Преглед на 9 техники за синтероване на керамика от силициев карбид

Силициев карбид (SiC), видна структурна керамика, е известна със своите изключителни свойства, включително устойчивост при висока температура, твърдост, модул на еластичност, устойчивост на износване, топлопроводимост и устойчивост на корозия. Тези качества го правят подходящ за широк спектър от приложения, от традиционна промишлена употреба в мебели за високотемпературни пещи, дюзи за горелки, топлообменници, уплътнителни пръстени и плъзгащи лагери, до усъвършенствани приложения като балистична броня, космически огледала, патронници за полупроводникови пластини, и обвивка на ядрено гориво.

Процесът на синтероване е от решаващо значение за определяне на крайните свойства наSiC керамика. Обширните изследвания доведоха до разработването на различни техники за синтероване, вариращи от установени методи като реакционно синтероване, синтероване без налягане, рекристализация синтероване и горещо пресоване, до по-нови иновации като искрово плазмено синтероване, флаш синтероване и синтероване при осцилиращо налягане.

Ето по-отблизо девет видниSiC керамикатехники за синтероване:

1. Горещо пресоване:

Пионери от Alliegro и др. в Norton Company горещото пресоване включва едновременно прилагане на топлина и натиск към aSiC прахкомпактен в матрица. Този метод позволява едновременно уплътняване и оформяне. Въпреки че е ефективно, горещото пресоване изисква сложно оборудване, специализирани матрици и строг контрол на процеса. Неговите ограничения включват висока консумация на енергия, ограничена сложност на формата и високи производствени разходи.

2. Реакционно синтероване:

Първо предложено от P. Popper през 50-те години на миналия век, реакционното синтероване включва смесванеSiC прахс източник на въглерод. Зеленото тяло, образувано чрез шликерно леене, сухо пресоване или студено изостатично пресоване, преминава през процес на инфилтрация на силиций. Нагряването над 1500°C във вакуум или инертна атмосфера разтопява силиция, който прониква в порестото тяло чрез капилярно действие. Течният или газообразният силиций реагира с въглерода, образувайки in situ β-SiC, който се свързва със съществуващите SiC частици, което води до плътна керамика.

Реакционно свързан SiC може да се похвали с ниски температури на синтероване, рентабилност и високо уплътняване. Незначителното свиване по време на синтероване го прави особено подходящ за големи компоненти със сложна форма. Типичните приложения включват мебели за високотемпературни пещи, лъчисти тръби, топлообменници и дюзи за десулфуризация.

Маршрут на процеса Semicorex на лодка RBSiC

3. Синтероване без налягане:

Разработено от S. Prochazka и др. в GE през 1974 г. синтероването без налягане елиминира необходимостта от външно налягане. Уплътняването се извършва при 2000-2150°C при атмосферно налягане (1,01×105 Pa) в инертна атмосфера с помощта на добавки за синтероване. Агломерирането без налягане може допълнително да се категоризира в твърдо състояние и течнофазово синтероване.

При синтероване без налягане в твърдо състояние се постигат високи плътности (3,10-3,15 g/cm3) без междукристални стъклени фази, което води до изключителни високотемпературни механични свойства, като работните температури достигат 1600°C. Въпреки това, прекомерният растеж на зърната при високи температури на синтероване може да повлияе отрицателно на якостта.

Синтероването без налягане в течна фаза разширява обхвата на приложение на SiC керамиката. Течната фаза, образувана чрез топене на един компонент или евтектична реакция на множество компоненти, подобрява кинетиката на уплътняване чрез осигуряване на път с висока дифузия, което води до по-ниски температури на синтероване в сравнение със синтероването в твърдо състояние. Финият размер на зърното и остатъчната междузърнеста течна фаза в синтерован SiC в течна фаза насърчават прехода от трансгранулирано към междузърнесто счупване, повишавайки якостта на огъване и якостта на счупване.

Синтероването без налягане е зряла технология с предимства като рентабилност и гъвкавост на формата. По-специално синтерованият SiC в твърдо състояние предлага висока плътност, равномерна микроструктура и отлична обща производителност, което го прави подходящ за компоненти, устойчиви на износване и корозия, като уплътнителни пръстени и плъзгащи лагери.

Броня от синтерован силициев карбид без налягане

4. Рекристализация синтероване:

През 80-те години Kriegesmann демонстрира производството на високоефективна рекристализиранаSiC керамикачрез шликерно леене, последвано от синтероване при 2450°C. Тази техника бързо беше приета за широкомащабно производство от FCT (Германия) и Norton (САЩ).

Прекристализираният SiC включва синтероване на зелено тяло, образувано чрез пакетиране на SiC частици с различни размери. Фините частици, равномерно разпределени в междините на по-едрите частици, се изпаряват и кондензират в контактните точки на по-големите частици при температури над 2100°C в контролирана атмосфера. Този механизъм на изпарение-кондензация образува нови граници на зърната при шийките на частиците, което води до растеж на зърната, образуване на шийка и синтеровано тяло с остатъчна порьозност.

Основните характеристики на рекристализирания SiC включват:

Минимално свиване: Липсата на граница на зърното или обемна дифузия по време на синтероване води до незначително свиване.

Почти мрежесто оформяне: Синтерованата плътност остава почти идентична с плътността на зеленото тяло.

Чисти граници на зърната: Прекристализираният SiC показва чисти граници на зърната, лишени от стъклени фази или примеси.

Остатъчна порьозност: Спеченото тяло обикновено запазва 10-20% порьозност.

5. Горещо изостатично пресоване (HIP):

HIP използва налягане на инертен газ (обикновено аргон) за подобряване на уплътняването. Компактният прах SiC, запечатан в стъклен или метален контейнер, се подлага на изостатично налягане в пещ. Когато температурата се повиши до диапазона на синтероване, компресорът поддържа първоначално налягане на газа от няколко мегапаскала. Това налягане прогресивно нараства по време на нагряване, достигайки до 200 MPa, ефективно елиминирайки вътрешните пори и постигайки висока плътност.

6. Искрово плазмено синтероване (SPS):

SPS е нова техника на праховата металургия за производство на плътни материали, включително метали, керамика и композити. Той използва високоенергийни електрически импулси за генериране на импулсен електрически ток и искрова плазма между прахови частици. Това локализирано нагряване и генериране на плазма се случват при относително ниски температури и кратко времетраене, което позволява бързо синтероване. Процесът ефективно премахва повърхностните замърсители, активира повърхностите на частиците и насърчава бързото уплътняване. SPS е успешно използван за производство на плътна SiC керамика с помощта на Al2O3 и Y2O3 като помощни средства за синтероване.

7. Микровълново синтероване:

За разлика от конвенционалното нагряване, микровълновото синтероване използва диелектричните загуби на материали в микровълново електромагнитно поле, за да се постигне обемно нагряване и синтероване. Този метод предлага предимства като по-ниски температури на синтероване, по-бързи скорости на нагряване и подобрено уплътняване. Подобреният масов транспорт по време на микровълново синтероване също насърчава финозърнестите микроструктури.

8. Мигновено синтероване:

Мигновеното синтероване (FS) привлече вниманието с ниската си консумация на енергия и ултра бързата кинетика на синтероване. Процесът включва прилагане на напрежение върху зелено тяло в рамките на пещ. При достигане на прагова температура, внезапно нелинейно увеличение на тока генерира бързо джаулово нагряване, което води до почти мигновено уплътняване за секунди.

9. Агломериране под налягане (OPS):

Въвеждането на динамично налягане по време на синтероване нарушава блокирането и агломерацията на частиците, намалявайки размера на порите и разпределението. Това води до много плътни, фино зърнести и хомогенни микроструктури, което води до получаване на високоякостна и надеждна керамика. Разработен от екипа на Xie Zhipeng в университета Tsinghua, OPS заменя постоянното статично налягане при конвенционалното синтероване с динамично осцилаторно налягане.

OPS предлага няколко предимства:

Подобрена зелена плътност: Непрекъснатото осцилиращо налягане насърчава пренареждането на частиците, като значително увеличава зелената плътност на прахообразната преса.

Повишена движеща сила на синтероване: OPS осигурява по-голяма движеща сила за уплътняване, подобряване на въртенето на зърната, плъзгането и пластичния поток. Това е особено полезно по време на по-късните етапи на синтероване, където контролираната честота и амплитуда на трептене ефективно елиминират остатъчните пори по границите на зърната.

Снимка на оборудване за синтероване с колебателно налягане

Сравнение на обичайните техники:

Сред тези техники реакционното синтероване, синтероването без налягане и рекристализацията са широко използвани за промишленото производство на SiC, всяка с уникални предимства, водещи до различни микроструктури, свойства и приложения.

Реакционно свързан SiC:Предлага ниски температури на синтероване, рентабилност, минимално свиване и високо уплътняване, което го прави подходящ за големи компоненти със сложна форма. Типичните приложения включват мебели за високотемпературни пещи, дюзи за горелки, топлообменници и оптични рефлектори.

Синтерован SiC без налягане:Осигурява рентабилност, гъвкавост на формата, висока плътност, еднаква микроструктура и отлични цялостни свойства, което го прави идеален за прецизни компоненти като уплътнения, плъзгащи лагери, балистична броня, оптични рефлектори и патронници за полупроводникови пластини.

Прекристализиран SiC:Отличава се с чисти SiC фази, висока чистота, висока порьозност, отлична топлопроводимост и устойчивост на термичен шок, което го прави подходящ за високотемпературни мебели за пещи, топлообменници и дюзи за горелки.**

Ние от Semicorex сме специализирани вSiC керамика и другиКерамични материалиприлагани в производството на полупроводници, ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля, не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка: +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com