مروری بر 9 تکنیک پخت برای سرامیک کاربید سیلیکون

کاربید سیلیکون (SiC)سرامیک ساختاری برجسته، به دلیل خواص استثنایی خود، از جمله استحکام در دمای بالا، سختی، مدول الاستیک، مقاومت در برابر سایش، هدایت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی مشهور است. این ویژگی‌ها آن را برای طیف وسیعی از کاربردها، از مصارف صنعتی سنتی در مبلمان کوره‌ای با دمای بالا، نازل‌های مشعل، مبدل‌های حرارتی، حلقه‌های آب‌بندی و یاتاقان‌های کشویی گرفته تا کاربردهای پیشرفته مانند زره‌های بالستیک، آینه‌های فضایی، ویفر چاک‌های نیمه‌رسانا، مناسب می‌سازد. و روکش سوخت هسته ای.

فرآیند تف جوشی در تعیین خواص نهایی بسیار مهم استسرامیک SiC. تحقیقات گسترده منجر به توسعه تکنیک‌های مختلف تف جوشی شده است، از روش‌های شناخته شده مانند تف جوشی واکنشی، تف جوشی بدون فشار، تف جوشی با تبلور مجدد، و پرس داغ، تا نوآوری‌های اخیر مانند زینترینگ پلاسمای جرقه‌ای، تف جوشی فلاش، و تف جوشی با فشار نوسانی.

در اینجا نگاهی دقیق تر به 9 مورد برجسته استسرامیک SiCتکنیک های پخت:

1. پرس داغ:

پیشگام توسط Alliegro و همکاران. در شرکت نورتون، پرس گرم شامل اعمال همزمان گرما و فشار به aپودر SiCفشرده در یک قالب این روش تراکم و شکل دهی همزمان را امکان پذیر می کند. در حالی که پرس گرم موثر است، نیاز به تجهیزات پیچیده، قالب های تخصصی و کنترل فرآیند دقیق دارد. محدودیت های آن عبارتند از مصرف انرژی بالا، پیچیدگی شکل محدود و هزینه های تولید بالا.

2. واکنش تف جوشی:

اولین بار توسط P. Popper در دهه 1950 پیشنهاد شد، تف جوشی واکنش شامل مخلوط کردن استپودر SiCبا منبع کربن بدنه سبز رنگ که از طریق ریخته گری لغزشی، پرس خشک یا پرس ایزواستاتیک سرد تشکیل می شود، تحت فرآیند نفوذ سیلیکون قرار می گیرد. گرمایش بالای 1500 درجه سانتیگراد در خلاء یا اتمسفر بی اثر، سیلیکون را ذوب می کند، که از طریق عمل مویرگی به بدن متخلخل نفوذ می کند. سیلیکون مایع یا گازی با کربن واکنش می‌دهد و β-SiC در محل ایجاد می‌کند که با ذرات SiC موجود پیوند می‌یابد و در نتیجه یک سرامیک متراکم ایجاد می‌شود.

SiC با پیوند واکنشی دارای دمای پخت پایین، مقرون به صرفه بودن و چگالی بالا است. انقباض ناچیز در حین تف جوشی آن را به ویژه برای قطعات بزرگ و پیچیده مناسب می کند. کاربردهای معمولی عبارتند از مبلمان کوره با دمای بالا، لوله های تابشی، مبدل های حرارتی و نازل های گوگرد زدایی.

مسیر فرآیند Semicorex قایق RBSiC

3. تف جوشی بدون فشار:

توسعه یافته توسط S. Prochazka و همکاران. در GE در سال 1974، پخت بدون فشار نیاز به فشار خارجی را از بین می برد. چگالش در دمای 2000-2150 درجه سانتیگراد تحت فشار اتمسفر (1.01×105 Pa) در یک اتمسفر بی اثر با کمک مواد افزودنی تف جوشی رخ می دهد. تف جوشی بدون فشار را می توان بیشتر به تف جوشی حالت جامد و فاز مایع طبقه بندی کرد.

تف جوشی بدون فشار حالت جامد چگالی بالایی (3.10-3.15 گرم بر سانتی متر مکعب) را بدون فازهای شیشه ای بین دانه ای به دست می آورد که در نتیجه خواص مکانیکی استثنایی در دمای بالا با دمای استفاده به 1600 درجه سانتی گراد می رسد. با این حال، رشد بیش از حد دانه در دمای پخت بالا می تواند بر استحکام تأثیر منفی بگذارد.

تف جوشی بدون فشار فاز مایع، دامنه کاربرد سرامیک های SiC را گسترش می دهد. فاز مایع که از ذوب یک جزء منفرد یا واکنش یوتکتیکی چند جزء تشکیل می‌شود، سینتیک چگالش را با ایجاد یک مسیر انتشار بالا افزایش می‌دهد که منجر به کاهش دمای پخت در مقایسه با پخت حالت جامد می‌شود. اندازه دانه ریز و فاز مایع بین دانه‌ای باقیمانده در SiC متخلخل فاز مایع، انتقال از شکستگی بین دانه‌ای به بین دانه‌ای را افزایش می‌دهد و استحکام خمشی و چقرمگی شکست را افزایش می‌دهد.

تف جوشی بدون فشار یک فناوری بالغ با مزایایی مانند مقرون به صرفه بودن و تطبیق پذیری شکل است. SiC زینتر شده حالت جامد، به ویژه، چگالی بالا، ریزساختار یکنواخت و عملکرد کلی عالی را ارائه می دهد، و آن را برای اجزای مقاوم در برابر سایش و خوردگی مانند حلقه های آب بندی و یاتاقان های کشویی مناسب می کند.

زره کاربید سیلیکون متخلخل بدون فشار

4. تف جوشی تبلور مجدد:

در دهه 1980، Kriegesmann ساخت تبلور مجدد با کارایی بالا را نشان داد.سرامیک SiCبا ریخته گری لغزشی و سپس تف جوشی در دمای 2450 درجه سانتی گراد. این تکنیک به سرعت برای تولید در مقیاس بزرگ توسط FCT (آلمان) و نورتون (ایالات متحده آمریکا) مورد استفاده قرار گرفت.

SiC تبلور مجدد شامل تف جوشی یک جسم سبز است که از بسته بندی ذرات SiC با اندازه های مختلف تشکیل شده است. ذرات ریز که به طور یکنواخت در بین نقاط درشت تر توزیع شده اند، در نقاط تماس ذرات بزرگتر در دمای بالاتر از 2100 درجه سانتیگراد تحت یک اتمسفر کنترل شده تبخیر و متراکم می شوند. این مکانیسم تبخیر - تراکم مرزهای دانه جدیدی را در گردن ذرات تشکیل می دهد که منجر به رشد دانه، تشکیل گردن و بدن متخلخل با تخلخل باقیمانده می شود.

ویژگی های کلیدی SiC تبلور مجدد عبارتند از:

انقباض حداقلی: عدم وجود مرز دانه یا انتشار حجمی در حین تف جوشی منجر به انقباض ناچیز می شود.

شکل دهی نزدیک به شبکه: چگالی متخلخل تقریباً با چگالی بدنه سبز یکسان است.

مرزهای دانه تمیز: SiC تبلور مجدد مرزهای دانه تمیز و بدون فازهای شیشه ای یا ناخالصی را نشان می دهد.

تخلخل باقیمانده: بدنه متخلخل معمولاً 10-20 درصد تخلخل را حفظ می کند.

5. پرس ایزواستاتیک داغ (HIP):

HIP از فشار گاز بی اثر (معمولاً آرگون) برای افزایش چگالش استفاده می کند. پودر فشرده SiC که در یک ظرف شیشه ای یا فلزی مهر و موم شده است، در یک کوره تحت فشار ایزواستاتیک قرار می گیرد. با افزایش دما به محدوده تف جوشی، یک کمپرسور فشار اولیه گاز را چندین مگا پاسکال حفظ می کند. این فشار به تدریج در طول گرمایش افزایش می یابد و به 200 مگاپاسکال می رسد و به طور موثر منافذ داخلی را از بین می برد و به چگالی بالا دست می یابد.

6. تف جوشی پلاسمای جرقه ای (SPS):

SPS یک تکنیک متالورژی پودر جدید برای تولید مواد متراکم از جمله فلزات، سرامیک ها و کامپوزیت ها است. از پالس های الکتریکی پرانرژی برای تولید جریان الکتریکی پالسی و جرقه زدن پلاسما بین ذرات پودر استفاده می کند. این گرمایش موضعی و تولید پلاسما در دماهای نسبتاً پایین و مدت زمان کوتاه اتفاق می‌افتد و باعث پخت سریع می‌شود. این فرآیند به طور موثر آلودگی های سطحی را حذف می کند، سطوح ذرات را فعال می کند و تراکم سریع را ترویج می کند. SPS به طور موفقیت آمیزی برای ساخت سرامیک های SiC متراکم با استفاده از Al2O3 و Y2O3 به عنوان کمک تف جوشی استفاده شده است.

7. تف جوشی در مایکروویو:

بر خلاف گرمایش معمولی، تف جوشی با مایکروویو از اتلاف دی الکتریک مواد در میدان الکترومغناطیسی مایکروویو برای دستیابی به گرمایش و تف جوشی حجمی استفاده می کند. این روش مزایایی مانند دمای تف جوشی پایین تر، نرخ گرمایش سریع تر و تراکم بهتر را ارائه می دهد. حمل و نقل جرم افزایش یافته در طول پخت مایکروویو همچنین ریزساختارهای ریزدانه را ارتقا می دهد.

8. Flash Sintering:

تف جوشی فلاش (FS) به دلیل مصرف انرژی کم و سینترینگ فوق سریع آن مورد توجه قرار گرفته است. این فرآیند شامل اعمال ولتاژ در یک جسم سبز در داخل یک کوره است. با رسیدن به دمای آستانه، یک افزایش غیرخطی ناگهانی در جریان باعث گرمایش سریع ژول می شود که منجر به چگالش تقریباً آنی در عرض چند ثانیه می شود.

9. تف جوشی فشار نوسانی (OPS):

ایجاد فشار دینامیکی در حین تف جوشی باعث اختلال در همبستگی و تجمع ذرات می شود و اندازه و توزیع منافذ را کاهش می دهد. این منجر به ریزساختارهای بسیار متراکم، ریزدانه و همگن می شود که سرامیک هایی با استحکام بالا و قابل اعتماد تولید می کند. OPS که توسط تیم Xie Zhipeng در دانشگاه Tsinghua راه اندازی شد، فشار استاتیکی ثابت را در زینترینگ معمولی با فشار نوسانی پویا جایگزین می کند.

OPS چندین مزیت را ارائه می دهد:

تراکم سبز افزایش یافته: فشار نوسانی مداوم باعث افزایش بازآرایی ذرات می شود و به طور قابل توجهی چگالی سبز پودر فشرده را افزایش می دهد.

افزایش نیروی محرکه تف جوشی: OPS نیروی محرکه بیشتری برای متراکم شدن، افزایش چرخش دانه، لغزش و جریان پلاستیک فراهم می کند. این امر به ویژه در مراحل بعدی تف جوشی مفید است، جایی که فرکانس نوسان کنترل شده و دامنه به طور موثری منافذ باقیمانده در مرزهای دانه را حذف می کند.

عکس تجهیزات زینترینگ فشار نوسانی

مقایسه تکنیک های رایج:

در میان این تکنیک ها، تف جوشی واکنشی، تف جوشی بدون فشار و تف جوشی با تبلور مجدد به طور گسترده ای برای تولید صنعتی SiC مورد استفاده قرار می گیرند که هر کدام دارای مزایای منحصر به فردی هستند که در نتیجه ریزساختارها، خواص و کاربردهای متمایز ایجاد می شود.

SiC با پیوند واکنش:دمای پخت پایین، مقرون به صرفه بودن، حداقل انقباض و چگالی بالا را ارائه می دهد که آن را برای اجزای بزرگ و پیچیده شکل مناسب می کند. کاربردهای معمولی شامل مبلمان کوره ای با دمای بالا، نازل های مشعل، مبدل های حرارتی و بازتابنده های نوری است.

SiC متخلخل بدون فشار:مقرون به صرفه بودن، تطبیق پذیری شکل، تراکم بالا، ریزساختار یکنواخت، و خواص کلی عالی را ارائه می دهد، که آن را برای اجزای دقیق مانند مهر و موم، یاتاقان های لغزنده، زره های بالستیک، بازتابنده های نوری و چاک های ویفر نیمه هادی ایده آل می کند.

SiC تبلور مجدد:دارای فازهای خالص SiC، خلوص بالا، تخلخل بالا، رسانایی حرارتی عالی و مقاومت در برابر شوک حرارتی است که آن را برای مبلمان کوره با دمای بالا، مبدل های حرارتی و نازل های مشعل مناسب می کند.**

ما در Semicorex در این زمینه تخصص داریمسرامیک SiC و دیگرمواد سرامیکیدر تولید نیمه هادی استفاده می شود، اگر سؤالی دارید یا به جزئیات بیشتری نیاز دارید، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

تلفن تماس: +86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com