Εξειδικευμένες τεχνικές προετοιμασίας κεραμικών καρβιδίου πυριτίου

Κεραμικό καρβίδιο του πυριτίου (SiC).Τα υλικά διαθέτουν μια σειρά από εξαιρετικές ιδιότητες, όπως αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, ισχυρή αντοχή στην οξείδωση, ανώτερη αντοχή στη φθορά, θερμική σταθερότητα, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή σκληρότητα, αντοχή σε θερμικό σοκ και αντοχή στη χημική διάβρωση. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τα κεραμικά SiC όλο και πιο εφαρμόσιμα σε διάφορους τομείς όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η μηχανική και η χημική βιομηχανία, η προστασία του περιβάλλοντος, η διαστημική τεχνολογία, η ηλεκτρονική πληροφορική και η ενέργεια.Κεραμικά SiCέχουν γίνει ένα αναντικατάστατο δομικό κεραμικό υλικό σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς λόγω της εξαιρετικής τους απόδοσης.

Ποια είναι τα δομικά χαρακτηριστικά που ενισχύουνΚεραμικά SiC?

Οι ανώτερες ιδιότητες τουΚεραμικά SiCσυνδέονται στενά με τη μοναδική δομή τους. Το SiC είναι μια ένωση με πολύ ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, όπου ο ιοντικός χαρακτήρας του δεσμού Si-C είναι μόνο περίπου 12%. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλή αντοχή και μεγάλο μέτρο ελαστικότητας, παρέχοντας εξαιρετική αντοχή στη φθορά. Το καθαρό SiC δεν διαβρώνεται από όξινα διαλύματα όπως HCl, HNO3, H2SO4 ή HF, ούτε από αλκαλικά διαλύματα όπως το NaOH. Ενώ τείνει να οξειδώνεται όταν θερμαίνεται στον αέρα, ο σχηματισμός ενός στρώματος SiO2 στην επιφάνεια αναστέλλει την περαιτέρω διάχυση του οξυγόνου, διατηρώντας έτσι τον ρυθμό οξείδωσης χαμηλό. Επιπλέον, το SiC παρουσιάζει ημιαγωγικές ιδιότητες, με καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα όταν εισάγονται μικρές ποσότητες ακαθαρσιών και εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα.

Πώς οι διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές του SiC επηρεάζουν τις ιδιότητές του;

Το SiC υπάρχει σε δύο κύριες κρυσταλλικές μορφές: α και β. Το β-SiC έχει κυβική κρυσταλλική δομή, με το Si και το C να σχηματίζουν προσωποκεντρικά κυβικά πλέγματα. Το α-SiC υπάρχει σε περισσότερους από 100 πολυτύπους, συμπεριλαμβανομένων των 4H, 15R και 6H, με το 6H να είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος σε βιομηχανικές εφαρμογές. Η σταθερότητα αυτών των πολυτύπων ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Κάτω από τους 1600°C, το SiC υπάρχει στη μορφή β, ενώ πάνω από τους 1600°C, το β-SiC μετατρέπεται σταδιακά σε διάφορους πολυτύπους α-SiC. Για παράδειγμα, το 4H-SiC σχηματίζεται γύρω στους 2000°C, ενώ οι πολυτύποι 15R και 6H απαιτούν θερμοκρασίες πάνω από 2100°C για να σχηματιστούν εύκολα. Ο πολυτύπος 6Η παραμένει σταθερός ακόμη και πάνω από τους 2200°C. Η μικρή διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια μεταξύ αυτών των πολυτύπων σημαίνει ότι ακόμη και μικρές ακαθαρσίες μπορούν να αλλάξουν τις σχέσεις θερμικής σταθερότητάς τους.

Ποιες είναι οι τεχνικές για την παραγωγή σκόνης SiC;

Η παρασκευή σκόνης SiC μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε σύνθεση στερεάς φάσης και σύνθεση υγρής φάσης με βάση την αρχική κατάσταση των πρώτων υλών.

Ποιες είναι οι μέθοδοι που εμπλέκονται στη σύνθεση στερεάς φάσης; 

Η σύνθεση στερεάς φάσης περιλαμβάνει κυρίως την αναγωγή του άνθρακα και τις άμεσες αντιδράσεις πυριτίου-άνθρακα. Η μέθοδος της καρβοθερμικής αναγωγής περιλαμβάνει τη μέθοδο Acheson, τη μέθοδο κάθετου κλιβάνου και τη μέθοδο περιστροφικού κλιβάνου υψηλής θερμοκρασίας. Η διαδικασία Acheson, που εφευρέθηκε από τον Acheson, περιλαμβάνει τη μείωση του πυριτίου στη χαλαζιακή άμμο από άνθρακα σε έναν ηλεκτρικό κλίβανο Acheson, που οδηγείται από μια ηλεκτροχημική αντίδραση σε υψηλή θερμοκρασία και ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Αυτή η μέθοδος, με ιστορία βιομηχανικής παραγωγής που εκτείνεται πάνω από έναν αιώνα, αποδίδει σχετικά χονδροειδή σωματίδια SiC και έχει υψηλή κατανάλωση ενέργειας, μεγάλο μέρος της οποίας χάνεται ως θερμότητα.

Στη δεκαετία του 1970, οι βελτιώσεις στη διαδικασία Acheson οδήγησαν σε εξελίξεις στη δεκαετία του 1980, όπως κάθετοι φούρνοι και περιστροφικοί κλίβανοι υψηλής θερμοκρασίας για τη σύνθεση σκόνης β-SiC, με περαιτέρω προόδους τη δεκαετία του 1990. Ohsaki et al. διαπίστωσε ότι το αέριο SiO που απελευθερώνεται από τη θέρμανση ενός μίγματος σκόνης SiO2 και Si αντιδρά με ενεργό άνθρακα, με αυξημένη θερμοκρασία και παρατεταμένο χρόνο διατήρησης μειώνοντας την ειδική επιφάνεια της σκόνης καθώς απελευθερώνεται περισσότερο αέριο SiO. Η μέθοδος άμεσης αντίδρασης πυριτίου-άνθρακα, μια εφαρμογή αυτο-διαδόσεως σύνθεσης υψηλής θερμοκρασίας, περιλαμβάνει την ανάφλεξη του σώματος του αντιδρώντος με μια εξωτερική πηγή θερμότητας και τη χρήση της θερμότητας της χημικής αντίδρασης που απελευθερώνεται κατά τη σύνθεση για τη διατήρηση της διαδικασίας. Αυτή η μέθοδος έχει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, απλό εξοπλισμό και διαδικασίες και υψηλή παραγωγικότητα, αν και είναι δύσκολο να ελεγχθεί η αντίδραση. Η ασθενής εξώθερμη αντίδραση μεταξύ πυριτίου και άνθρακα καθιστά δύσκολη την ανάφλεξη και τη διατήρηση σε θερμοκρασία δωματίου, απαιτώντας πρόσθετες πηγές ενέργειας όπως χημικοί φούρνοι, συνεχές ρεύμα, προθέρμανση ή βοηθητικά ηλεκτρικά πεδία.

Πώς συντίθεται η σκόνη SiC με τη χρήση μεθόδων υγρής φάσης; 

Οι μέθοδοι σύνθεσης υγρής φάσης περιλαμβάνουν τεχνικές αποσύνθεσης κολλοειδούς γέλης και πολυμερούς. Οι Ewell et al. Πρώτη φορά πρότεινε τη μέθοδο sol-gel, η οποία εφαρμόστηκε αργότερα στην παρασκευή κεραμικών γύρω στο 1952. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί υγρά χημικά αντιδραστήρια για την παρασκευή προδρόμων αλκοξειδίων, τα οποία διαλύονται σε χαμηλές θερμοκρασίες για να σχηματίσουν ένα ομοιογενές διάλυμα. Με την προσθήκη κατάλληλων παραγόντων γέλης, το αλκοξείδιο υφίσταται υδρόλυση και πολυμερισμό για να σχηματίσει ένα σταθερό σύστημα κολλοειδούς διαλύματος. Μετά από παρατεταμένη παραμονή ή ξήρανση, το Si και το C αναμιγνύονται ομοιόμορφα σε μοριακό επίπεδο. Η θέρμανση αυτού του μίγματος στους 1460-1600°C προκαλεί μια αντίδραση καρβοθερμικής αναγωγής για την παραγωγή λεπτής σκόνης SiC. Οι βασικές παράμετροι που πρέπει να ελέγχονται κατά την επεξεργασία κολλοειδούς γέλης περιλαμβάνουν το pH του διαλύματος, τη συγκέντρωση, τη θερμοκρασία αντίδρασης και τον χρόνο. Αυτή η μέθοδος διευκολύνει την ομοιογενή προσθήκη διαφόρων ιχνοστοιχείων αλλά έχει μειονεκτήματα όπως υπολειμματικά υδροξυλικά και οργανικούς διαλύτες επιβλαβείς για την υγεία, υψηλό κόστος πρώτης ύλης και σημαντική συρρίκνωση κατά την επεξεργασία.

Η αποσύνθεση οργανικών πολυμερών σε υψηλή θερμοκρασία είναι μια άλλη αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή SiC:

Θέρμανση πολυσιλοξανών γέλης για την αποσύνθεσή τους σε μικρά μονομερή, σχηματίζοντας τελικά SiO2 και C, τα οποία στη συνέχεια υφίστανται καρβοθερμική αναγωγή για την παραγωγή σκόνης SiC.

Θέρμανση πολυκαρβοσιλανίων για την αποσύνθεσή τους σε μικρά μονομερή, σχηματίζοντας ένα πλαίσιο που τελικά καταλήγει σε σκόνη SiC. Οι πρόσφατες τεχνικές sol-gel επέτρεψαν την παραγωγή υλικών sol/gel με βάση το SiO2, εξασφαλίζοντας ομοιογενή κατανομή των πρόσθετων πυροσυσσωμάτωσης και σκλήρυνσης μέσα στο gel, γεγονός που διευκολύνει τον σχηματισμό κεραμικών σκονών SiC υψηλής απόδοσης.

Γιατί η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση θεωρείται πολλά υποσχόμενη τεχνική γιαΚεραμικά SiC?

Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος γιαπυροσυσσωμάτωση SiC. Ανάλογα με τον μηχανισμό πυροσυσσωμάτωσης, μπορεί να χωριστεί σε πυροσυσσωμάτωση στερεάς φάσης και πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης. Ο S. Proehazka πέτυχε σχετική πυκνότητα πάνω από 98% για τα συντηγμένα σώματα SiC προσθέτοντας κατάλληλες ποσότητες B και C σε εξαιρετικά λεπτή σκόνη β-SiC (με περιεκτικότητα σε οξυγόνο κάτω από 2%) και πυροσυσσωμάτωση στους 2020°C υπό κανονική πίεση. Οι Α. Mulla et al. χρησιμοποίησε Al2O3 και Y2O3 ως πρόσθετα για τη σύντηξη 0,5μm β-SiC (με μικρή ποσότητα SiO2 στην επιφάνεια των σωματιδίων) στους 1850-1950°C, επιτυγχάνοντας σχετική πυκνότητα μεγαλύτερη από το 95% της θεωρητικής πυκνότητας και λεπτούς κόκκους με μέσο όρο μέγεθος 1,5μm.

Πώς ενισχύεται η πυροσυσσωμάτωση με θερμή πρέσαΚεραμικά SiC?

Ο Nadeau επεσήμανε ότι το καθαρό SiC μπορεί να πυροσυσσωματωθεί πυκνά μόνο σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες χωρίς βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης, ωθώντας πολλούς να εξερευνήσουν τη σύντηξη με θερμή πίεση. Πολυάριθμες μελέτες έχουν εξετάσει τα αποτελέσματα της προσθήκης B, Al, Ni, Fe, Cr και άλλων μετάλλων στη συμπύκνωση του SiC, με τα Al και Fe να είναι τα πιο αποτελεσματικά για την προώθηση της πυροσυσσωμάτωσης με θερμή πίεση. F.F. Ο Lange διερεύνησε την απόδοση του πυροσυσσωματωμένου με θερμή πίεση SiC με ποικίλες ποσότητες Al2O3, αποδίδοντας τη συμπύκνωση σε έναν μηχανισμό διάλυσης-επανακαθίζησης. Ωστόσο, η πυροσυσσωμάτωση με θερμή πίεση μπορεί να παράγει μόνο απλού σχήματος συστατικά SiC και η ποσότητα του προϊόντος σε μια ενιαία διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης είναι περιορισμένη, καθιστώντας το λιγότερο κατάλληλο για βιομηχανική παραγωγή.

Ποια είναι τα οφέλη και οι περιορισμοί της πυροσυσσωμάτωσης αντίδρασης για το SiC;

SiC συντετηγμένο με αντίδραση, γνωστό και ως αυτοδεσμευμένο SiC, περιλαμβάνει την αντίδραση ενός πορώδους πράσινου σώματος με αέριες ή υγρές φάσεις για αύξηση της μάζας, μείωση του πορώδους και πυροσυσσωμάτωση σε ένα ισχυρό προϊόν με ακρίβεια στις διαστάσεις. Η διαδικασία περιλαμβάνει ανάμειξη σκόνης α-SiC και γραφίτη σε μια ορισμένη αναλογία, θέρμανση στους 1650°C περίπου και διείσδυση στο πράσινο σώμα με τηγμένο Si ή αέριο Si, το οποίο αντιδρά με τον γραφίτη για να σχηματίσει β-SiC, δεσμεύοντας το υπάρχον α-SiC σωματίδια. Η πλήρης διήθηση του Si έχει ως αποτέλεσμα ένα πλήρως πυκνό, σταθερό σε διαστάσεις σώμα πυροσυσσωματωμένο στην αντίδραση. Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης, η πυροσυσσωμάτωση με αντίδραση περιλαμβάνει ελάχιστες αλλαγές διαστάσεων κατά τη διάρκεια της πύκνωσης, επιτρέποντας την κατασκευή ακριβών εξαρτημάτων. Ωστόσο, η παρουσία σημαντικής ποσότητας SiC στο πυροσυσσωματωμένο σώμα οδηγεί σε χειρότερη απόδοση σε υψηλή θερμοκρασία.

Συνοπτικά,Κεραμικά SiCπου παράγονται με πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, πυροσυσσωμάτωση με θερμή πίεση, θερμή ισοστατική συμπίεση και πυροσυσσωμάτωση αντίδρασης παρουσιάζουν ποικίλα χαρακτηριστικά απόδοσης.Κεραμικά SiCαπό τη θερμή πίεση και την θερμή ισοστατική συμπίεση έχουν γενικά υψηλότερες πυκνότητες πυροσυσσωμάτωσης και αντοχή σε κάμψη, ενώ το πυροσυσσωματωμένο με αντίδραση SiC έχει σχετικά χαμηλότερες τιμές. Οι μηχανικές ιδιότητες τουΚεραμικά SiCεπίσης ποικίλλουν ανάλογα με τα διαφορετικά πρόσθετα πυροσυσσωμάτωσης. Χωρίς πίεση, θερμή πίεση και πυροσυσσωματωμένη με αντίδρασηΚεραμικά SiCπαρουσιάζουν καλή αντοχή σε ισχυρά οξέα και βάσεις, αλλά το πυροσυσσωματωμένο με αντίδραση SiC έχει μικρότερη αντοχή στη διάβρωση σε ισχυρά οξέα όπως το HF. Όσον αφορά την απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες, σχεδόν όλαΚεραμικά SiCπαρουσιάζουν βελτίωση αντοχής κάτω από 900°C, ενώ η ισχύς κάμψης του πυροσυσσωματωμένου με αντίδραση SiC μειώνεται απότομα πάνω από τους 1400°C λόγω της παρουσίας ελεύθερου Si. Η απόδοση υψηλής θερμοκρασίας της χωρίς πίεση και θερμής ισοστατικής πίεσηςΚεραμικά SiCεξαρτάται κυρίως από τον τύπο των προσθέτων που χρησιμοποιούνται.

Ενώ κάθε μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης γιαΚεραμικά SiCέχει τα πλεονεκτήματά της, η ταχεία πρόοδος της τεχνολογίας απαιτεί συνεχείς βελτιώσειςΚεραμικό SiCαπόδοση, τεχνικές κατασκευής και μείωση κόστους. Επίτευξη πυροσυσσωμάτωσης σε χαμηλή θερμοκρασίαΚεραμικά SiCείναι ζωτικής σημασίας για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και του κόστους παραγωγής, προωθώντας έτσι την εκβιομηχάνιση τουΚεραμικό SiCπροϊόντα.**

Εμείς στη Semicorex ειδικευόμαστε σεΚεραμικά SiCκαι άλλα Κεραμικά Υλικά που εφαρμόζονται 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