Erikoistuneet valmistustekniikat piikarbidikeraamille

Piikarbidi (SiC) keramiikkamateriaaleilla on useita erinomaisia ​​ominaisuuksia, mukaan lukien lujuus korkeissa lämpötiloissa, vahva hapettumisenkestävyys, erinomainen kulutuskestävyys, lämpöstabiilisuus, alhainen lämpölaajenemiskerroin, korkea lämmönjohtavuus, korkea kovuus, lämpöiskun kestävyys ja kemiallinen korroosionkestävyys. Näiden ominaisuuksien ansiosta piikarbidikeramiikka soveltuu yhä paremmin eri aloilla, kuten autoteollisuudessa, mekaniikka- ja kemianteollisuudessa, ympäristönsuojelussa, avaruusteknologiassa, informaatioelektroniikassa ja energiassa.SiC keramiikkaniistä on tullut korvaamaton keraaminen rakennemateriaali monilla teollisuuden aloilla erinomaisen suorituskyvyn ansiosta.

Mitkä ovat rakenteelliset ominaisuudet, jotka parantavatSiC Keramiikka?

Ylivoimaiset ominaisuudetSiC keramiikkaliittyvät läheisesti niiden ainutlaatuiseen rakenteeseen. SiC on yhdiste, jossa on erittäin vahvoja kovalenttisia sidoksia, jossa Si-C-sidoksen ioninen luonne on vain noin 12 %. Tämä johtaa suureen lujuuteen ja suureen kimmokerrokseen, mikä tarjoaa erinomaisen kulutuskestävyyden. Puhdasta piikarbidia eivät syövytä happamat liuokset, kuten HCl, HNO3, H2SO4 tai HF, eivätkä alkaliset liuokset, kuten NaOH. Vaikka se pyrkii hapettumaan kuumennettaessa ilmassa, SiO2-kerroksen muodostuminen pinnalle estää hapen lisädiffuusiota, mikä pitää hapettumisnopeuden alhaisena. Lisäksi piikarbidilla on puolijohdeominaisuuksia, hyvä sähkönjohtavuus, kun siihen lisätään pieniä määriä epäpuhtauksia, ja erinomainen lämmönjohtavuus.

Kuinka piikarbidin eri kidemuodot vaikuttavat sen ominaisuuksiin?

Piikarbidia on kahdessa pääkidemuodossa: α ja β. β-SiC:llä on kuutiokiderakenne, jossa Si ja C muodostavat pintakeskeisiä kuutiohiloja. α-SiC:llä on yli 100 polytyyppiä, mukaan lukien 4H, 15R ja 6H, joista 6H on yleisimmin käytetty teollisissa sovelluksissa. Näiden polytyyppien stabiilisuus vaihtelee lämpötilan mukaan. Alle 1600°C:ssa piikarbidi on β-muodossa, kun taas yli 1600°C:ssa β-SiC muuttuu vähitellen erilaisiksi α-SiC-polytyypeiksi. Esimerkiksi 4H-SiC muodostuu noin 2000°C:ssa, kun taas polytyypit 15R ja 6H vaativat yli 2100°C lämpötiloja muodostuakseen helposti. 6H-polytyyppi pysyy vakaana jopa yli 2200°C:ssa. Pieni ero vapaassa energiassa näiden polytyyppien välillä tarkoittaa, että pienetkin epäpuhtaudet voivat muuttaa niiden lämpöstabiilisuussuhteita.

Mitkä ovat piikarbidijauheiden valmistustekniikat?

SiC-jauheiden valmistus voidaan luokitella kiinteäfaasisynteesiin ja nestefaasisynteesiin raaka-aineiden alkutilan perusteella.

Mitkä ovat kiinteäfaasisynteesiin liittyvät menetelmät? 

Kiinteäfaasisynteesi sisältää pääasiassa hiilitermisen pelkistyksen ja suoria pii-hiilireaktioita. Hiililämpöinen pelkistysmenetelmä kattaa Acheson-prosessin, vertikaaliuunimenetelmän ja korkean lämpötilan kiertouunimenetelmän. Achesonin keksimä Acheson-prosessi sisältää kvartsihiekassa olevan piidioksidin pelkistyksen hiilellä Acheson-sähköuunissa, jota ohjaa sähkökemiallinen reaktio korkeassa lämpötilassa ja voimakkaissa sähkökentissä. Tällä menetelmällä, jolla on yli vuosisadan teollisuustuotannon historia, saadaan suhteellisen karkeita piikarbidihiukkasia ja sillä on korkea virrankulutus, josta suuri osa häviää lämpönä.

1970-luvulla Acheson-prosessin parannukset johtivat 1980-luvun kehitykseen, kuten pystyuuneihin ja korkean lämpötilan pyöriviin uuneihin β-SiC-jauheen syntetisoimiseksi, ja 1990-luvulla kehitettiin edelleen. Ohsaki et ai. havaitsi, että SiO2- ja Si-jauheen seoksen kuumentamisesta vapautuva SiO-kaasu reagoi aktiivihiilen kanssa, jolloin lämpötila kohoaa ja pitoaika pitenee, mikä pienentää jauheen ominaispinta-alaa, kun enemmän SiO-kaasua vapautuu. Suora pii-hiilireaktiomenetelmä, itse leviävän korkean lämpötilan synteesin sovellus, sisältää reagoivan aineen sytyttämisen ulkoisella lämmönlähteellä ja synteesin aikana vapautuvan kemiallisen reaktion lämmön käyttämisen prosessin ylläpitämiseen. Tällä menetelmällä on alhainen energiankulutus, yksinkertaiset laitteet ja prosessit sekä korkea tuottavuus, vaikka reaktiota on vaikea hallita. Piin ja hiilen välinen heikko eksoterminen reaktio tekee siitä haastavan sytyttää ja ylläpitää huoneenlämmössä, mikä vaatii lisäenergian lähteitä, kuten kemiallisia uuneja, tasavirtaa, esilämmitystä tai apusähkökenttiä.

Kuinka piikarbidijauhe syntetisoidaan nestefaasimenetelmillä? 

Nestefaasisynteesimenetelmiin kuuluvat sooli-geeli- ja polymeerin hajoamistekniikat. Ewell et ai. Ensin ehdotettiin sooli-geelimenetelmää, jota sovellettiin myöhemmin keramiikan valmistukseen noin vuonna 1952. Tässä menetelmässä valmistetaan nestemäisiä kemiallisia reagensseja alkoksidiprekursoreita, jotka liukenevat matalissa lämpötiloissa homogeeniseksi liuokseksi. Lisäämällä sopivia hyytelöimisaineita alkoksidi käy läpi hydrolyysin ja polymeroitumisen muodostaen stabiilin soolijärjestelmän. Pitkän seisotuksen tai kuivauksen jälkeen Si ja C sekoitetaan tasaisesti molekyylitasolla. Tämän seoksen kuumentaminen 1460-1600 °C:seen saa aikaan karbotermisen pelkistysreaktion, jolloin muodostuu hienoa piikarbidijauhetta. Sooli-geelikäsittelyn aikana säädeltäviä tärkeimpiä parametreja ovat liuoksen pH, pitoisuus, reaktiolämpötila ja aika. Tämä menetelmä helpottaa erilaisten hivenaineosien homogeenista lisäämistä, mutta siinä on haittoja, kuten jäännöshydroksyyli ja terveydelle haitalliset orgaaniset liuottimet, korkeat raaka-ainekustannukset ja merkittävä kutistuminen käsittelyn aikana.

Orgaanisten polymeerien hajottaminen korkeassa lämpötilassa on toinen tehokas menetelmä piikarbidin tuottamiseksi:

Kuumenna geelipolysiloksaanit niiden hajottamiseksi pieniksi monomeereiksi, jotka lopulta muodostavat SiO2:ta ja C:tä, jotka sitten läpikäyvät karbotermisen pelkistyksen piikarbidijauheen tuottamiseksi.

Kuumenna polykarbosilaanit niiden hajottamiseksi pieniksi monomeereiksi muodostaen rungon, joka lopulta johtaa piikarbidijauheeseen. Viimeaikaiset sooli-geelitekniikat ovat mahdollistaneet SiO2-pohjaisten sooli/geelimateriaalien valmistuksen, mikä varmistaa sintraus- ja kovettuvien lisäaineiden tasaisen jakautumisen geelissä, mikä helpottaa korkean suorituskyvyn keraamisten piikarbidijauheiden muodostumista.

Miksi paineetonta sintrausta pidetään lupaavana tekniikkana?SiC Keramiikka?

Paineetonta sintrausta pidetään erittäin lupaavana menetelmänäsintraus SiC. Sintrausmekanismista riippuen se voidaan jakaa kiinteäfaasisintraukseen ja nestefaasisintraukseen. S. Proehazka saavutti yli 98 %:n suhteellisen tiheyden SiC-sintratuille kappaleille lisäämällä sopivat määrät B:tä ja C:tä erittäin hienojakoiseen β-SiC-jauheeseen (happipitoisuus alle 2 %) ja sintraamalla 2020°C:ssa normaalipaineessa. A. Mulla et ai. käytti Al2O3:a ja Y2O3:a lisäaineina sintraamaan 0,5 μm β-SiC (pieni määrä SiO2:ta hiukkasten pinnalla) 1850-1950°C:ssa, jolloin suhteellinen tiheys oli yli 95 % teoreettisesta tiheydestä ja hienojakoisia rakeita keskiarvolla koko 1,5 μm.

Kuinka kuumapuristimen sintraus tehostaaSiC Keramiikka?

Nadeau huomautti, että puhdasta piikarbidia voidaan sintrata tiheästi vain erittäin korkeissa lämpötiloissa ilman sintrausapuaineita, mikä sai monet tutkimaan kuumapuristussintrausta. Lukuisat tutkimukset ovat tutkineet B:n, Al:n, Ni:n, Fe:n, Cr:n ja muiden metallien lisäämisen vaikutuksia piikarbidin tiivistymiseen, ja Al:n ja Fe:n on todettu olevan tehokkaimpia kuumapuristussintrauksen edistämisessä. F.F. Lange tutki kuumapuristussintratun piikarbidin suorituskykyä vaihtelevilla määrillä Al2O3:a ja katsoi tiivistymisen johtuvan liukenemis-uudelleensaostumismekanismista. Kuumapuristussintrauksella voidaan kuitenkin tuottaa vain yksinkertaisen muotoisia piikarbidikomponentteja, ja tuotteen määrä yhdessä sintrausprosessissa on rajoitettu, mikä tekee siitä vähemmän sopivan teolliseen tuotantoon.

Mitkä ovat piikarbidin reaktiosintrauksen edut ja rajoitukset?

Reaktiosintrattu piikarbidi, joka tunnetaan myös nimellä itsestään sitoutuva piikarbidi, sisältää huokoisen vihreän kappaleen reagoimisen joko kaasu- tai nestefaasin kanssa massan lisäämiseksi, huokoisuuden vähentämiseksi ja sen sintraamiseksi vahvaksi, mittatarkkaksi tuotteeksi. Prosessi sisältää α-SiC-jauheen ja grafiitin sekoittamisen tietyssä suhteessa, kuumentamisen noin 1650 °C:seen ja sulan SiC:n tai kaasumaisen SiC:n tunkeutumisen viherkappaleeseen, joka reagoi grafiitin kanssa muodostaen β-SiC:tä ja sitoen olemassa olevan α-SiC:n. hiukkasia. Täydellinen Si:n tunkeutuminen johtaa täysin tiiviiseen, mitoiltaan vakaaseen reaktiosintrautuneeseen kappaleeseen. Verrattuna muihin sintrausmenetelmiin reaktiosintraus sisältää minimaalisia mittamuutoksia tiivistyksen aikana, mikä mahdollistaa tarkkojen komponenttien valmistamisen. Kuitenkin huomattava määrä piikarbidia sintratussa kappaleessa johtaa huonompaan suorituskykyyn korkeassa lämpötilassa.

Yhteenvetona,SiC keramiikkapaineettomalla sintrauksella, kuumapuristussintrauksella, kuumaisostaattisella puristimella ja reaktiosintrauksella tuotetuilla suorituskykyominaisuuksilla on vaihtelevia ominaisuuksia.SiC keramiikkakuumapuristimella ja kuumaisostaattisella puristimella on yleensä korkeammat sintratut tiheydet ja taivutuslujuudet, kun taas reaktiosintratuilla piikarbidilla on suhteellisen alhaisemmat arvot. Mekaaniset ominaisuudetSiC keramiikkavaihtelevat myös eri sintrauslisäaineiden mukaan. Paineeton, kuumapuristin ja reaktiosintrattuSiC keramiikkaNe kestävät hyvin vahvoja happoja ja emäksiä, mutta reaktiosintratulla piikarbidilla on huonompi korroosionkestävyys vahvoja happoja, kuten HF:a vastaan. Mitä tulee suorituskykyyn korkeissa lämpötiloissa, melkein kaikkiSiC keramiikkaosoittavat lujuuden paranemista alle 900 °C:ssa, kun taas reaktiosintratun piikarbidin taivutuslujuus laskee jyrkästi yli 1400 °C:ssa vapaan Si:n läsnäolon vuoksi. Painettoman ja kuuman isostaattipuristuksen suorituskyky korkeassa lämpötilassaSiC keramiikkariippuu ensisijaisesti käytettyjen lisäaineiden tyypistä.

Vaikka jokainen sintrausmenetelmäSiC keramiikkaon puolensa, tekniikan nopea kehitys edellyttää jatkuvaa parantamistaSiC keramiikkasuorituskyky, valmistustekniikat ja kustannussäästöt. Matalan lämpötilan sintrauksen saavuttaminenSiC keramiikkaon ratkaisevan tärkeä energiankulutuksen ja tuotantokustannusten alentamiseksi, mikä edistää teollistumistaSiC keramiikkatuotteet.**

Me Semicorexilla olemme erikoistuneetSiC Keramiikkaja muut puolijohteiden valmistuksessa käytettävät keraamiset materiaalit, jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset lisätietoja, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä.

Yhteyspuhelin: +86-13567891907

Sähköposti: sales@semicorex.com