Специализирани техники за подготовка за керамика от силициев карбид

Силициев карбид (SiC) керамикаматериалите притежават набор от отлични свойства, включително якост при висока температура, силна устойчивост на окисление, превъзходна устойчивост на износване, термична стабилност, нисък коефициент на термично разширение, висока топлопроводимост, висока твърдост, устойчивост на термичен удар и устойчивост на химическа корозия. Тези характеристики правят SiC керамиката все по-приложима в различни области като автомобилната, механичната и химическата промишленост, опазването на околната среда, космическите технологии, информационната електроника и енергетиката.SiC керамикаса се превърнали в незаменим структурен керамичен материал в много промишлени сектори поради изключителните си характеристики.

Какви са структурните характеристики, които подобряватSiC керамика?

Превъзходните свойства наSiC керамикаса тясно свързани с тяхната уникална структура. SiC е съединение с много силни ковалентни връзки, където йонният характер на Si-C връзката е само около 12%. Това води до висока якост и голям еластичен модул, осигуряващ отлична устойчивост на износване. Чистият SiC не се разяжда от киселинни разтвори като HCl, HNO3, H2SO4 или HF, нито от алкални разтвори като NaOH. Въпреки че има тенденция да се окислява при нагряване във въздуха, образуването на слой SiO2 на повърхността възпрепятства по-нататъшната дифузия на кислород, като по този начин поддържа ниска скорост на окисление. Освен това, SiC проявява полупроводникови свойства, с добра електрическа проводимост, когато се въвеждат малки количества примеси, и отлична топлопроводимост.

Как различните кристални форми на SiC влияят на неговите свойства?

SiC съществува в две основни кристални форми: α и β. β-SiC има кубична кристална структура, като Si и C образуват лицево центрирани кубични решетки. α-SiC съществува в над 100 политипа, включително 4H, 15R и 6H, като 6H е най-често използваният в промишлени приложения. Стабилността на тези политипове варира в зависимост от температурата. Под 1600°C SiC съществува в β форма, докато над 1600°C β-SiC постепенно се трансформира в различни политипове α-SiC. Например 4H-SiC се образува при около 2000°C, докато политиповете 15R и 6H изискват температури над 2100°C, за да се образуват лесно. Политипът 6H остава стабилен дори над 2200°C. Малката разлика в свободната енергия между тези политипове означава, че дори незначителни примеси могат да променят техните отношения на термична стабилност.

Какви са техниките за производство на SiC прахове?

Приготвянето на SiC прахове може да бъде категоризирано като твърдофазов синтез и течнофазов синтез въз основа на първоначалното състояние на суровините.

Какви са методите, включени в твърдофазния синтез? 

Твърдофазовият синтез включва основно карботермична редукция и директни силициево-въглеродни реакции. Методът на карботермална редукция включва процеса на Acheson, метода на вертикалната пещ и метода на високотемпературната ротационна пещ. Процесът на Acheson, изобретен от Acheson, включва редукция на силициев диоксид в кварцов пясък с въглерод в електрическа пещ на Acheson, задвижвана от електрохимична реакция при висока температура и силни електрически полета. Този метод, с история на промишлено производство, обхващаща повече от век, дава сравнително груби SiC частици и има висока консумация на енергия, голяма част от която се губи като топлина.

През 70-те години подобренията на процеса Acheson доведоха до разработки през 80-те години, като вертикални пещи и високотемпературни ротационни пещи за синтезиране на β-SiC прах, с по-нататъшен напредък през 90-те години. Ohsaki и др. установиха, че газът SiO, освободен от нагряване на смес от SiO2 и Si на прах, реагира с активен въглен, с повишена температура и удължено време на задържане, намалявайки специфичната повърхност на праха, тъй като се освобождава повече газ SiO. Методът на директната реакция силиций-въглерод, приложение на саморазпространяващ се високотемпературен синтез, включва запалване на реагентното тяло с външен източник на топлина и използване на топлината от химическа реакция, освободена по време на синтеза, за поддържане на процеса. Този метод има ниска консумация на енергия, просто оборудване и процеси и висока производителност, въпреки че е трудно да се контролира реакцията. Слабата екзотермична реакция между силиций и въглерод го прави предизвикателство за запалване и поддържане при стайна температура, което налага допълнителни източници на енергия като химически пещи, постоянен ток, предварително нагряване или спомагателни електрически полета.

Как се синтезира SiC прах с помощта на методи на течна фаза? 

Методите за синтез в течна фаза включват техники за зол-гел и полимерно разлагане. Ewell и др. за първи път предложи метода зол-гел, който по-късно беше приложен за подготовка на керамика около 1952 г. Този метод използва течни химически реагенти за приготвяне на алкоксидни прекурсори, които се разтварят при ниски температури, за да образуват хомогенен разтвор. Чрез добавяне на подходящи желиращи агенти, алкоксидът претърпява хидролиза и полимеризация, за да образува стабилна золна система. След продължително престояване или сушене Si и C се смесват равномерно на молекулярно ниво. Нагряването на тази смес до 1460-1600°C предизвиква реакция на карботермална редукция за получаване на фин SiC прах. Ключовите параметри за контрол по време на зол-гел обработката включват рН на разтвора, концентрация, реакционна температура и време. Този метод улеснява хомогенното добавяне на различни микрокомпоненти, но има недостатъци като остатъчни хидроксилни и органични разтворители, вредни за здравето, високи разходи за суровини и значително свиване по време на обработката.

Високотемпературното разлагане на органични полимери е друг ефективен метод за производство на SiC:

Нагряване на гел полисилоксани, за да се разложат на малки мономери, в крайна сметка образувайки SiO2 и C, които след това претърпяват карботермална редукция, за да се получи SiC прах.

Нагряване на поликарбосилани, за да се разложат на малки мономери, образувайки рамка, която в крайна сметка води до SiC прах. Последните зол-гел техники позволиха производството на базирани на SiO2 зол/гел материали, осигурявайки хомогенно разпределение на добавките за синтероване и заздравяване в гела, което улеснява образуването на високоефективни SiC керамични прахове.

Защо синтероването без налягане се счита за обещаваща техника заSiC керамика?

Агломерирането без налягане се счита за многообещаващ метод засинтероване на SiC. В зависимост от механизма на синтероване, той може да бъде разделен на синтероване в твърда фаза и синтероване в течна фаза. S. Proehazka постигна относителна плътност над 98% за SiC синтеровани тела чрез добавяне на подходящи количества B и C към ултра-фин β-SiC прах (със съдържание на кислород под 2%) и синтероване при 2020°C при нормално налягане. A. Mulla и др. използва Al2O3 и Y2O3 като добавки за синтероване на 0,5 μm β-SiC (с малко количество SiO2 върху повърхността на частиците) при 1850-1950°C, постигайки относителна плътност, по-голяма от 95% от теоретичната плътност и фини зърна със средна размер 1,5 μm.

Как се подобрява синтероването при гореща пресаSiC керамика?

Nadeau посочи, че чистият SiC може да бъде плътно синтерован само при изключително високи температури без никакви помощни средства за синтероване, което подтиква мнозина да изследват синтероването при гореща преса. Многобройни проучвания са изследвали ефектите от добавянето на B, Al, Ni, Fe, Cr и други метали върху уплътняването на SiC, като Al и Fe са установени като най-ефективни за насърчаване на синтероването при горещо пресоване. F.F. Lange изследва ефективността на синтерован чрез горещо пресоване SiC с различни количества Al2O3, приписвайки уплътняването на механизъм за разтваряне и повторно утаяване. Горещото пресоване обаче може да произведе само компоненти от SiC с проста форма, а количеството на продукта в един процес на синтероване е ограничено, което го прави по-малко подходящ за промишлено производство.

Какви са предимствата и ограниченията на реакционното синтероване за SiC?

Реакционно синтерован SiC, известен също като самосвързан SiC, включва реакция на поресто зелено тяло с газообразни или течни фази за увеличаване на масата, намаляване на порьозността и синтероването му в здрав продукт с точен размер. Процесът включва смесване на α-SiC прах и графит в определено съотношение, нагряване до около 1650°C и инфилтриране на зеленото тяло с разтопен Si или газообразен Si, който реагира с графит, за да образува β-SiC, свързвайки съществуващия α-SiC частици. Пълната инфилтрация на Si води до напълно плътно, стабилно на размерите реакционно синтеровано тяло. В сравнение с други методи на синтероване, реакционното синтероване включва минимални промени в размерите по време на уплътняването, което позволява производството на прецизни компоненти. Въпреки това, наличието на значително количество SiC в синтерованото тяло води до по-лоши характеристики при висока температура.

В обобщение,SiC керамикапроизведени чрез синтероване без налягане, синтероване при горещо пресоване, горещо изостатично пресоване и реакционно синтероване, показват различни експлоатационни характеристики.SiC керамикаот горещо пресоване и горещо изостатично пресоване обикновено имат по-високи синтеровани плътности и якост на огъване, докато реакционно синтерованият SiC има относително по-ниски стойности. Механичните свойства наSiC керамикасъщо варират в зависимост от различните добавки за синтероване. Без налягане, горещо пресовано и реакционно синтерованоSiC керамикапоказват добра устойчивост на силни киселини и основи, но реакционно синтерованият SiC има по-слаба корозионна устойчивост на силни киселини като HF. По отношение на високотемпературното представяне, почти всичкиSiC керамикапоказват подобрение на якостта под 900°C, докато якостта на огъване на реакционно синтерования SiC рязко намалява над 1400°C поради наличието на свободен Si. Високотемпературните характеристики на изостатичното пресоване без налягане и горещоSiC керамикаосновно зависи от вида на използваните добавки.

Докато всеки метод на синтероване заSiC керамикаима своите предимства, бързият напредък на технологиите налага непрекъснати подобрения вSiC керамикапроизводителност, производствени техники и намаляване на разходите. Постигане на нискотемпературно синтероване наSiC керамикае от решаващо значение за намаляване на потреблението на енергия и производствените разходи, като по този начин насърчава индустриализацията наSiC керамикапродукти.**

Ние от Semicorex сме специализирани вSiC керамикаи други керамични материали, използвани 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