Огляд 9 методів спікання кераміки з карбіду кремнію

Карбід кремнію (SiC), видатна конструкційна кераміка, відома своїми винятковими властивостями, включаючи високотемпературну міцність, твердість, модуль пружності, зносостійкість, теплопровідність і стійкість до корозії. Ці властивості роблять його придатним для широкого спектру застосувань, від традиційного промислового використання у меблях для високотемпературних печей, соплах пальників, теплообмінниках, ущільнювальних кільцях і підшипниках ковзання, до передових застосувань, таких як балістична броня, космічні дзеркала, патрони для напівпровідникових пластин, і оболонки ядерного палива.

Процес спікання має вирішальне значення для визначення кінцевих властивостейSiC кераміка. Великі дослідження призвели до розробки різноманітних методів спікання, починаючи від усталених методів, таких як реакційне спікання, спікання без тиску, рекристалізаційне спікання та гаряче пресування, до останніх інновацій, таких як іскрове плазмове спікання, миттєве спікання та спікання коливального тиску.

Ось ближчий погляд на дев’ять відомихSiC керамікатехнології спікання:

1. Гаряче пресування:

Започаткований Аллієгро та ін. у Norton Company гаряче пресування передбачає одночасне застосування тепла та тиску до aSiC порошоккомпактні в матриці. Цей метод забезпечує одночасне ущільнення та формування. Незважаючи на ефективність гарячого пресування, потрібне складне обладнання, спеціальні матриці та суворий контроль процесу. Його обмеження включають високе споживання енергії, обмежену складність форми та високу вартість виробництва.

2. Реакційне спікання:

Вперше запропоноване П. Поппером у 1950-х роках реакційне спікання передбачає змішуванняSiC порошокз джерелом вуглецю. Незбережене тіло, сформоване за допомогою шликерного лиття, сухого пресування або холодного ізостатичного пресування, проходить процес інфільтрації кремнієм. Нагрівання вище 1500°C у вакуумі або інертній атмосфері плавить кремній, який проникає в пористе тіло за допомогою капілярної дії. Рідкий або газоподібний кремній реагує з вуглецем, утворюючи на місці β-SiC, який зв’язується з існуючими частинками SiC, у результаті чого утворюється щільна кераміка.

Реакційно зв'язаний SiC має низькі температури спікання, економічну ефективність і високу щільність. Незначна усадка під час спікання робить його особливо придатним для великих компонентів складної форми. Типові області застосування включають меблі для високотемпературних печей, радіаційні труби, теплообмінники та форсунки для десульфурації.

Процес Semicorex для човна RBSiC

3. Спікання без тиску:

Розроблено S. Prochazka та ін. в GE в 1974 році спікання без тиску усуває потребу у зовнішньому тиску. Ущільнення відбувається при 2000-2150°С при атмосферному тиску (1,01×105 Па) в інертній атмосфері за допомогою спікаючих добавок. Спікання без тиску можна далі класифікувати на твердофазне та рідкофазне спікання.

Спікання без тиску в твердому тілі досягає високої щільності (3,10-3,15 г/см3) без міжкристалічних скляних фаз, що призводить до виняткових високотемпературних механічних властивостей, коли робочі температури досягають 1600°C. Однак надмірний ріст зерен при високих температурах спікання може негативно вплинути на міцність.

Рідкофазне спікання без тиску розширює сферу застосування SiC кераміки. Рідка фаза, утворена плавленням одного компонента або евтектичною реакцією кількох компонентів, покращує кінетику ущільнення, забезпечуючи шлях високої дифузії, що призводить до нижчих температур спікання порівняно з спіканням у твердому тілі. Дрібний розмір зерен і залишкова міжкристалічна рідка фаза в рідкофазному спеченому SiC сприяють переходу від трансзеренного до міжзеренного руйнування, підвищуючи міцність на вигин і в’язкість до руйнування.

Спікання без тиску — це зріла технологія з такими перевагами, як економічна ефективність і універсальність форм. Твердотільний спечений SiC, зокрема, забезпечує високу щільність, однорідну мікроструктуру та чудову загальну продуктивність, що робить його придатним для зносостійких і корозійно-стійких компонентів, таких як ущільнювальні кільця та підшипники ковзання.

Броня з спеченого карбіду кремнію без тиску

4. Рекристалізаційне спікання:

У 1980-х роках Kriegesmann продемонстрував виготовлення високоефективного рекристалізованогоSiC керамікашликерним литтям з подальшим спіканням при 2450°C. Ця техніка була швидко прийнята для великомасштабного виробництва компаніями FCT (Німеччина) і Norton (США).

Перекристалізований SiC передбачає спікання необробленого тіла, утвореного упаковкою частинок SiC різних розмірів. Дрібні частинки, рівномірно розподілені всередині більш грубих частинок, випаровуються і конденсуються в точках контакту більших частинок при температурах вище 2100°C в контрольованій атмосфері. Цей механізм випаровування-конденсації утворює нові межі зерен у шийках частинок, що призводить до росту зерен, утворення шийок і спеченого тіла із залишковою пористістю.

Основні характеристики рекристалізованого SiC включають:

Мінімальна усадка: відсутність меж зерен або об’ємної дифузії під час спікання призводить до незначної усадки.

Майже чисте формування: щільність спеченого матеріалу залишається майже ідентичною щільності необробленого тіла.

Чисті межі зерен: перекристалізований SiC демонструє чисті межі зерен без скляних фаз або домішок.

Залишкова пористість: спечене тіло зазвичай зберігає 10-20% пористості.

5. Гаряче ізостатичне пресування (HIP):

HIP використовує тиск інертного газу (зазвичай аргону) для посилення ущільнення. Порошок SiC, закритий у скляному або металевому контейнері, піддається ізостатичному тиску в печі. Коли температура підвищується до діапазону спікання, компресор підтримує початковий тиск газу в кілька мегапаскалів. Цей тиск поступово зростає під час нагрівання, досягаючи 200 МПа, ефективно усуваючи внутрішні пори та досягаючи високої щільності.

6. Іскрове плазмове спікання (SPS):

SPS — це нова техніка порошкової металургії для виробництва щільних матеріалів, зокрема металів, кераміки та композитів. Він використовує електричні імпульси високої енергії для генерації імпульсного електричного струму та іскрової плазми між частинками порошку. Це локалізоване нагрівання та генерація плазми відбуваються за відносно низьких температур і короткого часу, що забезпечує швидке спікання. Процес ефективно видаляє поверхневі забруднення, активує поверхні частинок і сприяє швидкому ущільненню. SPS успішно використовується для виготовлення щільної SiC кераміки з використанням Al2O3 та Y2O3 як допоміжних речовин для спікання.

7. Мікрохвильове спікання:

На відміну від звичайного нагрівання, мікрохвильове спікання використовує діелектричні втрати матеріалів у мікрохвильовому електромагнітному полі для досягнення об’ємного нагріву та спікання. Цей метод пропонує такі переваги, як нижчі температури спікання, більш швидкі темпи нагрівання та покращене ущільнення. Покращений транспорт маси під час мікрохвильового спікання також сприяє дрібнозернистій мікроструктурі.

8. Швидке спікання:

Флеш-спікання (FS) привернуло увагу своїм низьким споживанням енергії та надшвидкою кінетикою спікання. Процес передбачає подачу напруги на зелене тіло в печі. Після досягнення порогової температури раптове нелінійне збільшення струму викликає швидке джоулеве нагрівання, що призводить до майже миттєвого ущільнення протягом декількох секунд.

9. Спікання при коливальному тиску (OPS):

Введення динамічного тиску під час спікання порушує зчеплення частинок і агломерацію, зменшуючи розмір пор і розподіл. Це призводить до високої щільності, дрібнозернистої та однорідної мікроструктури, що дає високоміцну та надійну кераміку. Вперше розроблений командою Се Чжипена з Університету Цінхуа, OPS замінює постійний статичний тиск у звичайному спіканні динамічним коливальним тиском.

OPS пропонує кілька переваг:

Покращена щільність зеленого порошку: безперервний коливальний тиск сприяє перегрупуванню частинок, значно збільшуючи щільність зеленого порошку.

Збільшена рушійна сила спікання: OPS забезпечує більшу рушійну силу для ущільнення, покращуючи обертання зерен, ковзання та пластичну текучість. Це особливо корисно на пізніх стадіях спікання, коли контрольована частота й амплітуда коливань ефективно усуває залишкові пори на границях зерен.

Фотографія обладнання для спікання коливального тиску

Порівняння загальних методів:

Серед цих методів реакційне спікання, спікання без тиску та рекристалізаційне спікання широко використовуються для промислового виробництва SiC, кожна з яких має унікальні переваги, що призводить до відмінних мікроструктур, властивостей і застосувань.

Реакційно зв'язаний SiC:Забезпечує низькі температури спікання, економічну ефективність, мінімальну усадку та високу щільність, що робить його придатним для великих компонентів складної форми. Типове застосування включає меблі для високотемпературних печей, сопла для пальників, теплообмінники та оптичні відбивачі.

Спечений без тиску SiC:Забезпечує економічну ефективність, універсальність форми, високу щільність, однорідну мікроструктуру та чудові загальні властивості, що робить його ідеальним для точних компонентів, таких як ущільнення, підшипники ковзання, балістична броня, оптичні відбивачі та патрони для напівпровідникових пластин.

Перекристалізований SiC:Має чисті фази SiC, високу чистоту, високу пористість, відмінну теплопровідність і стійкість до термічного удару, що робить його придатним для високотемпературних печей, теплообмінників і форсунок пальників.**

Ми в Semicorex спеціалізуємося наКераміка SiC та іншіКерамічні матеріализастосовуваних у виробництві напівпровідників, якщо у вас є запитання або вам потрібні додаткові відомості, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон: +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com