Specializované techniky přípravy keramiky z karbidu křemíku

Keramika z karbidu křemíku (SiC).materiály mají řadu vynikajících vlastností, včetně pevnosti při vysokých teplotách, silné oxidační odolnosti, vynikající odolnosti proti opotřebení, tepelné stability, nízkého koeficientu tepelné roztažnosti, vysoké tepelné vodivosti, vysoké tvrdosti, odolnosti proti tepelným šokům a odolnosti proti chemické korozi. Díky těmto vlastnostem je SiC keramika stále více použitelná v různých oblastech, jako je automobilový, strojní a chemický průmysl, ochrana životního prostředí, kosmické technologie, informační elektronika a energetika.SiC keramikase staly nenahraditelným konstrukčním keramickým materiálem v mnoha průmyslových odvětvích díky svému vynikajícímu výkonu.

Jaké jsou strukturální vlastnosti, které zlepšujíSiC Keramika?

Vynikající vlastnostiSiC keramikaúzce souvisí s jejich jedinečnou strukturou. SiC je sloučenina s velmi silnými kovalentními vazbami, kde iontový charakter vazby Si-C je pouze asi 12 %. Výsledkem je vysoká pevnost a velký modul pružnosti, který poskytuje vynikající odolnost proti opotřebení. Čistý SiC nekoroduje kyselými roztoky, jako je HCl, HNO3, H2SO4 nebo HF, ani alkalickými roztoky, jako je NaOH. Zatímco při zahřívání na vzduchu má tendenci oxidovat, tvorba vrstvy SiO2 na povrchu inhibuje další difúzi kyslíku, čímž udržuje nízkou rychlost oxidace. Kromě toho SiC vykazuje polovodičové vlastnosti s dobrou elektrickou vodivostí, když jsou zavedena malá množství nečistot, a vynikající tepelnou vodivostí.

Jak různé krystalové formy SiC ovlivňují jeho vlastnosti?

SiC existuje ve dvou hlavních krystalických formách: α a β. β-SiC má kubickou krystalovou strukturu, přičemž Si a C tvoří plošně centrované kubické mřížky. α-SiC existuje ve více než 100 polytypech, včetně 4H, 15R a 6H, přičemž 6H je nejběžněji používaný v průmyslových aplikacích. Stabilita těchto polytypů se mění s teplotou. Pod 1600 °C existuje SiC ve formě β, zatímco nad 1600 °C se β-SiC postupně přeměňuje na různé polytypy α-SiC. Například 4H-SiC se tvoří kolem 2000 °C, zatímco polytypy 15R a 6H vyžadují ke snadnému vytvoření teploty nad 2100 °C. Polytyp 6H zůstává stabilní i nad 2200 °C. Malý rozdíl ve volné energii mezi těmito polytypy znamená, že i malé nečistoty mohou změnit jejich vztahy tepelné stability.

Jaké jsou techniky výroby SiC prášků?

Přípravu SiC prášků lze na základě výchozího stavu surovin rozdělit na syntézu v pevné fázi a syntézu v kapalné fázi.

Jaké jsou metody zahrnuté v syntéze na pevné fázi? 

Syntéza na pevné fázi zahrnuje především karbotermální redukci a přímé reakce křemík-uhlík. Metoda karbotermální redukce zahrnuje Achesonův proces, metodu vertikální pece a metodu vysokoteplotní rotační pece. Achesonův proces, vynalezený Achesonem, zahrnuje redukci oxidu křemičitého v křemenném písku uhlíkem v Achesonské elektrické peci, poháněné elektrochemickou reakcí za vysoké teploty a silných elektrických polí. Tato metoda s historií průmyslové výroby trvající více než století poskytuje relativně hrubé částice SiC a má vysokou spotřebu energie, z níž se velká část ztrácí ve formě tepla.

V 70. letech 20. století vedla vylepšení Achesonova procesu k vývoji v 80. letech, jako jsou vertikální pece a vysokoteplotní rotační pece pro syntézu prášku β-SiC, s dalším pokrokem v 90. letech. Ohsaki a kol. zjistili, že plyn SiO uvolňovaný při zahřívání směsi prášku SiO2 a Si reaguje s aktivním uhlím, přičemž zvýšená teplota a prodloužená doba zdržení snižují specifický povrch prášku, protože se uvolňuje více plynu SiO. Metoda přímé reakce křemík-uhlík, aplikace samo se šířící vysokoteplotní syntézy, zahrnuje zapálení tělesa reaktantu externím zdrojem tepla a využití tepla chemické reakce uvolněného během syntézy k udržení procesu. Tato metoda má nízkou spotřebu energie, jednoduché vybavení a procesy a vysokou produktivitu, i když je obtížné řídit reakci. Slabá exotermická reakce mezi křemíkem a uhlíkem ztěžuje zapálení a udržení při pokojové teplotě, což vyžaduje další zdroje energie, jako jsou chemické pece, stejnosměrný proud, předehřívání nebo pomocná elektrická pole.

Jak se syntetizuje prášek SiC pomocí metod v kapalné fázi? 

Metody syntézy v kapalné fázi zahrnují techniky rozkladu sol-gelu a polymeru. Ewell a kol. nejprve navrhl metodu sol-gel, která byla později aplikována na přípravu keramiky kolem roku 1952. Tato metoda využívá kapalná chemická činidla k přípravě alkoxidových prekurzorů, které se rozpouštějí při nízkých teplotách za vzniku homogenního roztoku. Přidáním vhodných gelujících činidel podléhá alkoxid hydrolýze a polymeraci za vzniku stabilního sol systému. Po delším stání nebo sušení se Si a C rovnoměrně promísí na molekulární úrovni. Zahřívání této směsi na 1460-1600°C vyvolá karbotermální redukční reakci za vzniku jemného SiC prášku. Mezi klíčové parametry pro řízení během zpracování sol-gel patří pH roztoku, koncentrace, reakční teplota a čas. Tento způsob usnadňuje homogenní přidávání různých stopových složek, má však nevýhody, jako jsou zbytková hydroxylová a organická rozpouštědla škodlivá zdraví, vysoké náklady na suroviny a značné smrštění během zpracování.

Vysokoteplotní rozklad organických polymerů je další účinný způsob výroby SiC:

Zahřívání gelových polysiloxanů k jejich rozkladu na malé monomery, které nakonec tvoří Si02 a C, které pak podléhají karbotermální redukci za vzniku prášku SiC.

Zahřívání polykarbosilanů za účelem jejich rozkladu na malé monomery, které tvoří kostru, která nakonec vede k prášku SiC. Nedávné techniky sol-gel umožnily výrobu sol/gel materiálů na bázi SiO2, což zajišťuje homogenní distribuci slinovacích a zpevňujících přísad v gelu, což usnadňuje tvorbu vysoce výkonných keramických prášků SiC.

Proč je beztlaké slinování považováno za perspektivní technikuSiC Keramika?

Beztlaké slinování je považováno za vysoce perspektivní metodu proslinování SiC. Depending on the sintering mechanism, it can be divided into solid-phase sintering and liquid-phase sintering. S. Proehazka achieved a relative density above 98% for SiC sintered bodies by adding appropriate amounts of B and C to ultra-fine β-SiC powder (with oxygen content below 2%) and sintering at 2020°C under normal pressure. A. Mulla et al. used Al2O3 and Y2O3 as additives to sinter 0.5μm β-SiC (with a small amount of SiO2 on the particle surface) at 1850-1950°C, achieving a relative density greater than 95% of the theoretical density and fine grains with an average size of 1.5μm.

Jak vylepšuje slinování lisováním za teplaSiC Keramika?

Nadeau poukázal na to, že čistý SiC lze hustě slinovat pouze při extrémně vysokých teplotách bez jakýchkoli slinovacích pomůcek, což mnohé přimělo prozkoumat slinování za horka. Četné studie zkoumaly účinky přidání B, Al, Ni, Fe, Cr a dalších kovů na zhuštění SiC, přičemž Al a Fe byly zjištěny jako nejúčinnější pro podporu slinování lisem za tepla. F.F. Lange zkoumal výkon za horka lisovaného SiC s různým množstvím Al2O3, přičemž zhuštění přisuzoval mechanismu rozpouštění-reprecipitace. Slinování lisováním za tepla však může produkovat pouze jednoduché tvarované součásti SiC a množství produktu v jednom procesu slinování je omezené, takže je méně vhodné pro průmyslovou výrobu.

Jaké jsou výhody a omezení reakčního slinování pro SiC?

Reakčně slinutý SiC, také známý jako samovazný SiC, zahrnuje reakci porézního zeleného tělesa buď s plynnou nebo kapalnou fází, aby se zvýšila hmotnost, snížila se poréznost a slinoval se do pevného, ​​rozměrově přesného produktu. Proces zahrnuje smíchání prášku α-SiC a grafitu v určitém poměru, zahřátí na přibližně 1650 °C a infiltraci surového tělesa roztaveným Si nebo plynným Si, který reaguje s grafitem za vzniku β-SiC a váže stávající α-SiC. částice. Kompletní infiltrace Si vede k plně hustému, rozměrově stabilnímu reakčnímu slinutému tělesu. Ve srovnání s jinými metodami slinování zahrnuje reakční slinování minimální rozměrové změny během zhušťování, což umožňuje výrobu přesných součástí. Přítomnost značného množství SiC ve slinutém tělese však vede k horšímu vysokoteplotnímu výkonu.

shrnuto,SiC keramikavyrobené beztlakovým slinováním, slinováním lisováním za tepla, izostatickým lisováním za tepla a reakčním slinováním vykazují různé výkonnostní charakteristiky.SiC keramikaz lisování za tepla a izostatického lisování za tepla mají obecně vyšší slinuté hustoty a pevnosti v ohybu, zatímco reakční slinutý SiC má relativně nižší hodnoty. Mechanické vlastnostiSiC keramikase také liší různými slinovacími přísadami. Beztlakové, lisované za tepla a reakční slinutéSiC keramikavykazují dobrou odolnost vůči silným kyselinám a zásadám, ale reakční slinutý SiC má horší korozní odolnost vůči silným kyselinám, jako je HF. Z hlediska vysokoteplotního výkonu téměř všechnySiC keramikavykazují zlepšení pevnosti pod 900 °C, zatímco pevnost v ohybu reakčního slinutého SiC prudce klesá nad 1400 °C v důsledku přítomnosti volného Si. Vysokoteplotní výkon beztlakového a horkého izostatického lisováníSiC keramikazávisí především na typu použitých přísad.

Zatímco každá metoda slinování proSiC keramikamá své přednosti, rychlý pokrok technologie vyžaduje neustálé zlepšováníSiC keramikavýkon, výrobní techniky a snížení nákladů. Dosažení nízkoteplotního slinováníSiC keramikaje zásadní pro snížení spotřeby energie a výrobních nákladů, čímž se podpoří industrializaceSiC keramikaprodukty.**

My v Semicorex se specializujeme naSiC Keramikaa další keramické materiály používané při výrobě polovodičů, pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com