Przegląd 9 technik spiekania ceramiki z węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC), wybitna ceramika konstrukcyjna, słynie z wyjątkowych właściwości, w tym wytrzymałości w wysokiej temperaturze, twardości, modułu sprężystości, odporności na zużycie, przewodności cieplnej i odporności na korozję. Te cechy sprawiają, że nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań, od tradycyjnych zastosowań przemysłowych w meblach pieców wysokotemperaturowych, dyszach palników, wymiennikach ciepła, pierścieniach uszczelniających i łożyskach ślizgowych, po zaawansowane zastosowania, takie jak pancerze balistyczne, zwierciadła przestrzenne, uchwyty do płytek półprzewodnikowych, i płaszcza paliwa jądrowego.

Proces spiekania ma kluczowe znaczenie dla określenia końcowych właściwościCeramika SiC. Szeroko zakrojone badania doprowadziły do ​​opracowania różnych technik spiekania, począwszy od ustalonych metod, takich jak spiekanie reakcyjne, spiekanie bezciśnieniowe, spiekanie rekrystalizacyjne i prasowanie na gorąco, po nowsze innowacje, takie jak spiekanie plazmowe z iskrą, spiekanie błyskawiczne i spiekanie pod ciśnieniem oscylacyjnym.

Oto bliższe spojrzenie na dziewięć wybitnych osóbCeramika SiCtechniki spiekania:

1. Prasowanie na gorąco:

Pionierem Alliegro i in. w Norton Company prasowanie na gorąco polega na jednoczesnym działaniu ciepła i ciśnienia na:Proszek SiCzwarty w matrycy. Metoda ta umożliwia jednoczesne zagęszczanie i kształtowanie. Choć skuteczne, prasowanie na gorąco wymaga złożonego sprzętu, specjalistycznych matryc i rygorystycznej kontroli procesu. Do jego ograniczeń należy wysokie zużycie energii, ograniczona złożoność kształtu i wysokie koszty produkcji.

2. Spiekanie reakcyjne:

Spiekanie reakcyjne, zaproponowane po raz pierwszy przez P. Poppera w latach pięćdziesiątych XX wieku, polega na mieszaniuProszek SiCze źródłem węgla. Surowa bryła, uformowana poprzez odlewanie z gęstwy, prasowanie na sucho lub prasowanie izostatyczne na zimno, poddawana jest procesowi infiltracji krzemu. Ogrzewanie powyżej 1500°C w próżni lub atmosferze obojętnej topi krzem, który infiltruje w ciało porowate poprzez działanie kapilarne. Ciekły lub gazowy krzem reaguje z węglem, tworząc in situ β-SiC, który wiąże się z istniejącymi cząsteczkami SiC, tworząc gęstą ceramikę.

SiC wiązany reakcyjnie charakteryzuje się niskimi temperaturami spiekania, opłacalnością i wysokim zagęszczeniem. Znikomy skurcz podczas spiekania sprawia, że ​​szczególnie nadaje się do dużych elementów o skomplikowanych kształtach. Typowe zastosowania obejmują wyposażenie pieców wysokotemperaturowych, rury promiennikowe, wymienniki ciepła i dysze odsiarczające.

Droga procesu Semicorex w łodzi RBSiC

3. Spiekanie bezciśnieniowe:

Opracowane przez S. Prochazkę i in. w GE w 1974 r. spiekanie bezciśnieniowe eliminuje potrzebę stosowania ciśnienia zewnętrznego. Zagęszczanie następuje w temperaturze 2000-2150°C pod ciśnieniem atmosferycznym (1,01×105 Pa) w atmosferze obojętnej za pomocą dodatków spiekających. Spiekanie bezciśnieniowe można dalej podzielić na spiekanie w stanie stałym i w fazie ciekłej.

Bezciśnieniowe spiekanie w stanie stałym umożliwia osiągnięcie wysokich gęstości (3,10-3,15 g/cm3) bez międzykrystalicznych faz szklanych, co skutkuje wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi w wysokich temperaturach, przy temperaturach użytkowania sięgających 1600°C. Jednakże nadmierny rozrost ziaren w wysokich temperaturach spiekania może negatywnie wpłynąć na wytrzymałość.

Bezciśnieniowe spiekanie w fazie ciekłej poszerza zakres zastosowań ceramiki SiC. Faza ciekła, utworzona przez stopienie pojedynczego składnika lub reakcję eutektyczną wielu składników, poprawia kinetykę zagęszczania, zapewniając ścieżkę o wysokiej dyfuzji, co prowadzi do niższych temperatur spiekania w porównaniu ze spiekaniem w stanie stałym. Drobny rozmiar ziaren i resztkowa międzykrystaliczna faza ciekła w spiekanym SiC w fazie ciekłej sprzyjają przejściu od pękania międzykrystalicznego do międzykrystalicznego, zwiększając wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie.

Spiekanie bezciśnieniowe to dojrzała technologia posiadająca zalety takie jak opłacalność i wszechstronność kształtu. W szczególności spiekany SiC w stanie stałym oferuje wysoką gęstość, jednolitą mikrostrukturę i doskonałą ogólną wydajność, dzięki czemu nadaje się do elementów odpornych na zużycie i korozję, takich jak pierścienie uszczelniające i łożyska ślizgowe.

Bezciśnieniowy pancerz ze spiekanego węglika krzemu

4. Spiekanie rekrystalizacyjne:

W latach 80. Kriegesmann zademonstrował wytwarzanie wysokowydajnego materiału rekrystalizowanegoCeramika SiCpoprzez odlewanie z gęstwy, a następnie spiekanie w temperaturze 2450°C. Technika ta została szybko przyjęta do produkcji na dużą skalę przez FCT (Niemcy) i Norton (USA).

Rekrystalizowany SiC polega na spiekaniu surowej bryły utworzonej przez upakowanie cząstek SiC o różnych rozmiarach. Drobne cząstki, równomiernie rozmieszczone w szczelinach grubszych cząstek, odparowują i kondensują w punktach styku większych cząstek w temperaturach powyżej 2100°C w kontrolowanej atmosferze. Ten mechanizm parowania i kondensacji tworzy nowe granice ziaren na szyjkach cząstek, co prowadzi do wzrostu ziaren, tworzenia szyjek i spieku z resztkową porowatością.

Kluczowe cechy rekrystalizowanego SiC obejmują:

Minimalny skurcz: Brak granicy ziaren lub dyfuzji objętości podczas spiekania powoduje znikomy skurcz.

Kształtowanie Near-Net: Gęstość spieku pozostaje prawie identyczna z gęstością surowego ciała.

Czyste granice ziaren: Rekrystalizowany SiC wykazuje czyste granice ziaren, pozbawione faz szklanych i zanieczyszczeń.

Porowatość resztkowa: Spiekany korpus zazwyczaj zachowuje 10-20% porowatości.

5. Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP):

HIP wykorzystuje ciśnienie gazu obojętnego (zwykle argonu) w celu zwiększenia zagęszczenia. Kompaktowy proszek SiC, zamknięty w szklanym lub metalowym pojemniku, poddawany jest działaniu ciśnienia izostatycznego w piecu. Gdy temperatura wzrasta do zakresu spiekania, sprężarka utrzymuje początkowe ciśnienie gazu na poziomie kilku megapaskali. Ciśnienie to stopniowo wzrasta podczas ogrzewania, osiągając aż do 200 MPa, skutecznie eliminując pory wewnętrzne i uzyskując wysoką gęstość.

6. Iskrowe spiekanie plazmowe (SPS):

SPS to nowatorska technika metalurgii proszków służąca do wytwarzania gęstych materiałów, w tym metali, ceramiki i kompozytów. Wykorzystuje impulsy elektryczne o wysokiej energii do generowania pulsacyjnego prądu elektrycznego i iskrzącej plazmy pomiędzy cząsteczkami proszku. To zlokalizowane nagrzewanie i wytwarzanie plazmy zachodzi w stosunkowo niskich temperaturach i przez krótki czas, umożliwiając szybkie spiekanie. Proces skutecznie usuwa zanieczyszczenia powierzchniowe, aktywuje powierzchnie cząstek i sprzyja szybkiemu zagęszczeniu. SPS z powodzeniem zastosowano do wytwarzania gęstej ceramiki SiC przy użyciu Al2O3 i Y2O3 jako środków pomocniczych do spiekania.

7. Spiekanie mikrofalowe:

W przeciwieństwie do konwencjonalnego ogrzewania, spiekanie mikrofalowe wykorzystuje utratę dielektryczną materiałów w mikrofalowym polu elektromagnetycznym, aby osiągnąć ogrzewanie objętościowe i spiekanie. Metoda ta oferuje korzyści, takie jak niższe temperatury spiekania, szybsze tempo nagrzewania i lepsze zagęszczenie. Zwiększony transport masy podczas spiekania mikrofalowego sprzyja również tworzeniu drobnoziarnistych mikrostruktur.

8. Spiekanie błyskawiczne:

Spiekanie błyskawiczne (FS) zyskało uwagę ze względu na niskie zużycie energii i ultraszybką kinetykę spiekania. Proces ten polega na przyłożeniu napięcia do zielonego korpusu w piecu. Po osiągnięciu temperatury progowej nagły nieliniowy wzrost prądu powoduje szybkie nagrzewanie Joule'a, co prowadzi do niemal natychmiastowego zagęszczenia w ciągu kilku sekund.

9. Spiekanie pod ciśnieniem oscylacyjnym (OPS):

Wprowadzenie ciśnienia dynamicznego podczas spiekania zakłóca blokowanie i aglomerację cząstek, zmniejszając wielkość i rozkład porów. W rezultacie powstają bardzo gęste, drobnoziarniste i jednorodne mikrostruktury, co pozwala uzyskać ceramikę o wysokiej wytrzymałości i niezawodności. OPS, zapoczątkowany przez zespół Xie Zhipenga na Uniwersytecie Tsinghua, zastępuje stałe ciśnienie statyczne występujące w konwencjonalnym spiekaniu dynamicznym ciśnieniem oscylacyjnym.

OPS oferuje kilka korzyści:

Zwiększona gęstość zielona: Ciągłe ciśnienie oscylacyjne sprzyja przegrupowaniu cząstek, znacznie zwiększając gęstość zieloną wypraski proszkowej.

Zwiększona siła napędowa spiekania: OPS zapewnia większą siłę napędową zagęszczania, poprawiając rotację ziaren, poślizg i płynięcie plastyczne. Jest to szczególnie korzystne na późniejszych etapach spiekania, gdzie kontrolowana częstotliwość i amplituda oscylacji skutecznie eliminują pory resztkowe na granicach ziaren.

Zdjęcie sprzętu do spiekania pod ciśnieniem oscylacyjnym

Porównanie typowych technik:

Wśród tych technik, spiekanie reakcyjne, spiekanie bezciśnieniowe i spiekanie rekrystalizacyjne są szeroko stosowane w przemysłowej produkcji SiC, a każda z nich ma unikalne zalety, skutkujące odmiennymi mikrostrukturami, właściwościami i zastosowaniami.

SiC związany reakcją:Oferuje niskie temperatury spiekania, opłacalność, minimalny skurcz i duże zagęszczenie, dzięki czemu nadaje się do dużych komponentów o skomplikowanych kształtach. Typowe zastosowania obejmują wyposażenie pieców wysokotemperaturowych, dysze palników, wymienniki ciepła i reflektory optyczne.

Bezciśnieniowy spiekany SiC:Zapewnia opłacalność, wszechstronność kształtu, wysoką gęstość, jednolitą mikrostrukturę i doskonałe właściwości ogólne, dzięki czemu idealnie nadaje się do precyzyjnych komponentów, takich jak uszczelki, łożyska ślizgowe, pancerze balistyczne, reflektory optyczne i uchwyty do płytek półprzewodnikowych.

Rekrystalizowany SiC:Charakteryzuje się czystymi fazami SiC, wysoką czystością, wysoką porowatością, doskonałą przewodnością cieplną i odpornością na szok termiczny, dzięki czemu nadaje się do mebli pieców wysokotemperaturowych, wymienników ciepła i dysz palników.**

W Semicorex specjalizujemy sięCeramika SiC i inneMateriały ceramicznestosowane w produkcji półprzewodników. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Telefon kontaktowy: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com