Keramika z karbidu kremíka a ich rôzne výrobné procesy

Keramika z karbidu kremíka (SiC).sú široko používané v náročných aplikáciách, ako sú presné ložiská, tesnenia, rotory plynových turbín, optické komponenty, vysokoteplotné dýzy, komponenty výmenníkov tepla a materiály jadrových reaktorov. Toto široké využitie pramení z ich výnimočných vlastností, vrátane vysokej odolnosti proti opotrebeniu, vynikajúcej tepelnej vodivosti, vynikajúcej odolnosti voči oxidácii a vynikajúcich mechanických vlastností pri vysokých teplotách. Silná kovalentná väzba a nízky difúzny koeficient vlastný SiC však predstavujú významnú výzvu pri dosahovaní vysokej hustoty počas procesu spekania. V dôsledku toho sa proces spekania stáva rozhodujúcim krokom pri dosahovaní vysokého výkonuSiC keramika.

Tento dokument poskytuje komplexný prehľad rôznych výrobných techník používaných na výrobu hutných materiálovRBSiC/PSSiC/RSiC keramiky, zdôrazňujúc ich jedinečné vlastnosti a aplikácie:

1. Reakčne viazaný karbid kremíka (RBSiC)

RBSiCzahŕňa zmiešanie prášku karbidu kremíka (zvyčajne 1-10 μm) s uhlíkom, tvarovanie zmesi do zeleného telesa a jej vystavenie vysokým teplotám na infiltráciu kremíka. Počas tohto procesu kremík reaguje s uhlíkom za vzniku SiC, ktorý sa viaže s existujúcimi časticami SiC, čím sa nakoniec dosiahne zhustenie. Používajú sa dve primárne metódy infiltrácie kremíka:

Infiltrácia tekutého kremíka: Kremík sa zahrieva nad jeho bod topenia (1450-1470 °C), čo umožňuje roztavenému kremíku infiltrovať porézne zelené teleso prostredníctvom kapilárneho pôsobenia. Roztavený kremík potom reaguje s uhlíkom za vzniku SiC.

Infiltrácia výparov kremíka: Kremík sa zahrieva nad bod topenia, aby sa vytvorila kremíková para. Táto para preniká do zeleného telesa a následne reaguje s uhlíkom za vzniku SiC.

Prietok procesu: prášok SiC + prášok C + spojivo → Tvarovanie → Sušenie → Vyhorenie spojiva v kontrolovanej atmosfére → Infiltrácia Si pri vysokej teplote → Dodatočné spracovanie

(1) Hlavné úvahy:

Prevádzková teplotaRBSiCje limitovaný zvyškovým obsahom voľného kremíka v materiáli. Zvyčajne je maximálna prevádzková teplota okolo 1400 °C. Nad touto teplotou sa pevnosť materiálu rýchlo zhoršuje v dôsledku tavenia voľného kremíka.

Infiltrácia tekutého kremíka má tendenciu zanechávať vyšší zvyškový obsah kremíka (zvyčajne 10-15%, niekedy presahujúci 15%), čo môže negatívne ovplyvniť vlastnosti konečného produktu. Naproti tomu infiltrácia parného kremíka umožňuje lepšiu kontrolu nad zvyškovým obsahom kremíka. Minimalizáciou pórovitosti v surovom telese môže byť zvyškový obsah kremíka po spekaní znížený pod 10 % a pri starostlivej kontrole procesu dokonca pod 8 %. Toto zníženie výrazne zlepšuje celkový výkon konečného produktu.

Je dôležité poznamenať, žeRBSiC, bez ohľadu na spôsob infiltrácie, bude nevyhnutne obsahovať určité množstvo zvyškového kremíka (v rozsahu od 8 % do viac ako 15 %). pretoRBSiCnie je jednofázová keramika z karbidu kremíka, ale skôr kompozit „kremík + karbid kremíka“. v dôsledku tohoRBSiCsa označuje aj akoSiSiC (kompozit z karbidu kremíka).

(2) Výhody a aplikácie:

RBSiCponúka niekoľko výhod, medzi ktoré patrí:

Nízka teplota spekania: To znižuje spotrebu energie a výrobné náklady.

Nákladová efektívnosť: Proces je relatívne jednoduchý a využíva ľahko dostupné suroviny, čo prispieva k jeho cenovej dostupnosti.

Vysoká hustota:RBSiCdosahuje vysoké úrovne hustoty, čo vedie k zlepšeným mechanickým vlastnostiam.

Tvarovanie v blízkosti siete: Predlisok z uhlíka a karbidu kremíka môže byť vopred opracovaný do zložitých tvarov a minimálne zmrštenie počas spekania (zvyčajne menej ako 3 %) zaisťuje vynikajúcu rozmerovú presnosť. To znižuje potrebu drahého obrábania po spekaníRBSiCobzvlášť vhodné pre veľké, zložité tvarované komponenty.

Vďaka týmto výhodám,RBSiCmá široké využitie v rôznych priemyselných aplikáciách, predovšetkým na výrobu:

Komponenty pece: Výstelky, tégliky a saggary.

Priestorové zrkadlá:RBSiCNízky koeficient tepelnej rozťažnosti a vysoký modul pružnosti z neho robia ideálny materiál pre vesmírne zrkadlá.

Vysokoteplotné výmenníky tepla: Spoločnosti ako Refel (UK) sú priekopníkmi v používaníRBSiCvo vysokoteplotných výmenníkoch tepla s aplikáciami od chemického spracovania až po výrobu energie. Asahi Glass (Japonsko) tiež prijalo túto technológiu a vyrába teplovýmenné rúrky s dĺžkou od 0,5 do 1 metra.

Okrem toho rastúci dopyt po väčších doštičkách a vyšších teplotách spracovania v polovodičovom priemysle podnietili vývoj vysoko čistýchRBSiCkomponentov. Tieto komponenty vyrobené s použitím vysoko čistého SiC prášku a kremíka postupne nahrádzajú diely z kremenného skla v podporných prípravkoch pre elektrónky a zariadenia na spracovanie polovodičových plátkov.

Semicorex RBSiC oblátkový čln pre difúznu pec

(3) Obmedzenia:

Napriek svojim výhodám,RBSiCmá určité obmedzenia:

Zvyškový kremík: Ako už bolo spomenuté,RBSiCvýsledkom tohto procesu je v konečnom produkte zvyškový voľný kremík. Tento zvyškový kremík negatívne ovplyvňuje vlastnosti materiálu, vrátane:

Znížená pevnosť a odolnosť proti opotrebovaniu v porovnaní s inýmiSiC keramika.

Obmedzená odolnosť proti korózii: Voľný kremík je náchylný na napadnutie alkalickými roztokmi a silnými kyselinami, ako je kyselina fluorovodíková, čo obmedzujeRBSiCpoužitie v takýchto prostrediach.

Nižšia pevnosť pri vysokých teplotách: Prítomnosť voľného kremíka obmedzuje maximálnu prevádzkovú teplotu na približne 1350-1400 °C.

2. Beztlakové spekanie - PSSiC

Beztlakové spekanie karbidu kremíkadosahuje zahusťovanie vzoriek rôznych tvarov a veľkostí pri teplotách medzi 2000-2150°C v inertnej atmosfére a bez použitia vonkajšieho tlaku, pridaním vhodných spekacích pomôcok. Technológia beztlakového spekania SiC dozrela a jej výhody spočívajú v nízkych výrobných nákladoch a bez obmedzení tvaru a veľkosti výrobkov. Najmä spekaná SiC keramika v tuhej fáze má vysokú hustotu, rovnomernú mikroštruktúru a vynikajúce komplexné materiálové vlastnosti, vďaka čomu sa široko používa v tesniacich krúžkoch odolných voči opotrebovaniu a korózii, klzných ložiskách a iných aplikáciách.

Proces beztlakového spekania karbidu kremíka možno rozdeliť na tuhú fázuspekaný karbid kremíka (SSiC)a spekaný karbid kremíka v kvapalnej fáze (LSiC).

Mikroštruktúra a hranica zŕn beztlakového spekaného karbidu kremíka v tuhej fáze

Spekanie v tuhej fáze bol prvýkrát vynájdený americkým vedcom Procházkom v roku 1974. K submikrónovému β-SiC pridal malé množstvo bóru a uhlíka, čím realizoval beztlakové spekanie karbidu kremíka a získal husté spekané teleso s hustotou blízkou 95 % teoretická hodnota. Následne W. Btcker a H. Hansner použili α-SiC ako surovinu a pridali bór a uhlík na dosiahnutie zhutnenia karbidu kremíka. Mnohé neskoršie štúdie ukázali, že zlúčeniny bóru a bóru a zlúčeniny Al a Al môžu vytvárať tuhé roztoky s karbidom kremíka na podporu spekania. Pridanie uhlíka je prospešné pre spekanie reakciou s oxidom kremičitým na povrchu karbidu kremíka, aby sa zvýšila povrchová energia. Spekaný karbid kremíka v tuhej fáze má relatívne „čisté“ hranice zŕn v podstate bez prítomnosti kvapalnej fázy a zrná ľahko rastú pri vysokých teplotách. Preto je lom transgranulárny a pevnosť a lomová húževnatosť vo všeobecnosti nie sú vysoké. Avšak vďaka svojim „čistým“ hraniciam zŕn sa pevnosť pri vysokej teplote nemení so zvyšujúcou sa teplotou a vo všeobecnosti zostáva stabilná až do 1600 °C.

Spekanie karbidu kremíka v kvapalnej fáze vynašiel americký vedec M.A. Mulla začiatkom 90. rokov 20. storočia. Jeho hlavnou spekaciou prísadou je Y2O3-Al2O3. Spekanie v kvapalnej fáze má výhodu nižšej teploty spekania v porovnaní so spekaním v tuhej fáze a zrnitosť je menšia.

Hlavnými nevýhodami spekania v tuhej fáze sú požadovaná vysoká teplota spekania (>2000°C), vysoké požiadavky na čistotu surovín, nízka lomová húževnatosť sintrovaného telesa a vysoká citlivosť lomovej pevnosti na trhliny. Štrukturálne sú zrná hrubé a nerovnomerné a spôsob lomu je typicky transgranulárny. V posledných rokoch sa výskum keramických materiálov z karbidu kremíka doma i v zahraničí zameral na spekanie v kvapalnej fáze. Spekanie v kvapalnej fáze sa dosahuje použitím určitého množstva viaczložkových nízkoeutektických oxidov ako pomocných prostriedkov pri spekaní. Napríklad binárne a ternárne pomocné látky Y2O3 môžu spôsobiť, že SiC a jeho kompozity vykazujú spekanie v kvapalnej fáze, čím sa dosiahne ideálne zhutnenie materiálu pri nižších teplotách. Súčasne sa v dôsledku zavedenia kvapalnej fázy na hranici zŕn a oslabenia jedinečnej pevnosti spojenia rozhrania mení režim lomu keramického materiálu na režim intergranulárneho lomu a výrazne sa zlepšuje lomová húževnatosť keramického materiálu. .

3. Rekryštalizovaný karbid kremíka - RSiC

Rekryštalizovaný karbid kremíka (RSiC)je vysoko čistý SiC materiál vyrobený z vysoko čistého prášku karbidu kremíka (SiC) s dvoma rôznymi veľkosťami častíc, hrubými a jemnými. Speká sa pri vysokých teplotách (2200-2450°C) prostredníctvom mechanizmu odparovania a kondenzácie bez pridania pomocných prostriedkov na spekanie.

Poznámka: Bez spekacích pomôcok sa rast spekacieho hrdla vo všeobecnosti dosahuje povrchovou difúziou alebo prenosom hmoty odparovaním a kondenzáciou. Podľa klasickej teórie spekania ani jedna z týchto metód prenosu hmoty nemôže zmenšiť vzdialenosť medzi ťažiskami kontaktujúcich častíc, čím nespôsobí žiadne zmršťovanie v makroskopickom meradle, čo je proces bez zahusťovania. Na vyriešenie tohto problému a získanie keramiky z karbidu kremíka s vysokou hustotou ľudia prijali mnoho opatrení, ako je aplikácia tepla, pridanie pomocných prostriedkov na spekanie alebo použitie kombinácie tepla, tlaku a pomôcok na spekanie.

SEM snímka povrchu lomu rekryštalizovaného karbidu kremíka

Vlastnosti a aplikácie:

RSiCobsahuje viac ako 99% SiC a v podstate žiadne nečistoty na hranici zŕn, zachováva si mnohé vynikajúce vlastnosti SiC, ako je pevnosť pri vysokej teplote, odolnosť proti korózii a odolnosť proti tepelným šokom. Preto sa široko používa v nábytku pre vysokoteplotné pece, spaľovacích tryskách, solárnych tepelných konvertoroch, zariadeniach na čistenie výfukových plynov dieselových vozidiel, tavení kovov a iných prostrediach s mimoriadne náročnými požiadavkami na výkon.

Vďaka mechanizmu odparovania-kondenzačného spekania nedochádza počas procesu vypaľovania k žiadnemu zmršťovaniu a nevytvára sa žiadne zvyškové napätie, ktoré by spôsobilo deformáciu alebo praskanie produktu.

RSiCmôžu byť formované rôznymi metódami, ako je liatie brečky, gélové liatie, extrúzia a lisovanie. Pretože počas procesu vypaľovania nedochádza k žiadnemu zmršťovaniu, je ľahké získať výrobky s presnými tvarmi a veľkosťami, pokiaľ sú rozmery surového tela dobre kontrolované.

Prepustenýrekryštalizovaný produkt SiCobsahuje približne 10%-20% zvyškových pórov. Pórovitosť materiálu do značnej miery závisí od pórovitosti samotného surového telesa a výrazne sa nemení s teplotou spekania, čo poskytuje základ pre kontrolu pórovitosti.

Pod týmto mechanizmom spekania má materiál veľa vzájomne prepojených pórov, čo má široké uplatnenie v oblasti poréznych materiálov. Napríklad môže nahradiť tradičné porézne produkty v oblasti filtrácie výfukových plynov a filtrácie vzduchu fosílnych palív.

RSiCmá veľmi jasné a čisté hranice zŕn bez sklovitých fáz a nečistôt, pretože akékoľvek oxidové alebo kovové nečistoty vyprchali pri vysokých teplotách 2150-2300 °C. Mechanizmus spekania odparovaním a kondenzáciou môže tiež čistiť SiC (obsah SiC vRSiCmá viac ako 99 %), zachováva si mnohé vynikajúce vlastnosti SiC, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie vyžadujúce pevnosť pri vysokých teplotách, odolnosť proti korózii a tepelným šokom, ako je nábytok vo vysokoteplotnej peci, spaľovacie dýzy, solárne tepelné konvertory a tavenie kovov .**