Silisyum Karbür Seramikler için 9 Sinterleme Tekniğinin İncelenmesi

Silisyum karbür (SiC)Öne çıkan bir yapısal seramik olan , yüksek sıcaklık dayanımı, sertlik, elastik modül, aşınma direnci, termal iletkenlik ve korozyon direnci gibi olağanüstü özellikleriyle ünlüdür. Bu özellikler onu yüksek sıcaklıklı fırın mobilyaları, brülör nozulları, ısı eşanjörleri, sızdırmazlık halkaları ve kayar yataklardaki geleneksel endüstriyel kullanımlardan balistik zırh, uzay aynaları, yarı iletken levha aynaları gibi gelişmiş uygulamalara kadar geniş bir uygulama yelpazesi için uygun kılar. ve nükleer yakıt kaplaması.

Sinterleme işlemi, nihai özelliklerin belirlenmesinde çok önemlidir.SiC seramikleri. Kapsamlı araştırmalar, reaksiyon sinterleme, basınçsız sinterleme, yeniden kristalleştirme sinterleme ve sıcak presleme gibi yerleşik yöntemlerden kıvılcım plazma sinterleme, flaş sinterleme ve salınımlı basınç sinterleme gibi daha yeni yeniliklere kadar çeşitli sinterleme tekniklerinin geliştirilmesine yol açmıştır.

İşte öne çıkan dokuz kişiye daha yakından bir bakışSiC seramiksinterleme teknikleri:

1. Sıcak Presleme:

Alliegro ve diğerleri tarafından öncülük edilmiştir. Norton Company'de sıcak presleme, bir malzemeye eş zamanlı olarak ısı ve basınç uygulanmasını içerir.SiC tozubir kalıp içinde kompakt. Bu yöntem aynı anda yoğunlaştırma ve şekillendirmeye olanak sağlar. Sıcak presleme etkili olsa da karmaşık ekipmanlar, özel kalıplar ve sıkı süreç kontrolü gerektirir. Sınırlamaları arasında yüksek enerji tüketimi, sınırlı şekil karmaşıklığı ve yüksek üretim maliyetleri yer alır.

2. Reaksiyon Sinterlemesi:

İlk olarak 1950'lerde P. Popper tarafından önerilen reaksiyon sinterlemesi, karıştırmayı içerirSiC tozubir karbon kaynağı ile. Kayma döküm, kuru presleme veya soğuk izostatik presleme yoluyla oluşturulan yeşil gövde, silikon infiltrasyon sürecine tabi tutulur. Vakumda veya inert atmosferde 1500°C'nin üzerinde ısıtma, kılcal etki yoluyla gözenekli gövdeye sızan silikonu eritir. Sıvı veya gaz halindeki silikon karbonla reaksiyona girerek mevcut SiC parçacıklarıyla bağlanan yerinde β-SiC oluşturur ve sonuçta yoğun bir seramik elde edilir.

Reaksiyona bağlı SiC, düşük sinterleme sıcaklıklarına, maliyet etkinliğine ve yüksek yoğunlaştırmaya sahiptir. Sinterleme sırasındaki ihmal edilebilir büzülme, onu özellikle büyük, karmaşık şekilli bileşenler için uygun kılar. Tipik uygulamalar arasında yüksek sıcaklıklı fırın mobilyaları, radyant tüpler, ısı eşanjörleri ve kükürt giderme nozulları bulunur.

RBSiC Teknesinin Semicorex Proses Rotası

3. Basınçsız Sinterleme:

S. Prochazka ve diğerleri tarafından geliştirilmiştir. 1974 yılında GE'de basınçsız sinterleme, dış basınç ihtiyacını ortadan kaldırıyor. Yoğunlaşma, 2000-2150°C'de atmosfer basıncında (1.01×105 Pa) inert bir atmosferde, sinterleme katkılarının yardımıyla gerçekleşir. Basınçsız sinterleme ayrıca katı hal ve sıvı faz sinterleme olarak da kategorize edilebilir.

Katı hal basınçsız sinterleme, tanecikler arası cam fazları olmadan yüksek yoğunluklara (3,10-3,15 g/cm3) ulaşır, bu da 1600°C'ye ulaşan kullanım sıcaklıklarıyla olağanüstü yüksek sıcaklıkta mekanik özellikler sağlar. Ancak yüksek sinterleme sıcaklıklarında aşırı tane büyümesi mukavemeti olumsuz yönde etkileyebilir.

Sıvı fazda basınçsız sinterleme, SiC seramiklerinin uygulama kapsamını genişletir. Tek bir bileşenin eritilmesiyle veya birden fazla bileşenin ötektik reaksiyonuyla oluşturulan sıvı faz, yüksek bir yayılma yolu sağlayarak yoğunlaşma kinetiğini geliştirir ve katı hal sinterlemeyle karşılaştırıldığında daha düşük sinterleme sıcaklıklarına yol açar. Sıvı fazlı sinterlenmiş SiC'deki ince tane boyutu ve artık tanecikler arası sıvı faz, tanecikler arası kırılmadan tanecikler arası kırılmaya geçişi teşvik ederek bükülme mukavemetini ve kırılma dayanıklılığını artırır.

Basınçsız sinterleme, maliyet etkinliği ve şekil çok yönlülüğü gibi avantajlara sahip olgun bir teknolojidir. Özellikle katı hal sinterlenmiş SiC, yüksek yoğunluk, tek biçimli mikro yapı ve mükemmel genel performans sunar; bu da onu sızdırmazlık halkaları ve kayar yataklar gibi aşınmaya ve korozyona dayanıklı bileşenler için uygun hale getirir.

Basınçsız Sinterlenmiş Silisyum Karbür Zırh

4. Yeniden Kristalleştirme Sinterleme:

1980'lerde Kriegesmann, yüksek performanslı yeniden kristalize edilmiş malzemelerin üretimini gösterdi.SiC seramiklerikayan döküm ve ardından 2450°C'de sinterleme yoluyla. Bu teknik, FCT (Almanya) ve Norton (ABD) tarafından büyük ölçekli üretim için hızla benimsendi.

Yeniden kristalleştirilmiş SiC, farklı boyutlardaki SiC parçacıklarının paketlenmesiyle oluşturulan yeşil bir gövdenin sinterlenmesini içerir. Daha iri parçacıkların aralıkları içinde eşit olarak dağılmış ince parçacıklar, kontrollü bir atmosfer altında 2100°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda daha büyük parçacıkların temas noktalarında buharlaşır ve yoğunlaşır. Bu buharlaşma-yoğunlaşma mekanizması parçacık boyunlarında yeni tane sınırları oluşturarak tane büyümesine, boyun oluşumuna ve artık gözenekliliğe sahip sinterlenmiş bir gövdeye yol açar.

Yeniden kristalleştirilmiş SiC'nin temel özellikleri şunları içerir:

Minimal Büzülme: Sinterleme sırasında tane sınırının veya hacim difüzyonunun olmaması, ihmal edilebilir büzülmeye neden olur.

Net'e Yakın Şekillendirme: Sinterlenmiş yoğunluk, yeşil gövde yoğunluğuyla hemen hemen aynı kalır.

Temiz Tane Sınırları: Yeniden kristalize SiC, cam fazlardan veya yabancı maddelerden yoksun temiz tane sınırları sergiler.

Artık Gözeneklilik: Sinterlenmiş gövde tipik olarak %10-20 gözenekliliği korur.

5. Sıcak İzostatik Presleme (HIP):

HIP, yoğunlaşmayı arttırmak için inert gaz basıncını (tipik olarak argon) kullanır. Bir cam veya metal kap içinde kapatılan SiC toz kompaktı, bir fırın içinde izostatik basınca maruz bırakılır. Sıcaklık sinterleme aralığına yükseldikçe, kompresör birkaç megapaskallık başlangıç ​​gaz basıncını korur. Bu basınç, ısıtma sırasında kademeli olarak artarak 200 MPa'ya ulaşır, iç gözenekleri etkili bir şekilde ortadan kaldırır ve yüksek yoğunluğa ulaşır.

6. Kıvılcım Plazma Sinterleme (SPS):

SPS, metaller, seramikler ve kompozitler dahil olmak üzere yoğun malzemelerin üretilmesine yönelik yeni bir toz metalurjisi tekniğidir. Darbeli bir elektrik akımı oluşturmak ve toz parçacıkları arasında plazmayı kıvılcımlamak için yüksek enerjili elektrik darbeleri kullanır. Bu lokalize ısıtma ve plazma üretimi, nispeten düşük sıcaklıklarda ve kısa sürelerde meydana gelir ve hızlı sinterlemeye olanak tanır. İşlem, yüzey kirleticilerini etkili bir şekilde ortadan kaldırır, parçacık yüzeylerini etkinleştirir ve hızlı yoğunlaşmayı destekler. SPS, sinterleme yardımcıları olarak Al2O3 ve Y2O3 kullanılarak yoğun SiC seramiklerinin üretilmesinde başarıyla kullanılmıştır.

7. Mikrodalga Sinterleme:

Geleneksel ısıtmanın aksine, mikrodalga sinterleme, hacimsel ısıtma ve sinterlemeyi gerçekleştirmek için mikrodalga elektromanyetik alan içindeki malzemelerin dielektrik kaybını kullanır. Bu yöntem, daha düşük sinterleme sıcaklıkları, daha hızlı ısıtma oranları ve geliştirilmiş yoğunlaştırma gibi avantajlar sunar. Mikrodalga sinterleme sırasında artan kütle aktarımı aynı zamanda ince taneli mikro yapıları da destekler.

8. Flaş Sinterleme:

Flaş sinterleme (FS), düşük enerji tüketimi ve ultra hızlı sinterleme kinetiği nedeniyle dikkat çekti. İşlem, bir fırın içindeki yeşil bir gövdeye voltaj uygulanmasını içerir. Bir eşik sıcaklığına ulaşıldığında, akımdaki ani, doğrusal olmayan bir artış, hızlı Joule ısınmasına neden olur ve saniyeler içinde neredeyse anında yoğunlaşmaya yol açar.

9. Salınımlı Basınçlı Sinterleme (OPS):

Sinterleme sırasında dinamik basıncın uygulanması, parçacıkların birbirine kenetlenmesini ve topaklanmasını bozarak gözenek boyutunu ve dağılımını azaltır. Bunun sonucunda yüksek yoğunlukta, ince taneli ve homojen mikro yapılar elde edilir ve yüksek mukavemetli ve güvenilir seramikler elde edilir. Xie Zhipeng'in Tsinghua Üniversitesi'ndeki ekibinin öncülüğünü yaptığı OPS, geleneksel sinterlemedeki sabit statik basıncın yerini dinamik salınımlı basınçla değiştiriyor.

OPS çeşitli avantajlar sunar:

Geliştirilmiş Yeşil Yoğunluk: Sürekli salınımlı basınç, parçacıkların yeniden düzenlenmesini destekleyerek toz kompaktın yeşil yoğunluğunu önemli ölçüde artırır.

Artan Sinterleme İtici Gücü: OPS, yoğunlaşma için daha büyük bir itici güç sağlar, tane dönüşünü, kaymayı ve plastik akışı artırır. Bu, kontrollü salınım frekansı ve genliğinin tane sınırlarında kalan gözenekleri etkili bir şekilde ortadan kaldırdığı sinterlemenin sonraki aşamalarında özellikle faydalıdır.

Salınımlı Basınçlı Sinterleme Ekipmanının Fotoğrafı

Ortak Tekniklerin Karşılaştırılması:

Bu teknikler arasında, reaksiyon sinterleme, basınçsız sinterleme ve yeniden kristalleştirme sinterleme, endüstriyel SiC üretimi için yaygın olarak kullanılmaktadır; her biri benzersiz avantajlara sahiptir ve farklı mikro yapılar, özellikler ve uygulamalarla sonuçlanır.

Reaksiyona bağlı SiC:Düşük sinterleme sıcaklıkları, maliyet etkinliği, minimum büzülme ve yüksek yoğunlaşma sunarak büyük, karmaşık şekilli bileşenler için uygun hale getirir. Tipik uygulamalar arasında yüksek sıcaklıklı fırın mobilyaları, brülör nozulları, ısı eşanjörleri ve optik reflektörler bulunur.

Basınçsız sinterlenmiş SiC:Maliyet etkinliği, şekil çeşitliliği, yüksek yoğunluk, tekdüze mikro yapı ve mükemmel genel özellikler sunarak contalar, kayar yataklar, balistik zırh, optik reflektörler ve yarı iletken levha aynaları gibi hassas bileşenler için idealdir.

Yeniden kristalleştirilmiş SiC:Saf SiC fazlarına, yüksek saflığa, yüksek gözenekliliğe, mükemmel termal iletkenliğe ve termal şok direncine sahiptir; bu da onu yüksek sıcaklıktaki fırın mobilyaları, ısı eşanjörleri ve brülör nozulları için uygun kılar.**

Semicorex olarak biz şu konuda uzmanız:SiC Seramikleri ve diğerleriSeramik MalzemelerYarı iletken imalatında uygulanan bu teknik hakkında herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu: +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com