Keramika z karbidu křemíku a jejich různé výrobní procesy

Keramika z karbidu křemíku (SiC).jsou široce používány v náročných aplikacích, jako jsou přesná ložiska, těsnění, rotory plynových turbín, optické součásti, vysokoteplotní trysky, součásti výměníků tepla a materiály jaderných reaktorů. Toto široké použití pramení z jejich výjimečných vlastností, včetně vysoké odolnosti proti opotřebení, vynikající tepelné vodivosti, vynikající odolnosti proti oxidaci a vynikajících vysokoteplotních mechanických vlastností. Silná kovalentní vazba a nízký difúzní koeficient vlastní SiC však představují významnou výzvu při dosahování vysoké hustoty během procesu slinování. V důsledku toho se proces slinování stává zásadním krokem pro dosažení vysokého výkonuSiC keramika.

Tento dokument poskytuje komplexní přehled různých výrobních technik používaných k výrobě hutných materiálůRBSiC/PSSiC/RSiC keramika, zdůrazňující její jedinečné vlastnosti a použití:

1. Reakčně vázaný karbid křemíku (RBSiC)

RBSiCzahrnuje smíchání prášku karbidu křemíku (typicky 1-10 μm) s uhlíkem, tvarování směsi do zeleného tělesa a její vystavení vysokým teplotám pro infiltraci křemíku. Během tohoto procesu křemík reaguje s uhlíkem za vzniku SiC, který se váže s existujícími částicemi SiC, čímž se nakonec dosáhne zhuštění. Používají se dvě primární metody infiltrace křemíku:

Infiltrace kapalného křemíku: Křemík se zahřeje nad jeho bod tání (1450-1470 °C), což umožňuje roztavenému křemíku infiltrovat porézní zelené těleso kapilárním působením. Roztavený křemík poté reaguje s uhlíkem za vzniku SiC.

Infiltrace par křemíku: Křemík se zahřívá nad bod tání, aby se vytvořily křemíkové páry. Tato pára prostupuje zeleným tělesem a následně reaguje s uhlíkem za vzniku SiC.

Průtok procesu: prášek SiC + prášek C + pojivo → tvarování → sušení → vyhoření pojiva v řízené atmosféře → vysokoteplotní infiltrace Si → následné zpracování

(1) Klíčové úvahy:

Provozní teplotaRBSiCje omezena zbytkovým obsahem volného křemíku v materiálu. Obvykle je maximální provozní teplota kolem 1400 °C. Nad touto teplotou se pevnost materiálu rychle zhoršuje v důsledku tavení volného křemíku.

Infiltrace kapalného křemíku má tendenci zanechávat vyšší zbytkový obsah křemíku (typicky 10-15 %, někdy přesahující 15 %), což může negativně ovlivnit vlastnosti konečného produktu. Naproti tomu infiltrace par křemíku umožňuje lepší kontrolu nad zbytkovým obsahem křemíku. Minimalizací pórovitosti v surovém tělese lze zbytkový obsah křemíku po slinování snížit pod 10 % a při pečlivé kontrole procesu dokonce pod 8 %. Toto snížení výrazně zlepšuje celkový výkon konečného produktu.

Je důležité si to uvědomitRBSiC, bez ohledu na způsob infiltrace, bude nevyhnutelně obsahovat určité množství zbytkového křemíku (v rozmezí od 8 % do více než 15 %). Proto,RBSiCnení jednofázová keramika z karbidu křemíku, ale spíše kompozit „křemík + karbid křemíku“. v důsledku tohoRBSiCse také označuje jakoSiSiC (kompozit z karbidu křemíku).

(2) Výhody a použití:

RBSiCnabízí několik výhod, včetně:

Nízká teplota slinování: To snižuje spotřebu energie a výrobní náklady.

Efektivita nákladů: Proces je relativně jednoduchý a využívá snadno dostupné suroviny, což přispívá k jeho cenové dostupnosti.

Vysoká hustota:RBSiCdosahuje vysoké úrovně hustoty, což vede ke zlepšení mechanických vlastností.

Tvarování v blízkosti sítě: Předlisek z uhlíku a karbidu křemíku lze předem opracovat do složitých tvarů a minimální smrštění během slinování (obvykle méně než 3 %) zajišťuje vynikající rozměrovou přesnost. To snižuje potřebu nákladného obrábění po spékáníRBSiCzvláště vhodné pro velké, složitě tvarované součásti.

Díky těmto výhodámRBSiCmá široké použití v různých průmyslových aplikacích, především pro výrobu:

Komponenty pece: Vyzdívky, kelímky a saggary.

Prostorová zrcátka:RBSiCNízký koeficient tepelné roztažnosti a vysoký modul pružnosti z něj činí ideální materiál pro vesmírná zrcadla.

Vysokoteplotní výměníky tepla: Společnosti jako Refel (UK) se staly průkopníky jejich použitíRBSiCve vysokoteplotních výměnících tepla s aplikacemi od chemického zpracování až po výrobu energie. Asahi Glass (Japonsko) také přijalo tuto technologii a vyrábí teplosměnné trubky o délce od 0,5 do 1 metru.

Kromě toho rostoucí poptávka po větších destičkách a vyšších teplotách zpracování v polovodičovém průmyslu podnítily vývoj vysoce čistýchRBSiCkomponenty. Tyto součástky, vyrobené s použitím vysoce čistého SiC prášku a křemíku, postupně nahrazují díly z křemenného skla v nosných přípravcích pro elektronky a zařízení na zpracování polovodičových destiček.

Semicorex RBSiC oplatkový člun pro difúzní pec

(3) Omezení:

Navzdory svým přednostem,RBSiCmá určitá omezení:

Zbytkový křemík: Jak již bylo zmíněno,RBSiCproces inherentně vede ke zbytkovému volnému křemíku v konečném produktu. Tento zbytkový křemík negativně ovlivňuje vlastnosti materiálu, včetně:

Snížená pevnost a odolnost proti opotřebení ve srovnání s jinýmiSiC keramika.

Omezená odolnost proti korozi: Volný křemík je náchylný k napadení alkalickými roztoky a silnými kyselinami, jako je kyselina fluorovodíková, což omezujeRBSiCpoužití v takových prostředích.

Nižší pevnost při vysokých teplotách: Přítomnost volného křemíku omezuje maximální provozní teplotu na přibližně 1350-1400 °C.

2. Beztlakové slinování - PSSiC

Beztlakové slinování karbidu křemíkudosahuje zhuštění vzorků různých tvarů a velikostí při teplotách mezi 2000-2150°C pod inertní atmosférou a bez použití vnějšího tlaku přidáním vhodných slinovacích pomůcek. Technologie beztlakého slinování SiC dozrála a její výhody spočívají v nízkých výrobních nákladech a bez omezení tvaru a velikosti výrobků. Zejména slinutá SiC keramika v pevné fázi má vysokou hustotu, jednotnou mikrostrukturu a vynikající komplexní materiálové vlastnosti, díky čemuž je široce používána v těsnicích kroužcích odolných proti opotřebení a korozi, kluzných ložiskách a dalších aplikacích.

Proces beztlakového slinování karbidu křemíku lze rozdělit na pevnou fázislinutý karbid křemíku (SSiC)a slinutý karbid křemíku v kapalné fázi (LSiC).

Mikrostruktura a hranice zrn beztlakého slinutého karbidu křemíku v pevné fázi

Slinování v pevné fázi bylo poprvé vynalezeno americkým vědcem Procházkou v roce 1974. K submikronovému β-SiC přidal malé množství boru a uhlíku, čímž realizoval beztlaké slinování karbidu křemíku a získal husté slinuté těleso s hustotou blízkou 95 % teoretickou hodnotu. Následně W. Btcker a H. Hansner použili jako surovinu α-SiC a přidali bor a uhlík k dosažení zhuštění karbidu křemíku. Mnoho pozdějších studií ukázalo, že jak sloučeniny boru, tak sloučeniny boru a sloučeniny Al a Al mohou tvořit pevné roztoky s karbidem křemíku pro podporu slinování. Přídavek uhlíku je prospěšný pro slinování reakcí s oxidem křemičitým na povrchu karbidu křemíku za účelem zvýšení povrchové energie. Slinutý karbid křemíku v pevné fázi má relativně „čisté“ hranice zrn v podstatě bez přítomnosti kapalné fáze a zrna snadno rostou při vysokých teplotách. Proto je lom transgranulární a pevnost a lomová houževnatost nejsou obecně vysoké. Díky „čistým“ hranicím zrn se však pevnost při vysokých teplotách se zvyšující se teplotou nemění a obecně zůstává stabilní až do 1600 °C.

Slinování karbidu křemíku v kapalné fázi vynalezl americký vědec M.A. Mulla na počátku 90. let 20. století. Jeho hlavní slinovací přísadou je Y2O3-Al2O3. Slinování v kapalné fázi má výhodu nižší teploty slinování ve srovnání se slinováním v pevné fázi a velikost zrna je menší.

Hlavními nevýhodami slinování v pevné fázi jsou vysoká požadovaná slinovací teplota (>2000°C), vysoké požadavky na čistotu surovin, nízká lomová houževnatost slinutého tělesa a velká citlivost lomové pevnosti na trhliny. Strukturálně jsou zrna hrubá a nerovnoměrná a způsob lomu je typicky transgranulární. V posledních letech se výzkum keramických materiálů z karbidu křemíku doma i v zahraničí zaměřuje na slinování v kapalné fázi. Slinování v kapalné fázi se dosahuje použitím určitého množství vícesložkových nízkoeutektických oxidů jako pomocných slinovacích prostředků. Například binární a ternární pomocné látky Y2O3 mohou způsobit, že SiC a jeho kompozity vykazují slinování v kapalné fázi, čímž se dosahuje ideálního zhuštění materiálu při nižších teplotách. Současně se v důsledku zavedení kapalné fáze na hranicích zrn a oslabení jedinečné vazebné pevnosti rozhraní mění režim lomu keramického materiálu na režim mezikrystalového lomu a lomová houževnatost keramického materiálu se výrazně zlepšuje. .

3. Rekrystalizovaný karbid křemíku - RSiC

Rekrystalizovaný karbid křemíku (RSiC)je vysoce čistý SiC materiál vyrobený z vysoce čistého prášku karbidu křemíku (SiC) se dvěma různými velikostmi částic, hrubými a jemnými. Spéká se při vysokých teplotách (2200-2450 °C) prostřednictvím mechanismu odpařování a kondenzace bez přidání pomocných slinovacích prostředků.

Poznámka: Bez slinovacích pomůcek je růst spékacího hrdla obecně dosahován povrchovou difúzí nebo přenosem hmoty odpařováním a kondenzací. Podle klasické teorie slinování žádná z těchto metod přenosu hmoty nemůže zmenšit vzdálenost mezi těžišti kontaktujících částic, a tak nezpůsobit žádné smršťování v makroskopickém měřítku, což je proces bez zhušťování. K vyřešení tohoto problému a získání keramiky z karbidu křemíku s vysokou hustotou lidé přijali mnoho opatření, jako je aplikace tepla, přidání slinovacích pomůcek nebo použití kombinace tepla, tlaku a slinovacích pomůcek.

SEM snímek lomové plochy rekrystalizovaného karbidu křemíku

Vlastnosti a aplikace:

RSiCobsahuje více než 99 % SiC a v podstatě žádné nečistoty na hranicích zrn, zachovává si mnoho vynikajících vlastností SiC, jako je pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti korozi a odolnost proti tepelným šokům. Proto je široce používán v nábytku pro vysokoteplotní pece, spalovacích tryskách, solárních tepelných konvertorech, zařízeních na čištění výfukových plynů dieselových vozidel, tavení kovů a dalších prostředích s extrémně náročnými požadavky na výkon.

Díky odpařovacímu a kondenzačnímu slinovacímu mechanismu nedochází během procesu vypalování k žádnému smršťování a nevytváří se žádné zbytkové napětí, které by způsobilo deformaci nebo praskání produktu.

RSiCmohou být vytvořeny různými metodami, jako je lití skluzu, lití gelu, vytlačování a lisování. Vzhledem k tomu, že během procesu vypalování nedochází k žádnému smrštění, je snadné získat produkty s přesnými tvary a velikostmi, pokud jsou rozměry surového těla dobře kontrolovány.

Vyhozenirekrystalizovaný produkt SiCobsahuje přibližně 10%-20% zbytkových pórů. Pórovitost materiálu do značné míry závisí na poréznosti samotného surového tělesa a významně se nemění s teplotou slinování, což poskytuje základ pro kontrolu poréznosti.

Pod tímto slinovacím mechanismem má materiál mnoho vzájemně propojených pórů, což má široké uplatnění v oblasti porézních materiálů. Může například nahradit tradiční porézní produkty v oblasti filtrace výfukových plynů a filtrace vzduchu na fosilní paliva.

RSiCmá velmi jasné a čisté hranice zrn bez skelných fází a nečistot, protože jakékoli oxidové nebo kovové nečistoty se vypařily při vysokých teplotách 2150-2300 °C. Mechanismus vypařování a kondenzace může také čistit SiC (obsah SiC vRSiCmá více než 99 %), zachovává si mnoho vynikajících vlastností SiC, díky čemuž je vhodný pro aplikace vyžadující pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti korozi a tepelným šokům, jako je nábytek pro vysokoteplotní pece, spalovací trysky, solární tepelné konvertory a tavení kovů .**