Керамика од силицијум карбида и њихови разноврсни процеси производње

Керамика од силицијум карбида (СиЦ).се широко користе у захтевним апликацијама као што су прецизни лежајеви, заптивке, ротори гасних турбина, оптичке компоненте, високотемпературне млазнице, компоненте измењивача топлоте и материјали за нуклеарне реакторе. Ова распрострањена употреба произилази из њихових изузетних својстава, укључујући високу отпорност на хабање, одличну топлотну проводљивост, супериорну отпорност на оксидацију и изванредне механичке особине при високим температурама. Међутим, јака ковалентна веза и низак коефицијент дифузије својствен СиЦ-у представљају значајан изазов у ​​постизању високе густине током процеса синтеровања. Сходно томе, процес синтеровања постаје кључни корак у добијању високих перформансиСиЦ керамика.

Овај рад даје свеобухватан преглед различитих производних техника које се користе за производњу густихРБСиЦ/ПССиЦ/РСиЦ керамике, наглашавајући њихове јединствене карактеристике и примену:

1. Реакционо везани силицијум карбид (РБСиЦ)

РБСиЦукључује мешање праха силицијум карбида (обично 1-10 μм) са угљеником, обликовање смеше у зелено тело и излагање високим температурама ради инфилтрације силицијума. Током овог процеса, силицијум реагује са угљеником да би се формирао СиЦ, који се везује за постојеће честице СиЦ, на крају постижући згушњавање. Користе се две примарне методе силицијумске инфилтрације:

Инфилтрација течног силицијума: Силицијум се загрева изнад тачке топљења (1450-1470°Ц), омогућавајући растопљеном силицијуму да инфилтрира порозно зелено тело кроз капиларно деловање. Истопљени силицијум тада реагује са угљеником, формирајући СиЦ.

Инфилтрација силицијумске паре: Силицијум се загрева изнад тачке топљења да би се створила силицијумска пара. Ова пара прожима зелено тело и затим реагује са угљеником, формирајући СиЦ.

Ток процеса: СиЦ прах + Ц прах + везиво → Обликовање → Сушење → Сагоревање везива у контролисаној атмосфери → Високотемпературна Си инфилтрација → Пост-обрада

(1) Кључна разматрања:

Радна температура одРБСиЦје ограничен садржајем заосталог слободног силицијума у ​​материјалу. Типично, максимална радна температура је око 1400°Ц. Изнад ове температуре, чврстоћа материјала се брзо погоршава због топљења слободног силицијума.

Инфилтрација течног силицијума има тенденцију да остави већи садржај заосталог силицијума (обично 10-15%, понекад и преко 15%), што може негативно утицати на својства финалног производа. Насупрот томе, инфилтрација паре силицијума омогућава бољу контролу над садржајем заосталог силицијума. Минимизирањем порозности у зеленом телу, резидуални садржај силицијума након синтеровања може се смањити на испод 10%, а уз пажљиву контролу процеса, чак и испод 8%. Ово смањење значајно побољшава укупне перформансе финалног производа.

Важно је напоменути даРБСиЦ, без обзира на метод инфилтрације, неизбежно ће садржати нешто заосталог силицијума (у распону од 8% до преко 15%). дакле,РБСиЦније једнофазна силицијум карбидна керамика, већ је композит „силицијум + силицијум карбид“. сходно томе,РБСиЦсе такође помиње каоСиСиЦ (композит силицијум силицијум карбида).

(2) Предности и примене:

РБСиЦнуди неколико предности, укључујући:

Ниска температура синтеровања: Ово смањује потрошњу енергије и трошкове производње.

Исплативост: Процес је релативно једноставан и користи лако доступне сировине, што доприноси његовој приступачности.

Висока густоћа:РБСиЦпостиже висок ниво густине, што доводи до побољшаних механичких својстава.

Обликовање скоро мреже: Предформа од угљеника и силицијум карбида може се претходно машински обрађивати у сложене облике, а минимално скупљање током синтеровања (обично мање од 3%) обезбеђује одличну тачност димензија. Ово смањује потребу за скупом машинском обрадом након синтеровањаРБСиЦпосебно погодан за велике компоненте сложеног облика.

Због ових предности,РБСиЦужива широку употребу у разним индустријским применама, првенствено за производњу:

Компоненте пећи: облоге, лончићи и сагари.

Свемирска огледала:РБСиЦНизак коефицијент термичке експанзије и висок модул еластичности чине га идеалним материјалом за огледала у свемиру.

Високотемпературни размењивачи топлоте: компаније као што је Рефел (УК) су биле пионир у употребиРБСиЦу размењивачима топлоте на високим температурама, са применама у распону од хемијске обраде до производње електричне енергије. Асахи Гласс (Јапан) је такође усвојио ову технологију, производећи цеви за размену топлоте дужине од 0,5 до 1 метар.

Штавише, све већа потражња за већим плочицама и вишим температурама обраде у индустрији полупроводника подстакли су развој производа високе чистоће.РБСиЦкомпоненте. Ове компоненте, произведене коришћењем СиЦ праха и силицијума високе чистоће, постепено замењују делове од кварцног стакла у носачима за електронске цеви и опрему за обраду полупроводничких плочица.

Семицорек РБСиЦ чамац за вафле за дифузионе пећи

(3) Ограничења:

Упркос својим предностима,РБСиЦима одређена ограничења:

Преостали силицијум: Као што је раније поменуто,РБСиЦпроцес инхерентно резултира резидуалним слободним силицијумом у финалном производу. Овај преостали силицијум негативно утиче на својства материјала, укључујући:

Смањена чврстоћа и отпорност на хабање у поређењу са другимСиЦ керамика.

Ограничена отпорност на корозију: Слободни силицијум је подложан нападима алкалних раствора и јаких киселина попут флуороводоничне киселине, ограничавајућиРБСиЦупотреба у таквим окружењима.

Нижа чврстоћа при високим температурама: Присуство слободног силицијума ограничава максималну радну температуру на око 1350-1400°Ц.

2. Синтеровање без притиска - ПССиЦ

Синтеровање силицијум карбида без притискапостиже згушњавање узорака различитих облика и величина на температурама између 2000-2150°Ц у инертној атмосфери и без примене спољног притиска, додавањем одговарајућих помагала за синтеровање. Технологија синтеровања СиЦ-а без притиска је сазрела, а њене предности леже у ниској цени производње и без ограничења у облику и величини производа. Конкретно, чврста фаза синтерована СиЦ керамика има високу густину, уједначену микроструктуру и одличне свеобухватне особине материјала, што их чини широко примењеним у заптивним прстеновима отпорним на хабање и корозију, клизним лежајевима и другим применама.

Процес синтеровања силицијум карбида без притиска може се поделити на чврсту фазусинтеровани силицијум карбид (ССиЦ)и синтеровани силицијум карбид у течној фази (ЛСиЦ).

Микроструктура и граница зрна чврстог синтерованог силицијум карбида без притиска

Синтеровање у чврстој фази је први изумео амерички научник Процхазка 1974. Он је додао малу количину бора и угљеника субмикронском β-СиЦ, реализујући синтеровање силицијум карбида без притиска и добијајући густо синтеровано тело са густином близу 95% теоријску вредност. Након тога, В. Бтцкер и Х. Ханснер су користили α-СиЦ као сировину и додали бор и угљеник да би постигли згушњавање силицијум карбида. Многа каснија истраживања су показала да и једињења бора и бора и једињења Ал и Ал могу да формирају чврсте растворе са силицијум карбидом како би се подстакло синтеровање. Додатак угљеника је користан за синтеровање реакцијом са силицијум диоксидом на површини силицијум карбида да би се повећала површинска енергија. Синтеровани силицијум карбид у чврстој фази има релативно „чисте“ границе зрна без присутне течне фазе, а зрна лако расту на високим температурама. Због тога је прелом трансгрануларан, а чврстоћа и жилавост лома углавном нису високе. Међутим, због својих „чистих“ граница зрна, чврстоћа на високој температури се не мења са повећањем температуре и генерално остаје стабилна до 1600°Ц.

Синтеровање силицијум карбида у течној фази изумео је амерички научник М. А. Мула почетком 1990-их. Његов главни адитив за синтеровање је И2О3-Ал2О3. Синтеровање у течној фази има предност ниже температуре синтеровања у поређењу са синтеровањем у чврстој фази, а величина зрна је мања.

Главни недостаци синтеровања у чврстој фази су потребна висока температура синтеровања (>2000°Ц), високи захтеви за чистоћу за сировине, ниска жилавост синтерованог тела на лом и јака осетљивост чврстоће лома на пукотине. Структурно, зрна су груба и неуједначена, а начин лома је типично трансгрануларни. Последњих година истраживања керамичких материјала од силицијум карбида у земљи и иностранству су се фокусирала на синтеровање у течној фази. Синтеровање у течној фази се постиже употребом одређене количине вишекомпонентних нискоеутектичких оксида као помоћних средстава за синтеровање. На пример, бинарна и тернарна помоћна средства И2О3 могу учинити да СиЦ и његови композити испоље синтеровање у течној фази, постижући идеално згушњавање материјала на нижим температурама. У исто време, услед увођења течне фазе на граници зрна и слабљења јединствене чврстоће интерфејса, режим лома керамичког материјала се мења у режим интергрануларног лома, а жилавост лома керамичког материјала је значајно побољшана. .

3. Рекристализовани силицијум карбид - РСиЦ

Рекристализовани силицијум карбид (РСиЦ)је СиЦ материјал високе чистоће направљен од праха силицијум карбида (СиЦ) високе чистоће са две различите величине честица, грубим и финим. Синтерује се на високим температурама (2200-2450°Ц) кроз механизам испаравања-кондензације без додавања помоћних средстава за синтеровање.

Напомена: Без помоћних средстава за синтеровање, раст врата за синтеровање се генерално постиже површинском дифузијом или евапорационим-кондензационим преносом масе. Према класичној теорији синтеровања, ниједна од ових метода преноса масе не може смањити растојање између центара масе контактних честица, тако да не узрокује скупљање на макроскопској скали, што је процес без згушњавања. Да би решили овај проблем и добили керамику од силицијум карбида високе густине, људи су предузели многе мере, као што су примена топлоте, додавање помоћних средстава за синтеровање или коришћење комбинације топлоте, притиска и помоћних средстава за синтеровање.

СЕМ слика површине лома рекристализованог силицијум карбида

Карактеристике и примена:

РСиЦсадржи више од 99% СиЦ и у основи нема нечистоћа на граници зрна, задржавајући многа одлична својства СиЦ, као што су чврстоћа на високим температурама, отпорност на корозију и отпорност на топлотни удар. Због тога се широко користи у високотемпературном намештају за пећи, млазницама за сагоревање, соларним термалним претварачима, уређајима за пречишћавање издувних гасова дизел возила, топионици метала и другим окружењима са изузетно захтевним захтевима за перформансе.

Због евапорационо-кондензационог механизма синтеровања, нема скупљања током процеса печења и не ствара се заостали напон који би проузроковао деформацију или пуцање производа.

РСиЦмогу се формирати различитим методама као што су ливење клизним слојем, ливење гелом, екструзија и пресовање. Пошто нема скупљања током процеса печења, лако је добити производе тачних облика и величина све док су димензије зеленог тела добро контролисане.

Отпуштенирекристализовани СиЦ производсадржи отприлике 10%-20% заосталих пора. Порозност материјала у великој мери зависи од порозности самог зеленог тела и не мења се значајно са температуром синтеровања, пружајући основу за контролу порозности.

Под овим механизмом синтеровања, материјал има много међусобно повезаних пора, што има широк спектар примена у области порозних материјала. На пример, може да замени традиционалне порозне производе у областима филтрације издувних гасова и филтрације ваздуха од фосилних горива.

РСиЦима веома јасне и чисте границе зрна без стакластих фаза и нечистоћа јер су било какве нечистоће оксида или метала испариле на високим температурама од 2150-2300°Ц. Механизам за синтеровање испаравањем и кондензацијом такође може да пречисти СиЦ (садржај СиЦ уРСиЦје изнад 99%), задржавајући многа одлична својства СиЦ, што га чини погодним за апликације које захтевају чврстоћу на високим температурама, отпорност на корозију и отпорност на топлотни удар, као што су намештај за пећи на високим температурама, млазнице за сагоревање, соларни термални претварачи и топљење метала .**