Silicon Carbide Ceramics at Kanilang Iba't ibang Proseso ng Fabrication

Silicon carbide (SiC) ceramicsay malawakang ginagamit sa hinihingi na mga aplikasyon tulad ng precision bearings, seal, gas turbine rotors, optical component, high-temperature nozzles, heat exchanger component, at nuclear reactor materials. Ang malawakang paggamit na ito ay nagmumula sa kanilang mga pambihirang katangian, kabilang ang mataas na wear resistance, mahusay na thermal conductivity, superior oxidation resistance, at natitirang mataas na temperatura na mekanikal na katangian. Gayunpaman, ang malakas na covalent bonding at mababang diffusion coefficient na likas sa SiC ay nagpapakita ng isang makabuluhang hamon sa pagkamit ng mataas na densification sa panahon ng proseso ng sintering. Dahil dito, ang proseso ng sintering ay nagiging isang mahalagang hakbang sa pagkuha ng mataas na pagganapSiC keramika.

Ang papel na ito ay nagbibigay ng isang komprehensibong pangkalahatang-ideya ng iba't ibang mga diskarte sa pagmamanupaktura na ginagamit upang makagawa ng siksikRBSiC/PSSiC/RSiC keramika, na nagbibigay-diin sa kanilang mga natatanging katangian at aplikasyon:

1. Reaction Bonded Silicon Carbide (RBSiC)

RBSiCnagsasangkot ng paghahalo ng silicon carbide powder (karaniwang 1-10 μm) sa carbon, paghubog sa pinaghalong maging berdeng katawan, at pagpapailalim nito sa mataas na temperatura para sa paglusot ng silicon. Sa prosesong ito, ang silicon ay tumutugon sa carbon upang bumuo ng SiC, na nagbubuklod sa mga umiiral na mga particle ng SiC, sa huli ay nakakamit ang densification. Dalawang pangunahing pamamaraan ng paglusot ng silikon ay ginagamit:

Liquid Silicon Infiltration: Pinainit ang Silicon sa itaas ng melting point nito (1450-1470°C), na nagpapahintulot sa molten na silicon na makalusot sa porous green body sa pamamagitan ng capillary action. Ang tunaw na silikon pagkatapos ay tumutugon sa carbon, na bumubuo ng SiC.

Vapor Silicon Infiltration: Ang silikon ay pinainit lampas sa punto ng pagkatunaw nito upang makabuo ng silikon na singaw. Ang singaw na ito ay tumatagos sa berdeng katawan at pagkatapos ay tumutugon sa carbon, na bumubuo ng SiC.

Daloy ng Proseso: SiC powder + C powder + Binder → Paghubog → Pagpapatuyo → Binder burnout sa isang kontroladong kapaligiran → High-temperature Si infiltration → Post-processing

(1) Mga Pangunahing Pagsasaalang-alang:

Ang operating temperatura ngRBSiCay limitado ng natitirang libreng nilalaman ng silikon sa materyal. Karaniwan, ang pinakamataas na temperatura ng pagpapatakbo ay nasa paligid ng 1400°C. Sa itaas ng temperatura na ito, ang lakas ng materyal ay mabilis na lumalala dahil sa pagkatunaw ng libreng silikon.

Ang liquid silicon infiltration ay may posibilidad na mag-iwan ng mas mataas na natitirang silicon content (karaniwang 10-15%, minsan ay lumalampas sa 15%), na maaaring negatibong makaapekto sa mga katangian ng huling produkto. Sa kaibahan, ang vapor silicon infiltration ay nagbibigay-daan para sa mas mahusay na kontrol sa natitirang nilalaman ng silikon. Sa pamamagitan ng pagliit ng porosity sa berdeng katawan, ang natitirang nilalaman ng silikon pagkatapos ng sintering ay maaaring mabawasan sa ibaba 10%, at may maingat na kontrol sa proseso, kahit na mas mababa sa 8%. Ang pagbawas na ito ay makabuluhang nagpapabuti sa pangkalahatang pagganap ng panghuling produkto.

Mahalagang tandaan iyonRBSiC, anuman ang paraan ng paglusot, ay tiyak na maglalaman ng ilang natitirang silikon (mula sa 8% hanggang higit sa 15%). Samakatuwid,RBSiCay hindi isang single-phase silicon carbide ceramic ngunit sa halip ay isang "silicon + silicon carbide" composite. Dahil dito,RBSiCay tinutukoy din bilangSiSiC (silicon silicon carbide composite).

(2) Mga Bentahe at Aplikasyon:

RBSiCnag-aalok ng ilang mga pakinabang, kabilang ang:

Mababang Temperatura ng Sintering: Binabawasan nito ang pagkonsumo ng enerhiya at mga gastos sa produksyon.

Cost-Effectiveness: Ang proseso ay medyo simple at gumagamit ng mga hilaw na materyales na madaling makuha, na nag-aambag sa pagiging affordability nito.

Mataas na Densification:RBSiCnakakamit ang mataas na antas ng density, na humahantong sa pinabuting mga mekanikal na katangian.

Near-Net Shaping: Ang carbon at silicon carbide preform ay maaaring i-pre-machined sa masalimuot na mga hugis, at ang minimal na pag-urong sa panahon ng sintering (karaniwang mas mababa sa 3%) ay nagsisiguro ng mahusay na dimensional na katumpakan. Binabawasan nito ang pangangailangan para sa mamahaling post-sintering machining, paggawaRBSiCpartikular na angkop para sa malaki, kumplikadong hugis na mga bahagi.

Dahil sa mga pakinabang na ito,RBSiCtinatangkilik ang malawakang paggamit sa iba't ibang mga pang-industriya na aplikasyon, pangunahin para sa pagmamanupaktura:

Mga bahagi ng hurno: Mga lining, crucibles, at saggars.

Mga salamin sa kalawakan:RBSiCAng mababang koepisyent ng pagpapalawak ng thermal at mataas na elastic modulus ay ginagawa itong perpektong materyal para sa mga salamin na nakabatay sa espasyo.

Mga nagpapalit ng init na may mataas na temperatura: Pinasimulan ng mga kumpanyang tulad ng Refel (UK) ang paggamit ngRBSiCsa mga palitan ng init na may mataas na temperatura, na may mga aplikasyon mula sa pagproseso ng kemikal hanggang sa pagbuo ng kuryente. Pinagtibay din ng Asahi Glass (Japan) ang teknolohiyang ito, na gumagawa ng mga heat exchange tube na mula 0.5 hanggang 1 metro ang haba.

Higit pa rito, ang pagtaas ng demand para sa mas malalaking wafer at mas mataas na temperatura ng pagproseso sa industriya ng semiconductor ay nag-udyok sa pagbuo ng mataas na kadalisayan.RBSiCmga bahagi. Ang mga sangkap na ito, na ginawa gamit ang high-purity na SiC powder at silicon, ay unti-unting pinapalitan ang mga bahagi ng quartz glass sa mga jig ng suporta para sa mga electron tube at semiconductor wafer processing equipment.

Semicorex RBSiC Wafer Boat para sa Diffusion Furnace

(3) Mga Limitasyon:

Sa kabila ng mga pakinabang nito,RBSiCnagtataglay ng ilang mga limitasyon:

Natirang Silicon: Tulad ng naunang nabanggit, angRBSiCAng proseso ay likas na nagreresulta sa natitirang libreng silikon sa loob ng huling produkto. Ang natitirang silikon na ito ay negatibong nakakaapekto sa mga katangian ng materyal, kabilang ang:

Nabawasan ang lakas at wear resistance kumpara sa ibaSiC keramika.

Limitadong paglaban sa kaagnasan: Ang libreng silicon ay madaling atakehin ng mga alkaline na solusyon at malalakas na acid tulad ng hydrofluoric acid, na naghihigpitRBSiCpaggamit sa gayong mga kapaligiran.

Mas mababang lakas ng mataas na temperatura: Ang pagkakaroon ng libreng silicon ay naglilimita sa pinakamataas na temperatura ng pagpapatakbo sa humigit-kumulang 1350-1400°C.

2. Pressureless Sintering - PSSiC

Walang presyon na sintering ng silicon carbidenakakamit ang densification ng mga sample na may iba't ibang hugis at sukat sa mga temperatura sa pagitan ng 2000-2150°C sa ilalim ng isang inert na kapaligiran at nang hindi naglalagay ng panlabas na presyon, sa pamamagitan ng pagdaragdag ng angkop na mga tulong sa sintering. Ang walang pressure na sintering na teknolohiya ng SiC ay tumanda na, at ang mga bentahe nito ay nasa mababang gastos sa produksyon at walang mga paghihigpit sa hugis at sukat ng mga produkto. Sa partikular, ang solid-phase sintered SiC ceramics ay may mataas na densidad, pare-parehong microstructure, at mahusay na komprehensibong mga katangian ng materyal, kaya malawak itong ginagamit sa wear-resistant at corrosion-resistant sealing rings, sliding bearings, at iba pang mga application.

Ang walang pressure na proseso ng sintering ng silicon carbide ay maaaring nahahati sa solid-phasesintered silicon carbide (SSiC)at liquid-phase sintered silicon carbide (LSiC).

Microstructure at hangganan ng butil ng walang pressure na solid-phase na sintered silicon carbide

Ang solid-phase sintering ay unang naimbento ng American scientist na si Prochazka noong 1974. Nagdagdag siya ng maliit na halaga ng boron at carbon sa submicron β-SiC, na napagtatanto ang walang pressure na sintering ng silicon carbide at nakakuha ng isang siksik na sintered body na may density na malapit sa 95% ng teoretikal na halaga. Kasunod nito, ginamit nina W. Btcker at H. Hansner ang α-SiC bilang hilaw na materyal at nagdagdag ng boron at carbon upang makamit ang densification ng silicon carbide. Maraming mga huling pag-aaral ang nagpakita na ang parehong boron at boron compound at Al at Al compound ay maaaring bumuo ng mga solidong solusyon na may silicon carbide upang itaguyod ang sintering. Ang pagdaragdag ng carbon ay kapaki-pakinabang sa sintering sa pamamagitan ng pagtugon sa silicon dioxide sa ibabaw ng silicon carbide upang mapataas ang enerhiya sa ibabaw. Ang solid-phase sintered silicon carbide ay may medyo "malinis" na mga hangganan ng butil na karaniwang walang likidong bahagi, at ang mga butil ay madaling tumubo sa mataas na temperatura. Samakatuwid, ang bali ay transgranular, at ang lakas at tibay ng bali ay karaniwang hindi mataas. Gayunpaman, dahil sa "malinis" na mga hangganan ng butil nito, ang lakas ng mataas na temperatura ay hindi nagbabago sa pagtaas ng temperatura at sa pangkalahatan ay nananatiling matatag hanggang sa 1600°C.

Ang liquid-phase sintering ng silicon carbide ay naimbento ng American scientist na si M.A. Mulla noong unang bahagi ng 1990s. Ang pangunahing sintering additive nito ay Y2O3-Al2O3. Ang liquid-phase sintering ay may bentahe ng mas mababang temperatura ng sintering kumpara sa solid-phase sintering, at ang laki ng butil ay mas maliit.

Ang pangunahing disadvantage ng solid-phase sintering ay ang mataas na sintering temperature na kinakailangan (>2000°C), ang mataas na purity na kinakailangan para sa mga hilaw na materyales, ang mababang fracture toughness ng sintered body, at ang malakas na sensitivity ng fracture strength sa mga bitak. Sa istruktura, ang mga butil ay magaspang at hindi pantay, at ang fracture mode ay karaniwang transgranular. Sa mga nakalipas na taon, ang pananaliksik sa silicon carbide ceramic na materyales sa tahanan at ibang bansa ay nakatuon sa liquid-phase sintering. Nakakamit ang liquid-phase sintering sa pamamagitan ng paggamit ng isang tiyak na dami ng mga multi-component na low-eutectic oxide bilang mga tulong sa sintering. Halimbawa, ang binary at ternary aid ng Y2O3 ay maaaring gumawa ng SiC at ang mga composite nito na nagpapakita ng liquid-phase sintering, na nakakamit ng perpektong densification ng materyal sa mas mababang temperatura. Kasabay nito, dahil sa pagpapakilala ng likidong bahagi ng hangganan ng butil at ang pagpapahina ng natatanging lakas ng pagbubuklod ng interface, ang fracture mode ng ceramic material ay nagbabago sa isang intergranular fracture mode, at ang fracture toughness ng ceramic material ay makabuluhang napabuti. .

3. Recrystallized Silicon Carbide - RSiC

Recrystallized silicon carbide (RSiC)ay isang high-purity na SiC na materyal na ginawa mula sa high-purity na silicon carbide (SiC) powder na may dalawang magkaibang laki ng particle, magaspang at pino. Ito ay sintered sa mataas na temperatura (2200-2450°C) sa pamamagitan ng isang evaporation-condensation mechanism nang hindi nagdaragdag ng mga sintering aid.

Tandaan: Kung walang mga tulong sa sintering, ang paglaki ng sintering neck ay karaniwang nakakamit sa pamamagitan ng surface diffusion o evaporation-condensation mass transfer. Ayon sa klasikal na teorya ng sintering, alinman sa mga paraan ng paglilipat ng masa na ito ay hindi makakabawas sa distansya sa pagitan ng mga sentro ng masa ng mga particle na nakikipag-ugnay, kaya hindi nagiging sanhi ng anumang pag-urong sa isang macroscopic na sukat, na isang hindi densification na proseso. Upang malutas ang problemang ito at makakuha ng high-density na silicon carbide ceramics, gumawa ang mga tao ng maraming hakbang, tulad ng paglalagay ng init, pagdaragdag ng mga pantulong sa sintering, o paggamit ng kumbinasyon ng init, presyon, at mga pantulong sa sintering.

SEM imahe ng fracture surface ng recrystallized silicon carbide

Mga Katangian at Aplikasyon:

RSiCnaglalaman ng higit sa 99% SiC at karaniwang walang mga impurities sa hangganan ng butil, na nagpapanatili ng maraming mahuhusay na katangian ng SiC, tulad ng lakas ng mataas na temperatura, paglaban sa kaagnasan, at paglaban sa thermal shock. Samakatuwid, ito ay malawakang ginagamit sa mga muwebles na may mataas na temperatura ng tapahan, mga combustion nozzle, mga solar thermal converter, mga kagamitan sa paglilinis ng gas na tambutso ng diesel ng sasakyan, metal smelting, at iba pang mga kapaligiran na may lubhang hinihingi na mga kinakailangan sa pagganap.

Dahil sa mekanismo ng evaporation-condensation sintering, walang pag-urong sa panahon ng proseso ng pagpapaputok, at walang natitirang stress na nabubuo upang magdulot ng deformation o pag-crack ng produkto.

RSiCmaaaring mabuo sa pamamagitan ng iba't ibang paraan tulad ng slip casting, gel casting, extrusion, at pressing. Dahil walang pag-urong sa panahon ng proseso ng pagpapaputok, madaling makakuha ng mga produkto na may tumpak na mga hugis at sukat hangga't ang mga dimensyon ng berdeng katawan ay mahusay na kontrolado.

Ang pinaalisna-rekristal na produkto ng SiCnaglalaman ng humigit-kumulang 10%-20% na mga natitirang pores. Ang porosity ng materyal ay higit na nakasalalay sa porosity ng berdeng katawan mismo at hindi nagbabago nang malaki sa temperatura ng sintering, na nagbibigay ng batayan para sa kontrol ng porosity.

Sa ilalim ng mekanismo ng sintering na ito, ang materyal ay may maraming magkakaugnay na mga pores, na may malawak na hanay ng mga aplikasyon sa larangan ng mga porous na materyales. Halimbawa, maaari nitong palitan ang mga tradisyunal na porous na produkto sa mga larangan ng exhaust gas filtration at fossil fuel air filtration.

RSiCay may napakalinaw at malinis na mga hangganan ng butil na walang malasalamin na bahagi at dumi dahil ang anumang mga dumi ng oxide o metal ay nag-volatilize sa mataas na temperatura na 2150-2300°C. Ang evaporation-condensation sintering mechanism ay maaari ding maglinis ng SiC (SiC content inRSiCay higit sa 99%), na nagpapanatili ng maraming mahuhusay na katangian ng SiC, na ginagawa itong angkop para sa mga application na nangangailangan ng mataas na temperatura na lakas, corrosion resistance, at thermal shock resistance, tulad ng high-temperature kiln furniture, combustion nozzle, solar thermal converter, at metal smelting .**