Špecializované techniky prípravy keramiky z karbidu kremíka

Keramika z karbidu kremíka (SiC).materiály majú celý rad vynikajúcich vlastností, vrátane pevnosti pri vysokej teplote, silnej odolnosti voči oxidácii, vynikajúcej odolnosti proti opotrebovaniu, tepelnej stability, nízkeho koeficientu tepelnej rozťažnosti, vysokej tepelnej vodivosti, vysokej tvrdosti, odolnosti voči tepelným šokom a odolnosti voči chemickej korózii. Vďaka týmto vlastnostiam je SiC keramika stále viac použiteľná v rôznych oblastiach, ako je automobilový, strojársky a chemický priemysel, ochrana životného prostredia, vesmírne technológie, informačná elektronika a energetika.SiC keramikasa stali nenahraditeľným konštrukčným keramickým materiálom v mnohých priemyselných odvetviach vďaka ich vynikajúcemu výkonu.

Aké sú štrukturálne vlastnosti, ktoré zlepšujúSiC keramika?

Vynikajúce vlastnostiSiC keramikaúzko súvisia s ich jedinečnou štruktúrou. SiC je zlúčenina s veľmi silnými kovalentnými väzbami, kde iónový charakter väzby Si-C je len asi 12 %. Výsledkom je vysoká pevnosť a veľký modul pružnosti, ktorý poskytuje vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu. Čistý SiC nekorodujú kyslé roztoky ako HCl, HNO3, H2SO4 alebo HF, ani alkalické roztoky ako NaOH. Zatiaľ čo pri zahrievaní na vzduchu má tendenciu oxidovať, tvorba vrstvy SiO2 na povrchu inhibuje ďalšiu difúziu kyslíka, čím sa rýchlosť oxidácie udržiava na nízkej úrovni. Okrem toho SiC vykazuje polovodičové vlastnosti, s dobrou elektrickou vodivosťou, keď sú zavedené malé množstvá nečistôt, a vynikajúcou tepelnou vodivosťou.

Ako rôzne kryštálové formy SiC ovplyvňujú jeho vlastnosti?

SiC existuje v dvoch hlavných kryštalických formách: α a β. β-SiC má kubickú kryštálovú štruktúru, pričom Si a C tvoria plošne centrované kubické mriežky. α-SiC existuje vo viac ako 100 polytypoch, vrátane 4H, 15R a 6H, pričom 6H sa najčastejšie používa v priemyselných aplikáciách. Stabilita týchto polytypov sa mení s teplotou. Pod 1600 °C existuje SiC vo forme β, zatiaľ čo nad 1600 °C sa β-SiC postupne transformuje na rôzne polytypy α-SiC. Napríklad 4H-SiC sa tvorí okolo 2000 °C, zatiaľ čo polytypy 15R a 6H vyžadujú na ľahké vytvorenie teploty nad 2100 °C. Polytyp 6H zostáva stabilný aj nad 2200 °C. Malý rozdiel vo voľnej energii medzi týmito polytypmi znamená, že aj menšie nečistoty môžu zmeniť ich vzťahy tepelnej stability.

Aké sú techniky na výrobu práškov SiC?

Prípravu práškov SiC možno rozdeliť na syntézu v pevnej fáze a syntézu v kvapalnej fáze na základe počiatočného stavu surovín.

Aké metódy sú zahrnuté v syntéze na pevnej fáze? 

Syntéza na pevnej fáze zahŕňa predovšetkým karbotermálnu redukciu a priame reakcie kremík-uhlík. Karbotermálna redukčná metóda zahŕňa Achesonov proces, metódu vertikálnej pece a metódu vysokoteplotnej rotačnej pece. Achesonov proces, ktorý vynašiel Acheson, zahŕňa redukciu oxidu kremičitého v kremennom piesku uhlíkom v Achesonovej elektrickej peci, poháňanú elektrochemickou reakciou pri vysokej teplote a silných elektrických poliach. Táto metóda s históriou priemyselnej výroby trvajúcou viac ako storočie poskytuje relatívne hrubé častice SiC a má vysokú spotrebu energie, z ktorej sa veľká časť stráca vo forme tepla.

V 70. rokoch 20. storočia viedli vylepšenia Achesonovho procesu k vývoju v 80. rokoch, ako sú vertikálne pece a vysokoteplotné rotačné pece na syntézu prášku β-SiC, s ďalším pokrokom v 90. rokoch. Ohsaki a kol. zistili, že plyn SiO uvoľnený pri zahrievaní zmesi prášku Si02 a Si reaguje s aktívnym uhlím, pričom zvýšená teplota a predĺžená doba zdržania znižuje špecifický povrch prášku, pretože sa uvoľňuje viac plynu SiO. Metóda priamej reakcie kremík-uhlík, aplikácia samo sa šíriacej vysokoteplotnej syntézy, zahŕňa zapálenie tela reaktantu externým zdrojom tepla a využitie tepla chemickej reakcie uvoľneného počas syntézy na udržanie procesu. Táto metóda má nízku spotrebu energie, jednoduché vybavenie a procesy a vysokú produktivitu, hoci je ťažké kontrolovať reakciu. Slabá exotermická reakcia medzi kremíkom a uhlíkom sťažuje zapálenie a udržiavanie pri izbovej teplote, čo si vyžaduje dodatočné zdroje energie, ako sú chemické pece, jednosmerný prúd, predhrievanie alebo pomocné elektrické polia.

Ako sa syntetizuje prášok SiC pomocou metód v kvapalnej fáze? 

Metódy syntézy v kvapalnej fáze zahŕňajú techniky sol-gélu a techniky rozkladu polymérov. Ewell a kol. prvýkrát navrhol metódu sol-gel, ktorá bola neskôr aplikovaná na prípravu keramiky okolo roku 1952. Táto metóda využíva kvapalné chemické činidlá na prípravu alkoxidových prekurzorov, ktoré sa rozpúšťajú pri nízkych teplotách za vzniku homogénneho roztoku. Pridaním vhodných gélujúcich činidiel alkoxid podlieha hydrolýze a polymerizácii za vzniku stabilného sólového systému. Po dlhšom státí alebo sušení sa Si a C rovnomerne premiešajú na molekulárnej úrovni. Zahriatie tejto zmesi na 1460-1600°C indukuje karbotermickú redukčnú reakciu za vzniku jemného SiC prášku. Kľúčové parametre na riadenie počas spracovania sól-gélu zahŕňajú pH roztoku, koncentráciu, reakčnú teplotu a čas. Tento spôsob uľahčuje homogénne pridávanie rôznych stopových zložiek, má však nevýhody, ako sú zvyškové hydroxylové a organické rozpúšťadlá škodlivé pre zdravie, vysoké náklady na suroviny a značné zmršťovanie počas spracovania.

Vysokoteplotný rozklad organických polymérov je ďalšou účinnou metódou výroby SiC:

Zahrievacie gélové polysiloxány na ich rozklad na malé monoméry, ktoré nakoniec tvoria Si02 a C, ktoré potom podliehajú karbotermálnej redukcii za vzniku prášku SiC.

Zahrievanie polykarbosilánov na ich rozklad na malé monoméry, čím sa vytvorí štruktúra, ktorá nakoniec vedie k prášku SiC. Nedávne sol-gélové techniky umožnili výrobu sol/gélových materiálov na báze Si02, čím sa zabezpečila homogénna distribúcia spekacích a spevňujúcich prísad v géli, čo uľahčuje tvorbu vysokovýkonných keramických práškov SiC.

Prečo sa beztlakové spekanie považuje za sľubnú technikuSiC keramika?

Beztlakové spekanie sa považuje za vysoko sľubnú metódu prespekanie SiC. V závislosti od mechanizmu spekania ho možno rozdeliť na spekanie v pevnej fáze a spekanie v kvapalnej fáze. S. Proehazka dosiahol relatívnu hustotu nad 98 % pre spekané telesá SiC pridaním vhodných množstiev B a C do ultrajemného prášku β-SiC (s obsahom kyslíka pod 2 %) a spekaním pri 2020 °C za normálneho tlaku. A. Mulla a kol. použili Al2O3 a Y2O3 ako prísady na spekanie 0,5μm β-SiC (s malým množstvom SiO2 na povrchu častíc) pri 1850-1950°C, čím sa dosiahla relatívna hustota väčšia ako 95% teoretickej hustoty a jemné zrná s priemernou veľkosť 1,5μm.

Ako vylepšuje spekanie lisovaním za teplaSiC keramika?

Nadeau poukázal na to, že čistý SiC možno husto spekať iba pri extrémne vysokých teplotách bez akýchkoľvek spekacích pomôcok, čo mnohých viedlo k tomu, aby preskúmali spekanie za tepla. Početné štúdie skúmali účinky pridania B, Al, Ni, Fe, Cr a iných kovov na zahusťovanie SiC, pričom sa zistilo, že Al a Fe sú najúčinnejšie na podporu spekania lisovaním za tepla. F.F. Lange skúmal výkon za horúca lisovaním spekaného SiC s rôznymi množstvami Al2O3, pričom zhutnenie pripisuje mechanizmu rozpúšťania a opätovného vyzrážania. Avšak spekanie lisovaním za tepla môže produkovať iba jednoduché tvarované SiC komponenty a množstvo produktu v jednom procese spekania je obmedzené, čo ho robí menej vhodným pre priemyselnú výrobu.

Aké sú výhody a obmedzenia reakčného spekania pre SiC?

Reakčne spekaný SiC, tiež známy ako samoväzbový SiC, zahŕňa reakciu porézneho zeleného telesa buď s plynnými alebo kvapalnými fázami, aby sa zvýšila hmotnosť, znížila sa pórovitosť a spekal sa do pevného, ​​rozmerovo presného produktu. Proces zahŕňa zmiešanie prášku α-SiC a grafitu v určitom pomere, zahriatie na približne 1650 °C a infiltráciu surového telesa roztaveným Si alebo plynným Si, ktorý reaguje s grafitom za vzniku β-SiC, čím sa viaže existujúci α-SiC. častice. Úplná infiltrácia Si vedie k plne hustému, rozmerovo stabilnému reakčne sintrovanému telesu. V porovnaní s inými metódami spekania zahŕňa reakčné spekanie minimálne zmeny rozmerov počas zahusťovania, čo umožňuje výrobu presných komponentov. Prítomnosť značného množstva SiC v spekanom telese však vedie k horšiemu výkonu pri vysokej teplote.

v súhrneSiC keramikavyrobené beztlakovým spekaním, spekaním lisovaním za tepla, izostatickým lisovaním za tepla a reakčným spekaním vykazujú rôzne výkonnostné charakteristiky.SiC keramikaz lisovania za tepla a izostatického lisovania za tepla majú vo všeobecnosti vyššie spekané hustoty a pevnosti v ohybe, zatiaľ čo reakčne spekaný SiC má relatívne nižšie hodnoty. Mechanické vlastnostiSiC keramikasa tiež líšia rôznymi spekacími prísadami. Beztlakové, lisované za tepla a reakčne spekanéSiC keramikavykazujú dobrú odolnosť voči silným kyselinám a zásadám, ale reakčne spekaný SiC má horšiu odolnosť voči korózii voči silným kyselinám, ako je HF. Z hľadiska vysokoteplotného výkonu takmer všetkySiC keramikavykazujú zlepšenie pevnosti pod 900 ° C, zatiaľ čo pevnosť v ohybe reakčne spekaného SiC prudko klesá nad 1 400 ° C v dôsledku prítomnosti voľného Si. Vysokoteplotný výkon beztlakového a horúceho izostatického lisovaniaSiC keramikazávisí predovšetkým od typu použitých prísad.

Zatiaľ čo každá metóda spekania preSiC keramikamá svoje prednosti, rýchly pokrok technológie si vyžaduje neustále zlepšovanieSiC keramikavýkon, výrobné techniky a zníženie nákladov. Dosiahnutie nízkoteplotného spekaniaSiC keramikamá zásadný význam pre znižovanie spotreby energie a výrobných nákladov, čím sa podporuje industrializáciaSiC keramikaprodukty.**

My v Semicorex sa špecializujeme naSiC keramikaa iné keramické materiály používané pri výrobe polovodičov, ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktný telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com