnistplasmasintring, flashsintring og oscillerende tryksintring.

Her er et nærmere kig på ni fremtrædendeSiC keramiksintringsteknikker:

1. Varmpresning:

Pioneret af Alliegro et al. hos Norton Company involverer varmpresning samtidig påføring af varme og tryk på enSiC pulverkompakt i en matrice. Denne metode muliggør samtidig fortætning og formning. Selvom den er effektiv, kræver varmpresning komplekst udstyr, specialiserede matricer og stringent proceskontrol. Dens begrænsninger omfatter højt energiforbrug, begrænset formkompleksitet og høje produktionsomkostninger.

2. Reaktionssintring:

Først foreslået af P. Popper i 1950'erne, involverer reaktionssintring blandingSiC pulvermed en kulstofkilde. Det grønne legeme, dannet via slipstøbning, tørpresning eller kold isostatisk presning, gennemgår en siliciuminfiltrationsproces. Opvarmning over 1500°C i et vakuum eller inert atmosfære smelter siliciumet, som infiltrerer det porøse legeme via kapillærvirkning. Det flydende eller gasformige silicium reagerer med kulstof og danner in-situ β-SiC, der binder sig til eksisterende SiC-partikler, hvilket resulterer i en tæt keramik.

Reaktionsbundet SiC kan prale af lave sintringstemperaturer, omkostningseffektivitet og høj tætning. Den ubetydelige krympning under sintringen gør den særdeles velegnet til store, kompleksformede komponenter. Typiske anvendelser omfatter højtemperaturovnsmøbler, strålerør, varmevekslere og afsvovlingsdyser.

Semicorex-procesrute for RBSiC-båd

3. Trykløs sintring:

Udviklet af S. Prochazka et al. hos GE i 1974 eliminerer trykløs sintring behovet for eksternt tryk. Fortætning sker ved 2000-2150°C under atmosfærisk tryk (1,01×105 Pa) i en inert atmosfære ved hjælp af sintringsadditiver. Trykløs sintring kan yderligere kategoriseres i faststof- og væskefasesintring.

Faststof trykløs sintring opnår høje tætheder (3,10-3,15 g/cm3) uden intergranulære glasfaser, hvilket resulterer i exceptionelle højtemperatur mekaniske egenskaber, med brugstemperaturer, der når 1600°C. Imidlertid kan overdreven kornvækst ved høje sintringstemperaturer påvirke styrken negativt.

Væskefase trykløs sintring udvider anvendelsesområdet for SiC keramik. Den flydende fase, dannet ved at smelte en enkelt komponent eller eutektisk reaktion af flere komponenter, forbedrer fortætningskinetikken ved at tilvejebringe en høj diffusivitetsvej, hvilket fører til lavere sintringstemperaturer sammenlignet med sintring i fast tilstand. Den fine kornstørrelse og resterende intergranulære væskefase i væskefase sintret SiC fremmer en overgang fra transgranulær til intergranulær fraktur, hvilket forbedrer bøjningsstyrke og brudsejhed.

Trykløs sintring er en moden teknologi med fordele som omkostningseffektivitet og formalsidighed. Solid-state sintret SiC tilbyder især høj densitet, ensartet mikrostruktur og fremragende generel ydeevne, hvilket gør den velegnet til slid- og korrosionsbestandige komponenter som tætningsringe og glidelejer.

Trykløs sintret siliciumcarbid rustning

4. Rekrystallisationssintring:

I 1980'erne demonstrerede Kriegesmann fremstillingen af ​​højtydende omkrystalliseretSiC keramikved slipstøbning efterfulgt af sintring ved 2450°C. Denne teknik blev hurtigt brugt til storskalaproduktion af FCT (Tyskland) og Norton (USA).

Omkrystalliseret SiC involverer sintring af et grønt legeme dannet ved at pakke SiC-partikler af forskellig størrelse. Fine partikler, ensartet fordelt i mellemrummene af grovere partikler, fordamper og kondenserer ved kontaktpunkterne for større partikler ved temperaturer over 2100°C under en kontrolleret atmosfære. Denne fordampnings-kondensationsmekanisme danner nye korngrænser ved partikelhalse, hvilket fører til kornvækst, halsdannelse og en sintret krop med resterende porøsitet.

Nøgletræk ved omkrystalliseret SiC inkluderer:

Minimal svind: Fraværet af korngrænse eller volumendiffusion under sintring resulterer i ubetydelig svind.

Near-Net Shaping: Sintret tæthed forbliver næsten identisk med den grønne kropsdensitet.

Rene korngrænser: Omkrystalliseret SiC udviser rene korngrænser uden glasfaser eller urenheder.

Resterende porøsitet: Den sintrede krop bevarer typisk 10-20 % porøsitet.

5. Varm isostatisk presning (HIP):

HIP anvender inert gastryk (typisk argon) for at øge fortætningen. SiC-pulverkompakten, forseglet i en glas- eller metalbeholder, udsættes for isostatisk tryk i en ovn. Når temperaturen stiger til sintringsområdet, opretholder en kompressor et startgastryk på flere megapascal. Dette tryk øges gradvist under opvarmning og når op til 200 MPa, hvilket effektivt eliminerer indre porer og opnår høj densitet.

6. Spark Plasma Sintering (SPS):

SPS er en ny pulvermetallurgiteknik til fremstilling af tætte materialer, herunder metaller, keramik og kompositter. Den anvender højenergi-elektriske impulser til at generere en pulserende elektrisk strøm og gnistplasma mellem pulverpartikler. Denne lokaliserede opvarmning og plasmagenerering sker ved relativt lave temperaturer og korte varigheder, hvilket muliggør hurtig sintring. Processen fjerner effektivt overfladeforurenende stoffer, aktiverer partikeloverflader og fremmer hurtig fortætning. SPS er med succes blevet anvendt til at fremstille tæt SiC-keramik ved hjælp af Al2O3 og Y2O3 som sintringshjælpemidler.

7. Mikrobølgesintring:

I modsætning til konventionel opvarmning udnytter mikrobølgesintring det dielektriske tab af materialer inden for et elektromagnetisk mikrobølgefelt for at opnå volumetrisk opvarmning og sintring. Denne metode giver fordele såsom lavere sintringstemperaturer, hurtigere opvarmningshastigheder og forbedret fortætning. Den forbedrede massetransport under mikrobølgesintring fremmer også finkornede mikrostrukturer.

8. Flash sintring:

Flash sintring (FS) har fået opmærksomhed for sit lave energiforbrug og ultrahurtige sintringskinetik. Processen involverer at påføre en spænding over en grøn krop i en ovn. Når en tærskeltemperatur nås, genererer en pludselig ikke-lineær stigning i strøm hurtig Joule-opvarmning, hvilket fører til næsten øjeblikkelig fortætning inden for få sekunder.

9. Oscillerende tryksintring (OPS):

Indførelse af dynamisk tryk under sintring forstyrrer partikelsammenlåsning og agglomerering, hvilket reducerer porestørrelse og fordeling. Dette resulterer i meget tætte, finkornede og homogene mikrostrukturer, hvilket giver højstyrke og pålidelig keramik. Pioneret af Xie Zhipengs team ved Tsinghua University, OPS erstatter det konstante statiske tryk i konventionel sintring med dynamisk oscillerende tryk.

OPS tilbyder flere fordele:

Forbedret grøntæthed: Kontinuerligt oscillerende tryk fremmer omorganisering af partikler, hvilket markant øger den grønne tæthed af pulverkompakten.

Øget sintringsdrivkraft: OPS giver en større drivkraft til fortætning, hvilket forbedrer kornrotation, glidning og plastikflow. Dette er særligt fordelagtigt under de senere faser af sintringen, hvor kontrolleret oscillationsfrekvens og amplitude effektivt eliminerer resterende porer ved korngrænser.

Fotografi af oscillerende tryksintringsudstyr

Sammenligning af almindelige teknikker:

Blandt disse teknikker er reaktionssintring, trykløs sintring og omkrystallisationssintring i vid udstrækning anvendt til industriel SiC-produktion, hver med unikke fordele, hvilket resulterer i forskellige mikrostrukturer, egenskaber og anvendelser.

Reaktionsbundet SiC:Tilbyder lave sintringstemperaturer, omkostningseffektivitet, minimal krympning og høj tætning, hvilket gør den velegnet til store, kompleksformede komponenter. Typiske anvendelser omfatter højtemperaturovnsmøbler, brænderdyser, varmevekslere og optiske reflektorer.

Trykløs sintret SiC:Giver omkostningseffektivitet, alsidighed i form, høj tæthed, ensartet mikrostruktur og fremragende overordnede egenskaber, hvilket gør den ideel til præcisionskomponenter som tætninger, glidelejer, ballistisk panser, optiske reflektorer og halvlederwafer patroner.

Omkrystalliseret SiC:Har rene SiC-faser, høj renhed, høj porøsitet, fremragende termisk ledningsevne og modstandsdygtighed over for termisk stød, hvilket gør den velegnet til højtemperaturovnsmøbler, varmevekslere og brænderdyser.**

Vi hos Semicorex er specialister iSiC Keramik og andetKeramiske materialeranvendt i halvlederfremstilling, hvis du har spørgsmål eller har brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com