Přehled 9 slinovacích technik pro keramiku z karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC), prominentní strukturální keramika, je známá pro své výjimečné vlastnosti, včetně pevnosti při vysokých teplotách, tvrdosti, modulu pružnosti, odolnosti proti opotřebení, tepelné vodivosti a odolnosti proti korozi. Díky těmto vlastnostem je vhodný pro širokou škálu aplikací, od tradičního průmyslového použití v nábytku pro vysokoteplotní pece, tryskách hořáků, výměnících tepla, těsnicích kroužcích a kluzných ložiskách až po pokročilé aplikace, jako je balistické pancéřování, vesmírná zrcadla, polovodičové sklíčidla, a obalování jaderného paliva.

Proces slinování je rozhodující pro určení konečných vlastnostíSiC keramika. Rozsáhlý výzkum vedl k vývoji různých technik slinování, od zavedených metod, jako je reakční slinování, beztlakové slinování, rekrystalizační slinování a lisování za tepla, až po novější inovace, jako je jiskrové plazmové slinování, bleskové slinování a oscilační tlakové slinování.

Zde je bližší pohled na devět prominentůSiC keramikaslinovací techniky:

1. Lisování za tepla:

Průkopník Alliegro et al. ve společnosti Norton Company zahrnuje lisování za tepla současné použití tepla a tlaku na aSiC prášekkompaktní v matrici. Tato metoda umožňuje současné zhušťování a tvarování. I když je lisování za tepla účinné, vyžaduje složité vybavení, specializované formy a přísnou kontrolu procesu. Mezi jeho omezení patří vysoká spotřeba energie, omezená tvarová složitost a vysoké výrobní náklady.

2. Reakční slinování:

Jako první navrhl P. Popper v 50. letech 20. století reakční slinování zahrnuje mícháníSiC prášekse zdrojem uhlíku. Surové těleso, vytvořené litím, suchým lisováním nebo izostatickým lisováním za studena, prochází procesem infiltrace křemíku. Ohřev nad 1500 °C ve vakuu nebo inertní atmosféře roztaví křemík, který kapilárním působením infiltruje porézní těleso. Kapalný nebo plynný křemík reaguje s uhlíkem a vytváří in-situ β-SiC, který se váže s existujícími částicemi SiC, což má za následek hutnou keramiku.

Reakčně vázaný SiC se může pochlubit nízkými teplotami slinování, hospodárností a vysokou hustotou. Díky zanedbatelnému smrštění při slinování je zvláště vhodný pro velké, složitě tvarované součásti. Mezi typické aplikace patří nábytek pro vysokoteplotní pece, sálavé trubky, výměníky tepla a odsiřovací trysky.

Semicorex Procesní cesta lodi RBSiC

3. Beztlakové slinování:

Zpracovali S. Procházka et al. ve společnosti GE v roce 1974 beztlakové slinování eliminuje potřebu vnějšího tlaku. Zhuštění probíhá při 2000-2150°C za atmosférického tlaku (1,01 x 105 Pa) v inertní atmosféře za pomoci slinovacích přísad. Beztlakové slinování lze dále rozdělit na slinování v pevném stavu a slinování v kapalné fázi.

Beztlakové slinování v pevném stavu dosahuje vysokých hustot (3,10-3,15 g/cm3) bez mezikrystalových skleněných fází, což má za následek výjimečné vysokoteplotní mechanické vlastnosti s použitím teplot dosahujících 1600 °C. Nadměrný růst zrn při vysokých teplotách slinování však může negativně ovlivnit pevnost.

Beztlakové slinování v kapalné fázi rozšiřuje možnosti použití SiC keramiky. Kapalná fáze, vytvořená tavením jedné složky nebo eutektickou reakcí více složek, zlepšuje kinetiku zhušťování tím, že poskytuje cestu vysoké difuzivity, což vede k nižším teplotám slinování ve srovnání se slinováním v pevném stavu. Jemná zrnitost a zbytková mezikrystalová kapalná fáze ve slinutém SiC v kapalné fázi podporují přechod od transgranulárního k intergranulárnímu lomu, čímž se zvyšuje pevnost v ohybu a lomová houževnatost.

Beztlaké slinování je vyspělá technologie s výhodami, jako je nákladová efektivita a tvarová všestrannost. Zejména slinutý SiC v pevné fázi nabízí vysokou hustotu, jednotnou mikrostrukturu a vynikající celkový výkon, díky čemuž je vhodný pro součásti odolné proti opotřebení a korozi, jako jsou těsnicí kroužky a kluzná ložiska.

Beztlakový pancíř ze slinutého karbidu křemíku

4. Rekrystalizační slinování:

V 80. letech Kriegesmann demonstroval výrobu vysoce výkonných rekrystalizovanýchSiC keramikalitím licí břečky s následným slinováním při 2450 °C. Tato technika byla rychle přijata pro velkosériovou výrobu FCT (Německo) a Norton (USA).

Rekrystalizovaný SiC zahrnuje slinování surového tělesa vytvořeného balením částic SiC různých velikostí. Jemné částice, rovnoměrně rozmístěné v mezerách hrubších částic, se odpařují a kondenzují na kontaktních místech větších částic při teplotách nad 2100 °C v řízené atmosféře. Tento mechanismus odpařování a kondenzace vytváří nové hranice zrn na hrdlech částic, což vede k růstu zrn, tvorbě hrdla a slinutému tělesu se zbytkovou pórovitostí.

Klíčové vlastnosti rekrystalizovaného SiC zahrnují:

Minimální smrštění: Absence hranic zrn nebo objemové difúze během slinování má za následek zanedbatelné smrštění.

Near-Net Shaping: Hustota sintrování zůstává téměř identická s hustotou zeleného tělesa.

Čisté hranice zrn: Rekrystalizovaný SiC vykazuje čisté hranice zrn bez skleněných fází nebo nečistot.

Zbytková pórovitost: Slinuté těleso si typicky zachovává 10-20 % pórovitosti.

5. Izostatické lisování za tepla (HIP):

HIP využívá tlak inertního plynu (typicky argon) ke zvýšení zhuštění. Práškový kompakt SiC, uzavřený ve skleněné nebo kovové nádobě, je vystaven izostatickému tlaku v peci. Jak teplota stoupá do oblasti slinování, kompresor udržuje počáteční tlak plynu několik megapascalů. Tento tlak se během zahřívání progresivně zvyšuje a dosahuje až 200 MPa, účinně eliminuje vnitřní póry a dosahuje vysoké hustoty.

6. Jiskrové plazmové slinování (SPS):

SPS je nová technika práškové metalurgie pro výrobu hutných materiálů, včetně kovů, keramiky a kompozitů. Využívá vysokoenergetické elektrické pulzy k vytvoření pulzního elektrického proudu a jiskření plazmy mezi částicemi prášku. Toto lokalizované zahřívání a generování plazmatu probíhá při relativně nízkých teplotách a krátké době, což umožňuje rychlé slinování. Tento proces účinně odstraňuje povrchové nečistoty, aktivuje povrchy částic a podporuje rychlé zhuštění. SPS byl úspěšně použit pro výrobu hutné SiC keramiky s použitím Al2O3 a Y2O3 jako slinovacích pomůcek.

7. Mikrovlnné slinování:

Na rozdíl od konvenčního ohřevu využívá mikrovlnné slinování dielektrické ztráty materiálů v mikrovlnném elektromagnetickém poli k dosažení objemového ohřevu a slinování. Tato metoda nabízí výhody, jako jsou nižší teploty slinování, vyšší rychlosti ohřevu a zlepšené zahušťování. Zvýšený transport hmoty během mikrovlnného slinování také podporuje jemnozrnné mikrostruktury.

8. Flash slinování:

Flash sintering (FS) si získal pozornost pro svou nízkou spotřebu energie a ultra rychlou kinetiku slinování. Proces zahrnuje přivedení napětí na surové těleso v peci. Po dosažení prahové teploty generuje náhlé nelineární zvýšení proudu rychlé Jouleovo zahřívání, což vede k téměř okamžitému zhuštění během několika sekund.

9. Oscilační tlakové slinování (OPS):

Zavedení dynamického tlaku během slinování narušuje vzájemné blokování částic a aglomeraci, čímž se snižuje velikost pórů a distribuce. Výsledkem jsou vysoce husté, jemnozrnné a homogenní mikrostruktury, které poskytují vysoce pevnou a spolehlivou keramiku. OPS, propagovaný týmem Xie Zhipenga na Tsinghua University, nahrazuje konstantní statický tlak při konvenčním slinování dynamickým oscilačním tlakem.

OPS nabízí několik výhod:

Vylepšená hustota zeleně: Nepřetržitý oscilační tlak podporuje přeskupování částic, čímž se výrazně zvyšuje hustota surových výlisků.

Zvýšená hnací síla slinování: OPS poskytuje větší hnací sílu pro zahušťování, zlepšuje rotaci zrna, klouzání a plastický tok. To je zvláště výhodné během pozdějších fází slinování, kde řízená frekvence a amplituda oscilací účinně eliminuje zbytkové póry na hranicích zrn.

Fotografie zařízení pro oscilační tlakové slinování

Srovnání běžných technik:

Mezi těmito technikami jsou pro průmyslovou výrobu SiC široce používány reakční slinování, beztlakové slinování a rekrystalizační slinování, z nichž každá má jedinečné výhody, které vedou k odlišným mikrostrukturám, vlastnostem a aplikacím.

SiC vázaný na reakci:Nabízí nízké teploty slinování, hospodárnost, minimální smrštění a vysoké zhuštění, díky čemuž je vhodný pro velké součásti složitého tvaru. Mezi typické aplikace patří nábytek pro vysokoteplotní pece, trysky hořáků, výměníky tepla a optické reflektory.

Beztlakově slinutý SiC:Poskytuje nákladovou efektivitu, tvarovou všestrannost, vysokou hustotu, stejnoměrnou mikrostrukturu a vynikající celkové vlastnosti, díky čemuž je ideální pro přesné součásti, jako jsou těsnění, kluzná ložiska, balistické pancéřování, optické reflektory a upínače polovodičových destiček.

Rekrystalizovaný SiC:Vyznačuje se čistými SiC fázemi, vysokou čistotou, vysokou pórovitostí, vynikající tepelnou vodivostí a odolností proti tepelným šokům, díky čemuž je vhodný pro nábytek vysokoteplotních pecí, výměníky tepla a trysky hořáků.**

My v Semicorex se specializujeme naSiC Keramika a dalšíKeramické materiálypoužívá se při výrobě polovodičů, pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com