The Study on Reaction-Sintered SiC Ceramics and their Properties

Γιατί είναι σημαντικό το καρβίδιο του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια ένωση που σχηματίζεται από ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ ατόμων πυριτίου και άνθρακα, γνωστή για την εξαιρετική αντοχή στη φθορά, την αντοχή σε θερμικό σοκ, την αντοχή στη διάβρωση και την υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, τη μηχανική κατασκευή, τα πετροχημικά, την τήξη μετάλλων και τη βιομηχανία ηλεκτρονικών, ιδιαίτερα για την κατασκευή εξαρτημάτων ανθεκτικών στη φθορά και δομικών εξαρτημάτων υψηλής θερμοκρασίας.Κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου συντετηγμένα με αντίδρασηείναι από τα πρώτα δομικά κεραμικά που πέτυχαν παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας. Παραδοσιακόςπυροσυσσωματωμένα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίουκατασκευάζονται από σκόνη καρβιδίου του πυριτίου και μια μικρή ποσότητα σκόνης άνθρακα μέσω πυροσυσσωμάτωσης αντίδρασης διήθησης πυριτίου υψηλής θερμοκρασίας, η οποία απαιτεί μεγάλους χρόνους πυροσυσσωμάτωσης, υψηλές θερμοκρασίες, υψηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλό κόστος. Με την αυξανόμενη εφαρμογή της τεχνολογίας καρβιδίου του πυριτίου συντετηγμένου με αντίδραση, οι παραδοσιακές μέθοδοι δεν επαρκούν για να καλύψουν τη βιομηχανική ζήτηση για σύνθετακεραμικά καρβιδίου του πυριτίου.

Ποιες είναι οι πρόσφατες εξελίξειςΑντίδραση-Συντηγμένο καρβίδιο του πυριτίου?

Οι πρόσφατες εξελίξεις οδήγησαν στην παραγωγή υψηλής πυκνότητας, υψηλής αντοχής σε κάμψηκεραμικά καρβιδίου του πυριτίουχρησιμοποιώντας σκόνη καρβιδίου του πυριτίου νανο-μεγέθους, βελτιώνοντας σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Ωστόσο, το υψηλό κόστος της σκόνης καρβιδίου του πυριτίου νανο-μεγέθους, με τιμή πάνω από δεκάδες χιλιάδες δολάρια ανά τόνο, εμποδίζει την εφαρμογή μεγάλης κλίμακας. Σε αυτήν την εργασία, χρησιμοποιήσαμε ευρέως διαθέσιμο ξυλάνθρακα ως πηγή άνθρακα και καρβίδιο πυριτίου μεγέθους μικρού ως αδρανή, χρησιμοποιώντας τεχνολογία χύτευσης ολίσθησης για την προετοιμασίαπυροσυσσωματωμένο κεραμικό καρβίδιο του πυριτίουπράσινα σώματα. Αυτή η προσέγγιση εξαλείφει την ανάγκη για προσυνθετική σκόνη καρβιδίου του πυριτίου, μειώνει το κόστος παραγωγής και επιτρέπει την κατασκευή μεγάλων, πολύπλοκου σχήματος προϊόντων με λεπτά τοιχώματα, παρέχοντας μια αναφορά για τη βελτίωση της απόδοσης και της εφαρμογήςπυροσυσσωματωμένα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου.

Ποιες ήταν οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν;

Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα περιλαμβάνουν:

Καρβίδιο του πυριτίου με διάμεσο μέγεθος σωματιδίων (d50) 3,6 μm και καθαρότητα (w(SiC)) ≥ 98%

Μαύρος άνθρακας με διάμεσο μέγεθος σωματιδίων (d50) 0,5 μm και καθαρότητα (w©) ≥ 99%

Γραφίτης με διάμεσο μέγεθος σωματιδίων (d50) 10 μm και καθαρότητα (w©) ≥ 99%

Μέσα διασποράς: Πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) K30 (τιμή K 27-33) και K90 (τιμή K 88-96)

Μειωτήρας νερού: Polycarboxylate CE-64

Αντιπρόσωπος απελευθέρωσης: AO

Απιονισμένο νερό

Πώς διεξήχθη το πείραμα;

Το πείραμα διεξήχθη ως εξής:

Ανάμιξη των πρώτων υλών σύμφωνα με τον Πίνακα 1 με χρήση ηλεκτρικού αναμικτήρα για 4 ώρες για να ληφθεί ομοιόμορφα αναμεμειγμένος πολτός.

Διατηρώντας το ιξώδες του πολτού ≤ 1000 mPa·s, ο αναμεμειγμένος πολτός χύθηκε σε προετοιμασμένα καλούπια γύψου για χύτευση, αφέθηκε να αφυδατωθεί μέσω των καλουπιών γύψου για 2-3 λεπτά για να σχηματιστούν πράσινα σώματα.

Τα πράσινα σώματα τοποθετήθηκαν σε δροσερό μέρος για 48 ώρες, στη συνέχεια απομακρύνθηκαν από τα καλούπια και ξηράνθηκαν σε φούρνο ξήρανσης κενού στους 80°C για 4-6 ώρες.

Η αποκομμίωση των πράσινων σωμάτων πραγματοποιήθηκε σε κλίβανο σιγαστήρα στους 800°C για 2 ώρες για να ληφθούν τα προμορφώματα.

Τα προμορφώματα ενσωματώθηκαν σε μια μικτή σκόνη αιθάλης, σκόνης πυριτίου και νιτριδίου βορίου σε αναλογία μάζας 1:100:2000 και πυροσυσσωματώθηκαν σε κλίβανο στους 1720°C για 2 ώρες για να ληφθούν πλήρως λεπτής σκόνης κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου .

Ποιες μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο απόδοσης;

Η δοκιμή απόδοσης περιελάμβανε:

Μέτρηση του ιξώδους του πολτού σε διάφορους χρόνους ανάμιξης (1-5 ώρες) χρησιμοποιώντας περιστροφικό ιξωδόμετρο σε θερμοκρασία δωματίου.

Μέτρηση της πυκνότητας όγκου των προπλασμάτων σύμφωνα με το εθνικό πρότυπο GB/T 25995-2010.

Μέτρηση της αντοχής σε κάμψη των συντηγμένων δειγμάτων στους 1720°C σύμφωνα με το GB/T 6569-2006, με διαστάσεις δείγματος 3 mm × 4 mm × 36 mm, άνοιγμα 30 mm και ταχύτητα φόρτωσης 0,5 mm·min^-1 .

Ανάλυση της σύστασης φάσης και της μικροδομής των συντηγμένων δειγμάτων στους 1720°C με χρήση XRD και SEM.

Πώς επηρεάζει ο χρόνος ανάμειξης το ιξώδες του πολτού, την πυκνότητα όγκου προμορφώματος και το φαινομενικό πορώδες;

Τα Σχήματα 1 και 2 αντιστοίχως δείχνουν τη σχέση μεταξύ του χρόνου ανάμιξης και του ιξώδους του πολτού για το δείγμα 2#, και τη σχέση μεταξύ του χρόνου ανάμιξης και της πυκνότητας όγκου προμορφώματος και του φαινομένου πορώδους.

Το Σχήμα 1 δείχνει ότι όσο αυξάνεται ο χρόνος ανάμιξης, το ιξώδες μειώνεται, φτάνοντας σε ένα ελάχιστο 721 mPa·s σε 4 ώρες και στη συνέχεια σταθεροποιείται.

Το σχήμα 2 δείχνει ότι το δείγμα 2# έχει μέγιστη πυκνότητα όγκου 1,47 g·cm^-3 και ελάχιστο φαινομενικό πορώδες 32,4%. Το χαμηλότερο ιξώδες οδηγεί σε καλύτερη διασπορά, οδηγώντας σε πιο ομοιόμορφο πολτό και βελτιωμένοκεραμικό καρβίδιο του πυριτίουεκτέλεση. Ο ανεπαρκής χρόνος ανάμειξης οδηγεί σε ανομοιόμορφη ανάμειξη λεπτής σκόνης καρβιδίου του πυριτίου, ενώ ο υπερβολικός χρόνος ανάμιξης εξατμίζει περισσότερο νερό, αποσταθεροποιώντας το σύστημα. Ο βέλτιστος χρόνος ανάμιξης για την παρασκευή κεραμικών πλήρους λεπτής σκόνης καρβιδίου του πυριτίου είναι 4 ώρες.

Ο Πίνακας 2 παραθέτει το ιξώδες του πολτού, την πυκνότητα όγκου προμορφώματος και το φαινόμενο πορώδες του δείγματος 2# με προσθήκη γραφίτη και του δείγματος 6# χωρίς προσθήκη γραφίτη. Η προσθήκη γραφίτη μειώνει το ιξώδες του πολτού, αυξάνει την πυκνότητα όγκου του προμορφώματος και μειώνει το εμφανές πορώδες λόγω της λιπαντικής δράσης του γραφίτη, με αποτέλεσμα καλύτερη διασπορά και αυξημένη πυκνότητα πλήρως λεπτής σκόνηςκεραμικά καρβιδίου του πυριτίου. Χωρίς γραφίτη, ο πολτός έχει υψηλότερο ιξώδες, φτωχότερη διασπορά και σταθερότητα, καθιστώντας απαραίτητη την προσθήκη γραφίτη.

Το Σχήμα 3 δείχνει την πυκνότητα όγκου προμορφώματος και το φαινομενικό πορώδες δειγμάτων με διαφορετική περιεκτικότητα αιθάλης. Το δείγμα 2# έχει την υψηλότερη πυκνότητα όγκου 1,47 g·cm^-3 και το χαμηλότερο φαινομενικό πορώδες 32,4%. Ωστόσο, το πολύ χαμηλό πορώδες εμποδίζει τη διείσδυση του πυριτίου.

Το Σχήμα 4 δείχνει τα φάσματα XRD των προμορφωμάτων του δείγματος 2# και των συντηγμένων δειγμάτων στους 1720°C. Τα προμορφώματα περιέχουν γραφίτη και β-SiC, ενώ τα συντηγμένα δείγματα περιέχουν Si, β-SiC και α-SiC, υποδεικνύοντας ότι κάποιο β-SiC μετασχηματίζεται σε α-SiC σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα συντηγμένα δείγματα δείχνουν επίσης αυξημένη περιεκτικότητα σε Si και μειωμένη περιεκτικότητα σε C λόγω της διείσδυσης πυριτίου σε υψηλή θερμοκρασία, όπου το Si αντιδρά με το C για να σχηματίσει SiC, γεμίζοντας τους πόρους.

Το Σχήμα 5 δείχνει τη μορφολογία θραύσης διαφορετικών προμορφωμάτων δειγμάτων. Οι εικόνες αποκαλύπτουν λεπτό καρβίδιο του πυριτίου, γραφίτη και πόρους. Τα δείγματα 1#, 4# και 5# έχουν μεγαλύτερες φάσεις νιφάδων και πιο ανομοιόμορφα κατανεμημένους πόρους λόγω ανομοιόμορφης ανάμειξης, με αποτέλεσμα χαμηλή πυκνότητα προμορφώματος και υψηλό πορώδες. Το δείγμα 2# με 5,94% (w) αιθάλη δείχνει βέλτιστη μικροδομή.

Το Σχήμα 6 δείχνει τη μορφολογία θραύσης του δείγματος 2# μετά από πυροσυσσωμάτωση στους 1720°C, εμφανίζοντας σφιχτά και ομοιόμορφα κατανεμημένα σωματίδια καρβιδίου του πυριτίου με ελάχιστο πορώδες. Η ανάπτυξη των σωματιδίων καρβιδίου του πυριτίου οφείλεται σε επιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας. Μικρότερα νεοσχηματισμένα σωματίδια SiC φαίνονται επίσης μεταξύ των αρχικών σωματιδίων του σκελετού SiC από την πυροσυσσωμάτωση της αντίδρασης, με κάποιο υπολειμματικό Si να γεμίζει τους αρχικούς πόρους, μειώνοντας τη συγκέντρωση στρες αλλά δυνητικά επηρεάζοντας την απόδοση σε υψηλή θερμοκρασία λόγω του χαμηλού σημείου τήξης του. Το πυροσυσσωματωμένο προϊόν έχει πυκνότητα όγκου 3,02 g·cm^-3 και αντοχή κάμψης 580 MPa, πάνω από διπλάσια αντοχή από το συνηθισμένοκαρβίδιο του πυριτίου συντετηγμένο με αντίδραση.

συμπεράσματα

Ο βέλτιστος χρόνος ανάμιξης για τον πολτό που χρησιμοποιείται για την παρασκευή πλήρως λεπτής σκόνηςκεραμικά καρβιδίου του πυριτίουείναι 4 ώρες. Η προσθήκη γραφίτη μειώνει το ιξώδες του πολτού, αυξάνει την πυκνότητα όγκου προμορφώματος και μειώνει το φαινομενικό πορώδες, ενισχύοντας την πυκνότητα της πλήρως λεπτής σκόνηςκεραμικά καρβιδίου του πυριτίου.

Η βέλτιστη περιεκτικότητα σε αιθάλη για την παρασκευή κεραμικών πλήρους λεπτής σκόνης καρβιδίου του πυριτίου είναι 5,94% (w).

Τα σωματίδια πυροσυσσωματωμένου καρβιδίου του πυριτίου είναι σφιχτά και ομοιόμορφα κατανεμημένα με ελάχιστο πορώδες, παρουσιάζοντας μια τάση ανάπτυξης. Η πυκνότητα του πυροσυσσωματωμένου προϊόντος είναι 3,02 g·cm^-3 και η αντοχή κάμψης είναι 580 MPa, βελτιώνοντας σημαντικά τη μηχανική αντοχή και την πυκνότητα της πλήρως λεπτής σκόνηςκεραμικά καρβιδίου του πυριτίου.**

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