Керамические материалы из карбида кремния
Из -за их превосходной устойчивости к износу, теплопроводность, устойчивость к окислению, и выдающиеся высокотемпературные механические свойства, Карбид кремния (Карбид кремния) Керамика широко используется в точных подшипниках, печати, ГОЗОРОЖНАЯ ТУРБИНА Роторы, Оптические компоненты, Высокотемпературные сопла, Части теплообменника, и материалы ядерного реактора. Однако, Сильная ковалентная связь и низкий коэффициент диффузии SIC создают значительные проблемы при достижении уплотнения спекания во время изготовления. Таким образом, Процессы спекания имеют решающее значение для создания высокопроизводительной керамики SIC.
Current methods for preparing dense SiC ceramics include реакционная связь (общий), безжалостно/атмосферное спекание (общий), Рекристаллизация спекания, горячее прессование, и горячая изостатическая нажатия. Свойства керамики SIC варьируются в зависимости от производственного процесса. Так, what do abbreviations like ССиК, Сиси, РБСиК, а также РСиК представлять?
Реакционно-связанный карбид кремния (RBSIC/SISIC)
Обзор процесса
Градуированная смесь порошка SIC (1–10 мкм) и углерод превращается в зеленый корпус. При высоких температурах, Силиконовая инфильтрация происходит: кремний реагирует с углеродом с образованием дополнительного SIC, Связь с оригинальной матрицей SIC. Существуют два метода инфильтрации кремния:
- Жидкая фаза проникновения: При 1450–1,470 ° C. (точка плавления кремния), Жидкий кремний попадает в поры через капиллярное действие и реагирует с углеродом.
- Парофазная инфильтрация: Выше таяния таяния кремния, Силиконовый пары проникает в зеленый корпус.
Процесс поток:
SIC Порошок + C Порошок + Переплет → Формирование → сушка → Снижение связующего при защитной атмосфере → Инфильтрация кремния → Пост-обработка.
Ключевые примечания
- RBSiC contains 8–15% бесплатный кремний, making it a Si/SIC Composite rather than pure SiC.
- Free silicon limits operating temperatures to ниже 1400 ° C.; Сила резко ухудшается выше этого из -за таяния кремния.
- Парофазная инфильтрация снижает содержание бесплатного кремния (<10%), улучшение производительности.
Характеристики и приложения
- Преимущества: Низкая температура спекания, экономически эффективным, Формирование ближней формы <3% усадка, Идеально подходит для больших/сложных компонентов (например, печь мебель, тигли, теплообменники).
- Приложения: Высокочислительно-чистовая RBSIC детали (например, полупроводниковая обработка пластин) заменить кварц в электронике. Notable producers include UK’s Refel and Japan’s Асахи Стекло.
- Ограничения: Бесплатный кремний снижает устойчивость к износу и химическую стабильность (уязвимый для щелочной/HF кислоты).
Классическое приложение: Спиральные форсунки для газа, охлаждение, и подавление огня.
(Общие применения спиральных форсунок: выхлопной газ; газовое охлаждение; Процессы очистки и промывания; Пожарная защита)
Без нажатия/атмосферы спех (PSSIC)
Обзор процесса
Sintering occurs at 2,000–2,150 ° C. under inert gas without external pressure. Добавки (например, бор, углерод, Y₂o₃-al₂o₃) способствовать уплотнению. Существуют два подтипа:
- Твердый штат Спеченный карбид кремния (ССиК):
- Изобретено Prochazka (1974) Использование β-SIC с добавками B/C.
- Чистые границы зерна, высокотемпературная стабильность (до 1600 ° C.), Но грубые зерна и низкая прочность на переломах.
- Жидкая фаза спех (LSIC):
- Использует добавки y₂o₃-al₂o₃ для более низких температур спекания.
- Тонкие зерна, Улучшенная прочность с помощью межраскового перелома.
Приложения
Износ/коррозионные устойчивые уплотнения, подшипники, и структурные компоненты.
Рекристаллизованный карбид кремния (РСиК)
Обзор процесса
Высокая чистота SIC Powders (грубый + тонкие зерна) are sintered at 2,200–2,450 ° C. via испарение-конденсация without additives. Non-densifying mechanism retains 10–20% Пористость.
Характеристики и приложения
- Преимущества: Пористая структура (взаимосвязанные поры), Ультра-высокая чистота (>99% Карбид кремния), Отличный тепловой удар/химическая устойчивость.
- Приложения: Высокотемпературная печь мебель, Солнечные тепловые преобразователи, Дизельные частицы. Фильтры, и металлургические компоненты.
Горячий кремниевый карбид (Hpsic)
Обзор процесса
Горячее изостатическое давление, спекание (БЕДРО) сделать материал (пудра, заготовка или спеченное тело) В процессе нагрева подвергается различным сбалансированным давлением, с инертным газовым аргоном или азотом в качестве среды переноса давления, с помощью высокой температуры и высокого давления для содействия совместному действию уплотнения процесса.
Процесс бедра можно разделить на две категории:
1) керамические порошки, инкапсулированные сразу после спекания бедра, т.е., набор пакетов процесса бедра;
2) сырью через формование (Разнообразие керамики) Процесс формования может быть), предварительно перегруженный для достижения определенной плотности, Материал не является открытым государством пор, а затем по высокой температуре бедра и высоким давлением после лечения.
Характеристики
- Высокая плотность, тонкие зерна, превосходные механические свойства.
- Ограничения: Высокая цена, Сложный инструмент, ограниченная сложность компонентов.
Spark Plasma Stinter Clicon Carbide (SPSSIC)
Быстрое и эффективное спекание материалов при низких температурах может быть достигнуто с использованием спекания с выпиской плазмы (Спс).
Во-первых, сырье помещается в графитовую форму (Хотя спекание плазмы сброса похожа на горячую нажатие, Он не использует косвенное отопление с помощью генератора тепла, Но ток нагревает форму и порошок), и тогда температура быстро увеличивается, и заготовка подвергается давлению и пульсным току DC, и спекание завершено за короткое время (Когда ток очень высокий, Он генерирует жар и плазму в образце., и быстрое уплотнение достигается внутри 10 мин). (Когда ток высокий, Тепло и плазма джоула генерируются в образце, и быстрое уплотнение достигается внутри 10 мин, с относительной плотностью 98-99.5%).
По сравнению с обычными методами спекания для приготовления кремниевой карбидной керамики высокой плотности, Стопка плазмы имеет более высокую скорость нагрева, более низкая температура спекания, и более короткое время спекания. В то же время, Из -за очень короткого времени спекания плазменной спекания, Рост зерна керамического материала ограничен, так что можно сохранить тонкие и однородные зерна. Похоже на горячую и горячую изостатическую нажатие, это можно сделать в менее больших размерах.
Заключение
Керамика из карбида кремния демонстрирует замечательную универсальность в разных отраслях промышленности, с производственными процессами, диктующими их конечные свойства и приложения. Реакционная связь (RBSIC/SISIC) приоритет экономической эффективности и масштабируемости для больших, сложные компоненты, в то время как безжалостное спекание (SSIC/LSIC) преуспевать в производстве высокой чистоты, износостойкие детали. Перекристаллизован SIC (РСиК) процветает в крайних термических и коррозионных средах из-за ее сверхвысокой чистоты и пористой структуры, в то время как горячий SIC (HP SiC) предлагает превосходные механические характеристики для специализированных, Простые компоненты. Новые методы, такие как Spark Plasma Stinter, еще больше повышают скорость обработки и точность. Инженеры должны сбалансировать факторы, такие как условия работы, материальная чистота, Геометрическая сложность, и бюджет на выбор оптимального варианта SIC, Обеспечение согласования с конкретными промышленными требованиями и продвижением технологических границ.
