Специализированные методы подготовки карбидокремниевой керамики

Керамика из карбида кремния (SiC)Материалы обладают рядом превосходных свойств, включая жаропрочность, сильную стойкость к окислению, превосходную износостойкость, термическую стабильность, низкий коэффициент теплового расширения, высокую теплопроводность, высокую твердость, стойкость к термическому удару и стойкость к химической коррозии. Эти характеристики делают керамику SiC все более применимой в различных областях, таких как автомобильная, механическая и химическая промышленность, защита окружающей среды, космические технологии, информационная электроника и энергетика.SiC-керамикаблагодаря своим выдающимся характеристикам стали незаменимым конструкционным керамическим материалом во многих отраслях промышленности.

Каковы структурные характеристики, которые улучшаютSiC Керамика?

Превосходные свойстваSiC-керамикатесно связаны с их уникальной структурой. SiC представляет собой соединение с очень прочными ковалентными связями, где ионный характер связи Si-C составляет всего около 12%. Это приводит к высокой прочности и большому модулю упругости, обеспечивая превосходную износостойкость. Чистый SiC не подвержен коррозии ни кислотными растворами, такими как HCl, HNO3, H2SO4 или HF, ни щелочными растворами, такими как NaOH. Хотя он имеет тенденцию к окислению при нагревании на воздухе, образование слоя SiO2 на поверхности препятствует дальнейшей диффузии кислорода, тем самым сохраняя низкую скорость окисления. Кроме того, SiC демонстрирует полупроводниковые свойства с хорошей электропроводностью при введении небольших количеств примесей и превосходной теплопроводностью.

Как различные кристаллические формы SiC влияют на его свойства?

SiC существует в двух основных кристаллических формах: α и β. β-SiC имеет кубическую кристаллическую структуру, при этом Si и C образуют гранецентрированные кубические решетки. α-SiC существует в более чем 100 политипах, включая 4H, 15R и 6H, причем 6H наиболее часто используется в промышленных целях. Стабильность этих политипов меняется в зависимости от температуры. Ниже 1600°C SiC существует в β-форме, а выше 1600°C β-SiC постепенно трансформируется в различные политипы α-SiC. Например, 4H-SiC образуется при температуре около 2000°C, тогда как политипы 15R и 6H для легкого образования требуют температуры выше 2100°C. Политип 6Н остается стабильным даже при температуре выше 2200°С. Небольшая разница в свободной энергии между этими политипами означает, что даже незначительные примеси могут изменить их термическую стабильность.

Каковы методы производства порошков SiC?

Приготовление порошков SiC можно разделить на твердофазный синтез и жидкофазный синтез в зависимости от исходного состояния сырья.

Какие методы используются в твердофазном синтезе? 

Твердофазный синтез включает в себя прежде всего карботермическое восстановление и прямые кремний-углеродные реакции. Метод карботермического восстановления включает в себя процесс Ачесона, метод вертикальной печи и метод высокотемпературной вращающейся печи. Процесс Ачесона, изобретенный Ачесоном, включает восстановление кремнезема в кварцевом песке углеродом в электрической печи Ачесона, вызываемое электрохимической реакцией при высокой температуре и сильных электрических полях. Этот метод, история промышленного производства которого насчитывает более ста лет, дает относительно крупные частицы SiC и требует высокого энергопотребления, большая часть которого теряется в виде тепла.

В 1970-х годах усовершенствования процесса Ачесона привели к появлению в 1980-х годах таких разработок, как вертикальные печи и высокотемпературные вращающиеся печи для синтеза порошка β-SiC, с дальнейшим развитием в 1990-х годах. Осаки и др. обнаружили, что газ SiO, выделяющийся при нагревании смеси порошка SiO2 и Si, вступает в реакцию с активированным углем, причем повышение температуры и продолжительное время выдержки уменьшают удельную поверхность порошка по мере выделения большего количества газа SiO. Метод прямой кремний-углеродной реакции, применение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включает в себя воспламенение реагента внешним источником тепла и использование тепла химической реакции, выделяющегося во время синтеза, для поддержания процесса. Этот метод отличается низкими энергозатратами, простотой оборудования и процессов, высокой производительностью, однако трудно контролировать реакцию. Слабая экзотермическая реакция между кремнием и углеродом затрудняет воспламенение и поддержание при комнатной температуре, что требует дополнительных источников энергии, таких как химические печи, постоянный ток, предварительный нагрев или вспомогательные электрические поля.

Как синтезируется порошок SiC с использованием жидкофазных методов? 

Методы жидкофазного синтеза включают золь-гель и методы разложения полимеров. Юэлл и др. первым предложил золь-гель метод, который позже был применен для приготовления керамики примерно в 1952 году. В этом методе используются жидкие химические реагенты для приготовления предшественников алкоксидов, которые растворяются при низких температурах с образованием гомогенного раствора. При добавлении соответствующих гелеобразователей алкоксид подвергается гидролизу и полимеризации с образованием стабильной золь-системы. После длительного стояния или высыхания Si и C равномерно смешиваются на молекулярном уровне. Нагревание этой смеси до 1460–1600°C вызывает карботермическую реакцию восстановления с образованием мелкодисперсного порошка SiC. Ключевые параметры, которые необходимо контролировать во время золь-гель обработки, включают pH раствора, концентрацию, температуру реакции и время. Этот метод облегчает гомогенное добавление различных микроэлементов, но имеет такие недостатки, как наличие вредных для здоровья остаточных гидроксильных и органических растворителей, высокая стоимость сырья и значительная усадка при переработке.

Еще одним эффективным методом получения SiC является высокотемпературное разложение органических полимеров:

Нагревание полисилоксанов в гелях для разложения их на мелкие мономеры, в конечном итоге образующие SiO2 и C, которые затем подвергаются карботермическому восстановлению с получением порошка SiC.

Нагревание поликарбосиланов для разложения их на мелкие мономеры с образованием каркаса, который в конечном итоге приводит к образованию порошка SiC. Последние золь-гель технологии позволили производить золь/гелевые материалы на основе SiO2, обеспечивая однородное распределение спекающих и упрочняющих добавок внутри геля, что облегчает формирование высокоэффективных керамических порошков SiC.

Почему спекание без давления считается перспективным методом производстваSiC Керамика?

Спекание без давления считается весьма перспективным методомспекание SiC. В зависимости от механизма спекания его можно разделить на твердофазное спекание и жидкофазное спекание. С. Прохазка добился относительной плотности спеченных изделий из SiC выше 98% путем добавления соответствующих количеств B и C к ультрамелкому порошку β-SiC (с содержанием кислорода ниже 2%) и спекания при 2020 ° C при нормальном давлении. А. Мулла и др. использовали Al2O3 и Y2O3 в качестве добавок для спекания 0,5 мкм β-SiC (с небольшим количеством SiO2 на поверхности частиц) при 1850-1950°C, достигая относительной плотности более 95% от теоретической плотности и мелких зерен со средним размер 1,5 мкм.

Как улучшается спекание горячим прессомSiC Керамика?

Надо отметил, что чистый SiC можно плотно спекать только при чрезвычайно высоких температурах без каких-либо вспомогательных средств для спекания, что побудило многих изучить спекание горячим прессом. В многочисленных исследованиях изучалось влияние добавления B, Al, Ni, Fe, Cr и других металлов на уплотнение SiC, при этом Al и Fe оказались наиболее эффективными для ускорения спекания горячим прессом. Ф.Ф. Ланге исследовал характеристики SiC, спеченного горячим прессованием, с различными количествами Al2O3, объясняя уплотнение механизмом растворения-переосаждения. Однако спекание в горячем прессе позволяет производить только компоненты SiC простой формы, а количество продукта в одном процессе спекания ограничено, что делает его менее подходящим для промышленного производства.

Каковы преимущества и ограничения реакционного спекания SiC?

Реакционно-спеченный SiC, также известный как самосвязанный SiC, включает в себя реакцию пористого сырого тела с газообразной или жидкой фазой для увеличения массы, уменьшения пористости и спекания его в прочный продукт с точными размерами. Процесс включает в себя смешивание порошка α-SiC и графита в определенном соотношении, нагрев примерно до 1650°C и пропитку сырого изделия расплавленным Si или газообразным Si, который вступает в реакцию с графитом с образованием β-SiC, связывая существующий α-SiC. частицы. Полная инфильтрация Si приводит к получению полностью плотного, стабильного по размерам изделия, полученного методом реакционного спекания. По сравнению с другими методами спекания, реакционное спекание предполагает минимальные изменения размеров во время уплотнения, что позволяет изготавливать точные компоненты. Однако наличие значительного количества SiC в спеченном изделии приводит к ухудшению высокотемпературных характеристик.

В итоге,SiC-керамикаПолученные путем спекания без давления, спекания в горячем прессе, горячего изостатического прессования и реакционного спекания имеют различные эксплуатационные характеристики.SiC-керамикаКарбид кремния, полученный горячим прессованием и горячим изостатическим прессованием, обычно имеет более высокие плотности спекания и прочность на изгиб, тогда как карбид кремния, полученный реакционным спеканием, имеет относительно более низкие значения. Механические свойстваSiC-керамикатакже различаются в зависимости от различных спекающих добавок. Без давления, горячего прессования и реакционного спеканияSiC-керамикаобладают хорошей устойчивостью к сильным кислотам и основаниям, но реакционно-спеченный карбид кремния имеет плохую коррозионную стойкость к сильным кислотам, таким как HF. Что касается высокотемпературных характеристик, почти всеSiC-керамикадемонстрируют улучшение прочности ниже 900°C, в то время как прочность на изгиб реакционно-спеченного SiC резко снижается выше 1400°C из-за присутствия свободного Si. Высокотемпературное исполнение безнапорного и горячего изостатического прессования.SiC-керамикав первую очередь зависит от типа используемых добавок.

Хотя каждый метод спекания дляSiC-керамикаимеет свои преимущества, быстрое развитие технологий требует постоянного совершенствованияSiC-керамикапроизводительность, технологии производства и снижение затрат. Достижение низкотемпературного спеканияSiC-керамикаимеет решающее значение для снижения энергопотребления и производственных затрат, тем самым способствуя индустриализацииSiC-керамикапродукты.**

Мы в Semicorex специализируемся наSiC Керамикаи другие керамические материалы, применяемые в производстве полупроводников. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон: +86-13567891907

Электронная почта: sales@semicorex.com