سرامیک های سیلیکون کاربید و فرآیندهای مختلف ساخت آنها

سرامیک کاربید سیلیکون (SiC).به طور گسترده در برنامه های کاربردی مانند یاتاقان های دقیق، مهر و موم، روتورهای توربین گاز، اجزای نوری، نازل های دمای بالا، اجزای مبدل حرارتی و مواد راکتور هسته ای استفاده می شود. این استفاده گسترده از خواص استثنایی آنها ناشی می شود، از جمله مقاومت در برابر سایش بالا، هدایت حرارتی عالی، مقاومت در برابر اکسیداسیون برتر، و خواص مکانیکی فوق العاده در دمای بالا. با این حال، پیوند کووالانسی قوی و ضریب انتشار کم ذاتی SiC یک چالش مهم در دستیابی به چگالی بالا در طول فرآیند پخت است. در نتیجه، فرآیند تف جوشی به یک گام مهم در دستیابی به عملکرد بالا تبدیل می شودسرامیک SiC.

این مقاله یک مرور کلی از تکنیک های مختلف تولید به کار رفته برای تولید متراکم ارائه می دهدRBSiC/PSSiC/RSiC سرامیک ها، ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد آنها را برجسته می کند:

1. سیلیکون کاربید پیوندی با واکنش (RBSiC)

RBSiCشامل مخلوط کردن پودر کاربید سیلیکون (معمولاً 1-10 میکرومتر) با کربن، شکل دادن به مخلوط به شکل یک جسم سبز و قرار دادن آن در دمای بالا برای نفوذ سیلیکون است. در طی این فرآیند، سیلیکون با کربن واکنش می دهد و SiC تشکیل می دهد که با ذرات SiC موجود متصل می شود و در نهایت به چگالی می رسد. دو روش اولیه نفوذ سیلیکون استفاده می شود:

نفوذ سیلیکون مایع: سیلیکون بالاتر از نقطه ذوب خود (1450-1470 درجه سانتیگراد) گرم می شود و به سیلیسیم مذاب اجازه می دهد تا از طریق عمل مویرگی به بدن سبز متخلخل نفوذ کند. سپس سیلیکون مذاب با کربن واکنش داده و SiC را تشکیل می دهد.

نفوذ سیلیکون بخار: سیلیکون فراتر از نقطه ذوب خود گرم می شود تا بخار سیلیکون تولید کند. این بخار به بدن سبز نفوذ می کند و متعاقباً با کربن واکنش می دهد و SiC را تشکیل می دهد.

جریان فرآیند: پودر SiC + پودر C + بایندر → شکل دهی → خشک کردن → فرسودگی بایندر در اتمسفر کنترل شده → نفوذ سی در دمای بالا → پس از پردازش

(1) ملاحظات کلیدی:

دمای عملیاتیRBSiCتوسط محتوای سیلیکون آزاد باقی مانده در مواد محدود می شود. به طور معمول، حداکثر دمای عملیاتی حدود 1400 درجه سانتیگراد است. بالاتر از این دما، به دلیل ذوب شدن سیلیکون آزاد، استحکام مواد به سرعت کاهش می یابد.

نفوذ سیلیکون مایع تمایل به ایجاد محتوای باقیمانده سیلیکون بالاتری دارد (معمولاً 10-15٪، گاهی اوقات بیش از 15٪)، که می تواند تأثیر منفی بر خواص محصول نهایی بگذارد. در مقابل، نفوذ سیلیکون بخار اجازه می دهد تا کنترل بهتری بر محتوای باقیمانده سیلیکون انجام شود. با به حداقل رساندن تخلخل در بدنه سبز، محتوای سیلیکون باقی مانده پس از تف جوشی را می توان به کمتر از 10٪ و با کنترل دقیق فرآیند، حتی زیر 8٪ کاهش داد. این کاهش به طور قابل توجهی عملکرد کلی محصول نهایی را بهبود می بخشد.

توجه به این نکته ضروری استRBSiCبدون در نظر گرفتن روش نفوذ، ناگزیر مقداری سیلیکون باقیمانده (از 8٪ تا بیش از 15٪) خواهد بود. بنابراین،RBSiCیک سرامیک کاربید سیلیکون تک فاز نیست، بلکه یک کامپوزیت "سیلیکون + کاربید سیلیکون" است. در نتیجه،RBSiCهمچنین به عنوانSiSiC (کامپوزیت سیلیکون کاربید سیلیکون).

(2) مزایا و کاربردها:

RBSiCچندین مزیت را ارائه می دهد، از جمله:

دمای تف جوشی پایین: این امر باعث کاهش مصرف انرژی و هزینه های تولید می شود.

مقرون به صرفه بودن: این فرآیند نسبتاً ساده است و از مواد خام به راحتی در دسترس استفاده می کند که به مقرون به صرفه بودن آن کمک می کند.

تراکم بالا:RBSiCبه سطوح چگالی بالا دست می یابد که منجر به بهبود خواص مکانیکی می شود.

شکل‌دهی نزدیک به شبکه: پیش‌فرم کربن و کاربید سیلیکون را می‌توان به شکل‌های پیچیده از قبل ماشینکاری کرد و حداقل انقباض در طول پخت (معمولاً کمتر از 3٪) دقت ابعادی عالی را تضمین می‌کند. این امر نیاز به ماشینکاری گران قیمت پس از پخت را کاهش می دهدRBSiCبه ویژه برای اجزای بزرگ و پیچیده مناسب است.

با توجه به این مزایا،RBSiCاز کاربرد گسترده ای در کاربردهای مختلف صنعتی، عمدتاً برای تولید برخوردار است:

اجزای کوره: آسترها، بوته ها، و سارگ ها.

آینه های فضایی:RBSiCضریب انبساط حرارتی پایین و مدول الاستیک بالا آن را به یک ماده ایده آل برای آینه های فضایی تبدیل کرده است.

مبدل های حرارتی با دمای بالا: شرکت هایی مانند Refel (بریتانیا) در استفاده از آن پیشگام بوده اندRBSiCدر مبدل های حرارتی با دمای بالا، با کاربردهای مختلف از پردازش شیمیایی تا تولید برق. Asahi Glass (ژاپن) نیز از این فناوری استفاده کرده است و لوله های تبادل حرارتی با طول 0.5 تا 1 متر تولید می کند.

علاوه بر این، تقاضای فزاینده برای ویفرهای بزرگتر و دمای پردازش بالاتر در صنعت نیمه هادی باعث توسعه صنایع با خلوص بالا شده است.RBSiCاجزاء این قطعات، که با استفاده از پودر SiC با خلوص بالا و سیلیکون تولید می‌شوند، به تدریج جایگزین قطعات شیشه‌ای کوارتز در بخش‌های پشتیبانی برای لوله‌های الکترونی و تجهیزات پردازش ویفر نیمه‌رسانا می‌شوند.

قایق ویفر Semicorex RBSiC برای کوره انتشار

(3) محدودیت ها:

با وجود مزایای آن،RBSiCدارای محدودیت های خاصی است:

سیلیکون باقیمانده: همانطور که قبلا ذکر شد،RBSiCفرآیند به طور ذاتی منجر به سیلیکون آزاد باقی مانده در محصول نهایی می شود. این سیلیکون باقیمانده بر خواص مواد تأثیر منفی می گذارد، از جمله:

کاهش استحکام و مقاومت در برابر سایش در مقایسه با سایرینسرامیک SiC.

مقاومت در برابر خوردگی محدود: سیلیکون آزاد مستعد حمله محلول‌های قلیایی و اسیدهای قوی مانند اسید هیدروفلوئوریک است.RBSiCاستفاده در چنین محیط هایی

استحکام کمتر در دمای بالا: وجود سیلیکون آزاد حداکثر دمای عملیاتی را در حدود 1350-1400 درجه سانتیگراد محدود می کند.

2. تف جوشی بدون فشار - PSSiC

تف جوشی بدون فشار کاربید سیلیکونبا افزودن مواد کمکی مناسب تف جوشی، نمونه ها با اشکال و اندازه های مختلف را در دمای بین 2000 تا 2150 درجه سانتیگراد تحت اتمسفر بی اثر و بدون اعمال فشار خارجی، تراکم می کند. فناوری پخت بدون فشار SiC به بلوغ رسیده است و مزایای آن در هزینه تولید پایین و عدم محدودیت در شکل و اندازه محصولات نهفته است. به طور خاص، سرامیک های SiC متخلخل فاز جامد دارای چگالی بالا، ریزساختار یکنواخت و خواص مواد جامع عالی هستند، که باعث می شود به طور گسترده در حلقه های آب بندی مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی، یاتاقان های کشویی و سایر کاربردها استفاده شود.

فرآیند پخت بدون فشار کاربید سیلیکون را می توان به فاز جامد تقسیم کردکاربید سیلیکون متخلخل (SSiC)و کاربید سیلیکون متخلخل فاز مایع (LSiC).

ریزساختار و مرز دانه کاربید سیلیکون متخلخل فاز جامد بدون فشار

تف جوشی فاز جامد برای اولین بار توسط دانشمند آمریکایی پروچازکا در سال 1974 اختراع شد. او مقدار کمی بور و کربن را به زیر میکرون β-SiC اضافه کرد. ارزش نظری پس از آن، W. Btcker و H. Hansner از α-SiC به عنوان ماده خام استفاده کردند و بور و کربن را برای دستیابی به چگالش کاربید سیلیکون اضافه کردند. بسیاری از مطالعات بعدی نشان داده اند که هر دو ترکیبات بور و بور و ترکیبات Al و Al می توانند محلول های جامد را با کاربید سیلیکون برای ترویج تف جوشی تشکیل دهند. افزودن کربن با واکنش با دی اکسید سیلیکون روی سطح کاربید سیلیکون برای افزایش انرژی سطحی برای پخت مفید است. کاربید سیلیکون تف جوشی شده فاز جامد دارای مرزهای دانه نسبتاً "تمیز" است و اساساً فاز مایع وجود ندارد و دانه ها در دماهای بالا به راحتی رشد می کنند. بنابراین، شکستگی ترانس دانه ای است و استحکام و چقرمگی شکست معمولاً زیاد نیست. با این حال، به دلیل مرزهای دانه "تمیز" آن، استحکام در دمای بالا با افزایش دما تغییر نمی کند و به طور کلی تا 1600 درجه سانتی گراد پایدار می ماند.

تف جوشی فاز مایع کاربید سیلیکون توسط دانشمند آمریکایی M.A. Mulla در اوایل دهه 1990 اختراع شد. افزودنی اصلی تف جوشی آن Y2O3-Al2O3 است. تف جوشی فاز مایع دارای مزیت دمای پخت کمتر در مقایسه با پخت فاز جامد است و اندازه دانه کوچکتر است.

معایب اصلی زینترینگ فاز جامد عبارتند از: دمای بالا برای پخت (بیش از 2000 درجه سانتیگراد)، خلوص بالا برای مواد خام، چقرمگی شکست پایین بدنه تف جوشی شده، و حساسیت قوی مقاومت شکست به ترک ها. از نظر ساختاری، دانه ها درشت و ناهموار هستند و حالت شکست معمولاً ترانس دانه است. در سال های اخیر، تحقیقات بر روی مواد سرامیکی کاربید سیلیکون در داخل و خارج از کشور بر روی زینترینگ فاز مایع متمرکز شده است. تف جوشی فاز مایع با استفاده از مقدار معینی از اکسیدهای چند جزئی کم یوتکتیک به عنوان کمک تف جوشی حاصل می شود. به عنوان مثال، کمک‌های دوتایی و سه تایی Y2O3 می‌توانند SiC و کامپوزیت‌های آن را در فاز مایع زینترینگ نشان دهند و به چگالی ایده‌آل مواد در دماهای پایین‌تر دست پیدا کنند. در همان زمان، با توجه به معرفی فاز مایع مرز دانه و ضعیف شدن استحکام اتصال رابط منحصر به فرد، حالت شکست مواد سرامیکی به حالت شکست بین دانه ای تغییر می کند و چقرمگی شکست ماده سرامیکی به طور قابل توجهی بهبود می یابد. .

3. سیلیکون کاربید تبلور مجدد - RSiC

کاربید سیلیکون تبلور مجدد (RSiC)یک ماده SiC با خلوص بالا است که از پودر کاربید سیلیکون با خلوص بالا (SiC) با دو اندازه ذرات مختلف، درشت و ریز ساخته شده است. در دماهای بالا (2200-2450 درجه سانتیگراد) از طریق مکانیسم تبخیر-تراکم بدون افزودن مواد کمکی تف جوشی پخته می شود.

توجه: بدون کمک تف جوشی، رشد گردن تف جوشی عموماً از طریق انتشار سطحی یا انتقال جرم تبخیر-تراکم حاصل می شود. با توجه به تئوری زینترینگ کلاسیک، هیچ یک از این روش‌های انتقال جرم نمی‌توانند فاصله بین مراکز جرم ذرات در تماس را کاهش دهند، بنابراین هیچ انقباضی در مقیاس ماکروسکوپی ایجاد نمی‌کنند، که یک فرآیند غیر متراکم‌سازی است. برای حل این مشکل و به دست آوردن سرامیک های کاربید سیلیکون با چگالی بالا، مردم اقدامات زیادی از جمله اعمال گرما، افزودن مواد کمکی تف جوشی و یا استفاده از ترکیبی از گرما، فشار و مواد کمکی تف جوشی انجام داده اند.

تصویر SEM از سطح شکست کاربید سیلیکون متبلور مجدد

ویژگی ها و کاربردها:

RSiCحاوی بیش از 99٪ SiC و اساساً هیچ ناخالصی مرز دانه ای ندارد و بسیاری از خواص عالی SiC مانند استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر شوک حرارتی را حفظ می کند. بنابراین، به طور گسترده در مبلمان کوره با دمای بالا، نازل‌های احتراق، مبدل‌های حرارتی خورشیدی، دستگاه‌های تصفیه گاز اگزوز خودروهای دیزلی، ذوب فلز و سایر محیط‌ها با الزامات عملکرد بسیار سخت استفاده می‌شود.

با توجه به مکانیسم تف جوشی تبخیر-تراکم، هیچ انقباضی در طول فرآیند پخت وجود ندارد و هیچ تنش پسماندی برای ایجاد تغییر شکل یا ترک در محصول ایجاد نمی شود.

RSiCرا می توان با روش های مختلفی مانند ریخته گری لغزشی، ریخته گری ژل، اکستروژن و پرس تشکیل داد. از آنجایی که در طی فرآیند پخت انقباض وجود ندارد، تا زمانی که ابعاد بدنه سبز به خوبی کنترل شود، به راحتی می توان محصولاتی با شکل و اندازه دقیق به دست آورد.

اخراج شدهمحصول SiC تبلور مجددحاوی تقریباً 10٪ - 20٪ منافذ باقی مانده است. تخلخل مواد تا حد زیادی به تخلخل خود بدنه سبز بستگی دارد و با دمای پخت تغییر قابل توجهی نمی کند و مبنایی برای کنترل تخلخل فراهم می کند.

تحت این مکانیسم تف جوشی، مواد دارای منافذ به هم پیوسته زیادی است که کاربردهای گسترده ای در زمینه مواد متخلخل دارد. به عنوان مثال، می تواند جایگزین محصولات متخلخل سنتی در زمینه های تصفیه گازهای خروجی و فیلتر هوا با سوخت فسیلی شود.

RSiCدارای مرزدانه های بسیار شفاف و تمیز بدون فازهای شیشه ای و ناخالصی است زیرا هر گونه ناخالصی اکسید یا فلز در دماهای بالای 2150-2300 درجه سانتی گراد تبخیر شده است. مکانیسم تف جوشی تبخیر-تراکم همچنین می تواند SiC (محتوای SiC درRSiCبالای 99٪ است، بسیاری از خواص عالی SiC را حفظ می کند، و آن را برای کاربردهایی که نیاز به استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر شوک حرارتی دارند، مانند مبلمان کوره با دمای بالا، نازل های احتراق، مبدل های حرارتی خورشیدی و ذوب فلز مناسب می کند. .**