Por que elixir a sinterización sen presión para a preparación de cerámicas de SiC?

SiCAs cerámicas caracterízanse por unha alta dureza, alta resistencia, alta resistencia á temperatura e á corrosión, e úsanse amplamente en campos como a aeroespacial, a petroquímica e os circuítos integrados. Dado que a maioría carburo de silicio Os produtos son produtos de alto valor engadido con amplas perspectivas de mercado, recibiron unha atención significativa de moitos países e foron continuamente un foco de investigación no campo da ciencia dos materiais.

1. Proceso de sinterización: sinterización reactiva vs. sinterización sen presión

O carburo de silicio (SiC) é un composto caracterizado por fortes enlaces covalentes, o que lle confire propiedades como alta dureza, alta resistencia, un alto punto de fusión e resistencia á corrosión. Non obstante, estas características estruturais resultan nunha menor taxa de difusión durante a sinterización, o que afecta á densificación do material; polo tanto, son necesarios métodos como o uso de aditivos de sinterización e presión externa para lograr a densificación. Actualmente, realizáronse avances significativos na investigación e aplicación industrial de carburo de silicio sinterizado por reacción e sinterizado sen presión. O proceso de sinterización por reacción para o carburo de silicio é unha técnica de sinterización de forma case neta, caracterizada por unha mínima contracción e variación dimensional durante a sinterización, e ofrece vantaxes como baixas temperaturas de sinterización, estruturas densas de produtos e baixos custos de produción, o que o fai axeitado para a preparación de silicio de formas grandes e complexas. Cerámica de carburo produtos. Non obstante, entre as súas deficiencias inclúense un método de preprocesamento complexo para o corpo en verde e a presenza de contaminantes nos subprodutos. Ademais, o rango de temperatura utilizable dos materiais cerámicos de SiC sinterizados por reacción vese afectado polo contido de silicio libre no material; cando a temperatura supera os 1400 °C, a resistencia do material diminúe rapidamente debido á fusión do silicio libre.

A tecnoloxía de sinterización sen presión do SiC chegou a unha gran madurez, e as súas vantaxes residen na capacidade de adoptar varios procesos de conformado, superando así as limitacións na forma e o tamaño do produto. Co uso axeitado de aditivos, pódese conseguir unha maior resistencia e tenacidade. Ademais, o proceso de sinterización sen presión do SiC é sinxelo e axeitado para a produción en masa de compoñentes cerámicos de diferentes formas. Non obstante, unha desvantaxe é que o po de SiC de sinterización sen presión é máis caro que o SiC sinterizado por reacción, o que resulta en custos de fabricación máis elevados.

O proceso de sinterización sen presión divídese principalmente en dous tipos: sinterización en fase sólida e sinterización en fase líquida. As cerámicas de carburo de silicio sinterizadas por reacción presentan un rendemento deficiente a altas temperaturas en comparación co carburo de silicio sinterizado en fase sólida sen presión, especialmente cando a temperatura supera os 1400 °C, onde a resistencia á flexión das cerámicas de carburo de silicio diminúe drasticamente e non son resistentes a ácidos e bases fortes. Pola contra, as cerámicas de carburo de silicio producidas por sinterización en fase sólida sen presión demostran propiedades mecánicas significativamente mellores a altas temperaturas e resistencia á corrosión contra ácidos e bases fortes que o carburo de silicio sinterizado por reacción.

Investigación sobre o proceso de sinterización sen presión

• Sinterización en estado sólido

As cerámicas de SiC sinterizadas en fase sólida funcionan a altas temperaturas, pero as súas propiedades físicas e químicas son estables; en particular, a súa resistencia non cambia a temperaturas elevadas, o que lles proporciona un valor de aplicación único. Cando se engaden B e C ao SiC, B reside nos límites de gran do SiC, e parte de B substitúe C no SiC para formar unha solución sólida, mentres que C reacciona co SiO2 na superficie do SiC e coa impureza Si. Estas reaccións reducen a enerxía límite do SiC e aumentan a enerxía superficial, aumentando así a forza motriz da sinterización e promovendo a densificación da sinterización. Desde a década de 1990, o método de preparación de SiC sinterizado sen presión utilizando B e C como aditivos aplicouse amplamente en varios campos industriais.

Vantaxes: Ademais dunha pequena cantidade de C residual, non hai fase secundaria nin fase vítrea nos límites de gran, os límites son limpos e o rendemento a altas temperaturas é excelente, manténdose estable ata 1600 °C sen cambios significativos nas propiedades.

Desvantaxes: Non se pode conseguir unha densidade completa; normalmente hai uns poucos poros pechados nos límites triangulares dos grans e o crecemento dos grans pode producirse facilmente a altas temperaturas.

• Sinterización en fase líquida

A cantidade de aditivos de sinterización engadidos durante a sinterización en fase líquida adoita ser de varias porcentaxes, e aínda se pode atopar unha cantidade considerable de óxidos na fase intergranular despois de que a sinterización estea completa. Polo tanto, o modo de fractura do carburo de silicio (SiC) sinterizado en fase líquida é tipicamente unha fractura intergranular, o que demostra unha alta resistencia e tenacidade á fractura. Simultaneamente, en comparación coa sinterización en fase sólida, a fase líquida formada durante o proceso de sinterización reduce eficazmente a temperatura de sinterización.

O/A Al₂O/A₃-E₂O/A₃ O sistema é un dos primeiros estudados e considérase o sistema máis atractivo para os aditivos de sinterización en fase líquida en cerámicas de SiC. Este sistema permite a sinterización por densificación de cerámicas de SiC a temperaturas máis baixas.

1. As mostras foron sometidas a queima soterrada utilizando un leito de po que contiña Al₂O/A₃, E₂O/A₃e MgO. As observacións indicaron que o MgO reaccionaba co SiO2 na superficie das partículas de SiC para formar unha fase líquida, o que facilitaba a densificación por sinterización mediante procesos de rearranxo de partículas e redeposición líquida.
2. Al₂O/A₃, E₂O/A₃, e CaO empregáronse como aditivos para a sinterización sen presión de cerámicas de SiC. En materiais de SiC con contido variable de CaO, o Al₅E₃O/A₁₂ formouse unha fase. A medida que aumentaba o contido de CaO, o CaY₂O/A₄ fase de óxido tamén se forma dentro do material. As fases líquidas de CaY₂O/A₄ e Al₅E₃O/A₁₂ creou vías de permeación rápidas nos límites de gran, mellorando as características de sinterización do material.

Resumo

Os aditivos poden mellorar a densidade das cerámicas de SiC sinterizadas sen presión, reducir a temperatura de sinterización, alterar a microestrutura do material e mellorar as súas propiedades mecánicas. Coa continua investigación en profundidade sobre os sistemas de aditivos, os aditivos desenvolveronse dun sistema dun só compoñente a un sistema de varios compoñentes. Nun sistema de aditivos de varios compoñentes, cada compoñente ten o seu papel único na mellora do rendemento das cerámicas de SiC; non obstante, a introdución de aditivos tamén presenta algúns inconvenientes notables. As reaccións entre os aditivos e o SiC poden producir subprodutos gasosos como Al2O3 ou CO, o que leva a un aumento da porosidade do material. Un dos focos clave da investigación no futuro da tecnoloxía de sinterización en fase líquida para cerámicas de SiC será reducir a porosidade das cerámicas de SiC e eliminar o impacto dos aditivos na perda de peso do material.