Gespecialiseerde voorbereidingstechnieken voor siliciumcarbidekeramiek

Siliciumcarbide (SiC) keramiekmaterialen bezitten een reeks uitstekende eigenschappen, waaronder sterkte bij hoge temperaturen, sterke oxidatieweerstand, superieure slijtvastheid, thermische stabiliteit, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, hoge thermische geleidbaarheid, hoge hardheid, thermische schokbestendigheid en chemische corrosieweerstand. Deze kenmerken maken SiC-keramiek steeds meer toepasbaar op verschillende gebieden, zoals de automobiel-, mechanische en chemische industrie, milieubescherming, ruimtetechnologie, informatie-elektronica en energie.SiC-keramiekzijn in veel industriële sectoren een onvervangbaar structureel keramisch materiaal geworden vanwege hun uitstekende prestaties.

Wat zijn de structurele kenmerken die verbeterenSiC-keramiek?

De superieure eigenschappen vanSiC-keramiekzijn nauw verwant aan hun unieke structuur. SiC is een verbinding met zeer sterke covalente bindingen, waarbij het ionische karakter van de Si-C-binding slechts ongeveer 12% bedraagt. Dit resulteert in een hoge sterkte en een grote elasticiteitsmodulus, wat een uitstekende slijtvastheid oplevert. Zuiver SiC wordt niet aangetast door zure oplossingen zoals HCl, HNO3, H2SO4 of HF, noch door alkalische oplossingen zoals NaOH. Hoewel het de neiging heeft te oxideren bij verhitting aan de lucht, remt de vorming van een SiO2-laag op het oppervlak verdere zuurstofdiffusie, waardoor de oxidatiesnelheid laag blijft. Bovendien vertoont SiC halfgeleidereigenschappen, met een goede elektrische geleidbaarheid wanneer kleine hoeveelheden onzuiverheden worden geïntroduceerd, en een uitstekende thermische geleidbaarheid.

Hoe beïnvloeden verschillende kristalvormen van SiC de eigenschappen ervan?

SiC bestaat in twee belangrijke kristalvormen: α en β. β-SiC heeft een kubieke kristalstructuur, waarbij Si en C kubusvormige roosters in het vlak vormen. α-SiC bestaat in meer dan 100 polytypen, waaronder 4H, 15R en 6H, waarbij 6H het meest wordt gebruikt in industriële toepassingen. De stabiliteit van deze polytypes varieert met de temperatuur. Beneden 1600°C bestaat SiC in de β-vorm, terwijl boven 1600°C β-SiC geleidelijk verandert in verschillende α-SiC-polytypen. 4H-SiC ontstaat bijvoorbeeld rond de 2000°C, terwijl 15R- en 6H-polytypes temperaturen boven 2100°C nodig hebben om zich gemakkelijk te kunnen vormen. Het 6H-polytype blijft zelfs boven 2200°C stabiel. Het kleine verschil in vrije energie tussen deze polytypes betekent dat zelfs kleine onzuiverheden hun thermische stabiliteitsrelaties kunnen veranderen.

Wat zijn de technieken voor het produceren van SiC-poeders?

De bereiding van SiC-poeders kan worden onderverdeeld in vastefasesynthese en vloeistoffasesynthese op basis van de initiële staat van de grondstoffen.

Wat zijn de methoden die betrokken zijn bij vaste-fasesynthese? 

Vastefasesynthese omvat voornamelijk carbothermische reductie en directe silicium-koolstofreacties. De carbothermische reductiemethode omvat het Acheson-proces, de verticale ovenmethode en de hogetemperatuurrotatieovenmethode. Het Acheson-proces, uitgevonden door Acheson, omvat de reductie van silica in kwartszand door koolstof in een elektrische oven van Acheson, aangedreven door een elektrochemische reactie onder hoge temperatuur en sterke elektrische velden. Deze methode, met een geschiedenis van industriële productie van meer dan een eeuw, levert relatief grove SiC-deeltjes op en heeft een hoog energieverbruik, waarvan een groot deel verloren gaat als warmte.

In de jaren zeventig leidden verbeteringen aan het Acheson-proces tot ontwikkelingen in de jaren tachtig, zoals verticale ovens en roterende ovens op hoge temperatuur voor het synthetiseren van β-SiC-poeder, met verdere verbeteringen in de jaren negentig. Ohsaki et al. ontdekte dat het SiO-gas dat vrijkomt bij het verwarmen van een mengsel van SiO2 en Si-poeder reageert met actieve kool, waarbij een hogere temperatuur en langere verblijftijd het specifieke oppervlak van het poeder verkleinen naarmate er meer SiO-gas vrijkomt. De directe silicium-koolstofreactiemethode, een toepassing van zichzelf voortplantende synthese bij hoge temperatuur, omvat het ontsteken van het reactantlichaam met een externe warmtebron en het gebruiken van de chemische reactiewarmte die vrijkomt tijdens de synthese om het proces in stand te houden. Deze methode heeft een laag energieverbruik, eenvoudige apparatuur en processen en een hoge productiviteit, hoewel het moeilijk is om de reactie te beheersen. De zwakke exotherme reactie tussen silicium en koolstof maakt het een uitdaging om te ontsteken en in stand te blijven bij kamertemperatuur, waardoor extra energiebronnen nodig zijn, zoals chemische ovens, gelijkstroom, voorverwarmen of elektrische hulpvelden.

Hoe wordt SiC-poeder gesynthetiseerd met behulp van vloeistoffasemethoden? 

Vloeistoffasesynthesewerkwijzen omvatten sol-gel- en polymeerontledingstechnieken. Ewel et al. stelde eerst de sol-gel-methode voor, die later rond 1952 werd toegepast op de bereiding van keramiek. Deze methode maakt gebruik van vloeibare chemische reagentia om alkoxidevoorlopers te bereiden, die bij lage temperaturen worden opgelost om een ​​homogene oplossing te vormen. Door het toevoegen van geschikte geleermiddelen ondergaat het alkoxide hydrolyse en polymerisatie om een ​​stabiel solsysteem te vormen. Na langdurig staan ​​of drogen worden Si en C op moleculair niveau gelijkmatig gemengd. Het verwarmen van dit mengsel tot 1460-1600°C induceert een carbothermische reductiereactie om fijn SiC-poeder te produceren. Belangrijke parameters die tijdens de sol-gel-verwerking moeten worden gecontroleerd, zijn onder meer de pH van de oplossing, de concentratie, de reactietemperatuur en de tijd. Deze methode vergemakkelijkt de homogene toevoeging van verschillende sporencomponenten, maar heeft nadelen zoals resterende hydroxylgroepen en organische oplosmiddelen die schadelijk zijn voor de gezondheid, hoge grondstofkosten en aanzienlijke krimp tijdens de verwerking.

Ontleding bij hoge temperaturen van organische polymeren is een andere effectieve methode voor het produceren van SiC:

Het verwarmen van gelpolysiloxanen om ze te ontleden in kleine monomeren, waarbij uiteindelijk SiO2 en C gevormd worden, die vervolgens carbothermale reductie ondergaan om SiC-poeder te produceren.

Het verwarmen van polycarbosilanen om ze te ontleden in kleine monomeren, waardoor een raamwerk ontstaat dat uiteindelijk resulteert in SiC-poeder. Recente sol-gel-technieken hebben de productie van op SiO2 gebaseerde sol/gel-materialen mogelijk gemaakt, waardoor een homogene verdeling van sinter- en hardingsadditieven in de gel is verzekerd, wat de vorming van hoogwaardige SiC-keramische poeders vergemakkelijkt.

Waarom wordt drukloos sinteren beschouwd als een veelbelovende techniek?SiC-keramiek?

Drukloos sinteren wordt gezien als een veelbelovende methodesinteren van SiC. Afhankelijk van het sintermechanisme kan het worden onderverdeeld in sinteren in de vaste fase en sinteren in de vloeibare fase. S. Proehazka bereikte een relatieve dichtheid van meer dan 98% voor gesinterde SiC-lichamen door geschikte hoeveelheden B en C toe te voegen aan ultrafijn β-SiC-poeder (met een zuurstofgehalte van minder dan 2%) en te sinteren bij 2020 ° C onder normale druk. A. Mulla et al. gebruikte Al2O3 en Y2O3 als additieven om 0,5 μm β-SiC (met een kleine hoeveelheid SiO2 op het deeltjesoppervlak) te sinteren bij 1850-1950 ° C, waardoor een relatieve dichtheid werd bereikt groter dan 95% van de theoretische dichtheid en fijne korrels met een gemiddelde grootte van 1,5 μm.

Hoe verbetert het heetpersenSiC-keramiek?

Nadeau wees erop dat puur SiC alleen dicht bij extreem hoge temperaturen kan worden gesinterd zonder enige sinterhulpmiddelen, wat velen ertoe aanzet om hete pers-sinteren te onderzoeken. Talrijke onderzoeken hebben de effecten onderzocht van het toevoegen van B, Al, Ni, Fe, Cr en andere metalen op de verdichting van SiC, waarbij Al en Fe het meest effectief bleken te zijn voor het bevorderen van sinteren onder hete persen. F.F. Lange onderzocht de prestaties van heetgeperst gesinterd SiC met variërende hoeveelheden Al2O3, waarbij de verdichting werd toegeschreven aan een oplossings-herprecipitatiemechanisme. Bij het sinteren onder een hete pers kunnen echter alleen SiC-componenten met een eenvoudige vorm worden geproduceerd, en de producthoeveelheid in een enkel sinterproces is beperkt, waardoor het minder geschikt is voor industriële productie.

Wat zijn de voordelen en beperkingen van reactiesinteren voor SiC?

Reactie-gesinterd SiC, ook bekend als zelfgebonden SiC, omvat het reageren van een poreus groen lichaam met gasvormige of vloeibare fasen om de massa te vergroten, de porositeit te verminderen en het te sinteren tot een sterk, dimensionaal nauwkeurig product. Het proces omvat het mengen van α-SiC-poeder en grafiet in een bepaalde verhouding, verwarmen tot ongeveer 1650 ° C, en het infiltreren van het groene lichaam met gesmolten Si of gasvormig Si, dat reageert met grafiet om β-SiC te vormen, waarbij het bestaande α-SiC wordt gebonden. deeltjes. Volledige Si-infiltratie resulteert in een volledig dicht, dimensionaal stabiel reactie-gesinterd lichaam. Vergeleken met andere sintermethoden brengt reactiesinteren minimale maatveranderingen tijdens de verdichting met zich mee, waardoor nauwkeurige componenten kunnen worden vervaardigd. De aanwezigheid van een aanzienlijke hoeveelheid SiC in het gesinterde lichaam leidt echter tot slechtere prestaties bij hoge temperaturen.

Samenvattend,SiC-keramiekgeproduceerd door drukloos sinteren, heetperssinteren, heet isostatisch persen en reactiesinteren vertonen verschillende prestatiekenmerken.SiC-keramiekuit hete pers en heet isostatisch persen hebben over het algemeen hogere gesinterde dichtheden en buigsterkten, terwijl reactie-gesinterd SiC relatief lagere waarden heeft. De mechanische eigenschappen vanSiC-keramiekvariëren ook met verschillende sinteradditieven. Drukloos, heet geperst en reactiegesinterdSiC-keramiekvertonen een goede weerstand tegen sterke zuren en basen, maar reactie-gesinterd SiC heeft een slechtere corrosieweerstand tegen sterke zuren zoals HF. In termen van prestaties bij hoge temperaturen, bijna allemaalSiC-keramiektonen sterkteverbetering onder 900°C, terwijl de buigsterkte van reactie-gesinterd SiC scherp afneemt boven 1400°C als gevolg van de aanwezigheid van vrij Si. De prestaties bij hoge temperaturen van drukloos en heet isostatisch geperstSiC-keramiekhangt vooral af van het type additieven dat wordt gebruikt.

Terwijl elke sintermethode voorSiC-keramiekHoewel het zo zijn voordelen heeft, vereist de snelle vooruitgang van de technologie voortdurende verbeteringenSiC-keramiekprestaties, productietechnieken en kostenreductie. Het bereiken van sinteren bij lage temperatuur vanSiC-keramiekis van cruciaal belang voor het verlagen van het energieverbruik en de productiekosten, waardoor de industrialisatie van de economie wordt bevorderdSiC-keramiekproducten.**

Wij van Semicorex zijn gespecialiseerd inSiC-keramieken andere keramische materialen die worden toegepast bij de productie van halfgeleiders. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Contacttelefoon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com