Спеціалізовані методи підготовки кераміки з карбіду кремнію

Карбід кремнію (SiC) керамікаматеріали мають низку чудових властивостей, включаючи високотемпературну міцність, сильну стійкість до окислення, чудову зносостійкість, термічну стабільність, низький коефіцієнт теплового розширення, високу теплопровідність, високу твердість, стійкість до термічного удару та стійкість до хімічної корозії. Ці характеристики роблять SiC-кераміку все більш застосовною в різних галузях, таких як автомобільна, механічна та хімічна промисловість, захист навколишнього середовища, космічна технологія, інформаційна електроніка та енергетика.SiC керамікастали незамінним конструкційним керамічним матеріалом у багатьох галузях промисловості завдяки своїм видатним характеристикам.

Які структурні характеристики підвищуютьКераміка SiC?

Кращі властивостіSiC керамікатісно пов'язані з їх унікальною структурою. SiC є сполукою з дуже міцними ковалентними зв’язками, де іонний характер зв’язку Si-C становить лише близько 12%. Це забезпечує високу міцність і великий модуль пружності, що забезпечує відмінну зносостійкість. Чистий SiC не піддається корозії ні кислотними розчинами, такими як HCl, HNO3, H2SO4 або HF, ні лужними розчинами, такими як NaOH. Хоча він схильний до окислення при нагріванні на повітрі, утворення шару SiO2 на поверхні перешкоджає подальшій дифузії кисню, таким чином зберігаючи низьку швидкість окислення. Крім того, SiC демонструє напівпровідникові властивості з хорошою електропровідністю при введенні невеликих кількостей домішок і чудовою теплопровідністю.

Як різні кристалічні форми SiC впливають на його властивості?

SiC існує у двох основних кристалічних формах: α і β. β-SiC має кубічну кристалічну структуру, причому Si і C утворюють гранецентровані кубічні решітки. α-SiC існує в більш ніж 100 політипах, включаючи 4H, 15R і 6H, причому 6H найчастіше використовується в промислових цілях. Стабільність цих політипів змінюється залежно від температури. Нижче 1600°C SiC існує у β-формі, тоді як вище 1600°C β-SiC поступово перетворюється на різні політипи α-SiC. Наприклад, 4H-SiC утворюється при температурі близько 2000°C, тоді як політипи 15R і 6H потребують температур вище 2100°C для легкого формування. Політип 6H залишається стабільним навіть вище 2200°C. Невелика різниця у вільній енергії між цими політипами означає, що навіть незначні домішки можуть змінити співвідношення їх термічної стабільності.

Які існують технології виробництва порошків SiC?

Приготування порошків SiC можна розділити на твердофазний синтез і рідкофазний синтез на основі початкового стану сировини.

Які методи використовуються в твердофазному синтезі? 

Твердофазний синтез включає в основному карботермічне відновлення та прямі кремній-вуглецеві реакції. Карботермічний метод відновлення охоплює процес Ачесона, метод вертикальної печі та метод високотемпературної обертової печі. Процес Ачесона, винайдений Ачесоном, передбачає відновлення кремнезему в кварцовому піску вуглецем в електричній печі Ачесона за допомогою електрохімічної реакції під дією високої температури та сильних електричних полів. Цей метод, з історією промислового виробництва, що охоплює понад століття, дає відносно грубі частинки SiC і має високе енергоспоживання, значна частина якого втрачається у вигляді тепла.

У 1970-х роках вдосконалення процесу Ачесона призвело до розробок у 1980-х роках, таких як вертикальні печі та високотемпературні обертові печі для синтезу порошку β-SiC, з подальшим прогресом у 1990-х роках. Ohsaki та ін. виявили, що газ SiO, який виділяється в результаті нагрівання суміші SiO2 і порошку Si, реагує з активованим вугіллям, причому підвищена температура і подовжений час витримки зменшують питому площу поверхні порошку, оскільки виділяється більше газу SiO. Метод прямої реакції кремній-вуглець, застосування високотемпературного синтезу, що саморозповсюджується, передбачає запалювання реагенту зовнішнім джерелом тепла та використання тепла хімічної реакції, що виділяється під час синтезу, для підтримки процесу. Цей метод відрізняється низькими енерговитратами, простим обладнанням і процесами, високою продуктивністю, хоча реакцію важко контролювати. Слабка екзотермічна реакція між кремнієм і вуглецем ускладнює його запалювання та підтримку при кімнатній температурі, що вимагає додаткових джерел енергії, таких як хімічні печі, постійний струм, попередній нагрів або допоміжні електричні поля.

Як синтезується порошок SiC за допомогою методів рідкої фази? 

Рідкофазні методи синтезу включають золь-гель і методи розкладання полімерів. Ewell та ін. вперше запропонував золь-гель метод, який пізніше був застосований для виготовлення кераміки приблизно в 1952 році. Цей метод використовує рідкі хімічні реагенти для приготування алкоксидних прекурсорів, які розчиняються при низьких температурах з утворенням однорідного розчину. При додаванні відповідних гелеутворювачів алкоксид піддається гідролізу та полімеризації з утворенням стабільної системи золів. Після тривалого стояння або сушіння Si та C однорідно змішуються на молекулярному рівні. Нагрівання цієї суміші до 1460-1600°C викликає карботермічну реакцію відновлення з утворенням тонкого порошку SiC. Ключові параметри для контролю під час золь-гель обробки включають рН розчину, концентрацію, температуру реакції та час. Цей метод полегшує однорідне додавання різноманітних мікрокомпонентів, але має такі недоліки, як залишковий гідроксил і органічні розчинники, шкідливі для здоров’я, високі витрати на сировину та значну усадку під час обробки.

Високотемпературне розкладання органічних полімерів є ще одним ефективним методом отримання SiC:

Нагрівання гелю полісилоксанів для розкладання їх на невеликі мономери, зрештою утворюючи SiO2 і C, які потім піддаються карботермічному відновленню для отримання порошку SiC.

Нагрівання полікарбосиланів для їх розкладання на невеликі мономери, утворюючи каркас, що в кінцевому підсумку призводить до порошку SiC. Останні золь-гелеві методи дозволили виробляти золь/гелеві матеріали на основі SiO2, забезпечуючи однорідний розподіл спікаючих і зміцнюючих добавок у гелі, що полегшує формування високоефективних керамічних порошків SiC.

Чому спікання без тиску вважається перспективним методом дляКераміка SiC?

Спікання без тиску вважається дуже перспективним методом дляспікання SiC. Залежно від механізму спікання його можна розділити на твердофазне спікання та рідкофазне спікання. S. Proehazka досяг відносної щільності вище 98% для SiC спечених тіл шляхом додавання відповідних кількостей B і C до ультрадисперсного порошку β-SiC (з вмістом кисню нижче 2%) і спікання при 2020°C під нормальним тиском. А. Мулла та ін. використовували Al2O3 та Y2O3 як добавки для спікання 0,5 мкм β-SiC (з невеликою кількістю SiO2 на поверхні частинок) при 1850-1950°C, досягаючи відносної щільності більше 95% від теоретичної щільності та дрібних зерен із середнім розміром 1,5 мкм.

Як покращує спікання гарячим пресомКераміка SiC?

Надо зазначив, що чистий SiC можна спекати лише в щільному стані при надзвичайно високих температурах без будь-яких допоміжних засобів спікання, що спонукало багатьох досліджувати спікання гарячим пресом. Численні дослідження вивчали вплив додавання B, Al, Ni, Fe, Cr та інших металів на ущільнення SiC, причому Al і Fe виявилися найефективнішими для сприяння гарячому пресуванню. Ф.Ф. Ланге досліджував характеристики SiC, спеченого гарячим пресом, із різними кількостями Al2O3, приписуючи ущільнення механізму розчинення-повторного осадження. Однак за допомогою гарячого пресового спікання можна отримати лише SiC-компоненти простої форми, а кількість продукту в одному процесі спікання обмежена, що робить його менш придатним для промислового виробництва.

Які переваги та обмеження реакційного спікання для SiC?

Реакційно-спечений SiC, також відомий як самоз’єднаний SiC, передбачає реакцію пористого зеленого тіла з газоподібною або рідкою фазами для збільшення маси, зменшення пористості та спікання його в міцний продукт із точними розмірами. Процес передбачає змішування порошку α-SiC і графіту в певному співвідношенні, нагрівання приблизно до 1650°C і проникнення в зелене тіло розплавленим Si або газоподібним Si, який реагує з графітом з утворенням β-SiC, зв’язуючи наявний α-SiC. частинки. Повна інфільтрація кремнієм призводить до отримання повністю щільного реакційно-спеченого тіла зі стабільними розмірами. Порівняно з іншими методами спікання, реакційне спікання передбачає мінімальні зміни розмірів під час ущільнення, що дозволяє виготовляти точні компоненти. Однак наявність значної кількості SiC в спеченому тілі призводить до погіршення високотемпературних характеристик.

Таким чином,SiC керамікавиготовлені шляхом спікання без тиску, гарячого пресування, гарячого ізостатичного пресування та реакційного спікання, демонструють різні робочі характеристики.SiC керамікавід гарячого пресування та гарячого ізостатичного пресування, як правило, мають вищі спечені густини та міцність на вигин, тоді як реакційно-спечений SiC має відносно нижчі значення. Механічні властивостіSiC керамікатакож залежать від різних спікаючих добавок. Без тиску, гарячого пресування та реакційного спеканняSiC керамікавиявляють гарну стійкість до сильних кислот і лугів, але реакційно спечений SiC має нижчу корозійну стійкість до сильних кислот, таких як HF. З точки зору високотемпературних показників практично всіSiC керамікапоказують підвищення міцності нижче 900°C, тоді як міцність на вигин SiC, спеченого реакцією, різко знижується вище 1400°C через присутність вільного Si. Високотемпературні характеристики безнапірного та гарячого ізостатичного пресуванняSiC керамікав першу чергу залежить від типу використовуваних добавок.

При цьому кожен спосіб спікання дляSiC керамікамає свої переваги, швидкий розвиток технологій вимагає постійних удосконаленьSiC керамікапродуктивність, технології виробництва та зниження витрат. Досягнення низькотемпературного спіканняSiC керамікамає вирішальне значення для зниження споживання енергії та витрат виробництва, сприяючи таким чином індустріалізаціїSiC керамікапродуктів.**

Ми в Semicorex спеціалізуємося наКераміка SiCта інші керамічні матеріали, що застосовуються 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