De studie over reactie-gesinterde SiC-keramiek en hun eigenschappen

Waarom is siliciumcarbide belangrijk?

Siliciumcarbide (SiC) is een verbinding gevormd door covalente bindingen tussen silicium- en koolstofatomen, bekend om zijn uitstekende slijtvastheid, thermische schokbestendigheid, corrosieweerstand en hoge thermische geleidbaarheid. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, mechanische productie, petrochemie, metaalsmelten en de elektronica-industrie, met name voor het maken van slijtvaste onderdelen en structurele componenten die bestand zijn tegen hoge temperaturen.Reactiegesinterd keramiek van siliciumcarbidebehoren tot de eerste structurele keramieken die productie op industriële schaal hebben bereikt. Traditioneelreactiegesinterd keramiek van siliciumcarbidezijn gemaakt van siliciumcarbidepoeder en een kleine hoeveelheid koolstofpoeder door middel van hoge temperatuur siliciuminfiltratiereactiesinteren, wat lange sintertijden, hoge temperaturen, hoog energieverbruik en hoge kosten vereist. Met de groeiende toepassing van reactiegesinterde siliciumcarbidetechnologie zijn traditionele methoden onvoldoende om te voldoen aan de industriële vraag naar complex gevormdesiliciumcarbide keramiek.

Wat zijn recente ontwikkelingen op het gebied vanReactie-gesinterd siliciumcarbide?

Recente ontwikkelingen hebben geleid tot de productie van hoge dichtheid en hoge buigsterktesiliciumcarbide keramiekmet behulp van siliciumcarbidepoeder van nanoformaat, waardoor de mechanische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk worden verbeterd. De hoge kosten van siliciumcarbidepoeder van nanoformaat, dat meer dan tienduizenden dollars per ton kost, belemmeren grootschalige toepassing. In dit werk hebben we algemeen verkrijgbare houtskool als koolstofbron en siliciumcarbide van microngrootte als aggregaat gebruikt, waarbij we gebruik hebben gemaakt van slipgiettechnologie omreactiegesinterd keramiek van siliciumcarbidegroene lichamen. Deze aanpak elimineert de noodzaak van het vooraf synthetiseren van siliciumcarbidepoeder, verlaagt de productiekosten en maakt de fabricage mogelijk van grote, complex gevormde dunwandige producten, die een referentie vormen voor het verbeteren van de prestaties en toepassing vanreactiegesinterd keramiek van siliciumcarbide.

Wat werden de gebruikte grondstoffen?

De grondstoffen die in het experiment worden gebruikt, zijn onder meer:

Siliciumcarbide met een gemiddelde deeltjesgrootte (d50) van 3,6 μm en zuiverheid (w(SiC)) ≥ 98%

Koolzwart met een gemiddelde deeltjesgrootte (d50) van 0,5 μm en zuiverheid (w©) ≥ 99%

Grafiet met een gemiddelde deeltjesgrootte (d50) van 10 μm en zuiverheid (w©) ≥ 99%

Dispergeermiddelen: Polyvinylpyrrolidon (PVP) K30 (K-waarde 27-33) en K90 (K-waarde 88-96)

Waterreductiemiddel: polycarboxylaat CE-64

Lossingsmiddel: AO

Gedeïoniseerd water

Hoe werd het experiment uitgevoerd?

Het experiment werd als volgt uitgevoerd:

Het mengen van de grondstoffen volgens Tabel 1 met behulp van een elektrische mixer gedurende 4 uur om een ​​gelijkmatig gemengde slurry te verkrijgen.

Terwijl de slurryviscositeit < 1000 mPa.s werd gehouden, werd de gemengde slurry in voorbereide gipsmallen gegoten voor slipgieten, waarna men deze gedurende 2-3 minuten door de gipsmallen liet dehydrateren om groene lichamen te vormen.

De groene lichamen werden 48 uur op een koele plaats geplaatst, vervolgens uit de mallen verwijderd en gedurende 4-6 uur bij 80°C in een vacuümdroogoven gedroogd.

Het ontgommen van de groene lichamen werd uitgevoerd in een moffeloven bij 800°C gedurende 2 uur om de voorvormen te verkrijgen.

De voorvormen werden ingebed in een gemengd poeder van roet, siliciumpoeder en boornitride in een massaverhouding van 1:100:2000, en gedurende 2 uur in een oven bij 1720°C gesinterd om volledig fijngepoederd siliciumcarbide-keramiek te verkrijgen. .

Welke methoden zijn gebruikt voor prestatietests?

Prestatietests omvatten:

Meten van de viscositeit van de slurry op verschillende mengtijden (1-5 uur) met behulp van een roterende viscometer bij kamertemperatuur.

Het meten van de volumedichtheid van de preforms volgens de nationale norm GB/T 25995-2010.

Meten van de buigsterkte van de gesinterde monsters bij 1720°C volgens GB/T 6569-2006, met monsterafmetingen van 3 mm × 4 mm × 36 mm, spanwijdte van 30 mm en laadsnelheid van 0,5 mm·min^-1 .

Analyseren van de fasesamenstelling en microstructuur van de gesinterde monsters bij 1720°C met behulp van XRD en SEM.

Welke invloed heeft de mengtijd op de viscositeit van de mest, de volumedichtheid van de voorvormen en de schijnbare porositeit?

Figuren 1 en 2 tonen respectievelijk het verband tussen de mengtijd en de viscositeit van de slurry voor monster 2#, en het verband tussen de mengtijd en de volumedichtheid van de voorvorm en de schijnbare porositeit.

Figuur 1 geeft aan dat naarmate de mengtijd toeneemt, de viscositeit afneemt en na 4 uur een minimum van 721 mPa·s bereikt, waarna deze zich stabiliseert.

Figuur 2 laat zien dat monster 2# een maximale volumedichtheid heeft van 1,47 g·cm^-3 en een minimale schijnbare porositeit van 32,4%. Een lagere viscositeit resulteert in een betere dispersie, wat leidt tot een uniformere en verbeterde slurrysiliciumcarbide keramiekprestatie. Onvoldoende mengtijd leidt tot ongelijkmatig mengen van fijn siliciumcarbidepoeder, terwijl te lange mengtijd meer water verdampt, waardoor het systeem wordt gedestabiliseerd. De optimale mengtijd voor de bereiding van volledig fijngepoederde siliciumcarbidekeramiek bedraagt ​​4 uur.

Tabel 2 vermeldt de viscositeit van de slurry, de volumedichtheid van de voorvorm en de schijnbare porositeit van monster 2# met toegevoegd grafiet en monster 6# zonder toegevoegd grafiet. De toevoeging van grafiet verlaagt de viscositeit van de slurry, verhoogt de volumedichtheid van de voorvorm en vermindert de schijnbare porositeit als gevolg van het smerende effect van grafiet, wat resulteert in een betere dispersie en verhoogde dichtheid van volledig fijngepoederdesiliciumcarbide keramiek. Zonder grafiet heeft de slurry een hogere viscositeit, een slechtere dispersie en stabiliteit, waardoor toevoeging van grafiet noodzakelijk is.

Figuur 3 toont de volumedichtheid van de voorvorm en de schijnbare porositeit van monsters met verschillende roetgehalten. Monster 2# heeft de hoogste volumedichtheid van 1,47 g·cm^-3 en de laagste schijnbare porositeit van 32,4%. Een te lage porositeit belemmert echter de infiltratie van silicium.

Figuur 4 toont de XRD-spectra van monster 2#-voorvormen en gesinterde monsters bij 1720°C. De voorvormen bevatten grafiet en β-SiC, terwijl de gesinterde monsters Si, β-SiC en α-SiC bevatten, wat erop wijst dat een deel van β-SiC bij hoge temperaturen in α-SiC wordt omgezet. De gesinterde monsters vertonen ook een verhoogd Si- en een verlaagd C-gehalte als gevolg van siliciuminfiltratie bij hoge temperatuur, waarbij Si reageert met C om SiC te vormen, waardoor de poriën worden gevuld.

Figuur 5 toont de breukmorfologie van verschillende monstervoorvormen. De afbeeldingen onthullen fijn siliciumcarbide, grafiet en poriën. Monsters 1#, 4# en 5# hebben grotere vlokfasen en ongelijkmatiger verdeelde poriën als gevolg van ongelijkmatig mengen, wat resulteert in een lage voorvormdichtheid en hoge porositeit. Monster 2# met 5,94% (w) roet vertoont een optimale microstructuur.

Figuur 6 toont de breukmorfologie van monster 2# na sinteren bij 1720°C, waarbij strak en gelijkmatig verdeelde siliciumcarbidedeeltjes met minimale porositeit worden weergegeven. De groei van siliciumcarbidedeeltjes is te wijten aan hoge temperatuureffecten. Kleinere nieuw gevormde SiC-deeltjes worden ook gezien tussen de oorspronkelijke SiC-skeletdeeltjes afkomstig van reactie-sinteren, waarbij wat achtergebleven Si de oorspronkelijke poriën vult, waardoor de spanningsconcentratie wordt verminderd, maar mogelijk de prestaties bij hoge temperaturen worden beïnvloed vanwege het lage smeltpunt. Het gesinterde product heeft een volumedichtheid van 3,02 g·cm^-3 en een buigsterkte van 580 MPa, ruim tweemaal de sterkte van gewonereactiegesinterd siliciumcarbide.

Conclusies

De optimale mengtijd voor de slurry die wordt gebruikt om volledig fijnpoeder te bereidensiliciumcarbide keramiekbedraagt ​​4 uur. Het toevoegen van grafiet vermindert de viscositeit van de slurry, verhoogt de volumedichtheid van de voorvorm en verlaagt de schijnbare porositeit, waardoor de dichtheid van volledig fijngepoederdesiliciumcarbide keramiek.

Het optimale roetgehalte voor de bereiding van siliciumcarbidekeramiek met volledige fijne poedervorm is 5,94% (w).

De gesinterde siliciumcarbidedeeltjes zijn strak en uniform verdeeld met minimale porositeit, wat een groeitrend laat zien. De dichtheid van het gesinterde product is 3,02 g·cm^-3 en de buigsterkte is 580 MPa, waardoor de mechanische sterkte en dichtheid van volledig fijngepoederde producten aanzienlijk worden verbeterd.siliciumcarbide keramiek.**

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