Specjalistyczne techniki przygotowania ceramiki z węglika krzemu

Ceramika z węglika krzemu (SiC).materiały posiadają szereg doskonałych właściwości, w tym wytrzymałość w wysokiej temperaturze, dużą odporność na utlenianie, doskonałą odporność na zużycie, stabilność termiczną, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoką przewodność cieplną, wysoką twardość, odporność na szok termiczny i odporność na korozję chemiczną. Te cechy sprawiają, że ceramika SiC ma coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak przemysł motoryzacyjny, mechaniczny i chemiczny, ochrona środowiska, technologia kosmiczna, elektronika informatyczna i energia.Ceramika SiCstały się niezastąpionym konstrukcyjnym materiałem ceramicznym w wielu sektorach przemysłu ze względu na swoje wyjątkowe właściwości użytkowe.

Jakie są cechy strukturalne, które poprawiająCeramika SiC?

Doskonałe właściwościCeramika SiCsą ściśle powiązane z ich unikalną strukturą. SiC jest związkiem o bardzo silnych wiązaniach kowalencyjnych, gdzie jonowy charakter wiązania Si-C wynosi jedynie około 12%. Skutkuje to wysoką wytrzymałością i dużym modułem sprężystości, zapewniając doskonałą odporność na zużycie. Czysty SiC nie ulega korozji pod wpływem roztworów kwasowych, takich jak HCl, HNO3, H2SO4 lub HF, ani roztworów alkalicznych, takich jak NaOH. Chociaż ma on tendencję do utleniania po podgrzaniu na powietrzu, tworzenie warstwy SiO2 na powierzchni hamuje dalszą dyfuzję tlenu, utrzymując w ten sposób niski stopień utleniania. Dodatkowo SiC wykazuje właściwości półprzewodnikowe, dobrą przewodność elektryczną przy wprowadzeniu niewielkich ilości zanieczyszczeń oraz doskonałą przewodność cieplną.

Jak różne formy krystaliczne SiC wpływają na jego właściwości?

SiC występuje w dwóch głównych postaciach krystalicznych: α i β. β-SiC ma sześcienną strukturę krystaliczną, przy czym Si i C tworzą sześcienne siatki skupione na ścianie. α-SiC występuje w ponad 100 politypach, w tym 4H, 15R i 6H, przy czym 6H jest najczęściej stosowany w zastosowaniach przemysłowych. Stabilność tych politypów zmienia się w zależności od temperatury. Poniżej 1600°C SiC występuje w formie β, natomiast powyżej 1600°C β-SiC stopniowo przekształca się w różne politypy α-SiC. Na przykład 4H-SiC tworzy się w temperaturze około 2000°C, podczas gdy politypy 15R i 6H wymagają do łatwego formowania temperatur powyżej 2100°C. Polityp 6H pozostaje stabilny nawet powyżej 2200°C. Niewielka różnica w energii swobodnej między tymi politypami oznacza, że ​​nawet drobne zanieczyszczenia mogą zmienić ich relacje stabilności termicznej.

Jakie są techniki produkcji proszków SiC?

Przygotowanie proszków SiC można podzielić na syntezę w fazie stałej i syntezę w fazie ciekłej w oparciu o stan początkowy surowców.

Jakie są metody stosowane w syntezie w fazie stałej? 

Synteza w fazie stałej obejmuje przede wszystkim redukcję karbotermiczną i bezpośrednie reakcje krzem-węgiel. Metoda redukcji karbotermicznej obejmuje proces Achesona, metodę pieca pionowego i metodę wysokotemperaturowego pieca obrotowego. Proces Achesona, wynaleziony przez Achesona, polega na redukcji krzemionki w piasku kwarcowym za pomocą węgla w piecu elektrycznym Achesona, napędzanej reakcją elektrochemiczną w wysokiej temperaturze i silnych polach elektrycznych. Metoda ta, której historia produkcji przemysłowej sięga ponad stu lat, pozwala uzyskać stosunkowo grube cząstki SiC i wymaga dużego zużycia energii, z której większość jest tracona w postaci ciepła.

W latach siedemdziesiątych XX wieku ulepszenia procesu Achesona doprowadziły do ​​​​opracowań w latach osiemdziesiątych XX wieku, takich jak piece pionowe i wysokotemperaturowe piece obrotowe do syntezy proszku β-SiC, z dalszym postępem w latach dziewięćdziesiątych. Ohsaki i in. odkryli, że gaz SiO uwolniony podczas ogrzewania mieszaniny SiO2 i sproszkowanego Si reaguje z węglem aktywnym, przy podwyższonej temperaturze i wydłużonym czasie przetrzymywania, zmniejszając powierzchnię właściwą proszku w miarę uwalniania się większej ilości gazu SiO. Metoda bezpośredniej reakcji krzem-węgiel, będąca zastosowaniem samorozmnażającej się syntezy wysokotemperaturowej, polega na zapaleniu ciała reagenta zewnętrznym źródłem ciepła i wykorzystaniu ciepła reakcji chemicznej wytworzonej podczas syntezy do podtrzymania procesu. Metoda ta charakteryzuje się niskim zużyciem energii, prostym sprzętem i procesami oraz wysoką wydajnością, chociaż trudno jest kontrolować reakcję. Słaba reakcja egzotermiczna między krzemem i węglem utrudnia zapłon i utrzymanie w temperaturze pokojowej, co wymaga dodatkowych źródeł energii, takich jak piece chemiczne, prąd stały, podgrzewanie wstępne lub pomocnicze pola elektryczne.

W jaki sposób syntetyzuje się proszek SiC metodami w fazie ciekłej? 

Metody syntezy w fazie ciekłej obejmują techniki zolu-żelu i rozkładu polimerów. Ewell i in. jako pierwszy zaproponował metodę zol-żel, którą później zastosowano do przygotowania ceramiki około 1952 roku. Metoda ta wykorzystuje ciekłe odczynniki chemiczne do przygotowania prekursorów alkoholanów, które rozpuszcza się w niskich temperaturach, tworząc jednorodny roztwór. Po dodaniu odpowiednich środków żelujących alkoholan ulega hydrolizie i polimeryzacji, tworząc stabilny układ zolowy. Po dłuższym staniu lub suszeniu Si i C mieszają się równomiernie na poziomie molekularnym. Ogrzewanie tej mieszaniny do 1460-1600°C indukuje reakcję redukcji karbotermicznej, w wyniku której powstaje drobny proszek SiC. Kluczowe parametry, które należy kontrolować podczas przetwarzania zol-żel, obejmują pH roztworu, stężenie, temperaturę reakcji i czas. Metoda ta ułatwia jednorodne dodawanie różnych składników śladowych, ale ma wady, takie jak pozostałości rozpuszczalników hydroksylowych i organicznych szkodliwe dla zdrowia, wysokie koszty surowców i znaczny skurcz podczas przetwarzania.

Wysokotemperaturowy rozkład polimerów organicznych to kolejna skuteczna metoda produkcji SiC:

Ogrzewanie żelowych polisiloksanów w celu rozłożenia ich na małe monomery, ostatecznie tworząc SiO2 i C, które następnie ulegają redukcji karbotermicznej w celu wytworzenia proszku SiC.

Ogrzewanie polikarbosilanów w celu rozłożenia ich na małe monomery, tworząc szkielet, w wyniku którego ostatecznie powstaje proszek SiC. Najnowsze techniki zolowo-żelowe umożliwiły produkcję materiałów zolowo-żelowych na bazie SiO2, zapewniających jednorodną dystrybucję dodatków spiekających i wzmacniających w żelu, co ułatwia tworzenie wysokowydajnych proszków ceramicznych SiC.

Dlaczego spiekanie bezciśnieniowe jest uważane za obiecującą technikę?Ceramika SiC?

Spiekanie bezciśnieniowe uważane jest za wysoce obiecującą metodęspiekanie SiC. W zależności od mechanizmu spiekania można je podzielić na spiekanie w fazie stałej i spiekanie w fazie ciekłej. S. Proehazka uzyskała gęstość względną powyżej 98% dla korpusów spiekanych SiC poprzez dodanie odpowiednich ilości B i C do ultradrobnego proszku β-SiC (o zawartości tlenu poniżej 2%) i spiekanie w temperaturze 2020°C pod normalnym ciśnieniem. A. Mulla i in. zastosował Al2O3 i Y2O3 jako dodatki do spiekania 0,5μm β-SiC (z niewielką ilością SiO2 na powierzchni cząstek) w temperaturze 1850-1950°C, uzyskując gęstość względną większą niż 95% gęstości teoretycznej oraz drobne ziarna o średniej wielkość 1,5µm.

Jak poprawia się spiekanie na gorącoCeramika SiC?

Nadeau zwrócił uwagę, że czysty SiC można gęsto spiekać jedynie w ekstremalnie wysokich temperaturach bez żadnych środków pomocniczych do spiekania, co skłoniło wiele osób do zbadania możliwości spiekania w prasie na gorąco. W licznych badaniach sprawdzano wpływ dodawania B, Al, Ni, Fe, Cr i innych metali na zagęszczanie SiC, przy czym stwierdzono, że Al i Fe są najskuteczniejsze w promowaniu spiekania w prasie na gorąco. F.F. Lange zbadał działanie SiC spiekanego na gorąco z różnymi ilościami Al2O3, przypisując zagęszczanie mechanizmowi rozpuszczania i ponownego wytrącania. Jednakże w wyniku spiekania na gorąco można wytwarzać jedynie komponenty SiC o prostych kształtach, a ilość produktu w pojedynczym procesie spiekania jest ograniczona, co czyni go mniej przydatnym do produkcji przemysłowej.

Jakie są zalety i ograniczenia spiekania reakcyjnego SiC?

SiC spiekany reakcyjnie, znany również jako samospajalny SiC, polega na reakcji porowatej masy surowej z fazą gazową lub ciekłą w celu zwiększenia masy, zmniejszenia porowatości i spiekania go w mocny produkt o dokładnych wymiarach. Proces polega na zmieszaniu proszku α-SiC i grafitu w określonym stosunku, podgrzaniu do około 1650°C i infiltracji surowej bryły stopionym Si lub gazowym Si, który reaguje z grafitem tworząc β-SiC, wiążąc istniejący α-SiC cząsteczki. Całkowita infiltracja Si skutkuje w pełni gęstym, stabilnym wymiarowo korpusem ze spieku reakcyjnego. W porównaniu do innych metod spiekania, spiekanie reakcyjne wiąże się z minimalnymi zmianami wymiarowymi podczas zagęszczania, co pozwala na wytwarzanie precyzyjnych elementów. Jednakże obecność znacznych ilości SiC w spiekanym korpusie prowadzi do gorszych właściwości użytkowych w wysokich temperaturach.

Podsumowując,Ceramika SiCwytwarzane przez spiekanie bezciśnieniowe, spiekanie w prasie na gorąco, prasowanie izostatyczne na gorąco i spiekanie reakcyjne wykazują różne właściwości użytkowe.Ceramika SiCz prasy na gorąco i prasowania izostatycznego na gorąco mają na ogół wyższe gęstości spieku i wytrzymałość na zginanie, podczas gdy SiC spiekany reakcyjnie ma stosunkowo niższe wartości. Właściwości mechaniczneCeramika SiCróżnią się również w zależności od różnych dodatków do spiekania. Bezciśnieniowe, prasowane na gorąco i spiekane reakcyjnieCeramika SiCwykazują dobrą odporność na mocne kwasy i zasady, ale spiekany reakcyjnie SiC ma gorszą odporność na korozję w przypadku mocnych kwasów, takich jak HF. Jeśli chodzi o wydajność w wysokich temperaturach, prawie wszystkieCeramika SiCwykazują poprawę wytrzymałości poniżej 900°C, podczas gdy wytrzymałość na zginanie spiekanego reakcyjnie SiC gwałtownie spada powyżej 1400°C z powodu obecności wolnego Si. Wydajność w wysokiej temperaturze bezciśnieniowego i gorącego prasowania izostatycznegoCeramika SiCzależy przede wszystkim od rodzaju zastosowanych dodatków.

Chociaż każda metoda spiekaniaCeramika SiCma swoje zalety, szybki postęp technologii wymaga ciągłego udoskonalaniaCeramika SiCwydajności, technik produkcji i redukcji kosztów. Osiągnięcie spiekania w niskiej temperaturzeCeramika SiCma kluczowe znaczenie dla obniżenia zużycia energii i kosztów produkcji, promując w ten sposób industrializacjęCeramika SiCprodukty.**

W Semicorex specjalizujemy sięCeramika SiCi inne materiały ceramiczne stosowane 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