2024-09-24
Dlaczego węglik krzemu jest ważny?
Węglik krzemu (SiC) to związek utworzony przez wiązania kowalencyjne pomiędzy atomami krzemu i węgla, znany ze swojej doskonałej odporności na zużycie, odporności na szok termiczny, odporności na korozję i wysokiej przewodności cieplnej. Jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, produkcji mechanicznej, petrochemii, hutnictwie metali i przemyśle elektronicznym, szczególnie do wytwarzania części odpornych na zużycie i elementów konstrukcyjnych pracujących w wysokiej temperaturze.Ceramika z węglika krzemu spiekana reakcyjnienależą do pierwszych wyrobów ceramiki strukturalnej, które osiągnęły produkcję na skalę przemysłową. Tradycyjnyceramika z węglika krzemu spiekana reakcyjniesą wykonane z proszku węglika krzemu i niewielkiej ilości proszku węglowego w wyniku spiekania w reakcji infiltracji krzemu w wysokiej temperaturze, co wymaga długiego czasu spiekania, wysokich temperatur, dużego zużycia energii i wysokich kosztów. Wraz z rosnącym zastosowaniem technologii reakcyjnego spiekania węglika krzemu, tradycyjne metody są niewystarczające, aby zaspokoić zapotrzebowanie przemysłu na produkty o skomplikowanych kształtachceramika z węglika krzemu.
Jakie są najnowsze postępy wWęglik krzemu spiekany reakcyjnie?
Ostatnie postępy doprowadziły do produkcji materiałów o dużej gęstości i dużej wytrzymałości na zginanieceramika z węglika krzemuprzy użyciu nanometrycznego proszku węglika krzemu, znacznie poprawiającego właściwości mechaniczne materiału. Jednak wysoki koszt proszku węglika krzemu o wielkości nano, którego cena wynosi ponad dziesiątki tysięcy dolarów za tonę, utrudnia zastosowanie na dużą skalę. W tej pracy wykorzystaliśmy powszechnie dostępny węgiel drzewny jako źródło węgla i mikronowy węglik krzemu jako kruszywo, wykorzystując technologię odlewania gęstwego do przygotowaniaceramika z węglika krzemu spiekana reakcyjniezielone ciała. Takie podejście eliminuje potrzebę wstępnej syntezy proszku węglika krzemu, zmniejsza koszty produkcji i umożliwia wytwarzanie dużych cienkościennych produktów o skomplikowanych kształtach, stanowiąc punkt odniesienia dla poprawy wydajności i zastosowaniaceramika z węglika krzemu spiekana reakcyjnie.
Jakie surowce zostały użyte?
Surowce użyte w eksperymencie obejmują:
Węglik krzemu o średniej wielkości cząstek (d50) 3,6 μm i czystości (w(SiC)) ≥ 98%
Sadza o średniej wielkości cząstek (d50) 0,5 µm i czystości (w©) ≥ 99%
Grafit o średniej wielkości cząstek (d50) 10 µm i czystości (w©) ≥ 99%
Dyspergatory: Poliwinylopirolidon (PVP) K30 (wartość K 27-33) i K90 (wartość K 88-96)
Reduktor wody: Polikarboksylan CE-64
Środek uwalniający: AO
Woda dejonizowana
Jak przeprowadzono eksperyment?
Eksperyment przeprowadzono w następujący sposób:
Mieszanie surowców zgodnie z Tabelą 1 za pomocą mieszadła elektrycznego przez 4 godziny do uzyskania jednorodnie wymieszanej zawiesiny.
Utrzymując lepkość zaczynu ≤ 1000 mPa·s, wymieszaną zaczyn wlewano do przygotowanych form gipsowych do odlewania, pozostawiano do odwodnienia w formach gipsowych przez 2-3 minuty do utworzenia zielonych brył.
Surowe bryły umieszczono w chłodnym miejscu na 48 godzin, następnie wyjęto z form i suszono w suszarce próżniowej w temperaturze 80°C przez 4-6 godzin.
W celu otrzymania preform przeprowadzono odśluzowywanie surowych brył w piecu muflowym w temperaturze 800°C przez 2 godziny.
Preformy zatopiono w mieszanym proszku sadzy, proszku krzemu i azotku boru w stosunku masowym 1:100:2000 i spiekano w piecu w temperaturze 1720°C przez 2 godziny, uzyskując w pełni drobno sproszkowaną ceramikę z węglika krzemu .
Jakie metody zastosowano do testowania wydajności?
Testy wydajności obejmowały:
Pomiar lepkości zawiesiny w różnych czasach mieszania (1-5 godzin) za pomocą wiskozymetru obrotowego w temperaturze pokojowej.
Pomiar gęstości objętościowej preform zgodnie z normą krajową GB/T 25995-2010.
Pomiar wytrzymałości na zginanie spiekanych próbek w temperaturze 1720°C zgodnie z GB/T 6569-2006, przy wymiarach próbki 3 mm × 4 mm × 36 mm, rozpiętości 30 mm i prędkości obciążania 0,5 mm·min^-1 .
Analiza składu fazowego i mikrostruktury spiekanych próbek w temperaturze 1720°C z wykorzystaniem metod XRD i SEM.
Jak czas mieszania wpływa na lepkość zawiesiny, gęstość objętościową preformy i pozorną porowatość?
Figury 1 i 2 pokazują odpowiednio zależność pomiędzy czasem mieszania i lepkością zawiesiny dla próbki 2# oraz zależność pomiędzy czasem mieszania a gęstością objętościową preformy i pozorną porowatością.
Figura 1 wskazuje, że wraz ze wzrostem czasu mieszania lepkość maleje, osiągając minimum 721 mPa·s po 4 godzinach, a następnie stabilizuje się.
Rysunek 2 pokazuje, że próbka 2# ma maksymalną gęstość objętościową 1,47 g·cm^-3 i minimalną porowatość pozorną 32,4%. Niższa lepkość skutkuje lepszą dyspersją, co prowadzi do bardziej jednolitej i lepszej zawiesinyceramika z węglika krzemuwydajność. Niewystarczający czas mieszania prowadzi do nierównomiernego wymieszania drobnego proszku węglika krzemu, natomiast zbyt długi czas mieszania powoduje odparowanie większej ilości wody, destabilizując system. Optymalny czas mieszania do przygotowania w pełni drobno sproszkowanej ceramiki z węglika krzemu wynosi 4 godziny.
Tabela 2 przedstawia lepkość zawiesiny, gęstość objętościową preformy i pozorną porowatość próbki 2# z dodatkiem grafitu i próbki 6# bez dodatku grafitu. Dodatek grafitu obniża lepkość zaczynu, zwiększa gęstość objętościową preformy i zmniejsza pozorną porowatość ze względu na działanie smarujące grafitu, co skutkuje lepszą dyspersją i zwiększoną gęstością w pełni drobno sproszkowanegoceramika z węglika krzemu. Bez grafitu zawiesina ma wyższą lepkość, gorszą dyspersję i stabilność, co powoduje konieczność dodania grafitu.
Rysunek 3 przedstawia gęstość objętościową preformy i pozorną porowatość próbek o różnej zawartości sadzy. Próbka 2# ma największą gęstość objętościową wynoszącą 1,47 g·cm^-3 i najniższą pozorną porowatość wynoszącą 32,4%. Jednak zbyt mała porowatość utrudnia infiltrację krzemu.
Figura 4 przedstawia widma XRD próbki 2# preform i próbek spiekanych w temperaturze 1720°C. Preformy zawierają grafit i β-SiC, podczas gdy spiekane próbki zawierają Si, β-SiC i α-SiC, co wskazuje, że pewna ilość β-SiC przekształciła się w α-SiC w wysokich temperaturach. Spiekane próbki wykazują również zwiększoną zawartość Si i zmniejszoną zawartość C w wyniku infiltracji krzemu w wysokiej temperaturze, gdzie Si reaguje z C, tworząc SiC, wypełniając pory.
Figura 5 przedstawia morfologię pęknięć różnych próbek preform. Obrazy ukazują drobny węglik krzemu, grafit i pory. Próbki 1#, 4# i 5# mają większe fazy płatkowe i bardziej nierównomiernie rozmieszczone pory z powodu nierównomiernego mieszania, co skutkuje niską gęstością preformy i wysoką porowatością. Próbka 2# zawierająca 5,94% (w) sadzy wykazuje optymalną mikrostrukturę.
Figura 6 przedstawia morfologię pęknięć próbki 2# po spiekaniu w temperaturze 1720°C, przedstawiającą ściśle i równomiernie rozmieszczone cząstki węglika krzemu o minimalnej porowatości. Wzrost cząstek węglika krzemu wynika z działania wysokiej temperatury. Mniejsze, nowo utworzone cząstki SiC są również widoczne pomiędzy pierwotnymi cząstkami szkieletu SiC ze spiekania reakcyjnego, przy czym pewna ilość resztkowego Si wypełnia pierwotne pory, zmniejszając koncentrację naprężeń, ale potencjalnie wpływając na wydajność w wysokich temperaturach ze względu na jego niską temperaturę topnienia. Spiekany produkt ma gęstość objętościową 3,02 g·cm^-3 i wytrzymałość na zginanie 580 MPa, ponad dwukrotnie większą niż zwykławęglik krzemu spiekany reakcyjnie.
Wnioski
Optymalny czas mieszania zaczynu stosowanego do przygotowania w pełni drobnoziarnistego proszkuceramika z węglika krzemuwynosi 4 godziny. Dodatek grafitu zmniejsza lepkość zawiesiny, zwiększa gęstość objętościową preformy i zmniejsza pozorną porowatość, zwiększając gęstość całkowicie drobno sproszkowanegoceramika z węglika krzemu.
Optymalna zawartość sadzy do przygotowania całkowicie sproszkowanej ceramiki z węglika krzemu wynosi 5,94% (w).
Cząstki spiekanego węglika krzemu są ściśle i równomiernie rozmieszczone przy minimalnej porowatości, wykazując tendencję wzrostową. Gęstość spiekanego produktu wynosi 3,02 g·cm^-3, a wytrzymałość na zginanie 580 MPa, co znacznie poprawia wytrzymałość mechaniczną i gęstość całkowicie drobnoproszkowegoceramika z węglika krzemu.**
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