Tehnici de pregătire specializate pentru ceramica cu carbură de siliciu

Ceramica cu carbură de siliciu (SiC).Materialele posedă o gamă de proprietăți excelente, inclusiv rezistență la temperatură ridicată, rezistență puternică la oxidare, rezistență superioară la uzură, stabilitate termică, coeficient scăzut de dilatare termică, conductivitate termică ridicată, duritate ridicată, rezistență la șoc termic și rezistență la coroziune chimică. Aceste caracteristici fac ceramica SiC din ce în ce mai aplicabilă în diverse domenii, cum ar fi industria auto, mecanică și chimică, protecția mediului, tehnologia spațială, electronica informațională și energia.ceramica SiCau devenit un material ceramic structural de neînlocuit în multe sectoare industriale datorită performanței lor remarcabile.

Care sunt caracteristicile structurale care îmbunătățescCeramica SiC?

Proprietățile superioare aleceramica SiCsunt strâns legate de structura lor unică. SiC este un compus cu legături covalente foarte puternice, unde caracterul ionic al legăturii Si-C este de numai aproximativ 12%. Acest lucru are ca rezultat o rezistență ridicată și un modul elastic mare, oferind o rezistență excelentă la uzură. SiC pur nu este corodat de soluții acide precum HCl, HNO3, H2SO4 sau HF și nici de soluții alcaline precum NaOH. Deși tinde să se oxideze atunci când este încălzit în aer, formarea unui strat de SiO2 la suprafață inhibă difuzia suplimentară a oxigenului, menținând astfel rata de oxidare scăzută. În plus, SiC prezintă proprietăți semiconductoare, cu o conductivitate electrică bună atunci când sunt introduse cantități mici de impurități și o conductivitate termică excelentă.

Cum afectează diferitele forme cristaline ale SiC proprietățile sale?

SiC există în două forme cristaline principale: α și β. β-SiC are o structură cristalină cubică, cu Si și C formând rețele cubice centrate pe fețe. α-SiC există în peste 100 de politipuri, inclusiv 4H, 15R și 6H, 6H fiind cel mai frecvent utilizat în aplicații industriale. Stabilitatea acestor politipuri variază în funcție de temperatură. Sub 1600°C, SiC există sub formă β, în timp ce peste 1600°C, β-SiC se transformă treptat în diferite politipuri α-SiC. De exemplu, 4H-SiC se formează în jurul valorii de 2000°C, în timp ce politipurile 15R și 6H necesită temperaturi peste 2100°C pentru a se forma cu ușurință. Politipul 6H rămâne stabil chiar și peste 2200°C. Mica diferență de energie liberă dintre aceste politipuri înseamnă că chiar și impuritățile minore pot modifica relațiile lor de stabilitate termică.

Care sunt tehnicile de producere a pulberilor de SiC?

Prepararea pulberilor de SiC poate fi clasificată în sinteza în fază solidă și sinteza în fază lichidă pe baza stării inițiale a materiilor prime.

Care sunt metodele implicate în sinteza în fază solidă? 

Sinteza în fază solidă include în primul rând reducerea carbotermică și reacțiile directe siliciu-carbon. Metoda de reducere carbotermală cuprinde procesul Acheson, metoda cuptorului vertical și metoda cuptorului rotativ la temperatură înaltă. Procesul Acheson, inventat de Acheson, implică reducerea dioxidului de siliciu din nisipul cuarțos de către carbon într-un cuptor electric Acheson, condus de o reacție electrochimică la temperaturi ridicate și câmpuri electrice puternice. Această metodă, cu o istorie de producție industrială de peste un secol, produce particule de SiC relativ grosiere și are un consum mare de energie, din care o mare parte se pierde sub formă de căldură.

În anii 1970, îmbunătățirile aduse procesului Acheson au condus la dezvoltări în anii 1980, cum ar fi cuptoarele verticale și cuptoarele rotative de înaltă temperatură pentru sintetizarea pulberii de β-SiC, cu progrese ulterioare în anii 1990. Ohsaki și colab. a constatat că gazul SiO eliberat din încălzirea unui amestec de SiO2 și pulbere de Si reacționează cu cărbunele activ, cu o temperatură crescută și timp de menținere prelungit reducând suprafața specifică a pulberii pe măsură ce se eliberează mai mult gaz SiO. Metoda reacției directe siliciu-carbon, o aplicație a sintezei cu autopropagare la temperatură înaltă, implică aprinderea corpului reactant cu o sursă externă de căldură și utilizarea căldurii reacției chimice eliberate în timpul sintezei pentru a susține procesul. Această metodă are un consum redus de energie, echipamente și procese simple și productivitate ridicată, deși este dificil de controlat reacția. Reacția exotermă slabă dintre siliciu și carbon face dificilă aprinderea și menținerea la temperatura camerei, necesitând surse de energie suplimentare, cum ar fi cuptoarele chimice, curentul continuu, preîncălzirea sau câmpurile electrice auxiliare.

Cum se sintetizează pulberea de SiC folosind metode în fază lichidă? 

Metodele de sinteză în fază lichidă includ tehnici de descompunere sol-gel și polimer. Ewell și colab. a propus mai întâi metoda sol-gel, care a fost aplicată ulterior la prepararea ceramicii în jurul anului 1952. Această metodă folosește reactivi chimici lichizi pentru a prepara precursori de alcoxid, care sunt dizolvați la temperaturi scăzute pentru a forma o soluție omogenă. Prin adăugarea de agenți de gelifiere adecvați, alcoxidul este supus hidrolizei și polimerizării pentru a forma un sistem stabil de sol. După o stare prelungită sau uscare, Si și C sunt amestecate uniform la nivel molecular. Încălzirea acestui amestec la 1460-1600°C induce o reacție de reducere carbotermală pentru a produce pulbere fină de SiC. Parametrii cheie de controlat în timpul procesării sol-gel includ pH-ul soluției, concentrația, temperatura de reacție și timpul. Această metodă facilitează adăugarea omogenă a diferitelor urme de componente, dar are dezavantaje precum hidroxil rezidual și solvenți organici dăunători sănătății, costuri ridicate ale materiilor prime și contracție semnificativă în timpul procesării.

Descompunerea la temperatură înaltă a polimerilor organici este o altă metodă eficientă de producere a SiC:

Încălzirea polisiloxanilor gel pentru a-i descompune în monomeri mici, formând în cele din urmă SiO2 și C, care apoi suferă o reducere carbotermală pentru a produce pulbere de SiC.

Încălzirea policarbosilanelor pentru a le descompune în monomeri mici, formând un cadru care în cele din urmă are ca rezultat o pulbere de SiC. Tehnicile sol-gel recente au permis producerea de materiale sol/gel pe bază de SiO2, asigurând o distribuție omogenă a aditivilor de sinterizare și întărire în gel, ceea ce facilitează formarea de pulberi ceramice SiC de înaltă performanță.

De ce sinterizarea fără presiune este considerată o tehnică promițătoare pentruCeramica SiC?

Sinterizarea fără presiune este considerată o metodă foarte promițătoare pentrusinterizarea SiC. În funcție de mecanismul de sinterizare, acesta poate fi împărțit în sinterizare în fază solidă și sinterizare în fază lichidă. S. Proehazka a obținut o densitate relativă peste 98% pentru corpurile sinterizate SiC prin adăugarea cantităților adecvate de B și C la pulberea ultrafină de β-SiC (cu conținut de oxigen sub 2%) și sinterizarea la 2020°C sub presiune normală. A. Mulla şi colab. a folosit Al2O3 și Y2O3 ca aditivi pentru a sinteriza 0,5μm β-SiC (cu o cantitate mică de SiO2 pe suprafața particulelor) la 1850-1950°C, realizând o densitate relativă mai mare de 95% din densitatea teoretică și granule fine cu o medie dimensiune de 1,5μm.

Cum îmbunătățește sinterizarea prin presa la caldCeramica SiC?

Nadeau a subliniat că SiC pur nu poate fi sinterizat dens decât la temperaturi extrem de ridicate, fără ajutoare de sinterizare, determinându-i pe mulți să exploreze sinterizarea prin presa la cald. Numeroase studii au examinat efectele adăugării de B, Al, Ni, Fe, Cr și alte metale asupra densificării SiC, Al și Fe s-au dovedit a fi cele mai eficiente pentru promovarea sinterizării prin presa la cald. F.F. Lange a investigat performanța SiC sinterizat prin presare la cald cu cantități diferite de Al2O3, atribuind densificarea unui mecanism de dizolvare-reprecipitare. Cu toate acestea, sinterizarea prin presa la cald poate produce doar componente SiC de formă simplă, iar cantitatea de produs într-un singur proces de sinterizare este limitată, făcându-l mai puțin potrivit pentru producția industrială.

Care sunt beneficiile și limitările sinterizării cu reacție pentru SiC?

SiC sinterizat prin reacție, cunoscut și sub denumirea de SiC auto-legat, implică reacția unui corp verde poros cu faze gazoase sau lichide pentru a crește masa, a reduce porozitatea și a-l sinteriza într-un produs puternic, cu precizie dimensională. Procesul presupune amestecarea pulberii de α-SiC și grafit într-un anumit raport, încălzirea la aproximativ 1650°C și infiltrarea corpului verde cu Si topit sau Si gazos, care reacționează cu grafitul pentru a forma β-SiC, legând α-SiC existent. particule. Infiltrarea completă de Si are ca rezultat un corp sinterizat cu reacție complet dens, stabil dimensional. În comparație cu alte metode de sinterizare, sinterizarea cu reacție implică modificări dimensionale minime în timpul densificării, permițând fabricarea de componente precise. Cu toate acestea, prezența unei cantități considerabile de SiC în corpul sinterizat duce la o performanță mai slabă la temperatură înaltă.

În concluzie,ceramica SiCproduse prin sinterizarea fără presiune, sinterizarea prin presa la cald, presarea izostatică la cald și sinterizarea cu reacție prezintă caracteristici de performanță diferite.ceramica SiCde la presarea la cald și presarea izostatică la cald au în general densități sinterizate și rezistențe la încovoiere mai mari, în timp ce SiC sinterizat prin reacție are valori relativ mai mici. Proprietățile mecanice aleceramica SiCvariază, de asemenea, cu diferiți aditivi de sinterizare. Fără presiune, presare la cald și sinterizat prin reacțieceramica SiCprezintă o rezistență bună la acizi și baze puternice, dar SiC sinterizat prin reacție are o rezistență mai slabă la coroziune la acizii puternici precum HF. În ceea ce privește performanța la temperatură ridicată, aproape toateceramica SiCarată o îmbunătățire a rezistenței sub 900 ° C, în timp ce rezistența la încovoiere a SiC sinterizat prin reacție scade brusc peste 1400 ° C datorită prezenței Si liber. Performanța la temperatură ridicată a presarii izostatice fără presiune și la caldceramica SiCdepinde în primul rând de tipul de aditivi utilizați.

În timp ce fiecare metodă de sinterizare pentruceramica SiCare meritele sale, progresul rapid al tehnologiei necesită îmbunătățiri continueCeramica SiCperformanță, tehnici de producție și reducerea costurilor. Realizarea sinterizării la temperatură scăzută aceramica SiCeste crucială pentru reducerea consumului de energie și a costurilor de producție, promovând astfel industrializareaCeramica SiCproduse.**

Noi, cei de la Semicorex, suntem specializați înCeramica SiCși alte materiale ceramice aplicate în fabricarea semiconductoarelor, 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