Αντιδραστικό συνδεδεμένο με ασύνθετο SiC: Δύο διαφορετικές οδούς για πυκνή κεραμική καρβιδίου του πυριτίου

Κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίουεκτιμάται ευρέως για τη σκληρότητά τους, τη θερμική αγωγιμότητα, τη χαμηλή θερμική διεύρυνση και την αντοχή τους σε επιθετικά περιβάλλοντα.

Αλλά το SiC παρουσιάζει επίσης μια ασυνήθιστη πρόκληση επεξεργασίας.

Ο ισχυρός συνδυαστικός δεσμός και η χαμηλή ατομική διάχυση του καθιστούν εξαιρετικά δύσκολη τη συμβατική συμπυκνωση, αναγκάζοντας τους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν εξειδικευμένες τεχνολογίες συγκόλλησης.

Μεταξύ των σημαντικότερων βιομηχανικών οδών είναι:Σύνδεση αντίδρασηςκαιΣυσσωρεύσεις χωρίς πίεση.

Παρόλο που και τα δύο χρησιμοποιούνται για την κατασκευή κεραμικών SiC υψηλών επιδόσεων, επιτυγχάνουν πυκνότητα μέσω πολύ διαφορετικών μηχανισμών.

Πώς παράγεται το Καρβίδιο του Σίλικονου

Το καρβίδιο του πυριτίου που συνδέεται με την αντίδραση, συχνά συντομογραφείται ως RB-SiC, συνήθως ξεκινά με ένα μείγμα σκόνης SiC, άνθρακα και οργανικού συνδετήρα.

Το μείγμα σκόνης σχηματίζεται σε πράσινο σώμα πριν υποβληθεί σε διείσδυση πυριτίου σε αυξημένη θερμοκρασία.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, το λιωμένο ή ατμοσφαιρικό πυρίτιο εισέρχεται στο πορώδες πράσινο σώμα και αντιδρά με άνθρακα:

Si + C → SiC

Αυτή η αντίδραση δημιουργεί δευτερογενές καρβίδιο πυριτίου μεταξύ των αρχικών σωματιδίων SiC.

Το υπολειπόμενο ελεύθερο πυρίτιο καταλαμβάνει στη συνέχεια μεγάλο μέρος του εναπομείναντος χώρου των πόρων, παράγοντας μια πολύ πυκνή κεραμική δομή.

Γιατί είναι κρίσιμη η πορώσεια του πράσινου σώματος

Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες στην αντιδραστική συγκόλληση είναι η αρχική πορώς του πράσινου σώματος.

Το πυρίτιο πρέπει να μπορεί να διεισδύσει αρκετά βαθιά στη δομή.

Αν το πράσινο σώμα είναι πολύ πυκνό, η διείσδυση του πυριτίου μπορεί να περιοριστεί.

Η αντίδραση μπορεί τότε να συμβεί κυρίως κοντά στην επιφάνεια, ενώ ο μη αντιδρούμενος άνθρακας και οι πόροι παραμένουν στο κέντρο του συστατικού.

Για το λόγο αυτό, η πυκνότητα του πράσινου σώματος πρέπει να σχεδιαστεί προσεκτικά.

Οι κατασκευαστές μπορούν να το ελέγξουν προσαρμόζοντας παραμέτρους όπως:

• Αναλογία SiC/άνθρακα
• Κατανομή μεγέθους σωματιδίων SiC
• Μέγεθος σωματιδίων άνθρακα και μορφολογία
• Σύνθεση συνδετήρα
• Πίεση σχηματισμού

Η επιτυχής σύνδεση αντιδράσεων αρχίζει επομένως πολύ πριν από το στάδιο διείσδυσης του πυριτίου.

Γιατί το συνδεδεμένο με αντίδραση SiC είναι κατάλληλο για μεγάλα συστατικά

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του SiC που συνδέεται με την αντίδραση είναι η εξαιρετικά χαμηλή συρρίκνωσή του κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας.

Επειδή οι διαμετρικές αλλαγές είναι σχετικά μικρές, η τεχνολογία περιγράφεται συχνά ως μια σχεδόν καθαρή κατασκευαστική διαδρομή.

Αυτό καθιστά το RB-SiC ελκυστικό για μεγάλα, περίπλοκα ή ακριβώς διαμορφωμένα κεραμικά εξαρτήματα.

Τα τυπικά προϊόντα περιλαμβάνουν εξαρτήματα ανταλλακτών θερμότητας, κυλίνδρους κλιβάνου, ακροφύσια και διάφορα δομικά μέρη.

Η σχετικά χαμηλή θερμοκρασία επεξεργασίας του σε σύγκριση με ορισμένες άλλες οδούς συγκόλλησης SiC και η ικανότητά του να κατασκευάζει περίπλοκες γεωμετρικές διαστάσεις μπορούν επίσης να κάνουν την σύνδεση αντίδρασης οικονομικά ελκυστική.

Το SiC που συνδέεται με αντίδραση σε εξοπλισμό ημιαγωγών

Καθώς τα μεγέθη των ημιαγωγών πλακών και οι θερμοκρασίες της διαδικασίας έχουν αυξηθεί,Οι κεραμικές ύλες SiC έχουν κερδίσει όλο και μεγαλύτερη προσοχή ως εναλλακτικές λύσεις στα συμβατικά υλικά σε περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών και χημικά απαιτητικών εξοπλισμού.

Τα συστατικά SiC που συνδέονται με την αντίδραση και κατασκευάζονται από σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας και πυρίτιο υψηλής καθαρότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τοποθεσίες φωτισμού,Υποστηρίγματα και δομικά μέρη σε εξοπλισμό κατασκευής ημιαγωγών και ηλεκτρονικών συσκευών.

Ο συνδυασμός της θερμικής σταθερότητας, της ακαμψίας και της σταθερότητας των διαστάσεων είναι ιδιαίτερα πολύτιμος όταν τα εξαρτήματα εκτίθενται σε επαναλαμβανόμενους κύκλους θέρμανσης.

Ωστόσο, το υπολειμματικό πυρίτιο πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή του RB-SiC για ένα συγκεκριμένο περιβάλλον διαδικασίας.

Η Χωρίς Πίεση Σίντερση Χρησιμοποιεί Μια Διαφορετική Μέθοδο

Σε αντίθεση με την σύνδεση αντίδρασης, η ασύμμετρη συγκόλληση επιχειρεί να συμπυκνώσει το SiC χωρίς να εφαρμόσει εξωτερική μηχανική πίεση κατά τη διάρκεια της κύριας διαδικασίας συγκόλλησης.

Συνήθως διακρίνονται δύο κύριες διαδρομές:

Συσσωρεύσεις στερεών ατόμωνκαιΣυσσωρεύσεις υγρής φάσης.

Παρόλο που και οι δύο είναι διαδικασίες χωρίς πίεση, οι μηχανισμοί πυκνώσεώς τους είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί.

Συσσωρεύσεις στερεών υλών: υψηλή θερμοκρασία και ελεγχόμενες πρόσθετες ύλες

Ένα από τα ορόσημα στην επεξεργασία του SiC ήρθε το 1974, όταν ο S.Η Prochazka απέδειξε ότι η β-SiC σκόνη υψηλής καθαρότητας που περιέχει μικρές ποσότητες βορίου και άνθρακα μπορεί να συγκολληθεί χωρίς πίεση σε θερμοκρασία περίπου 2020 °C σε σχετική πυκνότητα άνω του 98%.

Το σύστημα πρόσθεσης B-C παραμένει μία από τις πιο γνωστές μεθόδους συγκόλλησης σε στερεή κατάσταση για το SiC.

Το βόριο και ο άνθρακας μπορούν να εισαχθούν ξεχωριστά ή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενώσεις όπως το Β4C.

Οι τυπικές θερμοκρασίες πυκνώσεως είναι περίπου 1900~2100°C.

Άλλα πρόσθετα συστήματα περιλαμβάνουν το Al-C και το AlN-C.

Το αλουμίνιο είναι ένα αποτελεσματικό πρόσθετο συγκόλλησης SiC, ενώ οι προσθήκες AlN μπορούν να βοηθήσουν στην καταστολή της υπερβολικής ανάπτυξης κόκκων SiC υπό ορισμένες συνθήκες επεξεργασίας.

Πλεονεκτήματα του συμπιεσμένου SiC σε στερεή κατάσταση

Το συσσωρευμένο σε στερεή κατάσταση SiC μπορεί να παρέχει εξαιρετική χημική και θερμική σταθερότητα.

Ένα από τα ιδιαίτερα πολύτιμα χαρακτηριστικά του είναι η ικανότητά του να διατηρεί υψηλές μηχανικές επιδόσεις σε υψηλές θερμοκρασίες.

Επειδή η συμπύκνωση λαμβάνει χώρα χωρίς την εισαγωγή μεγάλου όγκου υγρής φάσης στα όρια των κόκκων, το τελικό υλικό μπορεί να διατηρήσει εξαιρετικές ιδιότητες υψηλών θερμοκρασιών.

Αυτό καθιστά το στερεόσλιπτο συσσωρευμένο SiC ελκυστικό για απαιτητικές δομικές και θερμικές εφαρμογές.

Γιατί είναι δύσκολο να συντηρηθεί το στερεό

Το κύριο μειονέκτημα είναι η σοβαρότητα της επεξεργασίας.

Οι θερμοκρασίες 1900-2100°C απαιτούν σημαντική ενέργεια και εξειδικευμένο εξοπλισμό υψηλών θερμοκρασιών.

Ο κακός έλεγχος μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ανώμαλη ανάπτυξη του σπόρου, η οποία μπορεί να μειώσει τη μηχανική απόδοση.

Για την επίτευξη σχεδόν πλήρους πυκνότητας μπορεί να απαιτούνται μεγάλοι χρόνοι διατήρησης.

Επιπλέον, η διαδικασία είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στα χαρακτηριστικά της σκόνης, συμπεριλαμβανομένων:

μέγεθος σωματιδίων, κατανομή μεγέθους σωματιδίων, καθαρότητα και ομοιομορφία ανάμειξης.

Συσσωρεύση υγρής φάσης: Η ευκολία της μαζικής μεταφοράς

Η συγκόλληση σε υγρή φάση παρέχει μια εναλλακτική λύση.

Αντί να βασίζονται εξ ολοκλήρου στη διάχυση σε στερεή κατάσταση, τα επιλεγμένα πρόσθετα σχηματίζουν υγρή φάση κατά την θέρμανση.

Αυτό το υγρό υγραντίζει και λιπαίνει τα σωματίδια SiC, προάγει την αναδιάταξη και δημιουργεί μια αποτελεσματική διαδρομή για μαζική μεταφορά.

Σε συστήματα που περιέχουν Al2O3, για παράδειγμα, το οξείδιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με το SiO2 που υπάρχει φυσικά στην επιφάνεια των σωματιδίων SiC.

Η προκύπτουσα υγρή φάση οριακού σπόρου βοηθά την πυκνότητα.

Η διαδικασία περιγράφεται συνήθως με μηχανισμό διάλυσης-αναπανάληψης.

Το σύστημα Al2O3-Y2O3

Ένα από τα ευρέως μελετημένα συστήματα πρόσθετων υδρατμών υγρής φάσης για το SiC είναι το Al2O3-Y2O3.

Η εισαγωγή Y2O3 μαζί με Al2O3 μπορεί να δημιουργήσει ευνοϊκές υγρές φάσεις σε αυξημένη θερμοκρασία.

Σε σύγκριση με την συμβατική συγκόλληση σε στερεή κατάσταση, η προσέγγιση αυτή μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία που απαιτείται για την συμπύκνωση και μπορεί να βελτιώσει τη μικροδομή, την αντοχή και την αντοχή σε σπασμούς.

Ωστόσο, η ποσότητα και η σύνθεση της πρόσθετης φάσης πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά.

Η υπερβολική φάση ορίου κόκκων μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τις ιδιότητες που εξαρτώνται από υψηλή καθαρότητα ή σταθερή απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες.

Επιλογή Ανάμεσα στις Δύο Οδούς

Η σύνδεση με αντίδραση και η ασύγχρωση χωρίς πίεση δεν πρέπει να θεωρούνται απλώς ως ανταγωνιστικές τεχνολογίες.

Λύνουν διαφορετικά προβλήματα παραγωγής.

Το συνδεδεμένο με αντίδραση SiC είναι ιδιαίτερα ελκυστικό όταν η παραγωγή σε σχήμα σχεδόν καθαρού, η χαμηλή συρρίκνωση, οι μεγάλες διαστάσεις και η περίπλοκη γεωμετρία είναι προτεραιότητες.

Το αέριο SiC χωρίς πίεση είναι ελκυστικό όταν η εγγενής απόδοση της ίδιας της κεραμικής SiC είναι σημαντικότερη και το ελεύθερο από υπολείμματα πυριτίου είναι ανεπιθύμητο.

Μέσα στην άσυρση χωρίς πίεση, οι οδοι στερεής κατάστασης και υγρής φάσης εισάγουν μια άλλη επιλογή:

Η συγκόλληση σε στερεή κατάσταση δίνει προτεραιότητα στη σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ η συγκόλληση σε υγρή φάση μπορεί να παρέχει ευκολότερη συμπύκνωση και βελτιωμένη μηχανική αντοχή.

Επομένως, η σωστή επιλογή εξαρτάται όχι μόνο από την πυκνότητα, αλλά και από τη γεωμετρία των κατασκευαστικών στοιχείων, τη θερμοκρασία λειτουργίας, τις απαιτήσεις καθαρότητας και το περιβάλλον της επεξεργασίας.