Μια ανασκόπηση 9 τεχνικών πυροσυσσωμάτωσης για κεραμικά καρβιδίου πυριτίου

Καρβίδιο του πυριτίου (SiC), ένα εξέχον δομικό κεραμικό, είναι γνωστό για τις εξαιρετικές του ιδιότητες, όπως αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, σκληρότητα, μέτρο ελαστικότητας, αντοχή στη φθορά, θερμική αγωγιμότητα και αντοχή στη διάβρωση. Αυτά τα χαρακτηριστικά το καθιστούν κατάλληλο για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από παραδοσιακές βιομηχανικές χρήσεις σε έπιπλα κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας, ακροφύσια καυστήρα, εναλλάκτες θερμότητας, δακτυλίους στεγανοποίησης και ρουλεμάν ολίσθησης, έως προηγμένες εφαρμογές όπως βαλλιστική θωράκιση, διαστημικούς καθρέφτες, τσοκ ημιαγωγών γκοφρέτας, και επένδυση πυρηνικών καυσίμων.

Η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης είναι κρίσιμη για τον προσδιορισμό των τελικών ιδιοτήτων τουΚεραμικά SiC. Η εκτεταμένη έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη διαφόρων τεχνικών πυροσυσσωμάτωσης, που κυμαίνονται από καθιερωμένες μεθόδους όπως πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης, πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, πυροσυσσωμάτωση ανακρυστάλλωσης και θερμή έκθλιψη, έως πιο πρόσφατες καινοτομίες όπως η πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα, η πυροσυσσωμάτωση με φλας και η πυροσυσσωμάτωση ταλαντευόμενης πίεσης.

Ακολουθεί μια πιο προσεκτική ματιά σε εννέα εξέχοντεςΚεραμικό SiCτεχνικές πυροσυσσωμάτωσης:

1. Hot Pressing:

Πρωτοπόρος από τους Alliegro et al. στη Norton Company, η θερμή πίεση περιλαμβάνει την ταυτόχρονη εφαρμογή θερμότητας και πίεσης σε αSiC σκόνησυμπαγής μέσα σε μια μήτρα. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει την ταυτόχρονη πύκνωση και διαμόρφωση. Ενώ είναι αποτελεσματικό, το θερμό πάτημα απαιτεί πολύπλοκο εξοπλισμό, εξειδικευμένες μήτρες και αυστηρό έλεγχο της διαδικασίας. Οι περιορισμοί του περιλαμβάνουν υψηλή κατανάλωση ενέργειας, περιορισμένη πολυπλοκότητα σχήματος και υψηλό κόστος παραγωγής.

2. Πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης:

Προτάθηκε για πρώτη φορά από τον P. Popper στη δεκαετία του 1950, η πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης περιλαμβάνει ανάμειξηSiC σκόνημε πηγή άνθρακα. Το πράσινο σώμα, που σχηματίζεται μέσω χύτευσης ολίσθησης, ξηρής πίεσης ή ψυχρής ισοστατικής συμπίεσης, υφίσταται μια διαδικασία διείσδυσης πυριτίου. Η θέρμανση άνω των 1500°C σε κενό ή αδρανή ατμόσφαιρα λιώνει το πυρίτιο, το οποίο διεισδύει στο πορώδες σώμα μέσω τριχοειδούς δράσης. Το υγρό ή αέριο πυρίτιο αντιδρά με τον άνθρακα, σχηματίζοντας in-situ β-SiC που συνδέεται με τα υπάρχοντα σωματίδια SiC, με αποτέλεσμα ένα πυκνό κεραμικό.

Το SiC με δεσμό αντίδρασης διαθέτει χαμηλές θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης, οικονομική αποδοτικότητα και υψηλή πυκνότητα. Η αμελητέα συρρίκνωση κατά την πυροσυσσωμάτωση το καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλο για μεγάλα, πολύπλοκου σχήματος εξαρτήματα. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν έπιπλα κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας, σωλήνες ακτινοβολίας, εναλλάκτες θερμότητας και ακροφύσια αποθείωσης.

Διαδρομή διαδικασίας Semicorex του σκάφους RBSiC

3. Πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση:

Αναπτύχθηκε από τους S. Prochazka et al. στη GE το 1974, η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση εξαλείφει την ανάγκη για εξωτερική πίεση. Η πύκνωση λαμβάνει χώρα στους 2000-2150°C υπό ατμοσφαιρική πίεση (1,01×105 Pa) σε αδρανή ατμόσφαιρα με τη βοήθεια πρόσθετων πυροσυσσωμάτωσης. Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση μπορεί περαιτέρω να κατηγοριοποιηθεί σε πυροσυσσωμάτωση στερεής κατάστασης και πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης.

Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση σε στερεά κατάσταση επιτυγχάνει υψηλές πυκνότητες (3,10-3,15 g/cm3) χωρίς ενδοκοκκώδεις γυάλινες φάσεις, με αποτέλεσμα εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας, με θερμοκρασίες χρήσης που φτάνουν τους 1600°C. Ωστόσο, η υπερβολική ανάπτυξη κόκκων σε υψηλές θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την αντοχή.

Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση σε υγρή φάση διευρύνει το πεδίο εφαρμογής των κεραμικών SiC. Η υγρή φάση, που σχηματίζεται από την τήξη ενός μόνο συστατικού ή την ευτηκτική αντίδραση πολλαπλών συστατικών, ενισχύει την κινητική συμπύκνωσης παρέχοντας μια διαδρομή υψηλής διάχυσης, που οδηγεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης σε σύγκριση με τη σύντηξη στερεάς κατάστασης. Το μέγεθος του λεπτού κόκκου και η υπολειπόμενη διακοκκώδης υγρή φάση στο πυροσυσσωματωμένο σε υγρή φάση SiC προάγουν τη μετάβαση από τη διακοκκώδη στη διακοκκώδη θραύση, ενισχύοντας την αντοχή στην κάμψη και την αντοχή στη θραύση.

Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση είναι μια ώριμη τεχνολογία με πλεονεκτήματα όπως η οικονομική απόδοση και η ευελιξία του σχήματος. Το πυροσυσσωματωμένο SiC σε στερεά κατάσταση, ειδικότερα, προσφέρει υψηλή πυκνότητα, ομοιόμορφη μικροδομή και εξαιρετική συνολική απόδοση, καθιστώντας το κατάλληλο για εξαρτήματα ανθεκτικά στη φθορά και στη διάβρωση, όπως δακτυλίους στεγανοποίησης και συρόμενα ρουλεμάν.

Θωράκιση από πυροσυσσωματωμένο καρβίδιο πυριτίου χωρίς πίεση

4. Πυροσυσσωμάτωση ανακρυστάλλωσης:

Στη δεκαετία του 1980, ο Kriegesmann έδειξε την κατασκευή ανακρυσταλλοποιημένων υψηλής απόδοσηςΚεραμικά SiCμε χύτευση ολίσθησης ακολουθούμενη από πυροσυσσωμάτωση στους 2450°C. Αυτή η τεχνική υιοθετήθηκε γρήγορα για παραγωγή μεγάλης κλίμακας από την FCT (Γερμανία) και τη Norton (ΗΠΑ).

Το ανακρυσταλλωμένο SiC περιλαμβάνει τη σύντηξη ενός πράσινου σώματος που σχηματίζεται από τη συσκευασία σωματιδίων SiC διαφορετικών μεγεθών. Τα λεπτά σωματίδια, ομοιόμορφα κατανεμημένα στα διάκενα των χονδρότερων σωματιδίων, εξατμίζονται και συμπυκνώνονται στα σημεία επαφής μεγαλύτερων σωματιδίων σε θερμοκρασίες άνω των 2100°C κάτω από ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Αυτός ο μηχανισμός εξάτμισης-συμπύκνωσης σχηματίζει νέα όρια κόκκων στους λαιμούς σωματιδίων, οδηγώντας σε ανάπτυξη κόκκων, σχηματισμό λαιμού και ένα πυροσυσσωματωμένο σώμα με υπολειμματικό πορώδες.

Τα βασικά χαρακτηριστικά του ανακρυσταλλωμένου SiC περιλαμβάνουν:

Ελάχιστη συρρίκνωση: Η απουσία ορίου κόκκου ή διάχυσης όγκου κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης έχει ως αποτέλεσμα αμελητέα συρρίκνωση.

Μορφοποίηση κοντά στο δίκτυο: Η πυκνότητα του πυροσυσσωματωμένου παραμένει σχεδόν ίδια με την πυκνότητα του πράσινου σώματος.

Καθαρά όρια κόκκων: Το ανακρυσταλλωμένο SiC εμφανίζει καθαρά όρια κόκκων χωρίς γυάλινες φάσεις ή ακαθαρσίες.

Υπολειμματικό πορώδες: Το πυροσυσσωματωμένο σώμα διατηρεί τυπικά πορώδες 10-20%.

5. Ζεστή ισοστατική πίεση (HIP):

Το HIP χρησιμοποιεί πίεση αδρανούς αερίου (συνήθως αργό) για να ενισχύσει τη συμπύκνωση. Η συμπαγής σκόνη SiC, σφραγισμένη σε γυάλινο ή μεταλλικό δοχείο, υπόκειται σε ισοστατική πίεση μέσα σε έναν κλίβανο. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει στο εύρος πυροσυσσωμάτωσης, ένας συμπιεστής διατηρεί μια αρχική πίεση αερίου αρκετών megapascals. Αυτή η πίεση αυξάνεται προοδευτικά κατά τη θέρμανση, φτάνοντας έως και τα 200 MPa, εξαλείφοντας αποτελεσματικά τους εσωτερικούς πόρους και επιτυγχάνοντας υψηλή πυκνότητα.

6. Πυροσυσσωμάτωση με Spark Plasma (SPS):

Το SPS είναι μια νέα τεχνική μεταλλουργίας σκόνης για την παραγωγή πυκνών υλικών, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων, κεραμικών και σύνθετων υλικών. Χρησιμοποιεί ηλεκτρικούς παλμούς υψηλής ενέργειας για τη δημιουργία παλμικού ηλεκτρικού ρεύματος και σπινθήρα πλάσματος μεταξύ σωματιδίων σκόνης. Αυτή η τοπική θέρμανση και η παραγωγή πλάσματος συμβαίνουν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και σύντομες διάρκειες, επιτρέποντας την ταχεία πυροσυσσωμάτωση. Η διαδικασία αφαιρεί αποτελεσματικά τους ρύπους της επιφάνειας, ενεργοποιεί τις επιφάνειες σωματιδίων και προάγει την ταχεία πύκνωση. Το SPS έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την κατασκευή πυκνών κεραμικών SiC χρησιμοποιώντας Al2O3 και Y2O3 ως βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης.

7. Πυροσυσσωμάτωση σε φούρνο μικροκυμάτων:

Σε αντίθεση με τη συμβατική θέρμανση, η πυροσυσσωμάτωση με μικροκύματα αξιοποιεί τη διηλεκτρική απώλεια υλικών μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μικροκυμάτων για την επίτευξη ογκομετρικής θέρμανσης και πυροσυσσωμάτωσης. Αυτή η μέθοδος προσφέρει πλεονεκτήματα όπως χαμηλότερες θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης, ταχύτερους ρυθμούς θέρμανσης και βελτιωμένη πυκνότητα. Η ενισχυμένη μεταφορά μάζας κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης με μικροκύματα προάγει επίσης λεπτές μικροδομές.

8. Flash Sintering:

Το Flash sintering (FS) έχει κερδίσει την προσοχή για τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και την εξαιρετικά γρήγορη κινητική του πυροσυσσωμάτωσης. Η διαδικασία περιλαμβάνει την εφαρμογή τάσης σε ένα πράσινο σώμα μέσα σε έναν κλίβανο. Με την επίτευξη μιας θερμοκρασίας κατωφλίου, μια ξαφνική μη γραμμική αύξηση του ρεύματος δημιουργεί ταχεία θέρμανση Joule, που οδηγεί σε σχεδόν στιγμιαία συμπύκνωση μέσα σε δευτερόλεπτα.

9. Πυροσυσσωμάτωση ταλαντευόμενης πίεσης (OPS):

Η εισαγωγή δυναμικής πίεσης κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης διαταράσσει τη σύμπλεξη και τη συσσωμάτωση σωματιδίων, μειώνοντας το μέγεθος και την κατανομή των πόρων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα πολύ πυκνές, λεπτόκοκκες και ομοιογενείς μικροδομές, αποδίδοντας κεραμικά υψηλής αντοχής και αξιοπιστίας. Πρωτοπόρος από την ομάδα του Xie Zhipeng στο Πανεπιστήμιο Tsinghua, το OPS αντικαθιστά τη σταθερή στατική πίεση στη συμβατική πυροσυσσωμάτωση με δυναμική ταλαντωτική πίεση.

Το OPS προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα:

Ενισχυμένη πράσινη πυκνότητα: Η συνεχής ταλαντωτική πίεση προάγει την αναδιάταξη των σωματιδίων, αυξάνοντας σημαντικά την πράσινη πυκνότητα της συμπαγούς σκόνης.

Αυξημένη κινητήρια δύναμη πυροσυσσωμάτωσης: Το OPS παρέχει μεγαλύτερη κινητήρια δύναμη για πύκνωση, ενισχύοντας την περιστροφή των κόκκων, την ολίσθηση και τη ροή πλαστικού. Αυτό είναι ιδιαίτερα ευεργετικό κατά τα τελευταία στάδια της πυροσυσσωμάτωσης, όπου η ελεγχόμενη συχνότητα ταλάντωσης και το πλάτος εξαλείφουν αποτελεσματικά τους υπολειπόμενους πόρους στα όρια των κόκκων.

Φωτογραφία του εξοπλισμού πυροσυσσωμάτωσης ταλαντευόμενης πίεσης

Σύγκριση κοινών τεχνικών:

Μεταξύ αυτών των τεχνικών, η πυροσυσσωμάτωση με αντίδραση, η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση και η πυροσυσσωμάτωση ανακρυστάλλωσης χρησιμοποιούνται ευρέως για τη βιομηχανική παραγωγή SiC, καθεμία με μοναδικά πλεονεκτήματα, με αποτέλεσμα διακριτές μικροδομές, ιδιότητες και εφαρμογές.

SiC με δεσμό αντίδρασης:Προσφέρει χαμηλές θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης, οικονομική αποδοτικότητα, ελάχιστη συρρίκνωση και υψηλή πυκνότητα, καθιστώντας το κατάλληλο για μεγάλα, πολύπλοκου σχήματος εξαρτήματα. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν έπιπλα κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας, ακροφύσια καυστήρα, εναλλάκτες θερμότητας και οπτικούς ανακλαστήρες.

Πιεσμένο SiC χωρίς πίεση:Παρέχει οικονομική αποδοτικότητα, ευελιξία σχήματος, υψηλή πυκνότητα, ομοιόμορφη μικροδομή και εξαιρετικές συνολικές ιδιότητες, καθιστώντας το ιδανικό για εξαρτήματα ακριβείας όπως σφραγίδες, ρουλεμάν ολίσθησης, βαλλιστική θωράκιση, οπτικούς ανακλαστήρες και τσοκ ημιαγωγών.

Ανακρυσταλλωμένο SiC:Διαθέτει καθαρές φάσεις SiC, υψηλή καθαρότητα, υψηλό πορώδες, εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και αντοχή στο θερμικό σοκ, καθιστώντας το κατάλληλο για έπιπλα κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας, εναλλάκτες θερμότητας και ακροφύσια καυστήρα.**

Εμείς στη Semicorex ειδικευόμαστε σεΚεραμικά SiC και άλλαΚεραμικά Υλικάεφαρμόζεται στην κατασκευή ημιαγωγών, εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com