SiC با واکنش بسته و بدون فشار: دو مسیر مختلف برای سرامیک کربید سیلیکون متراکم

سرامیک های کربید سیلیکونبه طور گسترده ای به خاطر سختی، رسانایی حرارتی، گسترش حرارتی پایین و مقاومت در برابر محیط های تهاجمی ارزش گذاری می شوند.

اما SiC همچنین یک چالش پردازش غیرمعمول را ارائه می دهد.

اتصال کووالنت قوی و انتشار کم اتم باعث می شود که چگال کردن معمولی بسیار دشوار باشد و تولید کنندگان را مجبور به استفاده از فن آوری های تخصصی سینتر می کند.

از مهم ترین مسیرهای صنعتی عبارتند ازاتصال واکنشوسینتر کردن بدون فشار.

اگرچه هر دو برای تولید سرامیک SiC با عملکرد بالا استفاده می شوند، اما از طریق مکانیسم های بسیار متفاوت چگال می شوند.

چگونگی تولید کربید سیلیکون مرتبط با واکنش

کربید سیلیکون با واکنش، که اغلب به عنوان RB-SiC کوتاه می شود، معمولاً با مخلوط پودر SiC، کربن و یک باندر آلی شروع می شود.

مخلوط پودر قبل از نفوذ سیلیکون در دمای بالا به یک بدن سبز شکل می گیرد.

در طول فرآیند، سیلیکون ذوب شده یا بخار به بدن سبز متخلخل وارد می شود و با کربن واکنش نشان می دهد:

Si + C → SiC

این واکنش باعث ایجاد کربید سیلیکون ثانویه بین ذرات اصلی SiC می شود.

سیلیکون آزاد باقی مانده سپس بخش زیادی از فضای منافذ باقی مانده را اشغال می کند و یک ساختار سرامیکی بسیار متراکم تولید می کند.

چرا حفره ای بودن بدن سبز حیاتی است؟

یکی از مهم ترین عوامل در سینتر کردن واکنش، منافذ اولیه بدن سبز است.

سیلیکون باید بتواند به اندازه کافی به ساختار نفوذ کند.

اگر جسم سبز بیش از حد متراکم باشد، نفوذ سیلیکون می تواند محدود شود.

سپس واکنش ممکن است عمدتاً در نزدیکی سطح رخ دهد، در حالی که کربن و منافذ غیرفعال در مرکز جزء باقی می مانند.

به همین دلیل، تراکم جسم سبز باید با دقت طراحی شود.

تولید کنندگان می توانند آن را با تنظیم پارامترهای شامل:

• نسبت SiC به کربن
• توزیع اندازه ذرات SiC
• اندازه و مورفولوژی ذرات کربن
• فرمولاسیون مواد اتصال دهنده
• فشار تشکیل دهنده

بنابراین پیوند واکنش موفق مدت ها قبل از مرحله نفوذ سیلیکون آغاز می شود.

چرا SiC مرتبط با واکنش برای اجزای بزرگ مناسب است

یک مزیت عمده SiC مرتبط با واکنش کوچک شدن بسیار کم آن در طول پردازش است.

از آنجا که تغییرات ابعادی نسبتاً کوچک هستند، این فناوری اغلب به عنوان یک مسیر تولید نزدیک به شکل شبکه توصیف می شود.

این باعث می شود RB-SiC برای اجزای سرامیکی بزرگ، پیچیده یا با شکل دقیق جذاب باشد.

محصولات معمول شامل اجزای مبادله گرما، رول های کوره، نوزل ها و قطعات ساختاری مختلف است.

دمای پردازش نسبتاً پایین آن در مقایسه با برخی از مسیرهای دیگر سینتر کردن SiC و توانایی آن برای تولید هندسه های پیچیده نیز می تواند اتصال واکنش را از نظر اقتصادی جذاب کند.

سی سی سی در تجهیزات نیمه هادی

با افزایش اندازه و دماهای فرآیند،سرامیک SiC به عنوان جایگزین مواد معمولی در محیط های با دمای بالا و تجهیزات شیمیایی سخت توجه بیشتری پیدا کرده است.

اجزای SiC مرتبط با واکنش ساخته شده از پودر SiC با خلوص بالا و سیلیکون با خلوص بالا می توانند برای لوازم مورد استفاده قرار گیرند.پشتیبانی و قطعات ساختاری در تجهیزات تولید نیمه هادی و الکترونیکی.

ترکیب آنها از ثبات حرارتی، سفتی و ثبات ابعادی به ویژه در مواردی که اجزاء در معرض چرخه های گرمایش مکرر قرار دارند، ارزشمند است.

با این حال، سیلیکون باقی مانده باید همیشه هنگام انتخاب RB-SiC برای یک محیط فرآیند خاص در نظر گرفته شود.

سینتر کردن بدون فشار روش متفاوتی را دنبال می کند

برخلاف اتصال واکنش، سینتر کردن بدون فشار تلاش می کند SiC را بدون اعمال فشار مکانیکی خارجی در طول فرآیند سینتر سازی اصلی متراکم کند.

دو مسیر اصلی معمولاً متمایز می شوند:

سینتر کردن در حالت جامدوسینتر کردن فاز مایع.

اگرچه هر دو فرآیند بدون فشار هستند، اما مکانیسم های چگالی آنها اساسا متفاوت است.

سینتر کردن جامد: دمای بالا و افزودنی های کنترل شده

یکی از نقاط عطف در پردازش SiC در سال 1974 اتفاق افتاد، زمانی که S.پروچازکا نشان داد که پودر β-SiC با خلوص بالا که حاوی مقادیر کمی بور و کربن است می تواند بدون فشار در حدود ۲۰۲۰ درجه سانتیگراد به تراکم نسبی بالاتر از ۹۸٪ سینتر شود.

سیستم افزودنی B-C یکی از شناخته شده ترین روش های سینتر کردن در حالت جامد برای SiC است.

بورون و کربن را می توان به صورت جداگانه وارد کرد یا از ترکیبات مانند B4C استفاده کرد.

دمای متراکم شدن معمولی حدود 1900 ∼ 2100 درجه سانتیگراد است.

سیستم های افزودنی دیگر شامل Al-C و AlN-C هستند.

آلومینیوم یک افزودنی موثر برای سینتر کردن SiC است، در حالی که افزودنی های AlN می توانند به سرکوب رشد بیش از حد دانه های SiC در شرایط پردازش خاص کمک کنند.

مزایای سی سی سی سینتر شده در حالت جامد

سی سی سینتر شده در حالت جامد می تواند ثبات شیمیایی و حرارتی عالی را فراهم کند.

یکی از ویژگی های ارزشمند آن توانایی حفظ عملکرد مکانیکی بالا در دمای بالا است.

از آنجا که چگال شدن بدون وارد کردن حجم زیادی از فاز مایع مرز دانه رخ می دهد، مواد نهایی می توانند خواص درجه حرارت بالا را حفظ کنند.

این باعث می شود SiC سنتر شده در حالت جامد برای کاربردهای ساختاری و حرارتی مطلوب باشد.

چرا سینتر کردن جامد دشوار است

معایب اصلی آن شدت پردازش است.

دمای 1900~2100 درجه سانتیگراد نیاز به انرژی قابل توجهی و تجهیزات تخصصی با دمای بالا دارد.

کنترل ضعیف همچنین می تواند منجر به رشد غیر طبیعی دانه شود که ممکن است عملکرد مکانیکی را کاهش دهد.

زمان نگه داشتن طولانی ممکن است برای رسیدن به چگالی تقریبا کامل مورد نیاز باشد.

علاوه بر این، این فرآیند به ویژگی های پودر بسیار حساس است، از جمله:

اندازه ذرات، توزیع اندازه ذرات، خلوص و یکسانی مخلوط.

سینتر کردن فاز مایع: آسان تر کردن حمل و نقل جمعی

سینتر کردن فاز مایع یک راه حل جایگزین فراهم می کند.

به جای اینکه به طور کامل به انتشار جامد تکیه کنند، افزودنی های انتخاب شده در طول گرم کردن فاز مایع را تشکیل می دهند.

این مایع ذرات SiC را مرطوب می کند و روان می کند، تنظیم مجدد را ترویج می کند و یک مسیر کارآمد برای حمل و نقل توده ایجاد می کند.

به عنوان مثال، در سیستم هایی که حاوی Al2O3 هستند، اکسید می تواند با SiO2 که به طور طبیعی در سطوح ذرات SiC وجود دارد، تعامل داشته باشد.

فاز حاصل از دانه های مایع، به چگال شدن کمک می کند.

این فرآیند معمولاً با مکانیسم انحلال-بازگشت توصیف می شود.

سیستم Al2O3-Y2O3

یکی از سیستم های افزودنی سنجش فاز مایع که به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است، Al2O3-Y2O3 است.

معرفی Y2O3 با Al2O3 می تواند فاز مایع مطلوب را در دمای بالا ایجاد کند.

در مقایسه با سینتر کردن حالت جامد معمولی، این روش می تواند دمای مورد نیاز برای چگال شدن را کاهش دهد و می تواند میکروسtruktور، قدرت و سختی شکستگی را بهبود بخشد.

با این حال، مقدار و ترکیب فاز افزودنی باید به دقت کنترل شود.

فاز مرزی دانه بیش از حد ممکن است بر خواص وابسته به خلوص بالا یا عملکرد پایدار در دمای بالا تأثیر منفی بگذارد.

انتخاب بین دو راه

اتصال واکنش و سینتر کردن بدون فشار نباید به سادگی به عنوان فناوری های رقابتی در نظر گرفته شود.

آنها مشکلات مختلف تولید را حل می کنند.

SiC مرتبط با واکنش به ویژه زمانی جذاب است که تولید نزدیک به شکل شبکه، کوچک شدن کم، ابعاد بزرگ و هندسه پیچیده اولویت دارند.

SiC بدون فشار جذاب است زمانی که عملکرد ذاتی سرامیک SiC خود مهم تر است و سیلیکون آزاد باقی مانده نامطلوب است.

در درون سینتر کردن بدون فشار، مسیرهای فاز جامد و فاز مایع گزینه دیگری را معرفی می کنند:

سینتر کردن در حالت جامد، ثبات در دمای بالا را اولویت می دهد، در حالی که سینتر کردن در فاز مایع می تواند چگالی آسان تر و سختی مکانیکی بهتر را فراهم کند.

بنابراین انتخاب درست نه تنها به تراکم، بلکه به هندسه قطعات، دمای کار، الزامات خلوص و محیط فرآیند اطراف بستگی دارد.