Ceramica cu carbură de siliciu și diversele lor procese de fabricație

Ceramica cu carbură de siliciu (SiC).sunt utilizate pe scară largă în aplicații solicitante, cum ar fi rulmenți de precizie, etanșări, rotoare de turbine cu gaz, componente optice, duze de înaltă temperatură, componente pentru schimbătoare de căldură și materiale pentru reactoare nucleare. Această utilizare pe scară largă rezultă din proprietățile lor excepționale, inclusiv rezistență ridicată la uzură, conductivitate termică excelentă, rezistență superioară la oxidare și proprietăți mecanice remarcabile la temperatură înaltă. Cu toate acestea, legătura covalentă puternică și coeficientul de difuzie scăzut inerent SiC prezintă o provocare semnificativă în obținerea unei densificări ridicate în timpul procesului de sinterizare. În consecință, procesul de sinterizare devine un pas crucial în obținerea unor performanțe ridicateceramica SiC.

Această lucrare oferă o imagine de ansamblu cuprinzătoare a diferitelor tehnici de fabricație folosite pentru a produce densRBSiC/PSSiC/RSiC ceramică, evidențiind caracteristicile și aplicațiile unice ale acestora:

1. Carbură de siliciu legată de reacție (RBSiC)

RBSiCpresupune amestecarea pulberii de carbură de siliciu (de obicei 1-10 μm) cu carbon, modelarea amestecului într-un corp verde și supunerea acestuia la temperaturi ridicate pentru infiltrarea siliciului. În timpul acestui proces, siliciul reacționează cu carbonul pentru a forma SiC, care se leagă de particulele de SiC existente, realizând în cele din urmă densificare. Sunt utilizate două metode primare de infiltrare cu siliciu:

Infiltrarea siliciului lichid: Siliciul este încălzit peste punctul său de topire (1450-1470°C), permițând siliciului topit să se infiltreze în corpul verde poros prin acțiune capilară. Siliciul topit reacţionează apoi cu carbonul, formând SiC.

Infiltrarea vaporilor de siliciu: Siliciul este încălzit dincolo de punctul său de topire pentru a genera vapori de siliciu. Acești vapori pătrund în corpul verde și ulterior reacționează cu carbonul, formând SiC.

Fluxul procesului: pulbere SiC + pulbere C + Liant → Modelare → Uscare → Arsură liant într-o atmosferă controlată → Infiltrare de Si la temperatură înaltă → Post-procesare

(1) Considerații cheie:

Temperatura de funcționare aRBSiCeste limitată de conținutul rezidual de siliciu liber din material. De obicei, temperatura maximă de funcționare este de aproximativ 1400°C. Peste această temperatură, rezistența materialului se deteriorează rapid datorită topirii siliciului liber.

Infiltrarea de siliciu lichid tinde să lase un conținut de siliciu rezidual mai mare (de obicei 10-15%, uneori depășind 15%), ceea ce poate afecta negativ proprietățile produsului final. În schimb, infiltrarea vaporilor de siliciu permite un control mai bun asupra conținutului de siliciu rezidual. Prin reducerea la minimum a porozității în corpul verde, conținutul de siliciu rezidual după sinterizare poate fi redus la sub 10% și cu un control atent al procesului, chiar și sub 8%. Această reducere îmbunătățește semnificativ performanța generală a produsului final.

Este important de reținut căRBSiC, indiferent de metoda de infiltrare, va conține inevitabil niște siliciu rezidual (variant de la 8% la peste 15%). Prin urmare,RBSiCnu este o ceramică monofazată cu carbură de siliciu, ci mai degrabă un compozit „siliciu + carbură de siliciu”. In consecinta,RBSiCmai este denumităSiSiC (compozit din carbură de siliciu).

(2) Avantaje și aplicații:

RBSiCoferă mai multe avantaje, printre care:

Temperatură scăzută de sinterizare: Aceasta reduce consumul de energie și costurile de producție.

Cost-eficiență: Procesul este relativ simplu și utilizează materii prime ușor disponibile, contribuind la accesibilitatea acestuia.

Densificare mare:RBSiCatinge niveluri ridicate de densitate, conducând la proprietăți mecanice îmbunătățite.

Formare aproape netă: preforma de carbon și carbură de siliciu poate fi preprelucrată la forme complicate, iar contracția minimă în timpul sinterizării (de obicei, mai puțin de 3%) asigură o precizie dimensională excelentă. Acest lucru reduce nevoia de prelucrare costisitoare post-sinterizare, fabricareRBSiCpotrivite în special pentru componente mari, de formă complexă.

Datorită acestor avantaje,RBSiCse bucură de o utilizare pe scară largă în diverse aplicații industriale, în primul rând pentru producție:

Componente cuptor: căptușeli, creuzete și saggars.

Oglinzi spațiale:RBSiCCoeficientul scăzut de dilatare termică și modulul elastic ridicat îl fac un material ideal pentru oglinzile spațiale.

Schimbătoare de căldură la temperatură înaltă: Companii precum Refel (Marea Britanie) au fost pionieri în utilizareaRBSiCîn schimbătoare de căldură de înaltă temperatură, cu aplicații variind de la procesarea chimică până la generarea de energie. De asemenea, Asahi Glass (Japonia) a adoptat această tehnologie, producând tuburi de schimb de căldură cu lungimea cuprinsă între 0,5 și 1 metru.

Mai mult, cererea tot mai mare pentru plachete mai mari și temperaturi mai ridicate de procesare în industria semiconductoarelor a stimulat dezvoltarea de puritate ridicată.RBSiCcomponente. Aceste componente, fabricate folosind pulbere de SiC de înaltă puritate și siliciu, înlocuiesc treptat piesele din sticlă de cuarț în suporturile pentru tuburile electronice și echipamentele de procesare a plachetelor semiconductoare.

Barcă de napolitană Semicorex RBSiC pentru cuptor de difuzie

(3) Limitări:

În ciuda avantajelor sale,RBSiCprezintă anumite limitări:

Siliciu rezidual: După cum sa menționat anterior,RBSiCprocesul are ca rezultat în mod inerent siliciu liber rezidual în produsul final. Acest siliciu rezidual afectează negativ proprietățile materialului, inclusiv:

Rezistență redusă și rezistență la uzură în comparație cu alteleceramica SiC.

Rezistență limitată la coroziune: Siliciul liber este susceptibil de a fi atacat de soluții alcaline și acizi puternici precum acidul fluorhidric, limitândRBSiCutilizarea în astfel de medii.

Rezistență mai scăzută la temperatură ridicată: prezența siliciului liber limitează temperatura maximă de funcționare la aproximativ 1350-1400°C.

2. Sinterizarea fără presiune - PSSiC

Sinterizarea fără presiune a carburii de siliciurealizeaza densificarea probelor cu diferite forme si marimi la temperaturi cuprinse intre 2000-2150°C in atmosfera inerta si fara a aplica presiune exterioara, prin adaugarea de ajutoare de sinterizare adecvate. Tehnologia de sinterizare fără presiune a SiC s-a maturizat, iar avantajele sale constau în costul său scăzut de producție și fără restricții privind forma și dimensiunea produselor. În special, ceramica SiC sinterizată în fază solidă are densitate mare, microstructură uniformă și proprietăți excelente ale materialelor, făcându-le utilizate pe scară largă în inele de etanșare rezistente la uzură și coroziune, rulmenți de alunecare și alte aplicații.

Procesul de sinterizare fără presiune al carburii de siliciu poate fi împărțit în fază solidăcarbură de siliciu sinterizată (SSiC)și carbură de siliciu sinterizată în fază lichidă (LSiC).

Microstructura și limita granulelor din carbură de siliciu sinterizată în fază solidă fără presiune

Sinterizarea în fază solidă a fost inventată pentru prima dată de omul de știință american Prochazka în 1974. El a adăugat o cantitate mică de bor și carbon la β-SiC submicron, realizând sinterizarea fără presiune a carburii de siliciu și obținând un corp sinterizat dens cu o densitate apropiată de 95% din valoare teoretică. Ulterior, W. Btcker și H. Hansner au folosit α-SiC ca materie primă și au adăugat bor și carbon pentru a obține densificarea carburii de siliciu. Multe studii ulterioare au arătat că atât compușii cu bor, cât și compușii cu bor și Al și Al pot forma soluții solide cu carbură de siliciu pentru a promova sinterizarea. Adăugarea de carbon este benefică pentru sinterizare prin reacția cu dioxidul de siliciu pe suprafața carburei de siliciu pentru a crește energia de suprafață. Carbura de siliciu sinterizată în fază solidă are limite de cereale relativ „curate”, practic fără fază lichidă, iar boabele cresc ușor la temperaturi ridicate. Prin urmare, fractura este transgranulară, iar rezistența și duritatea la fractură nu sunt în general mari. Cu toate acestea, datorită granițelor sale „curate”, rezistența la temperatură ridicată nu se modifică odată cu creșterea temperaturii și, în general, rămâne stabilă până la 1600°C.

Sinterizarea în fază lichidă a carburii de siliciu a fost inventată de omul de știință american M.A. Mulla la începutul anilor 1990. Principalul său aditiv de sinterizare este Y2O3-Al2O3. Sinterizarea în fază lichidă are avantajul unei temperaturi de sinterizare mai scăzute în comparație cu sinterizarea în fază solidă, iar dimensiunea granulelor este mai mică.

Principalele dezavantaje ale sinterizării în fază solidă sunt temperatura ridicată de sinterizare necesară (>2000°C), cerințele de puritate ridicată pentru materiile prime, duritatea scăzută la rupere a corpului sinterizat și sensibilitatea puternică a rezistenței la rupere la fisuri. Din punct de vedere structural, boabele sunt grosiere și neuniforme, iar modul de fractură este de obicei transgranular. În ultimii ani, cercetările asupra materialelor ceramice cu carbură de siliciu în țară și în străinătate s-au concentrat pe sinterizarea în fază lichidă. Sinterizarea în fază lichidă se realizează prin utilizarea unei anumite cantități de oxizi multicomponenti cu eutectice scăzută ca ajutoare de sinterizare. De exemplu, ajutoarele binari și ternari ai Y2O3 pot face ca SiC și compozitele sale să prezinte sinterizare în fază lichidă, realizând densificarea ideală a materialului la temperaturi mai scăzute. În același timp, datorită introducerii fazei lichide a granulelor și slăbirii rezistenței unice de legătură a interfeței, modul de rupere a materialului ceramic se schimbă într-un mod de fractură intergranulară, iar tenacitatea la rupere a materialului ceramic este îmbunătățită semnificativ. .

3. Carbură de siliciu recristalizată - RSiC

Carbură de siliciu recristalizată (RSiC)este un material SiC de înaltă puritate realizat din pulbere de carbură de siliciu (SiC) de înaltă puritate, cu două dimensiuni diferite de particule, grosieră și fină. Este sinterizat la temperaturi ridicate (2200-2450°C) printr-un mecanism de evaporare-condensare fără adăugarea de ajutoare de sinterizare.

Notă: Fără ajutoare de sinterizare, creșterea gâtului de sinterizare se realizează în general prin difuzie la suprafață sau prin transfer de masă prin evaporare-condensare. Conform teoriei clasice de sinterizare, niciuna dintre aceste metode de transfer de masă nu poate reduce distanța dintre centrele de masă ale particulelor în contact, nedeterminând astfel nicio contracție la scară macroscopică, care este un proces de non-densificare. Pentru a rezolva această problemă și a obține ceramică cu carbură de siliciu de înaltă densitate, oamenii au luat multe măsuri, cum ar fi aplicarea căldurii, adăugarea de ajutoare de sinterizare sau utilizarea unei combinații de căldură, presiune și ajutoare de sinterizare.

Imagine SEM a suprafeței de fractură a carburii de siliciu recristalizată

Caracteristici și aplicații:

RSiCConține mai mult de 99% SiC și practic nu există impurități la granulă, păstrând multe proprietăți excelente ale SiC, cum ar fi rezistența la temperatură înaltă, rezistența la coroziune și rezistența la șoc termic. Prin urmare, este utilizat pe scară largă în mobilierul cuptorului la temperatură înaltă, duzele de ardere, convertoarele solare termice, dispozitivele de purificare a gazelor de eșapament ale vehiculelor diesel, topirea metalelor și alte medii cu cerințe de performanță extrem de solicitante.

Datorită mecanismului de sinterizare prin evaporare-condensare, nu există contracție în timpul procesului de ardere și nu se generează stres rezidual care să provoace deformarea sau fisurarea produsului.

RSiCpoate fi format prin diverse metode, cum ar fi turnare cu alunecare, turnare cu gel, extrudare și presare. Deoarece nu există o contracție în timpul procesului de ardere, este ușor să obțineți produse cu forme și dimensiuni precise, atâta timp cât dimensiunile corpului verde sunt bine controlate.

Cel concediatprodus SiC recristalizatconține aproximativ 10%-20% pori reziduali. Porozitatea materialului depinde în mare măsură de porozitatea corpului verde în sine și nu se modifică semnificativ odată cu temperatura de sinterizare, oferind o bază pentru controlul porozității.

Sub acest mecanism de sinterizare, materialul are mulți pori interconectați, care are o gamă largă de aplicații în domeniul materialelor poroase. De exemplu, poate înlocui produsele poroase tradiționale în domeniul filtrării gazelor de eșapament și al filtrării aerului pe bază de combustibili fosili.

RSiCare limite de cereale foarte clare și curate, fără faze sticloase și impurități deoarece orice oxid sau impurități metalice s-au volatilizat la temperaturi ridicate de 2150-2300°C. Mecanismul de sinterizare prin evaporare-condensare poate purifica, de asemenea, SiC (conținutul de SiC înRSiCeste peste 99%), păstrând multe proprietăți excelente ale SiC, făcându-l potrivit pentru aplicații care necesită rezistență la temperatură înaltă, rezistență la coroziune și rezistență la șocuri termice, cum ar fi mobilierul pentru cuptoare la temperaturi înalte, duzele de ardere, convertoarele termice solare și topirea metalelor. .**