Specialiserede forberedelsesteknikker til siliciumcarbidkeramik

Siliciumcarbid (SiC) keramikmaterialer har en række fremragende egenskaber, herunder højtemperaturstyrke, stærk oxidationsmodstand, overlegen slidstyrke, termisk stabilitet, lav termisk udvidelseskoefficient, høj termisk ledningsevne, høj hårdhed, termisk stødbestandighed og kemisk korrosionsbestandighed. Disse egenskaber gør SiC-keramik i stigende grad anvendelig inden for forskellige områder såsom bilindustrien, mekaniske og kemiske industrier, miljøbeskyttelse, rumteknologi, informationselektronik og energi.SiC keramiker blevet et uerstatteligt strukturelt keramisk materiale i mange industrisektorer på grund af deres enestående ydeevne.

Hvad er de strukturelle egenskaber, der forbedrerSiC Keramik?

De overlegne egenskaber vedSiC keramiker tæt forbundet med deres unikke struktur. SiC er en forbindelse med meget stærke kovalente bindinger, hvor ionkarakteren af ​​Si-C-bindingen kun er omkring 12%. Dette resulterer i høj styrke og et stort elasticitetsmodul, hvilket giver fremragende slidstyrke. Ren SiC korroderes ikke af sure opløsninger som HCl, HNO3, H2SO4 eller HF, ej heller af alkaliske opløsninger som NaOH. Mens det har en tendens til at oxidere, når det opvarmes i luft, hæmmer dannelsen af ​​et SiO2-lag på overfladen yderligere iltdiffusion, hvilket holder oxidationshastigheden lav. Derudover udviser SiC halvlederegenskaber med god elektrisk ledningsevne, når der indføres små mængder urenheder, og fremragende termisk ledningsevne.

Hvordan påvirker forskellige krystalformer af SiC dens egenskaber?

SiC findes i to hovedkrystalformer: α og β. β-SiC har en kubisk krystalstruktur, hvor Si og C danner fladecentrerede kubiske gitter. α-SiC findes i over 100 polytyper, herunder 4H, 15R og 6H, hvor 6H er den mest almindeligt anvendte i industrielle applikationer. Stabiliteten af ​​disse polytyper varierer med temperaturen. Under 1600°C eksisterer SiC i β-form, mens β-SiC over 1600°C gradvist omdannes til forskellige α-SiC-polytyper. For eksempel danner 4H-SiC omkring 2000°C, mens 15R og 6H polytyper kræver temperaturer over 2100°C for let at dannes. 6H polytypen forbliver stabil selv over 2200°C. Den lille forskel i fri energi mellem disse polytyper betyder, at selv mindre urenheder kan ændre deres termiske stabilitetsforhold.

Hvad er teknikkerne til fremstilling af SiC-pulvere?

Fremstillingen af ​​SiC-pulvere kan kategoriseres i fast-fase-syntese og væske-fase-syntese baseret på den oprindelige tilstand af råmaterialerne.

Hvad er metoderne involveret i solid-fase syntese? 

Fastfasesyntese omfatter primært carbotermisk reduktion og direkte silicium-carbon-reaktioner. Den carbotermiske reduktionsmetode omfatter Acheson-processen, vertikal ovnmetode og højtemperatur-roterende ovnmetode. Acheson-processen, opfundet af Acheson, involverer reduktion af silica i kvartssand med kulstof i en Acheson elektrisk ovn, drevet af en elektrokemisk reaktion under høje temperaturer og stærke elektriske felter. Denne metode, med en historie med industriel produktion, der strækker sig over et århundrede, giver relativt grove SiC-partikler og har et højt strømforbrug, hvoraf meget går tabt som varme.

I 1970'erne førte forbedringer til Acheson-processen til udvikling i 1980'erne, såsom vertikale ovne og højtemperatur-roterende ovne til syntetisering af β-SiC-pulver, med yderligere fremskridt i 1990'erne. Ohsaki et al. fundet, at SiO-gassen, der frigives ved opvarmning af en blanding af SiO2 og Si-pulver, reagerer med aktivt kul, med øget temperatur og forlænget holdetid, der reducerer det specifikke overfladeareal af pulveret, efterhånden som mere SiO-gas frigives. Den direkte silicium-carbon-reaktionsmetode, en anvendelse af selvudbredende højtemperatursyntese, involverer antænding af reaktantlegemet med en ekstern varmekilde og brug af den kemiske reaktionsvarme, der frigives under syntesen, til at opretholde processen. Denne metode har lavt energiforbrug, enkelt udstyr og processer og høj produktivitet, selvom det er svært at kontrollere reaktionen. Den svage eksoterme reaktion mellem silicium og kulstof gør det udfordrende at antænde og opretholde ved stuetemperatur, hvilket nødvendiggør yderligere energikilder såsom kemiske ovne, jævnstrøm, forvarmning eller elektriske hjælpefelter.

Hvordan syntetiseres SiC-pulver ved hjælp af væskefasemetoder? 

Væskefasesyntesemetoder omfatter sol-gel- og polymernedbrydningsteknikker. Ewell et al. først foreslog sol-gel-metoden, som senere blev anvendt til fremstilling af keramik omkring 1952. Denne metode bruger flydende kemiske reagenser til at fremstille alkoxidprækursorer, som opløses ved lave temperaturer for at danne en homogen opløsning. Ved at tilsætte passende geleringsmidler undergår alkoxidet hydrolyse og polymerisation for at danne et stabilt solsystem. Efter længere tids henstand eller tørring blandes Si og C ensartet på molekylært niveau. Opvarmning af denne blanding til 1460-1600°C inducerer en carbotermisk reduktionsreaktion til fremstilling af fint SiC-pulver. Nøgleparametre til styring under sol-gel-behandling omfatter opløsningens pH, koncentration, reaktionstemperatur og tid. Denne metode letter den homogene tilsætning af forskellige sporkomponenter, men har ulemper såsom resterende hydroxyl og sundhedsskadelige organiske opløsningsmidler, høje råmaterialeomkostninger og betydelig svind under forarbejdning.

Højtemperaturnedbrydning af organiske polymerer er en anden effektiv metode til fremstilling af SiC:

Opvarmning af gelpolysiloxaner for at nedbryde dem til små monomerer, der i sidste ende danner SiO2 og C, som derefter undergår carbotermisk reduktion for at producere SiC-pulver.

Opvarmning af polycarbosilaner for at nedbryde dem til små monomerer, der danner en ramme, der i sidste ende resulterer i SiC-pulver. Nylige sol-gel-teknikker har muliggjort produktionen af ​​SiO2-baserede sol/gel-materialer, hvilket sikrer homogen fordeling af sintrings- og hærdningsadditiver i gelen, hvilket letter dannelsen af ​​højtydende SiC-keramiske pulvere.

Hvorfor betragtes trykløs sintring som en lovende teknik tilSiC Keramik?

Trykløs sintring betragtes som en meget lovende metode tilsintring af SiC. Afhængig af sintringsmekanismen kan den opdeles i fastfasesintring og flydendefasesintring. S. Proehazka opnåede en relativ densitet over 98% for SiC-sintrede legemer ved at tilsætte passende mængder af B og C til ultrafint β-SiC-pulver (med oxygenindhold under 2%) og sintring ved 2020°C under normalt tryk. A. Mulla et al. brugte Al2O3 og Y2O3 som additiver til at sintre 0,5μm β-SiC (med en lille mængde SiO2 på partikeloverfladen) ved 1850-1950°C, hvilket opnåede en relativ massefylde større end 95% af den teoretiske densitet og fine korn med en gennemsnitlig størrelse på 1,5μm.

Hvordan forbedrer Hot Press SinteringSiC Keramik?

Nadeau påpegede, at ren SiC kun kan sintres tæt ved ekstremt høje temperaturer uden nogen sintringshjælpemidler, hvilket fik mange til at udforske varmpressesintring. Talrige undersøgelser har undersøgt virkningerne af tilsætning af B, Al, Ni, Fe, Cr og andre metaller på fortætningen af ​​SiC, hvor Al og Fe har vist sig at være de mest effektive til at fremme varmpressesintring. F.F. Lange undersøgte ydeevnen af ​​varmpresset sintret SiC med varierende mængder Al2O3, hvilket tilskrev fortætning til en opløsning-genudfældningsmekanisme. Varmpressesintring kan dog kun producere enkeltformede SiC-komponenter, og produktmængden i en enkelt sintringsproces er begrænset, hvilket gør den mindre velegnet til industriel produktion.

Hvad er fordelene og begrænsningerne ved reaktionssintring for SiC?

Reaktionssintret SiC, også kendt som selvbundet SiC, involverer at reagere et porøst grønt legeme med enten gasformige eller flydende faser for at øge massen, reducere porøsiteten og sintre det til et stærkt, dimensionelt nøjagtigt produkt. Processen involverer blanding af α-SiC-pulver og grafit i et bestemt forhold, opvarmning til omkring 1650°C og infiltrering af det grønne legeme med smeltet Si eller gasformigt Si, som reagerer med grafit og danner β-SiC, der binder det eksisterende α-SiC partikler. Fuldstændig Si-infiltration resulterer i et fuldt tæt, formstabilt reaktionssintret legeme. Sammenlignet med andre sintringsmetoder involverer reaktionssintring minimale dimensionsændringer under fortætning, hvilket muliggør fremstilling af præcise komponenter. Tilstedeværelsen af ​​en betydelig mængde SiC i det sintrede legeme fører imidlertid til dårligere ydeevne ved høje temperaturer.

Sammenfattende,SiC keramikfremstillet ved trykløs sintring, varmpressesintring, varm isostatisk presning og reaktionssintring udviser varierende ydeevnekarakteristika.SiC keramikfra varmpresse og varm isostatisk presning har generelt højere sintrede densiteter og bøjningsstyrker, mens reaktionssintret SiC har relativt lavere værdier. De mekaniske egenskaber vedSiC keramikogså variere med forskellige sintringsadditiver. Trykløs, varmpresset og reaktionssintretSiC keramikudviser god modstandsdygtighed over for stærke syrer og baser, men reaktionssintret SiC har dårligere korrosionsbestandighed over for stærke syrer som HF. Med hensyn til ydeevne ved høj temperatur, næsten alleSiC keramikviser styrkeforbedring under 900°C, mens reaktionssintret SiCs bøjningsstyrke falder kraftigt over 1400°C på grund af tilstedeværelsen af ​​fri SiC. Højtemperaturydelsen af ​​trykløs og varm isostatisk pressetSiC keramikafhænger primært af den anvendte type tilsætningsstoffer.

Mens hver sintringsmetode forSiC keramikhar sine fordele, nødvendiggør den hurtige teknologiske udvikling løbende forbedringer iSiC keramikydeevne, fremstillingsteknikker og omkostningsreduktion. Opnå lavtemperatursintring afSiC keramiker afgørende for at sænke energiforbruget og produktionsomkostningerne og derved fremme industrialiseringen afSiC keramikprodukter.**

Vi hos Semicorex er specialiserede iSiC Keramikog andre keramiske materialer anvendt 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