Spetsiaalsed ränikarbiidkeraamika ettevalmistusmeetodid

Ränikarbiidi (SiC) keraamikamaterjalidel on rida suurepäraseid omadusi, sealhulgas kõrge temperatuuri tugevus, tugev oksüdatsioonikindlus, suurepärane kulumiskindlus, termiline stabiilsus, madal soojuspaisumise koefitsient, kõrge soojusjuhtivus, kõrge kõvadus, vastupidavus termilisele löögile ja keemiline korrosioonikindlus. Need omadused muudavad ränidioksiidi keraamika üha enam kasutatavaks erinevates valdkondades, nagu autotööstus, mehaanika- ja keemiatööstus, keskkonnakaitse, kosmosetehnoloogia, infoelektroonika ja energeetika.SiC keraamikaon oma silmapaistva jõudluse tõttu muutunud asendamatuks struktuurkeraamiliseks materjaliks paljudes tööstussektorites.

Millised on struktuuriomadused, mis suurendavadSiC keraamika?

Suurepärased omadusedSiC keraamikaon tihedalt seotud nende ainulaadse struktuuriga. SiC on väga tugevate kovalentsete sidemetega ühend, kus Si-C sideme ioonne iseloom on vaid umbes 12%. Selle tulemuseks on kõrge tugevus ja suur elastsusmoodul, mis tagab suurepärase kulumiskindluse. Puhast SiC-d ei korrodeeri happelahused, nagu HCl, HNO3, H2SO4 või HF, ega ka leeliselised lahused, nagu NaOH. Kuigi see kipub õhus kuumutamisel oksüdeeruma, pärsib SiO2 kihi moodustumine pinnale edasist hapniku difusiooni, hoides seega oksüdatsioonikiiruse madalana. Lisaks on SiC-l pooljuhtomadused, hea elektrijuhtivus, kui lisatakse väikeseid koguseid lisandeid, ja suurepärane soojusjuhtivus.

Kuidas mõjutavad ränidioksiidi erinevad kristallvormid selle omadusi?

SiC esineb kahes peamises kristallivormis: α ja β. β-SiC-l on kuubikujuline kristallstruktuur, kusjuures Si ja C moodustavad näokesksed kuupvõred. α-SiC esineb enam kui 100 polütüübis, sealhulgas 4H, 15R ja 6H, kusjuures 6H on tööstuslikes rakendustes kõige sagedamini kasutatav. Nende polütüüpide stabiilsus varieerub sõltuvalt temperatuurist. Alla 1600 °C esineb SiC β-vormis, samas kui üle 1600 °C muutub β-SiC järk-järgult erinevateks α-SiC polütüüpideks. Näiteks 4H-SiC moodustub umbes 2000 °C juures, samas kui polütüüpide 15R ja 6H kergesti moodustumiseks on vaja temperatuure üle 2100 °C. 6H polütüüp püsib stabiilsena isegi üle 2200°C. Nende polütüüpide vaba energia väike erinevus tähendab, et isegi väikesed lisandid võivad muuta nende termilise stabiilsuse suhteid.

Millised on ränikarbiidi pulbrite valmistamise tehnikad?

SiC pulbrite valmistamise võib tooraine algoleku alusel jagada tahkefaasiliseks sünteesiks ja vedelfaasiliseks sünteesiks.

Millised on tahkefaasilise sünteesi meetodid? 

Tahkefaasiline süntees hõlmab peamiselt karbotermilist redutseerimist ja räni-süsinik otseseid reaktsioone. Karbotermiline redutseerimismeetod hõlmab Achesoni protsessi, vertikaalahju meetodit ja kõrge temperatuuriga pöördahju meetodit. Achesoni leiutatud Achesoni protsess hõlmab kvartsliivas oleva ränidioksiidi redutseerimist süsinikuga Achesoni elektriahjus, mida juhib elektrokeemiline reaktsioon kõrgel temperatuuril ja tugevates elektriväljades. See meetod, mille tööstusliku tootmise ajalugu on kestnud üle sajandi, annab suhteliselt jämedaid ränikarbiidi osakesi ja sellel on suur energiatarve, millest suur osa läheb soojusena kaotsi.

1970. aastatel viisid Achesoni protsessi täiustused 1980. aastatel arenguteni, nagu vertikaalahjud ja kõrge temperatuuriga pöördahjud β-SiC pulbri sünteesimiseks, mida 1990ndatel tehti edasi. Ohsaki jt. leidis, et SiO2 ja Si pulbri segu kuumutamisel eralduv SiO gaas reageerib aktiivsöega, suurendades temperatuuri ja pikendades hoidmisaega, vähendades pulbri eripinda, kuna rohkem SiO gaasi eraldub. Räni-süsinik otsereaktsiooni meetod, isepaljuva kõrgtemperatuurse sünteesi rakendus, hõlmab reagendi keha süütamist välise soojusallikaga ja sünteesi käigus eralduva keemilise reaktsiooni soojuse kasutamist protsessi alalhoidmiseks. Sellel meetodil on madal energiatarve, lihtsad seadmed ja protsessid ning kõrge tootlikkus, kuigi reaktsiooni on raske kontrollida. Nõrk eksotermiline reaktsioon räni ja süsiniku vahel muudab selle süttimise ja säilitamise toatemperatuuril keeruliseks, mistõttu on vaja täiendavaid energiaallikaid, nagu keemilised ahjud, alalisvool, eelsoojendus või abielektriväljad.

Kuidas sünteesitakse ränikarbiidi pulbrit vedelfaasi meetodite abil? 

Vedelfaasi sünteesimeetodid hõlmavad sool-geeli ja polümeeri lagundamise tehnikaid. Ewell et al. esmakordselt pakkus välja sool-geel meetod, mida hiljem rakendati keraamika valmistamisel umbes 1952. aastal. See meetod kasutab vedelaid keemilisi reaktiive, et valmistada alkoksiidi prekursoreid, mis lahustatakse madalal temperatuuril homogeense lahuse moodustamiseks. Sobivate geelistavate ainete lisamisel läbib alkoksiid hüdrolüüsi ja polümerisatsiooni, moodustades stabiilse soolsüsteemi. Pärast pikaajalist seismist või kuivatamist segunevad Si ja C molekulaarsel tasemel ühtlaselt. Selle segu kuumutamine temperatuurini 1460–1600 °C kutsub esile karbotermilise redutseerimisreaktsiooni, mille tulemusena tekib peen SiC pulber. Peamised parameetrid, mida sool-geeli töötlemisel kontrollida, on lahuse pH, kontsentratsioon, reaktsioonitemperatuur ja aeg. See meetod hõlbustab erinevate mikrokomponentide homogeenset lisamist, kuid sellel on puudused, nagu tervisele kahjulikud hüdroksüül- ja orgaanilised lahustid, kõrged toorainekulud ja märkimisväärne kokkutõmbumine töötlemise ajal.

Veel üks tõhus meetod ränikarbiidi tootmiseks on orgaaniliste polümeeride lagunemine kõrgel temperatuuril:

Geelpolüsiloksaanide kuumutamine, et lagundada need väikesteks monomeerideks, moodustades lõpuks SiO2 ja C, mis seejärel redutseeritakse karbotermiliselt, et saada SiC pulber.

Polükarbosilaanide kuumutamine, et lagundada need väikesteks monomeerideks, moodustades raamistiku, mille tulemuseks on lõpuks ränikarbiidi pulber. Hiljutised sool-geeli tehnikad on võimaldanud toota SiO2-põhiseid sool/geelmaterjale, tagades paagutavate ja karastavate lisandite homogeense jaotumise geeli sees, mis hõlbustab suure jõudlusega SiC keraamiliste pulbrite teket.

Miks peetakse survevaba paagutamist paljulubavaks tehnikaks?SiC keraamika?

Survevaba paagutamist peetakse väga paljulubavaks meetodikspaagutav SiC. Sõltuvalt paagutamismehhanismist võib selle jagada tahkefaasiliseks ja vedelfaasiliseks paagutamiseks. S. Proehazka saavutas SiC paagutatud kehade suhtelise tiheduse üle 98%, lisades ülipeenele β-SiC pulbrile (hapnikusisaldusega alla 2%) sobivas koguses B ja C ning paagutades 2020°C juures normaalrõhul. A. Mulla jt. kasutas lisandina Al2O3 ja Y2O3 0,5 μm β-SiC paagutamiseks (osakeste pinnal väikese koguse SiO2-ga) temperatuuril 1850–1950 °C, saavutades suhtelise tiheduse, mis on suurem kui 95% teoreetilisest tihedusest ja peente teradena keskmisega suurus 1,5 μm.

Kuidas kuumpressi paagutamist tõhustabSiC keraamika?

Nadeau juhtis tähelepanu sellele, et puhast ränidioksiidi saab tihedalt paagutada ainult ülikõrgetel temperatuuridel ilma paagutamise abivahenditeta, mistõttu paljud uurivad kuumpressi paagutamist. Paljudes uuringutes on uuritud B, Al, Ni, Fe, Cr ja teiste metallide lisamise mõju SiC tihendamisele, kusjuures Al ja Fe on osutunud kuumpressi paagutamise soodustamiseks kõige tõhusamaks. F.F. Lange uuris kuumpressitud paagutatud ränikarbiidi jõudlust erineva koguse Al2O3-ga, omistades tihenemise lahustumis-ümbersadestamise mehhanismile. Kuumpressiga paagutamisel saab aga toota ainult lihtsa kujuga SiC komponente ja toote kogus ühes paagutamisprotsessis on piiratud, mistõttu see ei sobi tööstuslikuks tootmiseks.

Millised on ränidioksiidi reaktsioonipaagutamise eelised ja piirangud?

Reaktsioonipaagutatud SiC, tuntud ka kui iseseostunud SiC, hõlmab poorse rohelise keha reageerimist kas gaasilise või vedela faasiga, et suurendada massi, vähendada poorsust ja paagutada see tugevaks, mõõtudelt täpseks tooteks. Protsess hõlmab α-SiC pulbri ja grafiidi segamist teatud vahekorras, kuumutamist umbes 1650 °C-ni ja sula Si või gaasilise Si-ga imbumist haljaskehasse, mis reageerib grafiidiga, moodustades β-SiC, sidudes olemasoleva α-SiC. osakesed. Täieliku Si infiltratsiooni tulemuseks on täielikult tihe, mõõtmete poolest stabiilne reaktsiooniga paagutatud keha. Võrreldes teiste paagutamismeetoditega hõlmab reaktsioonipaagutamine tihendamise ajal minimaalseid mõõtmete muutusi, mis võimaldab valmistada täpseid komponente. Märkimisväärse koguse SiC olemasolu paagutatud kehas põhjustab aga kehvema jõudluse kõrgel temperatuuril.

KokkuvõttesSiC keraamikasurvevaba paagutamise, kuumpressimise, kuumisostaatilise pressimise ja reaktsioonipaagutamise teel toodetud tööomadused on erinevad.SiC keraamikakuumpressimisel ja kuumisostaatpressimisel on üldiselt suurem paagutatud tihedus ja paindetugevus, samas kui reaktsiooniga paagutatud ränikarbiidil on suhteliselt madalamad väärtused. Mehaanilised omadusedSiC keraamikavarieeruvad ka erinevate paagutamislisanditega. Survevaba, kuumpressitud ja reaktsiooniga paagutatudSiC keraamikaneil on hea vastupidavus tugevatele hapetele ja alustele, kuid reaktsiooniga paagutatud ränikarbiidil on nõrgem korrosioonikindlus tugevate hapete (nt HF) suhtes. Kõrge temperatuuriga jõudluse osas peaaegu kõikSiC keraamikanäitavad tugevuse paranemist alla 900 ° C, samas kui reaktsiooniga paagutatud SiC paindetugevus väheneb järsult üle 1400 ° C vaba Si olemasolu tõttu. Rõhuvaba ja kuumisostaatpressimise kõrge temperatuuri jõudlusSiC keraamikasõltub peamiselt kasutatavate lisandite tüübist.

Kuigi iga paagutamismeetodi jaoksSiC keraamikaon oma eelised, nõuab tehnoloogia kiire areng pidevat täiustamistSiC keraamikajõudlus, tootmistehnikad ja kulude vähendamine. Madala temperatuuriga paagutamise saavutamineSiC keraamikaon ülioluline energiatarbimise ja tootmiskulude vähendamiseks, edendades seeläbi tööstusharuSiC keraamikatooted.**

Meie, Semicorex, oleme spetsialiseerunudSiC keraamikaja muud pooljuhtide tootmises kasutatavad keraamilised materjalid, kui teil on küsimusi või vajate täiendavaid üksikasju, võtke meiega ühendust.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com