सिलिकन कार्बाइड सिरेमिक र तिनीहरूको विविध निर्माण प्रक्रियाहरू

सिलिकन कार्बाइड (SiC) सिरेमिकपरिशुद्धता बियरिङहरू, सिलहरू, ग्यास टर्बाइन रोटरहरू, अप्टिकल कम्पोनेन्टहरू, उच्च-तापमान नोजलहरू, ताप एक्सचेन्जर कम्पोनेन्टहरू, र आणविक रिएक्टर सामग्रीहरू जस्ता माग गर्ने अनुप्रयोगहरूमा व्यापक रूपमा कार्यरत छन्। यो व्यापक प्रयोग उच्च पहिरन प्रतिरोध, उत्कृष्ट थर्मल चालकता, उत्कृष्ट अक्सीकरण प्रतिरोध, र उत्कृष्ट उच्च-तापमान यांत्रिक गुणहरू सहित तिनीहरूको असाधारण गुणहरूबाट उत्पन्न हुन्छ। यद्यपि, SiC मा निहित बलियो सहसंयोजक बन्धन र कम फैलावट गुणांकले sintering प्रक्रियाको क्रममा उच्च घनत्व प्राप्त गर्नमा महत्त्वपूर्ण चुनौती प्रस्तुत गर्दछ। फलस्वरूप, sintering प्रक्रिया उच्च प्रदर्शन प्राप्त गर्न को लागी एक महत्वपूर्ण कदम बन्छ।SiC सिरेमिक.

यस कागजले घना उत्पादन गर्न नियोजित विभिन्न उत्पादन प्रविधिहरूको एक व्यापक सिंहावलोकन प्रदान गर्दछ।RBSiC/PSSIC/RSiC सिरेमिकहरू, तिनीहरूको अद्वितीय विशेषताहरू र अनुप्रयोगहरू हाइलाइट गर्दै:

1. प्रतिक्रिया बन्धित सिलिकन कार्बाइड (RBSiC)

RBSiCकार्बनसँग सिलिकन कार्बाइड पाउडर (सामान्यतया 1-10 μm) मिलाउने, मिश्रणलाई हरियो शरीरमा आकार दिने, र सिलिकन घुसपैठको लागि उच्च तापक्रमको अधीनमा समावेश गर्दछ। यस प्रक्रियाको बखत, सिलिकनले कार्बनसँग प्रतिक्रिया गर्छ SiC बनाउँछ, जुन अवस्थित SiC कणहरूसँग बाँध्छ, अन्ततः घनत्व प्राप्त गर्दछ। दुई प्राथमिक सिलिकन घुसपैठ विधिहरू प्रयोग गरिन्छ:

तरल सिलिकन घुसपैठ: सिलिकनलाई यसको पग्लने बिन्दु (1450-1470 डिग्री सेल्सियस) माथि तताइएको छ, जसले पिघलेको सिलिकनलाई केशिका कार्य मार्फत छिद्रपूर्ण हरियो शरीरमा घुसाउन अनुमति दिन्छ। पग्लिएको सिलिकनले कार्बनसँग प्रतिक्रिया गर्छ, SiC बनाउँछ।

भाप सिलिकन घुसपैठ: सिलिकनलाई सिलिकन वाष्प उत्पन्न गर्न यसको पिघलने बिन्दु भन्दा बाहिर तताइएको छ। यो भाप हरियो शरीरमा प्रवेश गर्छ र पछि कार्बनसँग प्रतिक्रिया गर्छ, SiC बनाउँछ।

प्रक्रिया प्रवाह: SiC पाउडर + C पाउडर + बाइन्डर → आकार दिने → सुकाउने → एक नियन्त्रित वातावरणमा बाइन्डर बर्नआउट → उच्च-तापमान Si घुसपैठ → पोस्ट-प्रोसेसिङ

(१) प्रमुख विचारहरू:

को सञ्चालन तापमानRBSiCसामग्रीमा अवशिष्ट मुक्त सिलिकन सामग्री द्वारा सीमित छ। सामान्यतया, अधिकतम परिचालन तापमान लगभग 1400 डिग्री सेल्सियस छ। यस तापक्रम माथि, नि: शुल्क सिलिकन पग्लने कारण सामग्रीको बल द्रुत रूपमा बिग्रन्छ।

तरल सिलिकन घुसपैठले उच्च अवशिष्ट सिलिकन सामग्री (सामान्यतया 10-15%, कहिलेकाहीँ 15% भन्दा बढि) छोड्न जान्छ, जसले अन्तिम उत्पादनको गुणहरूलाई नकारात्मक रूपमा असर गर्न सक्छ। यसको विपरित, बाष्प सिलिकन घुसपैठले अवशिष्ट सिलिकन सामग्रीमा राम्रो नियन्त्रणको लागि अनुमति दिन्छ। हरियो शरीरमा पोरोसिटी कम गरेर, सिंटरिङ पछि अवशिष्ट सिलिकन सामग्री 10% भन्दा कम गर्न सकिन्छ, र सावधानीपूर्वक प्रक्रिया नियन्त्रण संग, 8% भन्दा तल पनि कम गर्न सकिन्छ। यो कमीले अन्तिम उत्पादनको समग्र कार्यसम्पादनमा उल्लेखनीय सुधार गर्छ।

यो नोट गर्न महत्त्वपूर्ण छRBSiC, घुसपैठ विधि को परवाह नगरी, अनिवार्य रूपमा केहि अवशिष्ट सिलिकन (8% देखि 15% सम्म) समावेश हुनेछ। त्यसैले,RBSiCएकल-फेज सिलिकन कार्बाइड सिरेमिक होइन बरु एक "सिलिकन + सिलिकन कार्बाइड" कम्पोजिट हो। फलस्वरूप,RBSiCपनि भनिन्छSiSiC (सिलिकन सिलिकन कार्बाइड कम्पोजिट).

(२) फाइदाहरू र अनुप्रयोगहरू:

RBSiCधेरै फाइदाहरू प्रदान गर्दछ, सहित:

कम सिंटरिङ तापमान: यसले ऊर्जा खपत र उत्पादन लागत घटाउँछ।

लागत-प्रभावकारिता: प्रक्रिया अपेक्षाकृत सरल छ र सजिलै उपलब्ध कच्चा माल प्रयोग गर्दछ, यसको किफायतीमा योगदान गर्दछ।

उच्च घनत्व:RBSiCउच्च घनत्व स्तरहरू प्राप्त गर्दछ, सुधारिएको मेकानिकल गुणहरूको लागि अग्रणी।

नियर-नेट शेपिङ: कार्बन र सिलिकन कार्बाइड प्रिफर्मलाई जटिल आकारहरूमा पूर्व-मसिन गर्न सकिन्छ, र सिन्टरिङको समयमा न्यूनतम संकुचन (सामान्यतया 3% भन्दा कम) उत्कृष्ट आयामी शुद्धता सुनिश्चित गर्दछ। यसले महँगो पोस्ट-सिंटरिङ मेसिनिङको आवश्यकतालाई कम गर्छ, बनाउनेRBSiCठूला, जटिल आकारका कम्पोनेन्टहरूको लागि विशेष रूपमा उपयुक्त।

यी फाइदाहरूको कारण,RBSiCविभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगहरूमा व्यापक प्रयोगको आनन्द लिन्छ, मुख्य रूपमा निर्माणको लागि:

फर्नेस कम्पोनेन्टहरू: अस्तरहरू, क्रुसिबलहरू, र सगरहरू।

अन्तरिक्ष दर्पण:RBSiCको कम थर्मल विस्तार गुणांक र उच्च लोचदार मोड्युलसले यसलाई स्पेस-आधारित मिररहरूको लागि एक आदर्श सामग्री बनाउँछ।

उच्च-तापमान ताप एक्सचेंजरहरू: रेफेल (युके) जस्ता कम्पनीहरूले यसको प्रयोगको अग्रगामी गरेका छन्।RBSiCउच्च-तापमान ताप एक्सचेंजरहरूमा, रासायनिक प्रशोधनदेखि पावर उत्पादन सम्मका अनुप्रयोगहरू सहित। Asahi Glass (जापान) ले पनि यो प्रविधि अपनाएको छ, जसले ०.५ देखि १ मिटर लम्बाइका ताप विनिमय ट्यूबहरू उत्पादन गर्दछ।

यसबाहेक, अर्धचालक उद्योगमा ठूला वेफर्स र उच्च प्रशोधन तापमानको बढ्दो मागले उच्च शुद्धताको विकासलाई प्रोत्साहित गरेको छ।RBSiCअवयवहरू। यी कम्पोनेन्टहरू, उच्च-शुद्धता SiC पाउडर र सिलिकन प्रयोग गरेर निर्मित, बिस्तारै इलेक्ट्रोन ट्यूबहरू र अर्धचालक वेफर प्रशोधन उपकरणहरूको लागि समर्थन जिगहरूमा क्वार्ट्ज गिलास भागहरू प्रतिस्थापन गर्दै छन्।

डिफ्युजन फर्नेसको लागि सेमिकोरेक्स RBSiC वेफर डुङ्गा

(३) सीमाहरू:

यसका फाइदाहरू भए पनि,RBSiCकेहि सीमितताहरू छन्:

अवशिष्ट सिलिकन: पहिले उल्लेख गरिए अनुसार,RBSiCप्रक्रिया अन्तर्निहित रूपमा अन्तिम उत्पादन भित्र अवशिष्ट मुक्त सिलिकन मा परिणाम। यो अवशिष्ट सिलिकनले सामग्रीको गुणहरूलाई नकारात्मक रूपमा असर गर्छ, जसमा:

अन्यको तुलनामा कम शक्ति र प्रतिरोध प्रतिरोधSiC सिरेमिक.

सीमित जंग प्रतिरोध: नि: शुल्क सिलिकन क्षारीय समाधानहरू र हाइड्रोफ्लोरिक एसिड जस्ता बलियो एसिडहरूद्वारा आक्रमण गर्न संवेदनशील हुन्छ, प्रतिबन्धRBSiCयस्तो वातावरणमा प्रयोग।

तल्लो उच्च-तापमान शक्ति: नि: शुल्क सिलिकनको उपस्थितिले अधिकतम अपरेटिङ तापक्रमलाई लगभग 1350-1400 डिग्री सेल्सियसमा सीमित गर्दछ।

2. दबाव रहित सिंटरिङ - PSSiC

सिलिकन कार्बाइड को दबाव रहित sintering2000-2150 °C को बीचको तापक्रममा निष्क्रिय वातावरण अन्तर्गत र बाह्य दबाब लागू नगरी उपयुक्त sintering एड्स थपेर विभिन्न आकार र आकारका नमूनाहरूको घनत्व प्राप्त गर्दछ। SiC को दबाबरहित sintering टेक्नोलोजी परिपक्व भएको छ, र यसको फाइदाहरू यसको कम उत्पादन लागतमा निहित छन् र उत्पादनहरूको आकार र आकारमा कुनै प्रतिबन्ध छैन। विशेष गरी, ठोस-चरण सिंटर्ड SiC सिरेमिकमा उच्च घनत्व, एकसमान माइक्रोस्ट्रक्चर, र उत्कृष्ट व्यापक सामग्री गुणहरू छन्, जसले तिनीहरूलाई पहिरन-प्रतिरोधी र जंग-प्रतिरोधी सील रिंगहरू, स्लाइडिंग बियरिंगहरू, र अन्य अनुप्रयोगहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गर्दछ।

सिलिकन कार्बाइड को दबाव रहित sintering प्रक्रिया ठोस चरण मा विभाजित गर्न सकिन्छsintered सिलिकन कार्बाइड (SSiC)र तरल-चरण सिंटर्ड सिलिकन कार्बाइड (LSiC)।

दबावरहित ठोस चरण सिंटर्ड सिलिकन कार्बाइडको सूक्ष्म संरचना र अन्न सीमा

सन् १९७४ मा अमेरिकी वैज्ञानिक प्रोचाज्काले पहिलो पटक सोलिड-फेज सिन्टरिङको आविष्कार गरेका थिए। उनले सिलिकन कार्बाइडको दबाबविहीन सिन्टरिङ महसुस गर्दै सबमाइक्रोन β-SiC मा थोरै मात्रामा बोरोन र कार्बन थपे र 95% घनत्व भएको घना सिंटरिङ शरीर प्राप्त गरे। सैद्धान्तिक मूल्य। पछि, W. Btcker र H. Hansner ले α-SiC लाई कच्चा मालको रूपमा प्रयोग गरे र सिलिकन कार्बाइडको घनत्व प्राप्त गर्न बोरोन र कार्बन थपे। पछिल्ला धेरै अध्ययनहरूले बोरोन र बोरोन यौगिकहरू र अल र अल यौगिकहरूले सिन्टेरिङलाई बढावा दिन सिलिकन कार्बाइडसँग ठोस समाधानहरू बनाउन सक्छन् भनेर देखाएको छ। सिलिकन कार्बाइडको सतहमा सिलिकन डाइअक्साइडसँग प्रतिक्रिया गरेर सतहको ऊर्जा बढाउनका लागि कार्बन थप्नु लाभदायक हुन्छ। ठोस-फेज सिंटर गरिएको सिलिकन कार्बाइडसँग तुलनात्मक रूपमा "स्वच्छ" अनाज सीमाहरू छन् जसमा मूलतया कुनै तरल चरण छैन, र अन्नहरू उच्च तापक्रममा सजिलै बढ्छ। तसर्थ, फ्र्याक्चर ट्रान्सग्रेन्युलर हुन्छ, र बल र फ्र्याक्चर कठोरता सामान्यतया उच्च हुँदैन। यद्यपि, यसको "स्वच्छ" अन्न सीमाहरूका कारण, उच्च-तापमान शक्ति बढ्दो तापक्रमसँगै परिवर्तन हुँदैन र सामान्यतया 1600 डिग्री सेल्सियससम्म स्थिर रहन्छ।

सिलिकन कार्बाइडको लिक्विड-फेज सिन्टरिङको आविष्कार अमेरिकी वैज्ञानिक एमए मुल्लाले १९९० को दशकमा गरेका थिए। यसको मुख्य sintering additive Y2O3-Al2O3 हो। तरल-चरण sintering को ठोस-चरण sintering को तुलनामा कम sintering तापमान को लाभ छ, र अन्न आकार सानो छ।

ठोस-फेज सिंटरिङका मुख्य बेफाइदाहरू उच्च सिंटरिङ तापक्रम आवश्यक (>2000 डिग्री सेल्सियस), कच्चा मालका लागि उच्च शुद्धता आवश्यकताहरू, सिंटर गरिएको शरीरको कम फ्र्याक्चर कठोरता, र क्र्याकहरूमा फ्र्याक्चर बलको बलियो संवेदनशीलता हो। संरचनात्मक रूपमा, दानाहरू मोटे र असमान हुन्छन्, र फ्र्याक्चर मोड सामान्यतया ट्रान्सग्रेन्युलर हुन्छ। हालैका वर्षहरूमा, घर र विदेशमा सिलिकन कार्बाइड सिरेमिक सामग्रीहरूमा अनुसन्धानले तरल-चरण सिंटरिङमा ध्यान केन्द्रित गरेको छ। तरल-चरण sintering sintering एड्स रूपमा बहु-घटक कम-eutectic अक्साइड को एक निश्चित मात्रा प्रयोग गरेर हासिल गरिन्छ। उदाहरणका लागि, Y2O3 को बाइनरी र टर्नरी एड्सले SiC र यसका कम्पोजिटहरूलाई तरल-फेज सिन्टेरिङ प्रदर्शन गर्न सक्छ, कम तापक्रममा सामग्रीको आदर्श घनत्व प्राप्त गर्दछ। एकै समयमा, अनाज सीमा तरल चरणको परिचय र अद्वितीय इन्टरफेस बन्धन शक्तिको कमजोरीको कारण, सिरेमिक सामग्रीको फ्र्याक्चर मोड एक अन्तरग्रान्युलर फ्र्याक्चर मोडमा परिवर्तन हुन्छ, र सिरेमिक सामग्रीको फ्र्याक्चर कठोरता उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको छ। ।

3. पुन: स्थापित सिलिकन कार्बाइड - RSiC

पुन: स्थापित सिलिकन कार्बाइड (RSiC)उच्च-शुद्धता सिलिकन कार्बाइड (SiC) पाउडरबाट बनेको उच्च-शुद्धता SiC सामग्री हो जुन दुई फरक कण आकारहरू, मोटे र ठीक छन्। यसलाई उच्च तापक्रम (२२००-२४५० डिग्री सेल्सियस) मा वाष्पीकरण-कन्डेन्सेसन मेकानिजम मार्फत सिंटरिङ एड्सहरू थपी बिना सिन्टर गरिएको छ।

नोट: sintering एड्स बिना, sintering घाँटी को वृद्धि सामान्यतया सतह प्रसार वा वाष्पीकरण-कन्डेन्सेशन मास ट्रान्सफर मार्फत हासिल गरिन्छ। शास्त्रीय सिंटरिङ सिद्धान्तका अनुसार, यी कुनै पनि मास ट्रान्सफर विधिहरूले सम्पर्क गर्ने कणहरूको द्रव्यमान केन्द्रहरू बीचको दूरी कम गर्न सक्दैन, यसरी म्याक्रोस्कोपिक स्केलमा कुनै संकुचन उत्पन्न गर्दैन, जुन एक गैर-घनत्व प्रक्रिया हो। यो समस्या समाधान गर्न र उच्च-घनत्व सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकहरू प्राप्त गर्न, मानिसहरूले धेरै उपायहरू अपनाएका छन्, जस्तै गर्मी लागू गर्ने, सिन्टेरिङ एड्स थप्ने, वा ताप, दबाब, र सिंटरिङ एड्सको संयोजन प्रयोग गर्ने।

रिक्रिस्टल गरिएको सिलिकन कार्बाइडको फ्र्याक्चर सतहको SEM छवि

विशेषताहरू र अनुप्रयोगहरू:

RSiC99% भन्दा बढी SiC समावेश गर्दछ र मूलतया कुनै अनाज सीमा अशुद्धता छैन, SiC को धेरै उत्कृष्ट गुणहरू राख्छ, जस्तै उच्च-तापमान बल, जंग प्रतिरोध, र थर्मल झटका प्रतिरोध। तसर्थ, यो व्यापक रूपमा उच्च-तापमान भट्टा फर्नीचर, दहन नोजल, सौर थर्मल कन्वर्टर्स, डिजेल वाहन निकास ग्यास शुद्धिकरण उपकरणहरू, धातु smelting, र अत्यधिक माग प्रदर्शन आवश्यकताहरु संग अन्य वातावरण मा प्रयोग गरिन्छ।

वाष्पीकरण-कन्डेन्सेसन सिंटरिङ मेकानिज्मको कारण, फायरिङ प्रक्रियाको समयमा कुनै संकुचन हुँदैन, र उत्पादनको विरूपण वा क्र्याकिंगको लागि कुनै अवशिष्ट तनाव उत्पन्न हुँदैन।

RSiCस्लिप कास्टिङ, जेल कास्टिङ, एक्सट्रुजन, र प्रेसिङ जस्ता विभिन्न विधिहरूद्वारा गठन गर्न सकिन्छ। फायरिङ प्रक्रियाको क्रममा कुनै संकोचन नभएकोले, हरियो शरीरको आयामहरू राम्रोसँग नियन्त्रणमा रहेसम्म सही आकार र साइजका उत्पादनहरू प्राप्त गर्न सजिलो हुन्छ।

बर्खास्त गरियोपुन: स्थापित SiC उत्पादनलगभग 10%-20% अवशिष्ट छिद्रहरू समावेश गर्दछ। सामाग्रीको सच्छिद्रता धेरै हदसम्म हरियो शरीरको सच्छिद्रतामा निर्भर गर्दछ र सिन्टरिंग तापमानसँग महत्त्वपूर्ण रूपमा परिवर्तन गर्दैन, पोरोसिटी नियन्त्रणको लागि आधार प्रदान गर्दछ।

यस sintering संयन्त्र अन्तर्गत, सामग्रीमा धेरै अन्तरसम्बन्धित छिद्रहरू छन्, जसमा छिद्रपूर्ण सामग्रीको क्षेत्रमा अनुप्रयोगहरूको विस्तृत श्रृंखला छ। उदाहरण को लागी, यसले निकास ग्यास निस्पंदन र जीवाश्म ईन्धन वायु निस्पंदन को क्षेत्र मा परम्परागत छिद्रपूर्ण उत्पादनहरु लाई प्रतिस्थापन गर्न सक्छ।

RSiCकुनै पनि अक्साइड वा धातु अशुद्धताहरू 2150-2300 डिग्री सेल्सियसको उच्च तापक्रममा वाष्पशील भएकाले काँचको चरणहरू र अशुद्धताहरू बिना धेरै स्पष्ट र सफा अन्न सीमाहरू छन्। वाष्पीकरण-कन्डेन्सेसन सिंटरिङ मेकानिजमले पनि SiC (SiC सामग्रीलाई शुद्ध गर्न सक्छ।RSiC99% भन्दा माथि छ), SiC को धेरै उत्कृष्ट गुणहरू कायम राख्दै, यसलाई उच्च-तापमान बल, जंग प्रतिरोध, र थर्मल झटका प्रतिरोध, जस्तै उच्च-तापमान भट्टी फर्नीचर, दहन नोजल, सौर थर्मल कन्भर्टरहरू, र धातु smelting आवश्यक अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त बनाउँछ। ।**