Iċ-ċeramika tal-karbur tas-silikon (SiC) tokkupa post importanti fost iċ-ċeramika strutturali b'temperatura għolja minħabba l-koeffiċjent ta 'espansjoni termali baxx tagħhom, konduttività termali għolja, ebusija għolja, stabbiltà termali tajba u stabbiltà kimika eċċellenti. Jintużaw ħafna f'applikazzjonijiet aerospazjali, enerġija nukleari, militari u semikondutturi.
Minħabba li SiC għandu rabtiet kovalenti estremament qawwija u koeffiċjent ta 'diffużjoni baxx ħafna, il-kisba ta' densifikazzjoni sħiħa taċ-ċeramika SiC hija estremament diffiċli. Biex jindirizzaw dan, ġew żviluppati diversi tekniki ta 'sinterizzazzjoni, inkluż sinterizzazzjoni ta' reazzjoni, sinterizzazzjoni ta 'stat solidu mingħajr pressjoni, sinterizzazzjoni ta' fażi likwida mingħajr pressjoni, ippressar bis-sħana u sinterizzazzjoni ta 'rikristallizzazzjoni.
01 Sinterizzazzjoni ta' Reazzjoni
Il-proċess ta 'preparazzjoni għaċ-ċeramika tal-karbur tas-silikon marbut bir-reazzjoni (RBSC) huwa kif ġej: l-ewwel, trab tas-SiC, trab tal-karbonju, u binders organiċi jitħalltu b'mod uniformi f'ċertu proporzjon u ffurmati f'korp aħdar; imbagħad, is-silikon huwa infiltrat f'temperatura għolja. Is-silikon jirreaġixxi mal-karbonju biex jifforma SiC sekondarju, li jgħaqqad il-partiċelli SiC oriġinali flimkien. Fl-aħħarnett, is-silikon ħieles residwu jimla l-pori, u jikseb densifikazzjoni għolja taċ-ċeramika RBSC.
Waqt is-sinterizzazzjoni tar-reazzjoni, biex tiġi żgurata infiltrazzjoni sħiħa tas-silikon, il-korp aħdar (-SiC + C) għandu jkollu porożità suffiċjenti; inkella, ir-reġjun tal-wiċċ biss ikun silikifikat, filwaqt li l-karbonju mhux reazzjoni u numru żgħir ta 'pori jibqgħu fiċ-ċentru. Għalhekk, id-densità ħadra għandha tiġi kkontrollata b'mod strett. Densità ħadra xierqa tista 'tinkiseb billi jiġu aġġustati l-kontenuti ta' -SiC u karbonju fit-taħlita inizjali, id-distribuzzjoni tad-daqs tal-partiċelli ta '-SiC, il-forma u d-daqs tal-karbonju, u l-pressjoni li tifforma.
Is-sinterizzazzjoni tar-reazzjoni hija proċess ta' forma kważi netta bi kważi l-ebda tnaqqis jew bidla dimensjonali waqt is-sinterizzazzjoni. Joffri vantaġġi bħal temperatura ta 'sinterizzazzjoni baxxa, densità għolja tal-prodott, u spiża baxxa ta' produzzjoni, li tagħmilha adattata għall-manifattura ta 'prodotti taċ-ċeramika SiC ta' daqs kbir u b'forma kumplessa. F'dawn l-aħħar snin, biż-żieda fid-daqs tal-wejfer u fit-temperaturi tat-trattament bis-sħana, SiC imwaħħal b'reazzjoni gradwalment issostitwixxa l-ħġieġ tal-kwarz. Komponenti SiC ta 'purità għolja li fihom xi fażi tas-silikon residwu jistgħu jiġu prodotti bl-użu ta' trab tas-SiC ta 'purità għolja u silikon ta' purità għolja, u dawn huma użati b'mod wiesa 'bħala attrezzaturi ta' appoġġ għal tubi tal-elettroni u tagħmir għall-manifattura tal-wejfer tas-semikondutturi.
Proċessi ta' Sinterizzazzjoni mingħajr Pressjoni
Is-sinterizzazzjoni mingħajr pressjoni hija prinċipalment maqsuma f'sinterizzazzjoni fi stat solidu u sinterizzazzjoni f'fażi likwida.
Sinterizzazzjoni fi stat solidu
Fl-1974, S. Prochazka uża l-ewwel proċess ta 'sinterizzazzjoni mingħajr pressjoni billi żied ammonti żgħar ta' boron u karbonju għal trab fin -SiC ta 'purità għolja, u kiseb b'suċċess korpi sinterizzati SiC b'densità relattiva akbar minn 98% f'2020 grad. Iċ-ċeramika SiC sinterizzata fi stat solidu teħtieġ temperaturi għoljin, iżda l-proprjetajiet fiżikokimiċi tagħhom huma stabbli, speċjalment mingħajr bidla fis-saħħa tat-temperatura għolja, li tagħtihom valur ta 'applikazzjoni speċjali.
F'sistemi ta 'sinterizzazzjoni fi stat solidu, jiġu introdotti diversi addittivi ta' sinterizzazzjoni. L-aktar sistema komuni hija s-sistema B-C, fejn trabijiet B u C jew direttament trab B₄C huma miżjuda bħala għajnuniet għas-sinterizzazzjoni. Din is-sistema tipikament tiddensifika f'1900-2100 grad u tagħti ċeramika SiC bi proprjetajiet tajbin. Is-sistema Al-C tintuża wkoll ta' spiss; Il-metall Al huwa t-tieni l-aktar addittiv effettiv wara l-boron. Barra minn hekk, is-sistema AlN-C tintuża għas-sinterizzazzjoni tas-SiC. Meta mqabbel ma 'B, iż-żieda ta' AlN effettivament trażżan it-tkabbir tal-qamħ SiC.
Is-sinterizzazzjoni fi stat solidu taċ-ċeramika SiC tistrieħ prinċipalment fuq mekkaniżmi ta 'diffużjoni ta' stat solidu għad-densifikazzjoni. Iż-żieda ta 'għajnuniet ta' stat solidu tippromwovi t-tkabbir tal-qamħ tas-SiC filwaqt li tevita l-formazzjoni tal-fażi likwida. Madankollu, din is-sistema għandha ċerti limitazzjonijiet: l-ewwel, it-temperatura tas-sinterizzazzjoni għandha tinżamm fil-medda għolja ta '1900-2100 grad, li mhux biss tikkonsma enerġija sinifikanti iżda timponi wkoll rekwiżiti severi fuq it-tagħmir; it-tieni, it-temperatura għolja tista 'tikkawża tkabbir anormali tal-qamħ, tagħmel ħsara lill-proprjetajiet tal-materjal; it-tielet, id-densifikazzjoni sħiħa ħafna drabi teħtieġ ħinijiet ta 'żamma fit-tul; barra minn hekk, dan il-proċess għandu talbiet stretti fuq id-daqs tal-partiċelli, il-purità u l-uniformità tat-trab tal-bidu.
Sinterizzazzjoni tal-Fażi Likwida
Is-sinterizzazzjoni tal-fażi likwida tinvolvi ż-żieda ta' ċertu ammont ta' ossidi ewtektiċi baxxi b'ħafna komponenti mal-materja prima, li jiffurmaw fażi likwida f'temperatura għolja. Dan ibiddel il-mekkaniżmu tat-trasferiment tal-massa minn diffużjoni għal fluss viskuż, u jnaqqas l-enerġija meħtieġa għad-densifikazzjoni u t-temperatura tas-sinterizzazzjoni. Fl-istess ħin, l-introduzzjoni ta 'fażi likwida tal-konfini tal-qamħ ittejjeb b'mod sinifikanti s-saħħa u l-ebusija tal-materjal.
Fis-sinterizzazzjoni tal-fażi likwida pparteċipata minn Al₂O₃ ta 'SiC, Al₂O₃ jirreaġixxi ma' SiO₂ fuq l-uċuħ tal-partiċelli SiC f'temperatura għolja biex tifforma fażi likwida, li taġixxi bħala fażi tal-konfini tal-qamħ u tipprovdi mogħdijiet ta 'diffużjoni, lubrikanti l-partiċelli SiC u tippromwovi riarranġament u densifikazzjoni tal-partiċelli. Is-sinterizzazzjoni tal-fażi likwida tas-SiC hija kkontrollata minn mekkaniżmu ta 'dissoluzzjoni-ripreċipitazzjoni, u l-imġieba tas-sinterizzazzjoni tagħha hija influwenzata b'mod sinifikanti mill-karatteristiċi tal-materja prima, inkluż id-daqs tal-partiċelli tal-bidu, id-distribuzzjoni tad-daqs, il-kontenut ta' impurità u l-kompożizzjoni tal-fażi kristallina. Sadanittant, it-temperatura tas-sinterizzazzjoni hija affettwata sa ċertu punt mill-ammont ta 'għajnuniet għas-sinterizzazzjoni; ammont xieraq ta 'għajnuna tal-fażi likwida jista' jbaxxi b'mod sinifikanti t-temperatura tas-sinterizzazzjoni, iżda jista 'jaffettwa l-proprjetajiet sa ċertu grad.
L-aktar sistema komuni ta 'sinterizzazzjoni tal-fażi likwida għal SiC hija s-sistema Al₂O₃-Y₂O₃, li tkompli tintroduċi Y₂O₃ fuq il-bażi ta' Al₂O₃ bħala addittiv, li tifforma s-sistema Al₂O₃-Y₂O₃. Din is-sistema tnaqqas b'mod effettiv it-temperatura tas-sinterizzazzjoni tas-SiC u ttejjeb il-mikrostruttura u l-proprjetajiet tal-materjal.
03 Tagħsir sħun
L-ippressar bis-sħana jinvolvi l-mili ta 'trab SiC imnixxef f'die tal-grafita ta' qawwa għolja u l-applikazzjoni ta 'pressjoni axjali waqt is-sħana, li tikkontrolla l-proċess b'parametri xierqa ta' pressjoni-temperatura-ħin biex jinkisbu s-sinterizzazzjoni u l-iffurmar tas-SiC. L-addittivi għas-SiC ippressat bis-sħana jinkludu Al, Fe, B, B₄C, Al₂O₃, AlN, BeO, B+C, eċċ. Il-mekkaniżmi ta’ densifikazzjoni ta’ dawn l-addittivi jistgħu jinqasmu bejn wieħed u ieħor f’żewġ kategoriji: wieħed jifforma fażi likwida b’impuritajiet fis-SiC biex jippromwovi s-sinterizzazzjoni, u l-ieħor jifforma soluzzjonijiet solidi b’SiC, li jippromwovi l-enerġija u jnaqqsu l-enerġija.
Minħabba li t-tisħin u l-ippressar iseħħu simultanjament fl-ippressar bis-sħana, it-trab huwa fi stat termoplastiku, li jiffaċilita t-tixrid tal-kuntatt u t-trasferiment tal-massa tal-fluss viskuż. Dan jippermetti li prodotti taċ-ċeramika SiC bi ħbub fini, densità relattiva għolja, u proprjetajiet mekkaniċi tajbin li jinkisbu f'temperaturi ta 'sinterizzazzjoni aktar baxxi u ħinijiet iqsar. L-iżvantaġġi ta 'dan il-proċess huma t-tagħmir u l-proċeduri kumplessi tiegħu, materjali die eżiġenti, kapaċità limitata li tipproduċi biss forom sempliċi, produttività baxxa u spiża għolja tal-produzzjoni. Madankollu, fil-manifattura tas-semikondutturi, fejn ir-rekwiżiti tal-prestazzjoni għall-materjali taċ-ċeramika użati fi strumenti u komponenti ta 'preċiżjoni huma estremament għoljin, il-kontroll tal-kompożizzjoni, il-purità u d-densifikazzjoni huwa ferm aktar importanti mill-ispiża ekonomika. Barra minn hekk, il-valur miżjud għoli tal-prodotti jagħmel l-ippressar bis-sħana partikolarment importanti.
04 Rikristallizzazzjoni Sinterizzazzjoni
Is-sinterizzazzjoni tar-rikristallizzazzjoni ġibdet attenzjoni mifruxa minħabba li ma teħtieġx għajnuniet għas-sinterizzazzjoni. Huwa l-aktar metodu komuni għall-produzzjoni ta 'komponenti taċ-ċeramika SiC ta' purità ultra-għolja u ta 'daqs kbir. Il-proċess ta 'preparazzjoni għaċ-ċeramika SiC rikristalizzata huwa kif ġej: trabijiet SiC oħxon u fini ta' daqsijiet ta 'partiċelli differenti huma mħallta f'ċertu proporzjon, u korpi ħodor huma ffurmati permezz ta' slip casting, die pressing, estrużjoni, jew metodi oħra; imbagħad, il-korpi ħodor huma sinterizzati f'2200-2450 grad taħt atmosfera inerta. Fl-aħħarnett, il-partiċelli fini jevaporaw gradwalment fil-fażi tal-fwar u jikkondensaw fil-punti ta 'kuntatt ta' partiċelli oħxon, li jiffurmaw ċeramika rikristallizzata.
Is-sinterizzazzjoni tar-rikristallizzazzjoni toffri vantaġġi addizzjonali: matul is-sinterizzazzjoni, il-korp aħdar ma juri kważi l-ebda jinxtorob, li jagħmilha inqas suxxettibbli għal qsim jew distorsjoni, għalhekk jistgħu jiġu prodotti komponenti taċ-ċeramika ta 'forma kumplessa u ta' preċiżjoni għolja; meta tipprepara ċeramika rikristallizzata poruża, il-porożità u d-distribuzzjoni tad-daqs tal-pori jistgħu jiġu kkontrollati faċilment f'meded dojoq; iċ-ċeramika rikristalizzata għandha struttura poruża interkonnessa tridimensjonali, l-aktar pori miftuħa, li tagħmilha adattata għall-infiltrazzjoni bit-tieni fażi biex tipproduċi komposti.