Керамічні матеріали з карбіду кремнію

Завдяки своїй чудовій зносостійкості, теплопровідність, стійкість до окислення, і видатні високотемпературні механічні властивості, карбід кремнію (SIC) Кераміка широко використовується в точних підшипниках, ущільнення, ротори газових турбін, оптичні компоненти, високотемпературні насадки, деталі теплообмінника, і матеріали для ядерних реакторів. Проте, сильний ковалентний зв'язок і низький коефіцієнт дифузії SiC створюють значні проблеми для досягнення ущільнення спікання під час виготовлення. Таким чином, процеси спікання є критично важливими для виробництва високоефективної кераміки SiC.

Сучасні методи виготовлення щільної кераміки SiC включають реакційне склеювання (поширений), безнапірний/атмосферне спікання (поширений), рекристалізаційне спікання, гаряче пресування, і гаряче ізостатичне пресування. Властивості кераміки SiC змінюються залежно від процесу виробництва. Так, що таке абревіатури SSiC, Сизичний, RBSiC, і RSiC представляють?

Реакційно зв'язаний карбід кремнію (RBSiC/SiSiC)

Огляд процесу

Сортована суміш порошку SiC (1–10 мкм) і вуглець має форму зеленого тіла. При високих температурах, відбувається інфільтрація кремнієм: кремній реагує з вуглецем, утворюючи додатковий SiC, з'єднання з оригінальною матрицею SiC. Існує два методи інфільтрації кремнієм:

1. Рідкофазна інфільтрація: При 1450–1470°C (температура плавлення кремнію), рідкий кремній потрапляє в пори через капілярну дію та реагує з вуглецем.
2. Парофазова інфільтрація: Вище температури плавлення кремнію, пари кремнію проникають у зелене тіло.

Потік процесу:
SiC порошок + C порошок + сполучний → формування → сушіння → видалення зв'язуючого в захисній атмосфері → інфільтрація кремнієм → постобробка.

Основні примітки

• RBSiC містить 8–15% вільного кремнію, зробити це a Композит Si/SiC а не чистий SiC.
• Вільний кремній обмежує робочі температури до нижче 1400°C; міцність різко знижується вище цього через плавлення кремнію.
• Інфільтрація парою зменшує вміст вільного кремнію (<10%), підвищення продуктивності.

Характеристики та застосування

• Переваги: Низька температура спікання, економічно ефективний, біля сітчастої форми, що утворює с <3% усадка, ідеально підходить для великих/складних компонентів (напр., пічні меблі, тиглі, теплообмінники).
• Заявки: Частини RBSiC високої чистоти (напр., пристрої для обробки напівпровідникових пластин) замінити кварц в електроніці. Відомими виробниками є Великобританія Refel і Японії Скло Asahi.
• Обмеження: Вільний кремній знижує зносостійкість і хімічну стабільність (вразливий до лугів/HF кислоти).

Класичний додаток: Спіральні насадки для очищення газу, охолодження, та пожежогасіння.

(Загальні застосування спіральних насадок: очищення вихлопних газів; газове охолодження; процеси очищення та промивання; протипожежний захист)

SiC без тиску/атмосферного спекання (PSSiC)

Огляд процесу

Спікання відбувається при 2,000–2150°C під інертним газом без зовнішнього тиску. добавки (напр., бор, вуглець, Y₂O3-Al₂O3) сприяють ущільненню. Існує два підтипи:

1. Твердотільний Спечений SiC (SSiC):
   • Придумав Прохазка (1974) з використанням β-SiC з добавками B/C.
   • Чисті межі зерен, стійкість до високих температур (до 1600°C), але грубе зерно та низька в'язкість до руйнування.
2. Рідкофазний спечений SiC (LSiC):
   • Використовує добавки Y₂O₃-Al₂O₃ для зниження температур спікання.
   • Дрібне зерно, покращена в'язкість за рахунок міжкристалічного руйнування.

Заявки

Зносостійкі/корозійні ущільнення, підшипники, та структурні компоненти.

Перекристалізований карбід кремнію (RSiC)

Огляд процесу

Порошки SiC високої чистоти (грубий + дрібне зерно) спікаються на 2,200–2450°C через випаровування-конденсація без добавок. Механізм не ущільнення зберігається 10–20% пористість.

Характеристики та застосування

• Переваги: Пориста структура (з’єднані між собою пори), надвисокої чистоти (>99% SIC), чудова стійкість до термічного удару/хімічних речовин.
• Заявки: Високотемпературні меблі піч, сонячні теплові перетворювачі, дизельні сажові фільтри, і металургійні компоненти.

Карбід кремнію гарячого пресування (HPSiC)

Огляд процесу

Гаряче ізостатичне спікання під тиском (стегно) це зробити матеріал (порошок, заготовка або спечене тіло) в процесі нагрівання зазнає різного збалансованого тиску, з інертним газом аргоном або азотом як середовищем для передачі тиску, за допомогою високої температури та високого тиску сприяти спільній дії ущільнення процесу.

Процес HIP можна розділити на дві категорії:

1) керамічні порошки, інкапсульовані безпосередньо після спікання HIP, тобто, набір пакетів процесу HIP;

2) сировиною через формування (різноманітна кераміка) Процес формування може бути), попереднє спікання для досягнення певної щільності, матеріал не має стану відкритих пор, а потім за допомогою високотемпературної обробки HIP і високого тиску.

характеристики

• Висока щільність, дрібне зерно, чудові механічні властивості.
• Обмеження: Висока вартість, складна оснастка, обмежена складність компонентів.

Іскрове плазмове спікання карбіду кремнію (SPSSiC)

Швидкого та ефективного спікання матеріалів при низьких температурах можна досягти за допомогою спікання в розрядній плазмі (SPS).

По-перше, сировину поміщають у графітову форму (хоча розрядне плазмове спікання схоже на гаряче пресування, він не використовує непрямий нагрів теплогенератором, але струм нагріває форму і порошок), а потім температура швидко підвищується, і заготовка піддається тиску та постійному імпульсному струму, а спікання завершується за короткий час (коли струм дуже високий, він генерує джоулеве тепло і плазму в зразку, і швидке ущільнення досягається всередині 10 хв). (коли струм високий, У зразку утворюється джоулеве тепло і плазма, і досягається швидке ущільнення всередині 10 хв, з відносною щільністю 98-99.5%).

Порівняно зі звичайними методами спікання для виготовлення кераміки з карбіду кремнію високої щільності, розрядне плазмове спікання має більшу швидкість нагрівання, нижча температура спікання, і менший час спікання. Одночасно, через дуже короткий час спікання розрядної плазми, ріст зерен керамічного матеріалу обмежений, щоб можна було зберегти дрібні та однорідні зерна. Подібно до гарячого пресування та гарячого ізостатичного пресування, це можна зробити в менших розмірах.

Висновок

Кераміка з карбіду кремнію демонструє надзвичайну універсальність у різних галузях промисловості, з виробничими процесами, які визначають їхні кінцеві властивості та застосування. Реакція склеювання (RBSiC/SiSiC) надає пріоритет економічній ефективності та масштабованості для великих, складні компоненти, під час спікання без тиску (SSiC/LSiC) виділяється у виробництві високої чистоти, зносостійкі деталі. Перекристалізований SiC (RSiC) процвітає в екстремальних теплових і корозійних середовищах завдяки своїй надвисокій чистоті та пористій структурі, тоді як гарячепресований SiC (HP SiC) забезпечує чудові механічні характеристики для спеціалізованих, компоненти простої форми. Нові технології, такі як іскрове плазмове спікання, ще більше підвищують швидкість і точність обробки. Інженери повинні збалансувати такі фактори, як умови експлуатації, матеріальна чистота, геометрична складність, і бюджет для вибору оптимального варіанту SiC, забезпечення узгодження з конкретними промисловими вимогами та просування технологічних кордонів.