En recension av 9 sintringstekniker för kiselkarbidkeramik

Kiselkarbid (SiC), en framstående strukturell keramik, är känd för sina exceptionella egenskaper, inklusive högtemperaturhållfasthet, hårdhet, elasticitetsmodul, slitstyrka, värmeledningsförmåga och korrosionsbeständighet. Dessa egenskaper gör den lämplig för ett brett spektrum av applikationer, från traditionell industriell användning i högtemperaturugnsmöbler, brännarmunstycken, värmeväxlare, tätningsringar och glidlager, till avancerade applikationer som ballistisk pansar, rymdspeglar, halvledarwaferchuckar, och kärnbränslekapsling.

Sintringsprocessen är avgörande för att bestämma de slutliga egenskaperna hosSiC keramik. Omfattande forskning har lett till utvecklingen av olika sintringstekniker, allt från etablerade metoder som reaktionssintring, trycklös sintring, omkristallisationssintring och varmpressning, till nyare innovationer som gnistplasmasintring, flashsintring och oscillerande trycksintring.

Här är en närmare titt på nio framståendeSiC keramiksintringstekniker:

1. Varmpressning:

Banbrytande av Alliegro et al. på Norton Company innebär varmpressning att man samtidigt applicerar värme och tryck på enSiC-pulverkompakt i en form. Denna metod möjliggör samtidig förtätning och formning. Även om den är effektiv, kräver varmpressning komplex utrustning, specialiserade stansar och strikt processkontroll. Dess begränsningar inkluderar hög energiförbrukning, begränsad formkomplexitet och höga produktionskostnader.

2. Reaktionssintring:

Första förslaget av P. Popper på 1950-talet innebär reaktionssintring blandningSiC-pulvermed en kolkälla. Den gröna kroppen, som bildas genom slipgjutning, torrpressning eller kall isostatisk pressning, genomgår en kiselinfiltrationsprocess. Uppvärmning över 1500°C i vakuum eller inert atmosfär smälter kislet, som infiltrerar den porösa kroppen via kapillärverkan. Det flytande eller gasformiga kislet reagerar med kol och bildar in situ β-SiC som binder med befintliga SiC-partiklar, vilket resulterar i en tät keram.

Reaktionsbunden SiC har låga sintringstemperaturer, kostnadseffektivitet och hög förtätning. Den försumbara krympningen vid sintring gör den särskilt lämplig för stora, komplexa komponenter. Typiska applikationer inkluderar högtemperaturugnsmöbler, strålningsrör, värmeväxlare och avsvavlingsmunstycken.

Semicorex processväg för RBSiC-båt

3. Trycklös sintring:

Utvecklad av S. Prochazka et al. vid GE 1974 eliminerar trycklös sintring behovet av externt tryck. Förtätning sker vid 2000-2150°C under atmosfärstryck (1,01×105 Pa) i en inert atmosfär med hjälp av sintringstillsatser. Trycklös sintring kan ytterligare kategoriseras i sintring i fast tillstånd och i flytande fas.

Trycklös sintring i fast tillstånd uppnår höga densiteter (3,10-3,15 g/cm3) utan intergranulära glasfaser, vilket resulterar i exceptionella mekaniska egenskaper vid hög temperatur, med användningstemperaturer som når 1600°C. Emellertid kan överdriven korntillväxt vid höga sintringstemperaturer påverka hållfastheten negativt.

Trycklös sintring i vätskefas breddar tillämpningsområdet för SiC-keramik. Vätskefasen, som bildas genom smältning av en enskild komponent eller eutektisk reaktion av flera komponenter, förbättrar förtätningskinetiken genom att tillhandahålla en hög diffusivitetsbana, vilket leder till lägre sintringstemperaturer jämfört med sintring i fast tillstånd. Den fina kornstorleken och kvarvarande intergranulära vätskefasen i vätskefas sintrad SiC främjar en övergång från transgranulär till intergranulär fraktur, vilket förbättrar böjhållfastheten och brottsegheten.

Trycklös sintring är en mogen teknologi med fördelar som kostnadseffektivitet och mångsidighet i form. Särskilt solid-state sinter SiC erbjuder hög densitet, enhetlig mikrostruktur och utmärkt övergripande prestanda, vilket gör den lämplig för slitage och korrosionsbeständiga komponenter som tätningsringar och glidlager.

Trycklös sintrad kiselkarbidrustning

4. Omkristallisation Sintring:

På 1980-talet demonstrerade Kriegesmann tillverkningen av högpresterande omkristalliseradeSiC keramikgenom slipgjutning följt av sintring vid 2450°C. Denna teknik antogs snabbt för storskalig produktion av FCT (Tyskland) och Norton (USA).

Omkristalliserad SiC innebär sintring av en grön kropp bildad genom att packa SiC-partiklar av olika storlekar. Fina partiklar, jämnt fördelade i mellanrummen av grövre partiklar, avdunstar och kondenserar vid kontaktpunkterna för större partiklar vid temperaturer över 2100°C under en kontrollerad atmosfär. Denna avdunstning-kondensationsmekanism bildar nya korngränser vid partikelhalsar, vilket leder till korntillväxt, halsbildning och en sintrad kropp med kvarvarande porositet.

Nyckelegenskaper hos omkristalliserad SiC inkluderar:

Minimal krympning: Frånvaron av korngräns eller volymdiffusion under sintring resulterar i försumbar krympning.

Near-Net Shaping: Den sintrade densiteten förblir nästan identisk med den gröna kroppstätheten.

Rena korngränser: Omkristalliserad SiC uppvisar rena korngränser utan glasfaser eller föroreningar.

Återstående porositet: Den sintrade kroppen behåller vanligtvis 10-20 % porositet.

5. Varmisostatisk pressning (HIP):

HIP använder inertgastryck (vanligtvis argon) för att förbättra förtätningen. SiC-pulverpressen, förseglad i en glas- eller metallbehållare, utsätts för isostatiskt tryck i en ugn. När temperaturen stiger till sintringsintervallet upprätthåller en kompressor ett initialt gastryck på flera megapascal. Detta tryck ökar successivt under uppvärmning och når upp till 200 MPa, vilket effektivt eliminerar inre porer och uppnår hög densitet.

6. Spark Plasma Sintering (SPS):

SPS är en ny pulvermetallurgiteknik för att producera täta material, inklusive metaller, keramik och kompositer. Den använder elektriska högenergipulser för att generera en pulsad elektrisk ström och gnistplasma mellan pulverpartiklar. Denna lokaliserade uppvärmning och plasmagenerering sker vid relativt låga temperaturer och korta varaktigheter, vilket möjliggör snabb sintring. Processen tar effektivt bort ytföroreningar, aktiverar partikelytor och främjar snabb förtätning. SPS har framgångsrikt använts för att tillverka tät SiC-keramik med användning av Al2O3 och Y2O3 som sintringshjälpmedel.

7. Mikrovågssintring:

Till skillnad från konventionell uppvärmning utnyttjar mikrovågssintring den dielektriska förlusten av material inom ett elektromagnetiskt mikrovågsfält för att uppnå volymetrisk uppvärmning och sintring. Denna metod erbjuder fördelar såsom lägre sintringstemperaturer, snabbare uppvärmningshastigheter och förbättrad förtätning. Den förbättrade masstransporten under mikrovågssintring främjar också finkorniga mikrostrukturer.

8. Blixtsintring:

Flash sintring (FS) har fått uppmärksamhet för sin låga energiförbrukning och ultrasnabba sintringskinetik. Processen innebär att en spänning appliceras över en grön kropp i en ugn. När en tröskeltemperatur uppnås genererar en plötslig icke-linjär ökning av strömmen snabb Joule-uppvärmning, vilket leder till nästan omedelbar förtätning inom några sekunder.

9. Oscillerande trycksintring (OPS):

Införande av dynamiskt tryck under sintring stör partikellåsning och agglomerering, vilket minskar porstorlek och distribution. Detta resulterar i mycket täta, finkorniga och homogena mikrostrukturer, vilket ger höghållfast och pålitlig keramik. Pionjärer av Xie Zhipengs team vid Tsinghua University, OPS ersätter det konstanta statiska trycket vid konventionell sintring med dynamiskt oscillerande tryck.

OPS erbjuder flera fördelar:

Förbättrad grön densitet: Kontinuerligt oscillerande tryck främjar omarrangering av partiklar, vilket avsevärt ökar gröndensiteten hos pulverpresskroppen.

Ökad sintringsdrivkraft: OPS ger en större drivkraft för förtätning, vilket förbättrar kornrotation, glidning och plastflöde. Detta är särskilt fördelaktigt under de senare stadierna av sintringen, där kontrollerad oscillationsfrekvens och amplitud effektivt eliminerar kvarvarande porer vid korngränserna.

Fotografi av oscillerande trycksintringsutrustning

Jämförelse av vanliga tekniker:

Bland dessa tekniker används reaktionssintring, trycklös sintring och omkristallisationssintring i stor utsträckning för industriell SiC-produktion, var och en med unika fördelar, vilket resulterar i distinkta mikrostrukturer, egenskaper och tillämpningar.

Reaktionsbunden SiC:Erbjuder låga sintringstemperaturer, kostnadseffektivitet, minimal krympning och hög förtätning, vilket gör den lämplig för stora, komplexa komponenter. Typiska applikationer inkluderar högtemperaturugnsmöbler, brännarmunstycken, värmeväxlare och optiska reflektorer.

Trycklös sintrad SiC:Ger kostnadseffektivitet, formmångsidighet, hög densitet, enhetlig mikrostruktur och utmärkta övergripande egenskaper, vilket gör den idealisk för precisionskomponenter som tätningar, glidlager, ballistiska pansar, optiska reflektorer och halvledarwaferchuckar.

Omkristalliserad SiC:Har rena SiC-faser, hög renhet, hög porositet, utmärkt värmeledningsförmåga och värmechockbeständighet, vilket gör den lämplig för högtemperaturugnsmöbler, värmeväxlare och brännarmunstycken.**

Vi på Semicorex är specialiserade påSiC Keramik och annatKeramiska materialtillämpas i halvledartillverkning, om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com