Specialiserade beredningstekniker för kiselkarbidkeramik

Kiselkarbid (SiC) keramikmaterial har en rad utmärkta egenskaper, inklusive högtemperaturhållfasthet, stark oxidationsbeständighet, överlägsen slitstyrka, termisk stabilitet, låg värmeutvidgningskoefficient, hög värmeledningsförmåga, hög hårdhet, värmechockbeständighet och kemisk korrosionsbeständighet. Dessa egenskaper gör att SiC-keramik blir alltmer användbar inom olika områden som bilindustri, mekanisk och kemisk industri, miljöskydd, rymdteknik, informationselektronik och energi.SiC keramikhar blivit ett oersättligt strukturellt keramiskt material i många industrisektorer på grund av deras enastående prestanda.

Vilka är de strukturella egenskaperna som förbättrarSiC Keramik?

De överlägsna egenskaperna hosSiC keramikär nära besläktade med deras unika struktur. SiC är en förening med mycket starka kovalenta bindningar, där Si-C-bindningens jonkaraktär endast är cirka 12 %. Detta resulterar i hög hållfasthet och en stor elasticitetsmodul, vilket ger utmärkt slitstyrka. Ren SiC korroderas inte av sura lösningar som HCl, HNO3, H2SO4 eller HF, inte heller av alkaliska lösningar som NaOH. Även om det tenderar att oxidera när det upphettas i luft, hämmar bildandet av ett SiO2-skikt på ytan ytterligare syrediffusion, vilket håller oxidationshastigheten låg. Dessutom uppvisar SiC halvledaregenskaper, med god elektrisk ledningsförmåga när små mängder föroreningar införs, och utmärkt värmeledningsförmåga.

Hur påverkar olika kristallformer av SiC dess egenskaper?

SiC finns i två huvudsakliga kristallformer: α och β. β-SiC har en kubisk kristallstruktur, med Si och C som bildar ansiktscentrerade kubiska gitter. α-SiC finns i över 100 polytyper, inklusive 4H, 15R och 6H, där 6H är det vanligaste i industriella tillämpningar. Stabiliteten hos dessa polytyper varierar med temperaturen. Under 1600°C finns SiC i β-form, medan över 1600°C omvandlas β-SiC gradvis till olika α-SiC-polytyper. Till exempel bildar 4H-SiC runt 2000°C, medan polytyperna 15R och 6H kräver temperaturer över 2100°C för att enkelt bildas. 6H-polytypen förblir stabil även över 2200°C. Den lilla skillnaden i fri energi mellan dessa polytyper innebär att även mindre föroreningar kan förändra deras termiska stabilitetsförhållanden.

Vilka är teknikerna för att producera SiC-pulver?

Framställningen av SiC-pulver kan kategoriseras i fastfassyntes och flytandefassyntes baserat på råvarornas initiala tillstånd.

Vilka är metoderna inblandade i fastfassyntes? 

Fastfassyntes inkluderar primärt karbotermisk reduktion och direkta kisel-kol-reaktioner. Den koltermiska reduktionsmetoden omfattar Acheson-processen, vertikal ugnsmetoden och högtemperatur-roterande ugnsmetoden. Acheson-processen, uppfunnen av Acheson, innebär reduktion av kiseldioxid i kvartssand med kol i en Acheson elektrisk ugn, driven av en elektrokemisk reaktion under hög temperatur och starka elektriska fält. Denna metod, med en historia av industriell produktion som sträcker sig över ett sekel, ger relativt grova SiC-partiklar och har en hög energiförbrukning, varav mycket går förlorad som värme.

På 1970-talet ledde förbättringar av Acheson-processen till utvecklingar på 1980-talet, såsom vertikala ugnar och högtemperaturroterande ugnar för att syntetisera β-SiC-pulver, med ytterligare framsteg på 1990-talet. Ohsaki et al. fann att SiO-gasen som frigörs från uppvärmning av en blandning av SiO2 och Si-pulver reagerar med aktivt kol, med ökad temperatur och förlängd hålltid som minskar pulvrets specifika ytarea när mer SiO-gas frigörs. Den direkta kisel-kol-reaktionsmetoden, en tillämpning av självförökande högtemperatursyntes, innebär att reaktantkroppen antänds med en extern värmekälla och att den kemiska reaktionsvärme som frigörs under syntesen används för att upprätthålla processen. Denna metod har låg energiförbrukning, enkel utrustning och processer och hög produktivitet, även om det är svårt att kontrollera reaktionen. Den svaga exotermiska reaktionen mellan kisel och kol gör det utmanande att antända och upprätthålla vid rumstemperatur, vilket kräver ytterligare energikällor som kemiska ugnar, likström, förvärmning eller elektriska hjälpfält.

Hur syntetiseras SiC-pulver med vätskefasmetoder? 

Syntesmetoder i vätskefas inkluderar sol-gel- och polymernedbrytningstekniker. Ewell et al. föreslog först sol-gel-metoden, som senare tillämpades på keramikberedning runt 1952. Denna metod använder flytande kemiska reagenser för att framställa alkoxidprekursorer, som löses upp vid låga temperaturer för att bilda en homogen lösning. Genom att tillsätta lämpliga gelningsmedel genomgår alkoxiden hydrolys och polymerisation för att bilda ett stabilt solsystem. Efter långvarig stående eller torkning blandas Si och C likformigt på molekylär nivå. Upphettning av denna blandning till 1460-1600°C inducerar en karbotermisk reduktionsreaktion för att producera fint SiC-pulver. Nyckelparametrar att kontrollera under sol-gel-bearbetning inkluderar lösningens pH, koncentration, reaktionstemperatur och tid. Denna metod underlättar homogen tillsats av olika spårkomponenter men har nackdelar såsom kvarvarande hydroxyl och organiska lösningsmedel som är skadliga för hälsan, höga råmaterialkostnader och betydande krympning under bearbetning.

Högtemperatursönderdelning av organiska polymerer är en annan effektiv metod för att producera SiC:

Upphettning av gelpolysiloxaner för att sönderdela dem till små monomerer, som slutligen bildar SiO2 och C, som sedan genomgår karbotermisk reduktion för att producera SiC-pulver.

Uppvärmning av polykarbosilaner för att bryta ner dem till små monomerer, vilket bildar ett ramverk som i slutändan resulterar i SiC-pulver. Nyare sol-gel-tekniker har möjliggjort produktion av SiO2-baserade sol/gel-material, vilket säkerställer homogen fördelning av sintrings- och härdningstillsatser i gelén, vilket underlättar bildningen av högpresterande SiC-keramiska pulver.

Varför anses trycklös sintring vara en lovande teknik förSiC Keramik?

Trycklös sintring anses vara en mycket lovande metod försintring av SiC. Beroende på sintringsmekanismen kan den delas upp i sintring i fast fas och sintring i flytande fas. S. Proehazka uppnådde en relativ densitet över 98% för sintrade SiC-kroppar genom att tillsätta lämpliga mängder B och C till ultrafint β-SiC-pulver (med syrehalt under 2%) och sintring vid 2020°C under normalt tryck. A. Mulla et al. använde Al2O3 och Y2O3 som tillsatser för att sintra 0,5μm β-SiC (med en liten mängd SiO2 på partikelytan) vid 1850-1950°C, vilket uppnådde en relativ densitet större än 95% av den teoretiska densiteten och fina korn med en genomsnittlig storlek 1,5 μm.

Hur förbättras varmpresssintringSiC Keramik?

Nadeau påpekade att ren SiC endast kan sintras tätt vid extremt höga temperaturer utan några sintringshjälpmedel, vilket fick många att utforska varmpresssintring. Flera studier har undersökt effekterna av att tillsätta B, Al, Ni, Fe, Cr och andra metaller på förtätningen av SiC, där Al och Fe befunnits vara de mest effektiva för att främja varmpresssintring. F.F. Lange undersökte prestandan hos varmpresssintrad SiC med varierande mängder Al2O3, vilket tillskrev förtätning till en upplösnings-återfällningsmekanism. Men varmpresssintring kan endast producera enkelformade SiC-komponenter, och produktmängden i en sintringsprocess är begränsad, vilket gör den mindre lämplig för industriell produktion.

Vilka är fördelarna och begränsningarna med reaktionssintring för SiC?

Reaktionssintrad SiC, även känd som självbunden SiC, innebär att en porös grön kropp reagerar med antingen gasformiga eller flytande faser för att öka massan, minska porositeten och sintra den till en stark, dimensionellt exakt produkt. Processen går ut på att blanda α-SiC-pulver och grafit i ett visst förhållande, värma upp till cirka 1650°C och infiltrera den gröna kroppen med smält Si eller gasformigt Si, som reagerar med grafit för att bilda β-SiC och binder den befintliga α-SiC partiklar. Komplett Si-infiltration resulterar i en helt tät, formstabil reaktionssintrad kropp. Jämfört med andra sintringsmetoder innebär reaktionssintring minimala dimensionsförändringar under förtätning, vilket möjliggör tillverkning av exakta komponenter. Närvaron av en avsevärd mängd SiC i den sintrade kroppen leder emellertid till sämre prestanda vid hög temperatur.

Sammanfattningsvis,SiC keramikproducerad genom trycklös sintring, varmpresssintring, varmisostatisk pressning och reaktionssintring uppvisar varierande prestandaegenskaper.SiC keramikfrån varmpress och varm isostatisk pressning har i allmänhet högre sintrade densiteter och böjhållfastheter, medan reaktionssintrad SiC har relativt lägre värden. De mekaniska egenskaperna hosSiC keramikvarierar också med olika sintringstillsatser. Trycklös, varmpressad och reaktionssintradSiC keramikuppvisar god motståndskraft mot starka syror och baser, men reaktionssintrad SiC har sämre korrosionsbeständighet mot starka syror som HF. När det gäller högtemperaturprestanda, nästan allaSiC keramikvisar styrkaförbättring under 900°C, medan reaktionssintrad SiC:s böjhållfasthet minskar kraftigt över 1400°C på grund av närvaron av fritt Si. Högtemperaturprestandan hos trycklös och varm isostatisk pressSiC keramikberor främst på vilken typ av tillsatser som används.

Medan varje sintringsmetod förSiC keramikhar sina fördelar, kräver den snabba teknikutvecklingen ständiga förbättringar avSiC keramikprestanda, tillverkningsteknik och kostnadsminskning. Att uppnå lågtemperatursintring avSiC keramikär avgörande för att sänka energiförbrukningen och produktionskostnaderna och därigenom främja industrialiseringen avSiC keramikprodukter.**

Vi på Semicorex är specialiserade påSiC Keramikoch andra keramiska material som används i halvledartillverkning, om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com