O revizuire a 9 tehnici de sinterizare pentru ceramica cu carbură de siliciu

Carbură de siliciu (SiC), o ceramică structurală proeminentă, este renumită pentru proprietățile sale excepționale, inclusiv rezistența la temperatură ridicată, duritatea, modulul elastic, rezistența la uzură, conductivitatea termică și rezistența la coroziune. Aceste atribute îl fac potrivit pentru o gamă largă de aplicații, de la utilizări industriale tradiționale în mobilier pentru cuptoare de temperatură înaltă, duze pentru arzător, schimbătoare de căldură, inele de etanșare și rulmenți de alunecare, până la aplicații avansate precum armuri balistice, oglinzi spațiale, mandrine pentru napolitane semiconductoare, și placarea combustibilului nuclear.

Procesul de sinterizare este crucial în determinarea proprietăților finale aleceramica SiC. Cercetări ample au condus la dezvoltarea diferitelor tehnici de sinterizare, variind de la metode consacrate, cum ar fi sinterizarea prin reacție, sinterizarea fără presiune, sinterizarea prin recristalizare și presarea la cald, până la inovații mai recente precum sinterizarea cu plasmă cu scânteie, sinterizarea rapidă și sinterizarea sub presiune oscilativă.

Iată o privire mai atentă la nouă proeminenteCeramica SiCtehnici de sinterizare:

1. Presare la cald:

Inițiat de Alliegro și colab. la Norton Company, presarea la cald implică aplicarea simultană de căldură și presiune asupra apulbere de SiCcompact într-o matriță. Această metodă permite densificarea și modelarea simultană. Deși eficientă, presarea la cald necesită echipamente complexe, matrițe specializate și un control riguros al procesului. Limitările sale includ consumul ridicat de energie, complexitatea limitată a formei și costurile ridicate de producție.

2. Sinterizarea de reacție:

Propusă pentru prima dată de P. Popper în anii 1950, sinterizarea cu reacție implică amestecareapulbere de SiCcu o sursă de carbon. Corpul verde, format prin turnare cu alunecare, presare uscată sau presare izostatică la rece, suferă un proces de infiltrare a siliciului. Încălzirea peste 1500°C în vid sau atmosferă inertă topește siliciul, care se infiltrează în corpul poros prin acțiune capilară. Siliciul lichid sau gazos reacţionează cu carbonul, formând in situ β-SiC care se leagă de particulele de SiC existente, rezultând o ceramică densă.

SiC legat prin reacție se mândrește cu temperaturi scăzute de sinterizare, rentabilitate și densificare ridicată. Contracția neglijabilă în timpul sinterizării îl face deosebit de potrivit pentru componente mari, de formă complexă. Aplicațiile tipice includ mobilier pentru cuptoare de temperatură înaltă, tuburi radiante, schimbătoare de căldură și duze de desulfurare.

Traseul procesului Semicorex al bărcii RBSiC

3. Sinterizarea fără presiune:

Dezvoltat de S. Prochazka et al. la GE în 1974, sinterizarea fără presiune elimină necesitatea presiunii externe. Densificarea are loc la 2000-2150°C sub presiune atmosferică (1,01×105 Pa) într-o atmosferă inertă cu ajutorul aditivilor de sinterizare. Sinterizarea fără presiune poate fi clasificată în continuare în sinterizare în stare solidă și în fază lichidă.

Sinterizarea în stare solidă fără presiune realizează densități mari (3,10-3,15 g/cm3) fără faze intergranulare de sticlă, rezultând proprietăți mecanice excepționale la temperatură înaltă, cu temperaturi de utilizare atingând 1600°C. Cu toate acestea, creșterea excesivă a boabelor la temperaturi ridicate de sinterizare poate avea un impact negativ asupra rezistenței.

Sinterizarea fără presiune în fază lichidă extinde domeniul de aplicare al ceramicii SiC. Faza lichidă, formată prin topirea unei singure componente sau reacția eutectică a mai multor componente, îmbunătățește cinetica de densificare prin furnizarea unei căi de difuzivitate ridicată, ceea ce duce la temperaturi de sinterizare mai scăzute în comparație cu sinterizarea în stare solidă. Dimensiunea granulelor fine și faza lichidă intergranulară reziduală în SiC sinterizat în fază lichidă promovează o tranziție de la fractura transgranulară la cea intergranulară, sporind rezistența la încovoiere și duritatea la rupere.

Sinterizarea fără presiune este o tehnologie matură cu avantaje precum rentabilitatea și versatilitatea formei. SiC sinterizat în stare solidă, în special, oferă o densitate ridicată, o microstructură uniformă și o performanță generală excelentă, făcându-l potrivit pentru componente rezistente la uzură și la coroziune, cum ar fi inele de etanșare și rulmenți de alunecare.

Armura din carbură de siliciu sinterizată fără presiune

4. Sinterizare de recristalizare:

În anii 1980, Kriegesmann a demonstrat fabricarea recristalizatelor de înaltă performanțăceramica SiCprin turnare cu alunecare urmată de sinterizare la 2450°C. Această tehnică a fost adoptată rapid pentru producția pe scară largă de către FCT (Germania) și Norton (SUA).

SiC recristalizat implică sinterizarea unui corp verde format prin împachetarea particulelor de SiC de diferite dimensiuni. Particulele fine, distribuite uniform în interstițiile particulelor mai grosiere, se evaporă și se condensează în punctele de contact ale particulelor mai mari la temperaturi de peste 2100°C sub atmosferă controlată. Acest mecanism de evaporare-condensare formează noi granițe la nivelul gâtului particulelor, ceea ce duce la creșterea granulelor, formarea gâtului și un corp sinterizat cu porozitate reziduală.

Caracteristicile cheie ale SiC recristalizat includ:

Contracție minimă: absența graniței sau difuziei de volum în timpul sinterizării are ca rezultat o contracție neglijabilă.

Formare aproape netă: densitatea sinterizată rămâne aproape identică cu densitatea corpului verde.

Limite de cereale curate: SiC recristalizat prezintă limite de cereale curate, lipsite de faze de sticlă sau impurități.

Porozitate reziduală: Corpul sinterizat păstrează de obicei o porozitate de 10-20%.

5. Presare izostatică la cald (HIP):

HIP utilizează presiunea gazului inert (de obicei argon) pentru a îmbunătăți densificarea. Compactul de pulbere de SiC, etanșat într-un recipient din sticlă sau metal, este supus unei presiuni izostatice într-un cuptor. Pe măsură ce temperatura crește în domeniul de sinterizare, un compresor menține o presiune inițială a gazului de câțiva megapascali. Această presiune crește progresiv în timpul încălzirii, ajungând până la 200 MPa, eliminând efectiv porii interni și obținând o densitate mare.

6. Sinterizarea cu plasmă cu scânteie (SPS):

SPS este o tehnică nouă de metalurgie a pulberilor pentru producerea de materiale dense, inclusiv metale, ceramică și compozite. Folosește impulsuri electrice de înaltă energie pentru a genera un curent electric pulsat și a genera plasmă între particulele de pulbere. Această încălzire localizată și generarea de plasmă au loc la temperaturi relativ scăzute și durate scurte, permițând sinterizarea rapidă. Procesul îndepărtează eficient contaminanții de suprafață, activează suprafețele de particule și promovează densificarea rapidă. SPS a fost folosit cu succes pentru a fabrica ceramică SiC densă folosind Al2O3 și Y2O3 ca ajutoare de sinterizare.

7. Sinterizarea cu microunde:

Spre deosebire de încălzirea convențională, sinterizarea cu microunde valorifică pierderea dielectrică a materialelor într-un câmp electromagnetic de microunde pentru a obține încălzirea volumetrică și sinterizarea. Această metodă oferă avantaje precum temperaturi de sinterizare mai scăzute, viteze de încălzire mai rapide și densificare îmbunătățită. Transportul de masă îmbunătățit în timpul sinterizării cu microunde promovează, de asemenea, microstructurile cu granulație fină.

8. Sinterizare flash:

Sinterizarea flash (FS) a câștigat atenția pentru consumul redus de energie și cinetica de sinterizare ultra-rapidă. Procesul implică aplicarea unei tensiuni peste un corp verde într-un cuptor. La atingerea unei temperaturi de prag, o creștere bruscă neliniară a curentului generează încălzire rapidă Joule, ceea ce duce la o densificare aproape instantanee în câteva secunde.

9. Sinterizarea prin presiune oscilativă (OPS):

Introducerea presiunii dinamice în timpul sinterizării perturbă interblocarea și aglomerarea particulelor, reducând dimensiunea și distribuția porilor. Acest lucru are ca rezultat microstructuri foarte dense, cu granulație fină și omogene, producând ceramică de înaltă rezistență și fiabilă. Inițiat de echipa lui Xie Zhipeng de la Universitatea Tsinghua, OPS înlocuiește presiunea statică constantă în sinterizarea convențională cu presiunea oscilatorie dinamică.

OPS oferă mai multe avantaje:

Densitate verde îmbunătățită: presiunea oscilativă continuă promovează rearanjarea particulelor, crescând semnificativ densitatea verde a compactului de pulbere.

Forță motrice de sinterizare crescută: OPS oferă o forță motrice mai mare pentru densificare, îmbunătățind rotația cerealelor, alunecarea și fluxul de plastic. Acest lucru este deosebit de benefic în etapele ulterioare ale sinterizării, unde frecvența și amplitudinea controlate de oscilație elimină efectiv porii reziduali la limitele granulelor.

Fotografie a echipamentului de sinterizare cu presiune oscilativă

Comparația tehnicilor comune:

Printre aceste tehnici, sinterizarea prin reacție, sinterizarea fără presiune și sinterizarea prin recristalizare sunt utilizate pe scară largă pentru producția industrială de SiC, fiecare cu avantaje unice, rezultând microstructuri, proprietăți și aplicații distincte.

SiC legat de reacție:Oferă temperaturi scăzute de sinterizare, rentabilitate, contracție minimă și densificare mare, făcându-l potrivit pentru componente mari, de formă complexă. Aplicațiile tipice includ mobilier pentru cuptoare de temperatură înaltă, duze pentru arzător, schimbătoare de căldură și reflectoare optice.

SiC sinterizat fără presiune:Oferă rentabilitate, versatilitate de formă, densitate mare, microstructură uniformă și proprietăți generale excelente, făcându-l ideal pentru componente de precizie cum ar fi etanșări, rulmenți de alunecare, armuri balistice, reflectoare optice și mandrine pentru plăci semiconductoare.

SiC recristalizat:Prezintă faze de SiC pur, puritate ridicată, porozitate ridicată, conductivitate termică excelentă și rezistență la șocuri termice, făcându-l potrivit pentru mobilier de cuptoare la temperaturi înalte, schimbătoare de căldură și duze pentru arzător.**

Noi, cei de la Semicorex, suntem specializați înCeramica SiC si alteleMateriale ceramiceaplicat în producția de semiconductori, dacă aveți întrebări sau aveți nevoie de detalii suplimentare, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați.

Telefon de contact: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com