تکنیک های آماده سازی تخصصی برای سرامیک های کاربید سیلیکون

سیلیکون کاربید (SiC) سرامیکمواد دارای طیف وسیعی از خواص عالی هستند، از جمله استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون قوی، مقاومت در برابر سایش برتر، پایداری حرارتی، ضریب انبساط حرارتی پایین، هدایت حرارتی بالا، سختی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی. این ویژگی ها باعث می شود که سرامیک های SiC به طور فزاینده ای در زمینه های مختلف مانند خودروسازی، صنایع مکانیکی و شیمیایی، حفاظت از محیط زیست، فناوری فضایی، الکترونیک اطلاعات و انرژی کاربرد داشته باشند.سرامیک SiCبه دلیل عملکرد فوق العاده خود به یک ماده سرامیکی ساختاری غیر قابل تعویض در بسیاری از بخش های صنعتی تبدیل شده اند.

ویژگی های ساختاری که تقویت می کنند چیست؟سرامیک SiC?

خواص برتر ازسرامیک SiCارتباط نزدیکی با ساختار منحصر به فرد خود دارند. SiC یک ترکیب با پیوندهای کووالانسی بسیار قوی است که ویژگی یونی پیوند Si-C تنها حدود 12٪ است. این منجر به استحکام بالا و مدول الاستیک بزرگ می شود که مقاومت در برابر سایش عالی را ایجاد می کند. SiC خالص توسط محلول های اسیدی مانند HCl، HNO3، H2SO4 یا HF و همچنین محلول های قلیایی مانند NaOH خورده نمی شود. در حالی که با گرم شدن در هوا تمایل به اکسید شدن دارد، تشکیل یک لایه SiO2 روی سطح، مانع از انتشار بیشتر اکسیژن می‌شود و در نتیجه نرخ اکسیداسیون را پایین نگه می‌دارد. علاوه بر این، SiC خواص نیمه هادی، با رسانایی الکتریکی خوب زمانی که مقادیر کمی ناخالصی وارد می شود، و هدایت حرارتی عالی را نشان می دهد.

اشکال کریستالی مختلف SiC چگونه بر خواص آن تأثیر می گذارد؟

SiC به دو شکل کریستالی اصلی وجود دارد: α و β. β-SiC دارای ساختار کریستالی مکعبی است که Si و C شبکه های مکعبی رو به مرکز را تشکیل می دهند. α-SiC در بیش از 100 نوع پلی تیپ، از جمله 4H، 15R، و 6H وجود دارد که 6H رایج ترین مورد استفاده در کاربردهای صنعتی است. پایداری این پلی تایپ ها با دما متفاوت است. زیر 1600 درجه سانتیگراد، SiC به شکل β وجود دارد، در حالی که بالاتر از 1600 درجه سانتیگراد، β-SiC به تدریج به چند نوع α-SiC تبدیل می شود. به عنوان مثال، 4H-SiC در حدود 2000 درجه سانتیگراد تشکیل می شود، در حالی که پلی تیپ های 15R و 6H برای تشکیل آسان به دمای بالاتر از 2100 درجه سانتیگراد نیاز دارند. پلی تایپ 6H حتی بالای 2200 درجه سانتیگراد نیز پایدار می ماند. تفاوت اندک در انرژی آزاد بین این چند نوع به این معنی است که حتی ناخالصی های جزئی نیز می توانند روابط پایداری حرارتی آنها را تغییر دهند.

تکنیک های تولید پودر SiC چیست؟

تهیه پودرهای SiC را می توان بر اساس حالت اولیه مواد خام به سنتز فاز جامد و سنتز فاز مایع دسته بندی کرد.

روش های مورد استفاده در سنتز فاز جامد چیست؟ 

سنتز فاز جامد عمدتاً شامل کاهش کربوترمال و واکنش‌های مستقیم سیلیکون- کربن است. روش احیای کربوترمال شامل فرآیند آچسون، روش کوره عمودی و روش کوره دوار با دمای بالا می باشد. فرآیند آچسون که توسط آچسون ابداع شد، شامل کاهش سیلیس در ماسه کوارتز توسط کربن در کوره الکتریکی آچسون است که توسط یک واکنش الکتروشیمیایی تحت دمای بالا و میدان‌های الکتریکی قوی هدایت می‌شود. این روش، با سابقه تولید صنعتی بیش از یک قرن، ذرات SiC نسبتاً درشتی را تولید می کند و مصرف انرژی بالایی دارد که بیشتر آن به عنوان گرما از دست می رود.

در دهه 1970، بهبود فرآیند آچسون منجر به پیشرفت‌هایی در دهه 1980 شد، مانند کوره‌های عمودی و کوره‌های دوار با دمای بالا برای سنتز پودر β-SiC، با پیشرفت‌های بیشتر در دهه 1990. اوهساکی و همکاران دریافتند که گاز SiO آزاد شده از حرارت دادن مخلوطی از پودر SiO2 و Si با کربن فعال واکنش می دهد، با افزایش دما و زمان نگهداری طولانی، سطح ویژه پودر را با آزاد شدن گاز SiO بیشتر کاهش می دهد. روش واکنش مستقیم سیلیکون-کربن، یک کاربرد سنتز در دمای بالا خود انتشار، شامل مشتعل کردن بدن واکنش دهنده با یک منبع گرمای خارجی و استفاده از گرمای واکنش شیمیایی آزاد شده در طول سنتز برای حفظ فرآیند است. این روش مصرف انرژی پایین، تجهیزات و فرآیندهای ساده و بهره وری بالا دارد، اگرچه کنترل واکنش دشوار است. واکنش گرمازا ضعیف بین سیلیکون و کربن، احتراق و حفظ آن در دمای اتاق را چالش برانگیز می کند و نیاز به منابع انرژی اضافی مانند کوره های شیمیایی، جریان مستقیم، پیش گرمایش یا میدان های الکتریکی کمکی دارد.

چگونه پودر SiC با استفاده از روش های فاز مایع سنتز می شود؟ 

روش‌های سنتز فاز مایع شامل تکنیک‌های تجزیه سل-ژل و پلیمر است. ایول و همکاران ابتدا روش سل-ژل را پیشنهاد کرد که بعداً در حدود سال 1952 برای تهیه سرامیک استفاده شد. این روش از معرف های شیمیایی مایع برای تهیه پیش سازهای آلکوکسید استفاده می کند که در دماهای پایین حل می شوند تا یک محلول همگن تشکیل دهند. با افزودن عوامل ژل کننده مناسب، آلکوکسید تحت هیدرولیز و پلیمریزاسیون قرار می گیرد تا یک سیستم سل پایدار تشکیل شود. پس از ایستادن یا خشک شدن طولانی مدت، Si و C به طور یکنواخت در سطح مولکولی مخلوط می شوند. حرارت دادن این مخلوط تا دمای 1460-1600 درجه سانتیگراد باعث ایجاد واکنش احیای کربوترمال برای تولید پودر SiC ریز می شود. پارامترهای کلیدی برای کنترل در طول پردازش سل-ژل شامل pH محلول، غلظت، دمای واکنش و زمان است. این روش افزودن همگن اجزای مختلف کمیاب را تسهیل می‌کند، اما دارای معایبی مانند هیدروکسیل باقیمانده و حلال‌های آلی مضر برای سلامتی، هزینه‌های بالای مواد خام و انقباض قابل توجه در طول پردازش است.

تجزیه پلیمرهای آلی در دمای بالا روش موثر دیگری برای تولید SiC است:

ژل پلی سیلوکسان ها را گرم می کند تا آنها را به مونومرهای کوچک تجزیه کند و در نهایت SiO2 و C را تشکیل دهد که سپس برای تولید پودر SiC تحت احیاء کربوترمال قرار می گیرد.

حرارت دادن پلی کربوسیلان ها برای تجزیه آنها به مونومرهای کوچک، تشکیل چارچوبی که در نهایت منجر به پودر SiC می شود. تکنیک‌های اخیر سل-ژل تولید مواد سل/ژل مبتنی بر SiO2 را امکان‌پذیر کرده است و از توزیع همگن مواد افزودنی تف جوشی و سخت‌کننده در ژل اطمینان می‌دهد که تشکیل پودرهای سرامیکی SiC با کارایی بالا را تسهیل می‌کند.

چرا تف جوشی بدون فشار یک تکنیک امیدوارکننده در نظر گرفته می شود؟سرامیک SiC?

تف جوشی بدون فشار به عنوان یک روش بسیار امیدوار کننده در نظر گرفته می شودپخت SiC. بسته به مکانیسم پخت، می توان آن را به تف جوشی فاز جامد و زینترینگ فاز مایع تقسیم کرد. S. Proehazka با افزودن مقادیر مناسب B و C به پودر بسیار ریز β-SiC (با محتوای اکسیژن کمتر از 2%) و تف جوشی در دمای 2020 درجه سانتی گراد تحت فشار معمولی، به چگالی نسبی بالای 98 درصد برای اجسام متخلخل SiC دست یافت. A. Mulla et al. از Al2O3 و Y2O3 به عنوان مواد افزودنی برای تف جوشی 0.5μm β-SiC (با مقدار کمی SiO2 روی سطح ذرات) در دمای 1850-1950 درجه سانتی گراد استفاده کرد که به چگالی نسبی بیش از 95 درصد چگالی نظری و دانه های ریز با میانگین دست یافت. اندازه 1.5 میکرومتر

چگونه تف جوشی پرس داغ تقویت می شودسرامیک SiC?

نادو خاطرنشان کرد که SiC خالص را می توان تنها در دماهای بسیار بالا و بدون هیچ گونه کمک تف جوشی به طور متراکم زینتر کرد و بسیاری را وادار کرد تا در مورد پخت پرس داغ تحقیق کنند. مطالعات متعددی اثرات افزودن B، Al، Ni، Fe، Cr و سایر فلزات را بر تراکم SiC مورد بررسی قرار داده‌اند که Al و Fe موثرترین آنها برای ترویج پخت پرس داغ هستند. F.F. Lange عملکرد SiC پخته شده با پرس داغ را با مقادیر مختلف Al2O3 بررسی کرد و تراکم را به مکانیزم انحلال-رسوب مجدد نسبت داد. با این حال، زینترینگ پرس داغ تنها می تواند اجزای SiC ساده شکل را تولید کند و مقدار محصول در یک فرآیند پخت محدود است و آن را برای تولید صنعتی مناسب تر می کند.

مزایا و محدودیت های سینترینگ واکنشی برای SiC چیست؟

SiC متخلخل با واکنشکه به عنوان SiC خود پیوند نیز شناخته می شود، شامل واکنش یک جسم سبز متخلخل با فازهای گازی یا مایع برای افزایش جرم، کاهش تخلخل و تف جوشی آن به یک محصول قوی و دقیق از نظر ابعاد است. این فرآیند شامل مخلوط کردن پودر α-SiC و گرافیت در یک نسبت معین، حرارت دادن به حدود 1650 درجه سانتیگراد، و نفوذ سیلیس مذاب یا گاز به بدن سبز رنگ است که با گرافیت واکنش می دهد و β-SiC تشکیل می دهد و α-SiC موجود را متصل می کند. ذرات نفوذ کامل Si منجر به یک جسم کاملاً متراکم و پایدار از نظر واکنش متخلخل می شود. در مقایسه با سایر روش‌های پخت، پخت واکنشی شامل حداقل تغییرات ابعادی در طول چگالش می‌شود که امکان ساخت اجزای دقیق را فراهم می‌کند. با این حال، وجود مقدار قابل توجهی SiC در بدنه تف جوشی شده منجر به عملکرد ضعیف تر در دمای بالا می شود.

به طور خلاصه،سرامیک SiCتولید شده توسط تف جوشی بدون فشار، تف جوشی با پرس داغ، پرس ایزواستاتیک داغ، و تف جوشی واکنشی ویژگی های عملکردی متفاوتی را نشان می دهند.سرامیک SiCاز پرس داغ و پرس گرم ایزواستاتیک عموماً چگالی تف جوشی و استحکام خمشی بالاتری دارند، در حالی که SiC پخته شده با واکنش مقادیر نسبتاً پایین‌تری دارد. خواص مکانیکیسرامیک SiCهمچنین با افزودنی های پخت متفاوت متفاوت است. بدون فشار، پرس داغ و متخلخل با واکنشسرامیک SiCمقاومت خوبی در برابر اسیدها و بازهای قوی از خود نشان می دهند، اما SiC متخلخل با واکنش مقاومت خوردگی ضعیف تری نسبت به اسیدهای قوی مانند HF دارد. از نظر عملکرد در دمای بالا، تقریباً همهسرامیک SiCبهبود استحکام زیر 900 درجه سانتیگراد را نشان می دهد، در حالی که استحکام خمشی SiC متخلخل با واکنش به دلیل وجود سی آزاد به شدت در بالای 1400 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. عملکرد پرس ایزواستاتیک بدون فشار و گرم در دمای بالاسرامیک SiCدر درجه اول به نوع مواد افزودنی مورد استفاده بستگی دارد.

در حالی که هر روش پخت برایسرامیک SiCمزایای خود را دارد، پیشرفت سریع فناوری مستلزم بهبودهای مداوم در آن استسرامیک SiCعملکرد، تکنیک های تولید و کاهش هزینه. دستیابی به تف جوشی در دمای پایینسرامیک SiCبرای کاهش مصرف انرژی و هزینه های تولید و در نتیجه ارتقای صنعتی شدن بسیار مهم استسرامیک SiCمحصولات.**

ما در Semicorex در این زمینه تخصص داریمسرامیک SiCو سایر مواد سرامیکی مورد استفاده در تولید نیمه هادی، اگر سؤالی دارید یا به جزئیات بیشتری نیاز دارید، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

تلفن تماس: +86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com