Keramik Silicon Carbide lan Proses Fabrikasi sing Maneka warna

Keramik silikon karbida (SiC).digunakake ing aplikasi sing nuntut kayata bantalan presisi, segel, rotor turbin gas, komponen optik, nozzle suhu dhuwur, komponen penukar panas, lan bahan reaktor nuklir. Panggunaan sing nyebar iki asale saka sifat sing luar biasa, kalebu resistensi nyandhang dhuwur, konduktivitas termal sing apik, resistensi oksidasi sing unggul, lan sifat mekanik suhu dhuwur sing luar biasa. Nanging, ikatan kovalen sing kuat lan koefisien difusi sing sithik sing ana ing SiC menehi tantangan sing signifikan kanggo nggayuh densifikasi dhuwur sajrone proses sintering. Akibate, proses sintering dadi langkah penting kanggo entuk kinerja dhuwurKeramik SiC.

Makalah iki nyedhiyakake ringkesan lengkap babagan macem-macem teknik manufaktur sing digunakake kanggo ngasilake kandhelRBSiC/PSSiC/RSiC keramik, nyorot ciri unik lan aplikasi:

1. Reaction Bonded Silicon Carbide (RBSiC)

RBSiCnyawiji wêdakakêna silikon karbida (biasane 1-10 μm) karo karbon, mbentuk campuran dadi awak ijo, lan tundhuk ing suhu dhuwur kanggo infiltrasi silikon. Sajrone proses iki, silikon bereaksi karo karbon kanggo mbentuk SiC, sing ngiket karo partikel SiC sing wis ana, sing pungkasane entuk densifikasi. Loro cara infiltrasi silikon utama digunakake:

Infiltrasi Silikon Cairan: Silikon dipanasake ing sadhuwure titik lebur (1450-1470 ° C), saéngga silikon molten nyusup ing awak ijo keropos liwat aksi kapiler. Silikon cair banjur bereaksi karo karbon, mbentuk SiC.

Infiltrasi Silikon Uap: Silikon dipanasake ngluwihi titik leleh kanggo ngasilake uap silikon. Uap iki nembus awak ijo lan banjur bereaksi karo karbon, mbentuk SiC.

Aliran Proses: Bubuk SiC + bubuk C + Pengikat → Pembentukan → Pangeringan → Kebakaran pengikat ing atmosfer sing dikontrol → Infiltrasi Si suhu dhuwur → Post-processing

(1) Pertimbangan Utama:

Suhu operasi sakaRBSiCdiwatesi dening isi silikon free ampas ing materi. Biasane, suhu operasi maksimal sekitar 1400 ° C. Ndhuwur suhu iki, kekuatan materi rusak kanthi cepet amarga leleh saka silikon gratis.

Infiltrasi silikon cair cenderung ninggalake isi silikon residual sing luwih dhuwur (biasane 10-15%, kadhangkala ngluwihi 15%), sing bisa nyebabake sifat produk pungkasan. Ing kontras, infiltrasi silikon uap ngidini kontrol sing luwih apik babagan isi silikon sing isih ana. Kanthi nyilikake porositas ing awak ijo, isi silikon residual sawise sintering bisa dikurangi nganti ngisor 10%, lan kanthi kontrol proses sing ati-ati, sanajan ing ngisor 8%. Pengurangan iki kanthi signifikan nambah kinerja sakabèhé produk pungkasan.

Iku penting kanggo Wigati singRBSiC, preduli saka cara infiltrasi, mesthi bakal ngemot sawetara silikon ampas (saka 8% kanggo liwat 15%). Mulane,RBSiCdudu keramik silikon karbida fase siji nanging minangka komposit "silikon + silikon karbida". Akibate,RBSiCuga diarani minangkaSiSiC (silikon silikon karbida komposit).

(2) Kaluwihan lan Aplikasi:

RBSiCnawakake sawetara kaluwihan, kalebu:

Suhu Sintering Low: Iki nyuda konsumsi energi lan biaya produksi.

Efektivitas Biaya: Proses iki relatif prasaja lan nggunakake bahan mentah sing kasedhiya, nyumbang kanggo keterjangkauan.

Densifikasi dhuwur:RBSiCentuk tingkat Kapadhetan sing dhuwur, sing ndadékaké sifat mekanik sing luwih apik.

Near-Net Shaping: Karbon lan silikon karbida preform bisa pra-mesin kanggo wangun ruwet, lan shrinkage minimal sak sintering (biasane kurang saka 3%) njamin akurasi dimensi banget. Iki nyuda perlu kanggo mesin post-sintering larang, nggaweRBSiCutamané cocok kanggo komponen gedhe, wangun Komplek.

Amarga kaluwihan kasebut,RBSiCseneng digunakake ing macem-macem aplikasi industri, utamane kanggo manufaktur:

Komponen tungku: Lining, crucibles, lan saggars.

Cermin angkasa:RBSiCKoefisien ekspansi termal sing sithik lan modulus elastis sing dhuwur ndadekake bahan sing cocog kanggo pangilon adhedhasar papan.

Exchangers panas suhu dhuwur: Perusahaan kaya Refel (Inggris) wis pionir nggunakakeRBSiCing penukar panas suhu dhuwur, kanthi aplikasi saka pangolahan kimia nganti pembangkit listrik. Asahi Glass (Jepang) uga wis nggunakake teknologi iki, mrodhuksi tabung exchange panas kiro-kiro saka 0,5 kanggo 1 meter dawa.

Salajengipun, panjaluk wafer sing luwih gedhe lan suhu pangolahan sing luwih dhuwur ing industri semikonduktor wis nyebabake pangembangan kemurnian dhuwur.RBSiCkomponen. Komponen kasebut, diprodhuksi nggunakake bubuk SiC kemurnian dhuwur lan silikon, mboko sithik ngganti bagean kaca kuarsa ing jig dhukungan kanggo tabung elektron lan peralatan pangolahan wafer semikonduktor.

Semicorex RBSiC Wafer Boat kanggo Difusi Tungku

(3) Watesan:

Senadyan kaluwihan,RBSiCnduweni watesan tartamtu:

Sisa Silicon: Kaya kasebut sadurunge, ingRBSiCProses kasebut nyebabake silikon bebas residual ing produk pungkasan. Sisa silikon iki duweni pengaruh negatif marang sifat materi, kalebu:

Suda kekuatan lan nyandhang resistance dibandhingake liyaneKeramik SiC.

Ketahanan karat sing winates: Silikon gratis gampang diserang dening larutan alkali lan asam kuwat kaya asam hidrofluorat, mbatesiRBSiCdigunakake ing lingkungan kasebut.

Kekuwatan suhu dhuwur sing luwih murah: Anane silikon gratis mbatesi suhu operasi maksimal nganti udakara 1350-1400 ° C.

2. Pressureless Sintering - PSSiC

Sintering tanpa tekanan silikon karbidaentuk densifikasi sampel kanthi wujud lan ukuran sing beda-beda ing suhu antarane 2000-2150 ° C ing atmosfer inert lan tanpa tekanan eksternal, kanthi nambahake alat bantu sintering sing cocog. Teknologi sintering tanpa tekanan saka SiC wis diwasa, lan kaluwihane yaiku biaya produksi sing murah lan ora ana watesan babagan bentuk lan ukuran produk. Utamane, keramik SiC sintered fase padhet duwe kapadhetan dhuwur, struktur mikro seragam, lan sifat materi sing komprehensif banget, saengga digunakake kanthi akeh ing cincin penyegelan sing tahan nyandhang lan karat, bantalan geser, lan aplikasi liyane.

Proses sintering tanpa tekanan silikon karbida bisa dipérang dadi fase padatsintered silikon karbida (SSiC)lan silikon karbida sinter fase cair (LSiC).

Struktur mikro lan wates butir silikon karbida sinter fase tanpa tekanan

Sintering fase padhet pisanan diciptakake dening ilmuwan Amerika Prochazka ing taun 1974. Dheweke nambahake jumlah boron lan karbon cilik menyang submicron β-SiC, nyadari sintering silikon karbida tanpa tekanan lan entuk awak sintered sing padhet kanthi kapadhetan cedhak 95% saka nilai teoritis. Sabanjure, W. Btcker lan H. Hansner nggunakake α-SiC minangka bahan mentah lan ditambahake boron lan karbon kanggo entuk densifikasi silikon karbida. Kathah panaliten salajengipun nedahaken bilih senyawa boron lan boron lan senyawa Al lan Al saged mbentuk larutan padat kanthi silikon karbida kangge ningkataken sintering. Penambahan karbon migunani kanggo sintering kanthi reaksi karo silikon dioksida ing permukaan silikon karbida kanggo nambah energi permukaan. Karbida silikon sintered fase padhet nduweni wates gandum sing relatif "resik" kanthi ora ana fase cair, lan biji-bijian kasebut gampang tuwuh ing suhu dhuwur. Mulane, fraktur kasebut transgranular, lan kekuatan lan ketangguhan fraktur umume ora dhuwur. Nanging, amarga wates gandum "resik", kekuatan suhu dhuwur ora owah kanthi suhu sing tambah lan umume tetep stabil nganti 1600 ° C.

Sintering silikon karbida fase cair diciptakake dening ilmuwan Amerika M.A. Mulla ing wiwitan taun 1990-an. Aditif sintering utama yaiku Y2O3-Al2O3. Sintering fase cair nduweni kauntungan saka suhu sintering sing luwih murah tinimbang sintering fase padat, lan ukuran butir luwih cilik.

Kerugian utama sintering fase padhet yaiku suhu sintering dhuwur sing dibutuhake (> 2000 ° C), syarat kemurnian dhuwur kanggo bahan mentah, ketangguhan fraktur sing kurang saka awak sing disinter, lan sensitivitas kuat saka kekuatan fraktur kanggo retak. Sacara struktural, biji-bijian kasebut kasar lan ora rata, lan mode fraktur biasane transgranular. Ing taun-taun pungkasan, riset babagan bahan keramik silikon karbida ing omah lan ing luar negeri wis fokus ing sintering fase cair. Sintering fase cair digayuh kanthi nggunakake jumlah oksida eutektik rendah multi-komponen minangka alat bantu sintering. Contone, bantuan binar lan ternary saka Y2O3 bisa nggawe SiC lan komposite nuduhake sintering fase Cairan, entuk densifikasi becik saka materi ing suhu sing luwih murah. Ing wektu sing padha, amarga introduksi saka phase Cairan wates gandum lan weakening saka kekuatan iketan antarmuka unik, mode fraktur saka materi Keramik diganti mode fraktur intergranular, lan kateguhan fraktur saka materi Keramik wis Ngartekno apik. .

3. Silicon Carbide Recrystallized - RSiC

Recrystallized silicon carbide (RSiC)minangka bahan SiC kemurnian dhuwur sing digawe saka bubuk silikon karbida (SiC) kemurnian dhuwur kanthi rong ukuran partikel sing beda, kasar lan alus. Iki disinter ing suhu dhuwur (2200-2450 ° C) liwat mekanisme penguapan-kondensasi tanpa nambah alat bantu sintering.

Cathetan: Tanpa bantuan sintering, wutah gulu sintering umume digayuh liwat difusi permukaan utawa transfer massa penguapan-kondensasi. Miturut teori sintering klasik, ora ana cara transfer massa iki bisa nyuda jarak antarane pusat massa partikel kontak, saéngga ora nyebabake penyusutan ing skala makroskopik, yaiku proses non-densifikasi. Kanggo ngatasi masalah iki lan entuk keramik karbida silikon kanthi kapadhetan dhuwur, wong wis nindakake pirang-pirang langkah, kayata ngetrapake panas, nambah alat sintering, utawa nggunakake kombinasi panas, tekanan, lan alat sintering.

Gambar SEM saka lumahing fraktur saka silikon karbida recrystallized

Karakteristik lan Aplikasi:

RSiCngandhut luwih saka 99% SiC lan Sejatine ora impurities wates gandum, nahan akeh banget sifat SiC, kayata kekuatan suhu dhuwur, resistance karat, lan resistance kejut termal. Mulane, iki digunakake digunakake ing Furnitur kiln suhu dhuwur, muncung pembakaran, Konverter termal solar, piranti pemurnian gas exhaust kendaraan diesel, peleburan logam, lan lingkungan liyane kanthi syarat kinerja sing nuntut banget.

Amarga mekanisme sintering penguapan-kondensasi, ora ana shrinkage sajrone proses tembak, lan ora ana stres residual sing bisa nyebabake deformasi utawa retak produk.

RSiCbisa dibentuk kanthi macem-macem cara kayata slip casting, gel casting, extrusion, lan pressing. Amarga ora ana shrinkage sajrone proses tembak, gampang entuk produk kanthi bentuk lan ukuran sing akurat anggere dimensi awak ijo dikontrol kanthi apik.

Sing dipecatproduk SiC rekristalisasingemot kira-kira 10% -20% pori sisa. Porositas materi gumantung banget marang porositas awak ijo dhewe lan ora owah sacara signifikan karo suhu sintering, nyedhiyakake basis kanggo kontrol porositas.

Ing mekanisme sintering iki, materi kasebut nduweni akeh pori sing saling gegandhengan, sing nduweni macem-macem aplikasi ing bidang bahan keropos. Contone, bisa ngganti produk keropos tradisional ing lapangan filtrasi gas exhaust lan filtrasi udara bahan bakar fosil.

RSiCnduweni wates gandum sing cetha lan resik tanpa fase kaca lan impurities amarga sembarang impurities oksida utawa logam wis volatilized ing suhu dhuwur saka 2150-2300 ° C. Mekanisme sintering penguapan-kondensasi uga bisa ngresiki SiC (isi SiC ingRSiCndhuwur 99%), nahan akeh sifat SiC sing apik banget, saengga cocog kanggo aplikasi sing mbutuhake kekuatan suhu dhuwur, tahan karat, lan tahan kejut termal, kayata perabotan kiln suhu dhuwur, muncung pembakaran, konverter termal surya, lan peleburan logam. .**