Studiul asupra ceramicii SiC sinterizate prin reacție și proprietățile lor

De ce este importantă carbura de siliciu?

Carbura de siliciu (SiC) este un compus format din legături covalente între siliciu și atomii de carbon, cunoscut pentru rezistența sa excelentă la uzură, rezistența la șocuri termice, rezistența la coroziune și conductivitatea termică ridicată. Este utilizat pe scară largă în industria aerospațială, fabricarea mecanică, petrochimie, topirea metalelor și industria electronică, în special pentru fabricarea de piese rezistente la uzură și componente structurale la temperaturi înalte.Ceramica din carbură de siliciu sinterizată prin reacțiesunt printre primele ceramice structurale care au realizat producție la scară industrială. Tradiţionalceramică cu carbură de siliciu sinterizată prin reacțiesunt fabricate din pulbere de carbură de siliciu și o cantitate mică de pulbere de carbon prin sinterizarea cu reacție de infiltrare de siliciu la temperatură înaltă, care necesită timpi lungi de sinterizare, temperaturi ridicate, consum mare de energie și costuri ridicate. Odată cu aplicarea tot mai mare a tehnologiei cu carbură de siliciu sinterizată prin reacție, metodele tradiționale sunt insuficiente pentru a satisface cererea industrială de forme complexe.ceramică cu carbură de siliciu.

Care sunt progresele recente înCarbură de siliciu sinterizată cu reacție?

Progresele recente au condus la producerea de densitate mare, rezistență la încovoiere ridicatăceramică cu carbură de siliciufolosind pulbere de carbură de siliciu de dimensiuni nanometrice, îmbunătățind semnificativ proprietățile mecanice ale materialului. Cu toate acestea, costul ridicat al pulberii de carbură de siliciu de dimensiuni nanometrice, cu un preț de peste zeci de mii de dolari pe tonă, împiedică aplicarea pe scară largă. În această lucrare, am folosit cărbune de lemn disponibil pe scară largă ca sursă de carbon și carbură de siliciu de dimensiuni micron ca agregat, utilizând tehnologia de turnare cu alunecare pentru a pregăticeramică cu carbură de siliciu sinterizată prin reacțiecorpuri verzi. Această abordare elimină necesitatea pre-sintetizarii pulberii de carbură de siliciu, reduce costurile de producție și permite fabricarea de produse mari, cu pereți subțiri, de formă complexă, oferind o referință pentru îmbunătățirea performanței și a aplicăriiceramică cu carbură de siliciu sinterizată prin reacție.

Care au fost materiile prime folosite?

Materiile prime folosite în experiment includ:

Carbură de siliciu cu o dimensiune medie a particulei (d50) de 3,6 μm și puritate (w(SiC)) ≥ 98%

Negru de fum cu o dimensiune medie a particulei (d50) de 0,5 μm și puritate (w©) ≥ 99%

Grafit cu o dimensiune medie a particulei (d50) de 10 μm și puritate (w©) ≥ 99%

Dispersanți: polivinilpirolidonă (PVP) K30 (valoarea K 27-33) și K90 (valoarea K 88-96)

Reductor de apă: policarboxilat CE-64

Agent de eliberare: AO

Apa deionizata

Cum a fost efectuat experimentul?

Experimentul s-a desfășurat după cum urmează:

Amestecarea materiilor prime conform tabelului 1 folosind un mixer electric timp de 4 ore pentru a obține o suspensie amestecată uniform.

Menținând vâscozitatea suspensiei ≤ 1000 mPa·s, suspensia amestecată a fost turnată în forme de gips pregătite pentru turnare cu barbotă, lăsată să se deshidrateze prin formele de gips timp de 2-3 minute pentru a forma corpuri verzi.

Corpurile verzi au fost plasate într-un loc răcoros timp de 48 de ore, apoi îndepărtate din matrițe și uscate într-o etuvă de uscare în vid la 80°C timp de 4-6 ore.

Degumarea corpurilor verzi a fost efectuată într-un cuptor cu muflă la 800°C timp de 2 ore pentru a obține preformele.

Preformele au fost încorporate într-o pulbere mixtă de negru de fum, pulbere de siliciu și nitrură de bor într-un raport de masă de 1:100:2000 și sinterizate într-un cuptor la 1720°C timp de 2 ore pentru a obține ceramică cu carbură de siliciu sub formă de pulbere complet fină. .

Ce metode au fost folosite pentru testarea performanței?

Testarea performanței a inclus:

Măsurarea vâscozității suspensiei la diferiți timpi de amestecare (1-5 ore) folosind un viscozimetru rotativ la temperatura camerei.

Măsurarea densității volumice a preformelor conform standardului național GB/T 25995-2010.

Măsurarea rezistenței la încovoiere a probelor sinterizate la 1720°C conform GB/T 6569-2006, cu dimensiunile eșantionului de 3 mm × 4 mm × 36 mm, deschidere de 30 mm și viteză de încărcare de 0,5 mm·min^-1 .

Analiza compoziției fazei și microstructurii probelor sinterizate la 1720°C folosind XRD și SEM.

Cum afectează timpul de amestecare vâscozitatea șlamului, densitatea volumului preformelor și porozitatea aparentă?

Figurile 1 și, respectiv, 2 arată relația dintre timpul de amestecare și vâscozitatea suspensiei pentru proba 2# și relația dintre timpul de amestecare și densitatea volumului preformei și porozitatea aparentă.

Figura 1 indică faptul că pe măsură ce timpul de amestecare crește, vâscozitatea scade, atingând un minim de 721 mPa·s la 4 ore și apoi se stabilizează.

Figura 2 arată că proba 2# are o densitate maximă de volum de 1,47 g·cm^-3 și o porozitate aparentă minimă de 32,4%. Vâscozitatea mai scăzută are ca rezultat o dispersie mai bună, ceea ce duce la o suspensie mai uniformă și îmbunătățităceramică cu carbură de siliciuperformanţă. Timpul de amestecare insuficient duce la amestecarea neuniformă a pulberii fine de carbură de siliciu, în timp ce timpul excesiv de amestecare evaporă mai multă apă, destabilizand sistemul. Timpul optim de amestecare pentru prepararea ceramicii cu carbură de siliciu sub formă de pulbere completă este de 4 ore.

Tabelul 2 prezintă vâscozitatea suspensiei, densitatea volumului preformei și porozitatea aparentă a probei 2# cu grafit adăugat și a probei 6# fără grafit adăugat. Adăugarea de grafit scade vâscozitatea suspensiei, crește densitatea volumului preformei și reduce porozitatea aparentă datorită efectului lubrifiant al grafitului, rezultând o dispersie mai bună și o densitate crescută a pulberilor complet fine.ceramică cu carbură de siliciu. Fără grafit, suspensia are vâscozitate mai mare, dispersie mai slabă și stabilitate, ceea ce face necesară adăugarea de grafit.

Figura 3 prezintă densitatea volumului preformei și porozitatea aparentă a probelor cu conținut diferit de negru de fum. Proba 2# are cea mai mare densitate de volum de 1,47 g·cm^-3 și cea mai mică porozitate aparentă de 32,4%. Cu toate acestea, porozitatea prea mică împiedică infiltrarea siliciului.

Figura 4 prezintă spectrele XRD ale probei 2# preforme și probe sinterizate la 1720°C. Preformele conțin grafit și β-SiC, în timp ce probele sinterizate conțin Si, β-SiC și α-SiC, indicând o anumită β-SiC transformată în α-SiC la temperaturi ridicate. Probele sinterizate prezintă, de asemenea, un conținut crescut de Si și o scădere a conținutului de C din cauza infiltrării de siliciu la temperatură înaltă, unde Si reacționează cu C pentru a forma SiC, umplând porii.

Figura 5 prezintă morfologia fracturii diferitelor preforme de probă. Imaginile dezvăluie carbură de siliciu fină, grafit și pori. Probele 1#, 4# și 5# au faze mai mari de fulgi și pori mai neuniform distribuiti datorită amestecării neuniforme, rezultând o densitate scăzută a preformei și o porozitate ridicată. Proba 2# cu 5,94% (g) negru de fum prezintă o microstructură optimă.

Figura 6 prezintă morfologia fracturii probei 2# după sinterizare la 1720°C, prezentând particule de carbură de siliciu distribuite strâns și uniform, cu porozitate minimă. Creșterea particulelor de carbură de siliciu se datorează efectelor de temperatură ridicată. Particulele de SiC mai mici, nou formate, sunt, de asemenea, văzute între particulele originale de schelet de SiC de la sinterizarea reacției, cu o parte de Si rezidual umplând porii inițiali, reducând concentrația de stres, dar afectând potențial performanța la temperatură ridicată datorită punctului său de topire scăzut. Produsul sinterizat are o densitate de volum de 3,02 g·cm^-3 și o rezistență la încovoiere de 580 MPa, de peste două ori rezistența obișnuită.carbură de siliciu sinterizată prin reacție.

Concluzii

Timpul optim de amestecare pentru suspensia folosită la prepararea sub formă de pulbere finăceramică cu carbură de siliciueste de 4 ore. Adăugarea de grafit reduce vâscozitatea suspensiei, crește densitatea volumului preformei și scade porozitatea aparentă, sporind densitatea pulberilor complet fine.ceramică cu carbură de siliciu.

Conținutul optim de negru de fum pentru prepararea ceramicii cu carbură de siliciu sub formă de pulbere completă este de 5,94% (g).

Particulele de carbură de siliciu sinterizată sunt strâns și uniform distribuite cu porozitate minimă, prezentând o tendință de creștere. Densitatea produsului sinterizat este de 3,02 g·cm^-3, iar rezistența la încovoiere este de 580 MPa, îmbunătățind semnificativ rezistența mecanică și densitatea pulberilor complet fine.ceramică cu carbură de siliciu.**

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